空間和時間是事物之間的一種次序.空間用以描述物體的位形；時間用以描述事件之間的先后順序.空間和時間的物理性質(zhì)主要通過它們與物體運動的各種聯(lián)系而表現(xiàn)出來.
在物理學中,對空間和時間的認識可以分為三個階段：經(jīng)典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段.
在經(jīng)典力學中,空間和時間的本性被認為是與任何物體及運動無關(guān)的,存在著絕對空間和絕對時間.牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中說：“絕對空間,就其本性來說,與任何外在的情況無關(guān).始終保持著相似和不變”“絕對的、純粹的數(shù)學的時間,就其本性來說均勻地流逝,而與任何外在的情況無關(guān)”.
另一方面,物體的運動性質(zhì)和規(guī)律,卻與采用怎樣的空間和時間來度量它有著密切的關(guān)系.相對于絕對空間的靜止或運動,才是絕對的靜止或運動.只有以絕對空間作為度量運動的參照系,或者以其他作絕對勻速運動的物體為參照物,慣性定律才成立.即不受外力作用的物體,或者總保持靜止,或者總保持勻速運動.這一類特殊的參照系,被稱為慣性參照系.
任何兩個不同的慣性參照系的空間和時間量之間滿足伽利略變換.在這種變換下,位置、速度是相對的,即相對于不同參照系其數(shù)值是不同的：長度、時間間隔是絕對的,即相對于不同參照系其數(shù)值是不變的,同時性也是絕對的.相對于某一慣性參照系同時發(fā)生的兩個事件,相對于其他的慣性參照系也必定是同時的.另外,牛頓力學規(guī)律在伽利略變換下保持形式不變,這一點符合伽利略相對性原理的要求.
正是這個相對性原理,構(gòu)成了對牛頓的絕對空間概念的懷疑的起點.如果存在絕對空間,則物體相對于這個絕對空間的運動就應(yīng)當是可以測量的,這相當于要求在某些運動定律中含有絕對速度.然而,相對性原理要求物體的運動規(guī)律中必定不含有絕對速度,亦即絕對速度在原則上是無法測定的.萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議,指出過,沒有證據(jù)能表明牛頓絕對空間的存在.
愛因斯坦推廣了上述的相對性原理,提出狹義相對論的相對性原理,即不但要求在不同慣性參照系中力學規(guī)律具有同樣形式,而且其他物理規(guī)律也應(yīng)如此.
在狹義相對論中,不同慣性系的空間和時間之間遵從洛倫茲變換.根據(jù)這種變換,同時性不再是絕對的,相對于某一參照系為同時發(fā)生的兩個事件,相對于另一參照系可能并不同時發(fā)生.在狹義相對論中,長度和時間間隔也變成相對量,運動的尺相對于靜止的尺變短,運動的鐘相對于靜止的鐘變慢,光速在狹義相對論中是絕對量,相對于任何慣性參照系光速都是c.
經(jīng)典力學和狹義相對論都認為一個慣性參照系可以適用于整個宇宙,或至少一個大的范圍.相對于某一個慣性參照系,宇宙中任何范圍中的物體運動都遵從慣性定律.
愛因斯坦在廣義相對論中指出,如果考慮到物體的萬有引力,一個慣性參照系只能適用于一個非常局部的范圍,不可能適用于大的范圍,或全宇宙.如果對于描寫一個局部范圍中的物體來說,某一參照系是慣性的那么對其他范圍中的物體運動而言,它一般就不再是慣性的.
為了描寫在一個大范圍中的運動,對不同局部范圍要用不同的慣性參照系.物體之間的引力的作用,就在于決定各個局部慣性系之間的聯(lián)系.
用幾何的語言來說,各個不同的局部范圍的慣性參照系之間的關(guān)系,可以通過時空曲率來規(guī)定.引力的作用就在于使空時變成彎曲的,而不再是經(jīng)典力學中的無限延伸的歐幾里得幾何的絕對空間,也不再是經(jīng)典力學中的無限延伸的閔可夫斯基空間.
總之,在廣義相對論中,時空的性質(zhì)不是與物體運動無關(guān)的.一方面,物體運動的性質(zhì)要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它另一方面時空的性質(zhì)也決定于物體及其運動本身.
量子論的發(fā)展,對時間概念提出了更根本的問題.量子論的結(jié)論之一就是：對于一個體系在過去可能存在于什么狀態(tài)的判斷結(jié)果,要決定于在現(xiàn)今的測量中做怎樣的選擇.所以,除非一個體系的過去狀態(tài)是已經(jīng)被記錄到了這種情況以外,不能認為體系的歷史是獨立于現(xiàn)今的選擇,而存在于過去的時間中的.
這種現(xiàn)在與過去之間的相互關(guān)系,是與因果順序概念十分不同的,暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應(yīng)是不依賴現(xiàn)在的.另外,量子論還表明,在10¯³³厘米、10¯³³秒這樣小的時空尺度中,描寫事件順序的“前”“后”概念將失去意義.
因此,用時間來描述事件發(fā)生的順序,可能并不總是合用的.空間與時間是事物之間的一種次序,但并不一定是最基本的次序,它可能是更基本的次序的一種近似.