五大时空观科学思想探索及研究.pdf

五大时空观科学思想的探索与研究1 朱伟勇，徐喆，于海 东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 (110006 ) E-mail：chn_yuhai@ 摘 要：五大时空观是一种定性的通俗描述，实际上是人类的五大思维方式和观察事物的视 角，是人类原始创新思维的时空谱．第一时空观是通过对勾股定理的描述来说明影响人们思 维方式的平直时空观；第二时空观是牛顿的绝对时空理论，是时空分割的立体三维时空观； 第三时空观是爱因斯坦的相对论理论所带来的弯曲时空观；第四时空观是具有方向不可逆的 熵时空观；第五时空观是混沌与分形理论所带来的破碎分形的稠时空观．以这五大时空观为 主线，纵横几千年的人类文明史，从对时间和空间认识的全新视角出发，深入浅出地阐述了 五种不同的时空观对社会文明进步所造成的不同影响，高度概括了人类思维方式的发展历 程，对科学思想史上惊心动魄的原始创造性思想探索历程作了生动的描述． 关键词：思维；分形理论；时间；空间；时空谱 中图分类号：TP 301. 5 1. 引 言 自古以来，对时间和空间的认识构筑了人类的知识框架．科学与文明的进步是通过人类 对时间和空间认识的深入而推动的．不同的时空观会导致不同的文明与进步，并影响到人类 社会生活的方方面面．人类在探求真理的过程中，充满了大胆的猜想和创造．科学思想史， 也是人类想象的历史． [1] 爱因斯坦写了很多关于时空观的通俗易懂的文章 ．他提出二维空间中发现了时空的弯 曲．接着他开始猜想，可能存在三维空间，它们依旧处在一个嵌套的二维空间里面，人们可 能将三维空间叫超空间，并猜想它的性质．例如，这种空间在欧几里德意义上是平直的，想 象三维空间是有困难的．同理，想象四维、五维、六维，以至多维空间将是更困难的．不仅 考虑这些整数维空间困难，甚至连续维的函数空间更难．但是通过这些猜想，也是提高人们 的科学修养，提高空间思考能力和原始创造力的思维过程． 人们对现实空间认识不断深化，从平直无穷伸展的绝对时空，发展到封闭正曲率与无穷 伸展的负曲率空间．这些新鲜的创造性思维对人类认识论产生巨大的冲击，促使数学思维更 新换代． 爱因斯坦广义相对论指出：在引力场的作用下“时空弯曲”，使牛顿的绝对时空观念受到 冲击，由“平直的欧氏时空”到“弯曲的非欧时空”，这不仅仅是物理学上的一次革命，也是认 识论上一次重要的突破．分形理论的出现再一次说明“物理、几何的直观对于数学问题和方 法是富有生命力的根源”这一哲理的深刻性．“分形的概念”再一次唤起人们对原有欧氏空间 的“测度”和“量纲”概念的转变，促使人们进一步寻找和认识反映自然客观的新空间观． 2. 平直时空观 从最早的人类知识记载来看，我们人类一直在不断地研究时间和空间的问题．当时人类 为了生存和发展．首先要了解宇宙，了解天气的变化，何时下雨、打雷．人类自有文字记载 [1][2][3] 以来，就不断地谈天论地 ． 古巴比伦在毕达哥拉斯出生的一千年以前就大量地使用了毕达哥拉斯定理．可以这么 1 本课题得到教育部博士学科点专项科研基金(编号:20030145030)的资助。 - 1 - 说，在古巴比伦的粘土板上已经有了类似于我们所说的勾股定理和毕达哥拉斯的 a2 +b2 c2 ，说明在四千多年前，人类就开始研究宇宙，研究大地，对自身的生存进行认 真的思考．他们想到了运用太阳的投影，用勾股定理、直角三角形中边的比例关系来测算太 阳的高度等． 希腊人展示出一种可以与推理作用的发现相媲美的、几乎同样富有想象力和独创性的洞 察力．宇宙是以数字方式设计的，借助于数学知识，人类可以充分地认识它．最早提出自然 界数学模式的是毕达哥拉斯学派．毕达哥拉斯学派震惊于这样一个事实，即由定性地看各种 各样的现象都表现出相同的数学性质，可推知数学性质必定为这些现象的本质．他们从数和