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06 光空间与时间 Light Space and Time（第1页）

06光、空间与时间Light，SpadTime

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对于罗伯特·格罗斯泰斯特（Rrosseteste）来说，理解光的本质是理解整个世界的钥匙。

格罗斯泰斯特曾担任英国的林肯主教，也是英国牛津大学在13世纪迎接的第一任校长，他非常崇尚古希腊人的作品。

作为当时最主要的思想家之一，他在论文DeLuce（《论光》）中是这样颂扬光的重要性的：“在我看来，光……是最首要的物质形态。

光可以沿任意方向传播，因此一个发光点向各个方向传播的光可以瞬间形成一个任意尺寸的‘光球’。”

对于格罗斯泰斯特而言，光可以用来定义空间：光在传播途中所经过的区域即为空间。

在他看来，如果没有光，就不会有空间，因此，物质以及物质所在空间的定义不可能脱离光的概念而存在。

基于这个信念，格罗斯泰斯特还将光、空间与物质这三者之间的密切联系作了量化。

这样的观点在随后的几个世纪里影响了宇宙学的发展。

时空

牛顿认为，空间这个概念既不需要被承认，也不需要被定义。

他认为空间是一个早已存在的实体，就像是一个舞台，只等着演员上台表演精彩的剧目。

因此，他提出的一系列力学定律中，很多都与物体在空间中的大规模运动密不可分。

与牛顿不同，爱因斯坦则将光放在理解空间概念的核心地位。

他认为可以通过信号从宇宙中一处发送到另一处的速度限制来定义时间和空间，正因为光速是一个确定的值，所以空间和时间这两个概念不可分割。

爱因斯坦的相对论告诉我们，不能单独考虑空间或者时间中的一个，因为我们认知空间与时间时，都是利用对其进行局部测量的方式，但如果在一个正相对我们运动的系统上测量同一空间与时间，测量结果将发生改变，这也是源自光速的确定性。

光与时间、空间这种奇妙的关联是怎么产生的呢？让我们从牛顿空间的概念开始说起。

让我们想象一个脚手架，如图28所示，固定长度的短棍相互连接形成了一个三维立体框架。

牛顿认为，这样的结构早已存在于所有事件发生之前，事实上，所有事件都发生在该结构的某个地方。

因此，只要在结构中确定一个参照点，事件的位置就可以通过参照点与事件之间的短棍数来确定。

那么怎么确定事件的时间呢？在脚手架每个短棍的衔接处放置一个时钟，保证这些时钟在脚手架的任何位置都显示相同的时间，这样我们就可以很容易地确定事件的时间了。

这样的时间被称为“通用时间”

。

图28　图中的“脚手架”

展示了一个代表空间的三维模型，每个格子的边由一个可测量距离的短棍表示。

每一个节点上都有一个时钟，且都是同步的

现在，我们必须提出这样几个问题：首先，我们应该如何造一个可以计时的时钟？其次，我们应该如何确保它们在空间中保持同步？最后，我们应该如何确立长度标准呢？这些问题的答案都与光的属性密切相关。

实际上，我们可以用光来定义长度：一米是光在1299792458秒内在真空中行进的距离，这就回答了上述的第三个问题。

由于长度的定义与时间息息相关，那么就回到了第一个问题：我们造出的时钟到底可以有多精确？

时钟

时钟最重要的特征是它以规则的时间间隔发出信号，并以此为周期不断重复下去。

通过计数两个事件之间相隔的信号数或周期数，我们可以计算出事件之间的时间间隔。

时钟越精确，就意味着每两个相邻信号之间的时间间隔越规则，周期越精准。

老爷钟是一种机械钟，它的周期由钟摆的左右摇摆间隔确定，但是其精度很容易受到温度和湿度的影响。

相比而言，电子手表的周期是依靠石英晶体的振**，其振**频率比钟摆的摆动周期更加规则，因此石英表计时一般比老爷钟更加精确。