本文讲解一下科学史上对于时间空间的理解。经验时空观与逻辑时空观。
讲解经验时空观和逻辑时空观之前，得给各位科普两个概念，就是“归纳”和“演绎”。
- 归纳和演绎
- 归纳就是从个别对象的特征总结出共相，也被称为“综合”。举例说明一下，我发现苍蝇六条腿，蚊子六条腿，蜜蜂六条腿，就归纳出所有昆虫是六条腿。
而演绎逻辑相反，是从共相推出个别事物的特征。最典型的就是数学系统，初中数学学的，从公理推出定理，然后根据定理证明某两条直线垂直还是平行就是用的演绎法。演绎在哲学上也被称为“先天”，意思是演绎系统的信息完全来自公理预设与后天经验无关。
在现代科学出现之前，研究自然界的学科分为两派，博物学与自然哲学。这两个学科就对应着归纳和演绎两种逻辑。
达尔文就是博物学家，也是把古代博物学发展成现代生物学的关键人物。达尔文通过观察对比不同动物，提出进化论，这个研究过程使用的就是归纳法。
而牛顿是自然哲学家，同样也是把古代自然哲学发展成现代物理学的关键人物。牛顿力学本身就是一个演绎体系。
说道归纳和演绎我想起了儿时的一个故事。
小时候上自然课的时候，老师布置了一个作业让我们证明昆虫都是六条腿。别人都说“苍蝇六条腿，苍蝇是昆虫”，“蜜蜂六条腿，蜜蜂是昆虫”。我说“桌子四条腿，桌子不是昆虫”。结果老师觉得我的答案太奇葩，发我去教室后面面壁思过。
我一直觉得我的答案才是对的。从逻辑三段论的论证结构来说，应该是“大前提”“小前提”“结论”。昆虫都是六条腿是大前提，苍蝇是昆虫是小前提，苍蝇是昆虫是结论。说“苍蝇六条腿，苍蝇是昆虫”其实是把前提和结论搞反了，从“苍蝇是昆虫”可以推出“苍蝇六条腿”，但是从“苍蝇六条腿”推不出“苍蝇是昆虫”。数学老师教过，一个命题是真命题那么其逆否命题也是真命题。“昆虫都是六条腿”的逆否命题就是“不是六条腿的不是昆虫”，我说的“桌子四条腿，桌子不是昆虫”才是正确的论证。
而且必须要说的是，生物学里的说法是“六条腿的节肢动物是昆虫”，不是“昆虫六条腿”。生物学里的这个说法其实是个演绎逻辑的说法，演绎逻辑的优势在于能够规避黑天鹅事件。归纳逻辑得出的结论不具有普适性，会导致黑天鹅事件的发生。也就是即便你统计了一万只天鹅，发现它们都是白的，你也不能宣称“所有天鹅都是白的”，因为只要一只黑天鹅出现，“所有天鹅都是白的”这个结论就会被推翻。
相比之下，“六条腿的节肢动物是昆虫”这个说法就避免了黑天鹅事件的发生。因为如果发现一只类似昆虫可是不是六条腿的动物，那么这种动物就会被分类到别的纲，比方说蜘蛛、蝎子，长得像昆虫，和昆虫同属节肢动物。可是这些动物八条腿所以就被归为蛛形纲，而非昆虫纲。
2.经验时空观
说完了归纳和演绎，咱们接下来就来解释一下经验时空观和逻辑时空观。
牛顿的时空观是经验时空观，认为时间空间是客观存在，是绝对的、永恒的，且与观察者无关。
如果追溯牛顿时空观的历史可以追溯到古希腊的欧几里得。牛顿时空观的空间部分是基于欧几里得几何构建。
可能有人会提出反对意见，认为欧几里得几何明明是基于公理体系的演绎系统。但是欧几里得几何是归纳体系这事不是我说的，冤有头债有主，这事是数学天才高斯最早提出来的。
受过九年义务教育的都知道，欧几里得几何的五大公理。
（1）任意两个点可以通过一条直线连接。
（2）任意线段能无限延长成一条直线。
（3）给定任意线段，可以以其一个端点作为圆心，该线段作为半径作一个圆。
（4）所有直角都相等。
（5）过直线外一点，有且只有一条直线与已知直线平行。
欧几里得几何的整个体系都是基于这五条公里构建起来的。所以应该是个演绎体系。
但是，高斯发现，五大公理的第五条“过直线外一点，有且只有一条直线与已知直线平行”，仅在平面上成立在曲面上就不成立了。因此，高斯认为，欧几里得几何只是一套仅适用于平面上的归纳体系。高斯的工作被后世数学家黎曼和罗巴切夫斯基发展，逐渐形成了现代的非欧几何。
也是由于高斯理论的影响，牛顿的时空观被称为经验时空观。
再说一下牛顿力学的时间观。牛顿力学认为时间相当于空间的一个维度，空间是三维的，时间就是第四个维度。而时间这个维度与空间维度唯一的不同在于时间维度只能单向运动，也就是时间不能倒流。
3.逻辑时空观
与牛顿针锋相对的就是牛顿生前的宿敌莱布尼茨。这两位不仅在争微积分的发明权，而且在时空观上也是针锋相对。
莱布尼茨的时空观是逻辑时空观，莱布尼茨认为人类的思维中存在因果关系，原因会在结果之前发生，所以时间存在其实是因果关系这种思维方式导致的。而因果关系只存在于语言逻辑这种表征系统中，数学和物理学里不存在因果关系，所以时间是基于语言逻辑构建出来的，是人类主观的认知方式。
举例说明一下就是，事件A如果是事件B的原因，那么事件A就一定发生在事件B之前。
有一部科幻片叫做《降临》，剧情就是基于逻辑时空观。在这部科幻片里，人类学习了一种外星人的语言之后就有了预知未来的能力。既然时间源自语言，是主观的，那么通过学外语，改变头脑中的语言逻辑自然就可以达到预知未来的目的。
其实逻辑时空观在现代有一个现成的案例，就是电子游戏里的时空。电子游戏本质上是计算机程序，计算机程序本质上其实是数学模型。
电子游戏里的时间空间说的通俗一点其实是计算步骤产生的，也就是程序每计算一步时空就走一帧。这里解释一下“帧”这个概念。“帧”是游戏里最小的时空单位。玩过游戏的都知道，像街霸拳皇这样的格斗玩家要研究每个技能帧数，由于游戏画面出现卡顿也叫“掉帧”。“帧”这个词最初是指电影胶片的格，放映电影的时候胶片每走一格，电影里的时空就走一格，所以“帧”就成了时空单位。游戏是个数学模型，帧可以指硬盘或内存里储存数据的空间。游戏是个数学模型，数学模型每计算一步，产生一个新的数据，游戏中的对象就会根据数据产生相应的运动，游戏中的时空就产生了。
逻辑时空观的历史可以追溯到圣奥古斯丁。圣奥古斯丁是古罗马末期著名的基督教神学家。在奥古斯丁生活的年代，基督教在欧洲还没有一统天下，当时一些异教学者反驳基督教的理由就是，“如果说上帝创造了世界，那么上帝创世之前，世界是什么样的”。这里解释一下，沿着基督教的创世说向下推理可以推出世界在时间上存在起点。而基督教之前古希腊的哲学认为，宇宙在时间空间上是无限的，也就是空间上无穷无尽，时间上无始无终。
奥古斯丁对此事的解释是，上帝创世之前不存在时间，而且上帝存的天堂是宇宙之外，一个没有时空的领域，对于上帝而言永远都是现在。也就是说，上帝是being而不是be，上帝的时态是永远的现在进行时。现实世界的时间是因为人类历史的发展体现了上帝的意志，人类的历史的发展就是从亚当夏娃忤逆上帝，发展到人类信仰上帝。如果人类一直信仰上帝就无法体现上帝的意志，因为没有忤逆上帝作为参照系。而从忤逆上帝到信仰上帝的过程需要时间来体现。
而空间也是上帝创造的，上帝创造的世界上有不同的造物，这些物体各自有自己的边界，因此需要空间来安置不同的物体。而上帝在天堂中是唯一的存在。这里解释一下，基督教是一神教，只有一个神，神是“一”而不是“多”。因此在天堂中神是唯一的存在，人灵魂升入天堂就是与上帝合一。既然天堂只有上帝一个存在，那么天堂里就不需要空间来区分不同物体，那么天堂中就没有空间。
综上所述，时间空间也是上帝创造的，上帝创世之前不存在时间。
如果你觉得这套理论太复杂理解不了，你可以想象一下音乐和美术。
音乐是时间的艺术，音乐就是音符在时间维度上的排列组合。音乐里的街拍和小节都是对时间的划分。如果没有时间的流动，音乐的播放和演奏都是不可能的。
而美术是空间艺术。绘画的画面就是一个二维空间，绘画就是不同颜色在二维空间上的排列组合。相应的雕塑就是三维空间的艺术。如果没有空间，美术就不可能存在。
在基督徒看来，上帝创世相当于创作一部小说、戏剧、或者说电子游戏，没有空间就没办法设置角色，没有时间就没办法展开剧情。因此必须创造时间空间。
4.康德时空观和先天综合判断
牛顿时空观统治了近代科学几百年，逻辑时空观主要在哲学界流传，康德的时空观就是逻辑时空观，康德认为时间空间是人类的主观感觉。
康德的时空观基于其提出的先天综合判断。
前文提到过，所谓先天就是演绎，综合就是归纳。
康德认为演绎法虽然能避免黑天鹅事件，但是由于演绎法的所有推论都来自预设的公理，因此不能产生新的知识。归纳法虽然能产生新的知识，但是由于黑天鹅事件的存在，使得通过归纳法获得的知识不具备普适性。因此，康德认为可靠的知识必须同时兼具演绎（先天）和归纳（综合）二者的特点。就是所谓先天综合判断。
康德认为代数和几何是先天综合判断。
康德以7 5=12为例论证。康德认为7和5这两个数字都不包含12的概念，但是却可以从7和5用演绎法推出12，也就是说7 5=12在演绎的过程中产生了新的信息。因此7 5=12既是归纳也是演绎，是先天综合判断。
人类为什么能算出7 5=12，是因为人类会数数。而按照康德的观点，数数的能力和时间有关，人类是像钟表计时一样随着时间流动数数的。说句题外话，钟表是在康德生活的时代被发明并且逐步在欧洲普及的，康德的思想很可能是受了环境影响。
康德对空间的解释基本上继承了欧几里得的几何学。不过和牛顿的不同在于，康德认为几何学是演绎体系。理由就是欧几里得几何学拥有作为逻辑起点的公理系统。
康德认为时间和空间是主观的。因为人类没办法想象没有时间空间的世界。而且人类的语言和思想必须依赖时间空间才能存在。
在此基础上康德进一步认为，自然界本身只是一堆混乱的信息，人类通过时间（代数）空间（几何）来对这些信息进行编码，使世界有了秩序，这就是康德所说的“人为自然立法”。
不过康德的理论遭到了高斯的反驳。上文说过，高斯指出了欧几里得几何学本质上是归纳系统，不是康德所说的演绎系统。
另一方面，现代代数是一套纯演绎体系，不含任何归纳成分，因此不是康德所说的先天综合判断。现代代数是基于皮亚诺公理的演绎系统。
皮亚诺公理：
（1）0是自然数；
（2）每一个确定的自然数a，都有一个确定的后继数a'，a'=a 1，a'也是自然数（一个数的后继数就是紧接在这个数后面的数，例如，1的后继数是2，2的后继数是3等等）；
（3）对于每个自然数b、c，b=c当且仅当b的后继数=c的后继数；
（4）0不是任何自然数的后继数；
（5）任意关于自然数的命题，如果证明了它对自然数1是对的，又假定它对自然数n为真时，可以证明它对n'也真，那么，命题对所有自然数都真。（这条公理保证了数学归纳法的正确性）
按照皮亚诺公理，7 5=12是7之后的第五个后继数是12，因此7 5=12是纯演绎，而不是康德所说的先天综合判断。进而整个代数体系都是演绎体系，而不是先天综合判断。
5.爱因斯坦的相对论
但是逻辑时空观在爱因斯坦时代又在科学界复活了。相对论的时空观其实是逻辑时空观。描述电磁波的麦克斯韦方程组可以推导出电磁波的速度，也就是光速。麦克斯韦方程组推导出的光速没有参考系。现实中经验到的事物运动速度都是相对的，可是光速是绝对的，在所有参考系下恒定。从光速恒定就可以推出相对论的时空扭曲，推理方法物理教科书里有，我这里限于篇幅，简单转述一下狭义相对论的推理过程。
这里就得再深入的分析一下牛顿力学的时空观。牛顿力学认为时间空间是绝对的、客观的，而且与物体的运动状态无关。
而另一方面在牛顿的力学体系里，运动是相对的，存在参考系。
这就是初中时候学的。我在车里向前走，你在地面上看我，我相对于你的速度就是我走的速度 车速。
后来科学家开始研究“电”和“磁”。尤其是到了麦克斯韦的时代，麦克斯韦提出了麦克斯韦方程。
统一了“电”和“磁”，并提出了电磁波的概念，还预言光是一种电磁波。
物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的观点。可问题恰恰就出在这里，麦克斯韦方程是不需要参考系的，说白了就是：
电磁波速度，或者说光速是不需要相对于某个参考系而言的。在任何惯性参考系下，光速都是3×10^8m/s。
这就和牛顿力学是相互矛盾的。可是，牛顿力学是那么正确，观测和理论完美的匹配。而麦克斯韦方程也同样坚如磐石，能够很好地解释电磁现象。
解决这个矛盾的人就是爱因斯坦。爱因斯坦提出，既然光速是不变的，那么变的只能是时间空间。这就是时间空间的相对性。
（以下部分内容图片引用自百度科普up主钟铭聊科学的科普文章，有删节）
我们也来向爱因斯坦学习，玩一玩思想实验。首先，我们可以想象一下，有两列大小一模一样的火车，它们相向而行，并且相对于地面速度的大小是一样的。
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只不过两个火车不是在同一个轨道上，而是双层的平行轨道，一辆火车在上面，另一辆在下面。我们规定，“事件A”是上面火车车头和下面火车车尾相遇；“事件B”是下面火车车头和上面火车车尾相遇。
那么，问题来了，到底是"事件A“先发生，还是“事件B”先发生呢？
当然，如果你是在地面上看，两个事件确实是同时发生的。
但是，如果你是在上面的火车上，那下面的火车相对于你是有运动的。上面我们也讲到了尺缩效应。所以，你看到的是：下面的火车比你所在的火车要短一些。因此，你看到的场景就会是这样：
也就是说，在上面的火车里看到的是："事件A“发生在前，“事件B”发生在后。
如果你是在下面的火车上，那上面的火车相对于你也是有运动的。还是因为尺缩效应。所以，你会发现上面的火车比你所在的火车要短一些。所以，你看到的场景应该是这样：
也就是说，在下面的火车里看到的是："事件B“发生在前，“事件A”发生在后。
不过，这里要注意一点，只有速度非常大的时候，越接近于光速，这种效应才会越明显。低速的情况下，我们肉眼根本看不出任何差别来。
因此，“同时”也是一个相对的概念，都是基于参考系而言的，不同的参考系，情况是不同的。
基于这样的认知，爱因斯坦曾经的数学老师，闵可夫斯基提出了“光锥”的概念。
我们可以基于任意事件建立一个坐标系，横坐标代表空间，纵坐标代表时间，画出关于一个事件在坐标系中的时空位置。
要注意了，这个光锥是专门针对事件而言的，未来光锥指的是：
现在对未来的事件的影响。
比如，下图中此刻的事件A，就很有可能对事件B产生影响。
而过去光锥指的是
对现在有影响的过去事件。
意思是说，只有发生在“过去光锥”之内的事件，才会影响现在。在“过去光锥”之外的过去事件，由于光速的限制，还无法对现在产生影响。
比如：我写下这篇文章是事件A，而你看到这篇文章则是事件B。
所以，有一句很有名的话是这么说的：
光锥之内就是命运。
所有现状，都是过去光锥的事件导致的，而过去的事件已经发生，我们根本无能为力去改变。如果更进一步，我们会发现，我们永远无法活在当下，因为我们所谓的“当下”都是过去造成的。
举个例子，你照镜子，你看到的其实是过去的自己，而不是现在的自己，这是因为你的脸反射光到镜子上，镜子再反射光到你的眼睛里，光走过这段路程需要时间，因此，你看到的其实是过去的自己。
也就是说，你看到的所有事件其实都是发生在过去的，过去的事件影响到当下是需要时间的；而当下发生的事件影响的不是当下，而是未来，这就是时间光锥给我们的启示。可以说，爱因斯坦通过狭义相对论只统一了时间和空间。
爱因斯坦说，不仅仅时间与物体的运动状态有关，空间也是这样。我们还拿刚才的飞船来说事。同样是一段距离，由于时间膨胀效应，我们在地面上看可能需要2秒才能走完，但是在飞船中的人，1秒就走完了。而且无论是飞船中的人还是地面上的人，飞船相对于这段距离的飞行速度都是一样的。这就说明，飞船上的人看到的这段距离其实要比地面上的人更短一些。这就是长度收缩。
如果飞船是以0.1倍的光速飞过，地面上看到飞船的情况就是下面这样：
如果飞船是以0.8倍的光速飞过，那飞船就会变短，
如果飞船是以0.95倍的光速飞过，飞船还会变得更短。
所以，我们会发现，速度越接近于光速，长度收缩得越严重。这说明：
空间与物体的运动状态有关！
（引用结束）
爱因斯坦的相对论证明了运动会导致空间扭曲。
至于怎么表征时空扭曲，数学里有现成的理论模型就是黎曼几何。欧几里得几何五大公理里面有一条“过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行”，黎曼几何将这条公理改成了“过直线外一点没有直线都与已知直线平行”也就是所有直线都相交。这样就构建起了一个向内扭曲的空间，这个空间是有限大的，而且由于所有直线都相交，所以朝一个方向走直线会回到起点，就像有些电子游戏里从屏幕的左边走出去会从屏幕的右边走回来，因此也就不存在空间的外面是什么这种说法。
此外，爱因斯坦还论证了加速度引起的空间扭曲和引力引起的空间扭曲是等价的。在相对论的理论体系中，引力不是力，而是物体质量导致的空间扭曲。这就给科学家设计实验验证相对论提供了可能。科学家可以通过测定光线在接近大质量天体时是否会发生弯曲来确定相对论是否正确。
归纳和演绎在现代科学中可以通过试验结合在一起。相对论的时空观通过在日食时测量光线扭曲得到了验证。
因为空间只能在更高维度中扭曲，比方说一个二维的平面，把它想象成一张纸好了，可以在三维空间中被扭曲成一个莫比乌斯环。既然我们所处的三维空间是扭曲的那么可以推论出存在四维空间。
如果说牛顿的时空观是客观绝对的，康德的时空观是主观相对的，那么爱因斯坦的时空观就是客观相对的。
6.宇宙是有限的还是无限的
本文的最后，我想说一个比较大的问题。宇宙是有限的还是无限的。
如果一个人和你说宇宙是有限的，那你基本可以确定这个人对近现代物理学有一定的了解。
可是如果一个人和你说宇宙是无限的，那情况就复杂了，他可能对现代物理一无所知，也可能是个少林扫地僧级别的高手。
上文中说过，通过观测宇宙中的光线可以确定空间是否扭曲。
既然爱因斯坦广义相对论相对论以及相关的观测证实物质可以弯曲它周围的时空。宇宙中蕴含着很多巨大天体以及不计其数的质量和能量，这些质量和能量可以扭曲空间，使平行线相交。所以爱因斯坦认为宇宙终将闭合成一个三维的球面。
2013年底，科学家通过重子震动分光镜勘测器（Baryon oscillation spectroscpic survey）对来自遥远星系的光进行探测，发现这些光线几乎没有任何弯曲。这就表明宇宙里的平行线永远不会相交，宇宙中的三角形内角和是180度。
既然如此，严谨一点的说法是宇宙曾经是有限的，现在大概率是无限的。宇宙大爆炸会让空间加速膨胀，膨胀到一定程度，空间曲率变成零，宇宙就从有限变成了无限。
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