物理學中所說的時間與空間
蔡宗儒
引言
我們生活在這浩瀚的宇宙，很自然的就有時間與空間這兩個概念。我們看到山河大地宇宙萬物，若沒有空間，那麼山河大地宇宙萬物要如何安置呢？萬物的變遷，事件的成、住、壞，有了過去、現在、未來之別。所以時間與空間是用來安置或排序一切的萬事萬物。在我們日常生活中，時間與空間的重要性是無法言喻的。不僅如此，當我們透過科學嘗試去描述、認識與瞭解大自然，時間與空間更是重要。在物理學中，沒有一個物理的方程式是不需要時間與空間的。因此本文將以物理學中所說的時間與空間來做一個簡單的介紹，內容包括牛頓的時間與空間，相對論的時間與空間。
牛頓的時間與空間
牛頓認為空間是絕對的(absolute)，時間也是絕對的，時間與空間是各自獨立的存在著。在牛頓的「自然哲學的數學原理」一書中，他給絕對的空間下定義: Absolute space, in its own nature, without relation to anything external, remains always similar and immovable. 「絕對的空間，本質是與外物無關的，是永久保持同樣且靜止的。」也就是說牛頓認為，絕對空間與物質的存在否以及存在物質的種種特性是無關的，是三維度的空間，遵循著歐氏幾何的架構。在物理學描述空間的物理量有長度、面積、體積等等。因為空間是絕對的，所以在相對地面靜止不動的觀察者測量空間中A、B兩點間的距離和相對地面在運動中(譬如在火車上，或是汽車上等)的觀察者測量相同A、B兩點間的距離是一樣的。換言之，若有一根棒子靜置在地面上，相對地面靜止不動的觀察者去測量這根棒子的長度一定與在運動中的觀察者所測量同一棒子的長度是一樣的。
牛頓也給絕對時間下定義: Absolute, true, and mathematical time, of itself, and from its own nature, flows equably without relation to anything external. 「絕對，真實和數學的時間，本質是穩定的流動與外物無關的。」如果時間是絕對的，相對地面靜止不動的觀察者去測量事件A和事件B的時距和相對地面運動中的觀察者所測量這兩事件的時距是一樣的。換言之，若相對地面靜止不動的觀察者測量事件A、B是同時發生的，那麼相對地面在運動中的觀察者去測量事件A、B必然也是同時發生的。
牛頓認為的時間與空間，具備「不受任何影響」的特質，所以是絕對的。因為是絕對的，所以具有共通和一致性，也就是說宇宙只有一個時間和一個空間，而且時間與空間彼此是完全無關的。時間與空間與萬物無關，而萬物存在時空中。
相對論的時間與空間
愛因斯坦在西元1905年提出狹義相對論，徹底的顛覆了牛頓的絕對的時間與空間的觀念。狹義相對論的基本假設之ㄧ是認定光在真空中走的速度大小是不變的。也就是說相對地面靜止不動的觀察者測量到的光速和相對地面在運動中的觀察者測量到的光速是一樣的。當時物理學家對光速不變的實驗結果是非常迷惑的，因為這個結果是違反牛頓的絕對時間與絕對空間。愛因斯坦接受光速不變的實驗結果，並把光速不變當成是一個根本假設。在此假設下他建立了狹義相對論。狹義相對論告訴我們，所謂的兩事件A、B是「同時」發生的同時，是相對的而不是如牛頓所說的絕對的。也就是說相對地面靜止不動的觀察者測量兩事件A、B是同時發生的，相對地面運動中的觀察者去測量相同兩事件A、B不會是同時發生的。狹義相對論告訴我們，若有兩個全同的(identical)時鐘，其中一個相對於我們是靜止的，另一個相對我們是在運動的，那運動中的時鐘會走的比靜止的時鐘慢。換言之，運動中的時鐘走的一秒比靜止時鐘走的一秒要來的長。換言之，在空中飛行的飛機上的人的一秒和地面上行走的人的一秒是不一樣的；即使在同一架飛機上，坐著的人的一秒和走動的人的一秒也不一樣。狹義相對論稱這個叫時間膨脹(time dilation)。至此時間不再是絕對的而是相對的。在空間方面，狹義相對論導出運動中的尺長度會收縮(length contraction)。什麼是運動中的尺長度收縮呢？若有一根尺靜置在地面上，相對地面靜止不動的觀察者去測量這根尺的長度為L0，另一個沿著尺所指的方向運動的觀察者測量同一尺的長度為L，則L會小於L0。也就是說在運動中的尺的長度會比同一尺靜止時的長度來得短。空間中不同兩點間的距離，在不同座標系統的觀察者所測到的距離是不同的，所以空間不是絕對的而是相對的。狹義相對論終結了牛頓的絕對時間與絕對空間。狹義相對論對時間與空間的第二個衝擊是，空間與時間透過光速不變而結合起來，時間與空間不能也不是彼此無關的。
愛因斯坦的狹義相對論之所以稱為狹義，是狹義相對論所研究物質運動的範疇不涉及萬有引力，不考慮加速度的情況。然而在大自然中，任何物質必然受到萬有引力的作用。愛因斯坦在西元1916年提出廣義相對論，廣義相對論研究萬有引力、時間-空間與物質的運動。廣義相對論認為，時間-空間不是平坦的，時間-空間會因為存在時空中的質量和能量的分布而被彎曲。萬有引力只不過是時間-空間不是平坦的所造成的結果。廣義相對論的時空是彎曲的，彎曲的程度是取決於萬有引力的大小。也就是說只要有萬有引力，四維時空就是彎曲的，萬有引力越強的地方，時空彎曲的越嚴重，且這彎曲的空間並不遵守歐氏幾何的架構。廣義相對論也告訴我們，萬有引力越強的地方時鐘走的越慢。而萬有引力是和物質的質量相關的。所以在廣義相對論，四維時空和物質是息息相關的。在廣義相對論發表以前，時空被認為是一個舞台，種種事件在其中發生，而這些事件並不會影響到時空。在廣義相對論，時空必須和物質連結起來，物質的運動會影響著時空；反過來說時空也影響著物質的運動。
除了相對論，二十世紀物理學的另一個偉大的發展是量子力學。量子力學告訴我們基本粒子(如電子、夸克等)具有粒子波動二元性。我們沒有辦法同時準確的得到微小粒子的位置和速度，這稱之測不準原理。那麼在微小粒子的世界，相對論和量子力學要怎麼整合在一起呢？為了解決這問題，物理學家正在發展量子引力理論。
物理學家想要發展一種能描述整個宇宙的理論。物理學家所採取的方式是將整個宇宙的問題分成許多小部份(界定研究範疇)，並且在這些研究範疇內發明理論。每一理論描述和預測都有其範圍限制。這好像是瞎子摸象般，要把部分所得的理論重組起來。更甚的是假如宇宙中的每一事件彼此都是相關，不可分割的，那麼物理學家所採取的方法可能是錯誤的。讓我們回到物理學的時間與空間。我們要注意的是物理學所使用的物理量(例如長度、質量、時間等等)都是操作型定義，也就是說要經由種種條件(操作)後才定義出這些量。若問物理學家時空的本質是什麼？物理學家更有興趣的問題是光速為何是不變的呢？物理學家以時間與空間是用來安置或排序一切的萬事萬物。時間與空間都是相對的，沒有一個絕對的時間也沒有一個絕對的空間。時間與空間彼此不是獨立的，而是相關的，所以就稱為時空。時空是相對的不是絕對的，就表示時空有無限多，每個物體都有其各自的時空。此外時空與物質是緊密相關的，離開物質而談時空是沒有意義的。
師批：
一、時間與空間問題，是古今中外人類知識最重要的問題，不只是物理學中各類解釋，都離不開時空。中外各哲學大師，如蘇格拉底、柏拉圖、孔子、莊子、老子、康德……等，都討論時空問題。連基督教創世紀也是從時空來談「創世紀」的。在佛法的理論開展中，時間與方（空間）是人不能作主宰的，所以稱作「不相應行法」。
二、詳細且周延的將古今中外各門各派所討論的時間知識，作一比較和綜合的解釋，是現代學人在學問上最需要整合的工作。
三、一切的存在，物理的、化學的、生物的、礦物的……都是在互為轉化、互為成住壞空中，它脫離不了這種存在的定律，特別是肉體的色身是如此。而「心」呢？心無常。不管是古典物理學也好、量子物理學也好，不論物理學進展到何種地步，人總是脫離不了用自己的觀念去探索外界的……。當人上月球的時候，大哲學家羅素說：「人在地球活得好好的，你去上月球幹什麼？」研究物理學沒有不好，但在研究中，人的本位在那裡？人類究竟往那裡走？這才是人的最重要問題。
蔡博士此文，值得一讀，料蔡君會繼續鑽研此方面問題。