时空

在物理学中，时空（）又稱時空連續體（）、时空连续统，是一数学模型，其将空间的三个维度和时间的一个维度合并成一个四维流形。时空连续性是指时空无限可分性。

时空图则用来可视化相对论效应，例如为什么不同的观察者对事件于何处与何时发生有不同的感知。时空是一種基本概念，分别屬于物理學、天文學、空間物理學和哲學。并且也是这几个学科最重要的最基本的概念之一。

空间在力学和物理学上，是描述物体以及其运动的位置、形状和方向等抽象概念；而时间则是描述运动之持续性，事件发生之顺序等。时空的特性，主要就是通过物体，其运动以及与其他物体的相互作用之间的各种关系之汇总。

概要
时间和空间是人类文明最为古老的概念之一。可追溯至远古时期，人类的耕作、放牧等日常劳动都需要测量土地、顺天时，这就产生了最基础的时空概念以及度量方法。古代就有“上下四方謂之宇，往古來今謂之宙”的说法。这里的“宇宙”也就是时空的理念。这也就是诞生了最原始的一维时间和三维空间，并发展同宇宙产生联系。

近代科学，无处不涉及时空的概念和测量方法，特别是文艺复兴以来，经典力学、物理学和天文学在对时空的认知上基本可以分为两条不同但相交的线索：

:其一，以牛顿和麦克斯韦的重要理论——经典力学和经典电磁学为代表的时间-空间概念，经历爱因斯坦的狭义、广义相对论，再到现代宇宙论。
:其二，从牛顿力学经过量子理论、量子力学以及量子场理论，再到量子引力、超弦或M理论。

但物理学对于时空的认识还存在不少基本问题尚待解决，还需要进一步完善和发展。

理论
牛顿的绝对时空概念
绝对时空
利用欧几里得几何，测量出长方体的长、宽和高，便能算出其体积。也即是选择一个可以忽略大小的静止的参照物，只要得知需要计算物体与其的上下、左右和前后距离，就可以利用欧几里得几何计算出。

在描述运动上，需要得知瞬时的速度、加速度和所处位置，这就抽象出一维时间和三维空间的坐标系概念。所以要描述物体的运动，就需要选择一个可供参考的坐标系，为此，艾萨克·牛顿就创造出四维绝对时空的概念，绝对时间均匀流逝，绝对空间符合三维欧几里得几何。绝对时空的本性与任何具体物体以及运动状态无关。选择相对于绝对空间的静止或匀速直线运动为参照所得出坐标，就是惯性参考系。。

所以，其一，物质的运动所产生的能量-动量作为引力场的源头，通过场方程确定引力场的强度，即时空的弯曲度；其二，弯曲时空的几何特性也同样决定着物质运动的性质。

例如在太阳系中，太阳作为这个引力场的源头，它的质量使得整个太阳系的时空发生弯曲。而越靠近太阳，其运动性质受到影响就越大。所以，水星的运动轨迹就受到太阳的影响。而其他恒星所发出的光线在经过太阳边缘时也发生了偏转等。实际观测也证明了广义相对论的正确。

但广义相对论也存在着挑战，20世纪中期的研究表明，就是在特定的条件下，广义相对论会让时空出现“奇点”。在奇点处会让引力场失去意义。

宇宙之演化中的整体性
人类对时空认识一直都与宇宙密切相关，而宇宙学原理和爱因斯坦引力场方程就是现代认识宇宙的基础。宇宙学原理认定宇宙是一个整体的，它在时间上是不断变化的，即时间箭头，而在空间上却是均匀的。

20世纪中期，宇宙大爆炸的模型成功的解释了河外星系红移，也解释了夜晚的天空是黑色的，这就是宇宙微波背景辐射。计算预测出的宇宙的演化、星系的形成、轻元素的丰度等在天文观测上也是大体一致的。便解决牛顿体系没有给出宇宙图像的问题。

虽然认识到宇宙是在演化中的一个整体，但是，那个奇点却处在宇宙大爆炸的起始、星系或黑洞的中心。

这样的宇宙时空就不会是平坦的，而是呈现出正的常曲率时空。但这个正的常曲率时空，不仅仅在超弦理论或M理论上有着原则性的差别，就连通常意义的量子场论、量子力学，更甚至连经典力学也都出现了疑难。这是因为在理论上没有一个可公认的方法自洽地定义物理上的可观测量。而且宇宙常数为什么这样小，也是一大难题。

参见

• 四維矢量
• 閔可夫斯基時空
• 参考系拖拽
• 空穴論證
• 流形
• 洛伦兹协变性
• 广义相对论中的数学
• 度量空间
• 相對同時
• 数学宇宙假说

参考