空間
空間（英語：space）為一種抽象觀念，是物体和事件存在並有彼此相對關係的客观形式，也是其具有相对位置和方向的无限的三维范围[1]。口语上，通常指四方上下，与“时间”相对。
经典物理学解释空间为宇宙中物质实体之外的部分，物理空间通常以三个线性维度来构想；而现代物理学解释空间为宇宙物质实体运动所发生的部分，其中相对论将時間與空間一起組成无限的“四维连续体”或四维流形，称为时空，而空间是时空的一部分，时空则是构成宇宙的基本结构。空间概念对于理解物理宇宙至关重要。
人類可以用直覺了解空間，但難以概念化，因此自古希臘時代開始，就成為哲學與物理學上重要的討論課題。空間存在，是運動構成的基本條件。在物理學中，以三個維度來描述空間的存在。相對論中，將時間及空間二者，合併成單一的時空概念。伽利略、莱布尼兹、艾萨克·牛顿、伊曼努尔·康德、卡爾·弗里德里希·高斯、爱因斯坦、庞加莱都研究空间的本质。
概論
[编辑]亞里斯多德將空間定義為事物的「場所」（希臘語：τόπος）。幾何學被用來計算及定義空間。
各種空間
[编辑]哲学中的空间
[编辑]古希腊哲学家柏拉图在《蒂迈欧篇》中提出了“chōra”（空间）的概念，将其视为接受一切形体的容器。亚里士多德在《物理学》中将空间定义为事物的“场所”（topos）。11世纪阿拉伯学者海什木在其《论场所》中发展了空间的几何化概念。[2]
近代哲学中，勒内·笛卡尔将空间视为与物质共延的广延实体（res extensa），认为空间本质上就是物质占据的范围。戈特弗里德·莱布尼茨则主张空间并非独立存在的实体，而是物体之间相对位置关系的总和。他认为空间类似于家族成员间的关系：关系不能独立于人而存在。艾萨克·牛顿反对这一观点，提出了绝对空间的概念：空间独立存在，即使其中空无一物也仍然存在。牛顿的水桶论证试图证明惯性运动（匀速）与非惯性运动（加速）之间存在真实区别，这种区别只能通过参照绝对空间来解释。[3]
伊曼努尔·康德在《纯粹理性批判》中提出空间是“我们心灵的一种属性”：空间不是从外部经验中导出的经验概念，而是人类感性直观的纯先验形式。康德认为关于空间的知识既是先验的（独立于经验）又是综合的（并非仅凭语词定义而为真）。[4]
19世纪，非欧几何的发现从根本上改变了人们对空间的看法。鲍耶·亚诺什和尼古拉·罗巴切夫斯基各自独立发展了双曲几何，波恩哈德·黎曼发展了椭圆几何。这些几何体系否定了欧几里得几何的平行公设，证明空间可能是弯曲的。卡尔·弗里德里希·高斯最早考虑对空间的几何结构进行经验检验，亨利·庞加莱则认为选择何种几何来描述空间是一个约定问题。[5]
阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论将空间与时间统一为时空，并认为引力并非一种力，而是时空几何结构的弯曲效应。2015年，LIGO合作组首次直接观测到引力波，证实了广义相对论的核心预言。[6]
物理学中的空间
[编辑]空间是物理学中少数几个基本量之一。在经典力学中，空间被视为三维的欧几里得空间。爱因斯坦的狭义相对论将空间和时间结合为四维闵可夫斯基空间，其中光速在真空中对所有观测者恒定不变。狭义相对论预言了时间膨胀和长度收缩效应，这些效应已在实验中得到广泛验证。
广义相对论进一步指出，时空在引力质量附近会发生几何形变，即“弯曲”。弯曲的时空用非欧几里得几何来描述。宇宙学观测表明，空间正在膨胀：这一发现被称为哈勃定律。大爆炸理论认为空间在大约138亿年前诞生，并一直在膨胀。宇宙的整体形状（平坦、封闭或开放）仍是宇宙学研究的重要课题。
数学中的空间
[编辑]在数学中，空间被定义为具有某种附加结构的集合。数学空间的主要类型包括拓扑空间（定义了邻域概念）、度量空间（定义了距离概念）、向量空间（定义了加法和标量乘法）以及流形（局部类似于欧几里得空间的拓扑空间）。不同数学空间的理论共同构成了现代数学的几何与拓扑基础。
參考資料
[编辑]- ^ Space | physics and metaphysics. Encyclopedia Britannica. [2020-08-25]. （原始内容存档于2008-07-27） （英语）.
- ^ El-Bizri, Nader. In Defence of the Sovereignty of Philosophy: al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place. Arabic Sciences and Philosophy. 2007, 17: 57–80 （英语）.
- ^ Sklar, Lawrence. Philosophy of Physics. Westview Press. 1992 （英语）.
- ^ Kant, Immanuel. Critique of Pure Reason. 1781 （英语）.
- ^ Carnap, Rudolf. An Introduction to the Philosophy of Science. Dover. 1995 （英语）.
- ^ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters. 2016, 116 (6). doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102 （英语）.
