阐释时间、空间、物质、能量的本质
阐释时间、空间、物质、能量的本质
时间、空间、物质、能量的概述
宇宙是由时间、空间、物质和能量所构成的统一体。
宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中。宇宙是多样又统一的，多样在物质表现状态的多样性，统一在于其物质性。
有些人认为，时间和空间不是永恒的，而是从没有时间和没有空间的状态产生的。根据现有的物理理论，在小于10－43秒和10－33厘米的范围内，就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量，因此时间和空间概念失效了，是一个没有时间和空间的物理世界。这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的。正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样，今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观。由于在大爆炸后10－43秒以内，广义相对论失效，必须考虑引力的量子效应，因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源。这些工作都是有益的，但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式，而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在。
对物质，人们的认识比较模糊，最明显的是自然科学与哲学中的物质概念就不一致。而对能量的认识更是存在许多分歧。那么什么是能量？能量与物质有什么联系呢？简单地讲，能量是客观存在的，它是宇宙存在的最普遍形式与表现。换言之，宇宙完全是由能量形成的。能量的表现形式多样，暗物质、暗能量、电磁能量场、物理能、化学能、物质等都是能量的表现。能量可以分为三类，一类是较稳定的、难以观测的非物质形态类的“气”能量，这类物质包括暗物质、暗能量；另一类是极不稳定的、较难观测的电磁能量，包括热能、意识能、物理化学能等；最后一类才是较稳定的、易观易测的物质（能量），这类物质种类繁多，丰富多彩的世界主要是靠它来表现。物质是能量的聚积体、载体，物质的一切特性都是通过能量来表现的，其中物质做功的能力实质就是能量运动、转移的过程。因此不仅物质是“能量”，而且从属于物质特性的能量也是“物质”，当然它更是能量。
一、时间的本质是什么
我们经常问“现在几点了？”“现在是什么时间？”然而细想一下，时间是什么？文学家说，时间是铁面无私的法官；企业家说，时间是金钱；医生说，时间是生命。诸如此类说法，均涉及人的情感。那么我们平时看到的时钟、手表的秒针、分针、时针在“兜圈”，就能代表时间吗？其实这些只是我们把时间转换成了一种直观的、易理解的方式而已。只有科学家才是关于时间的最公正的裁判。
到目前为止，科学家已认识到时间具体有两重性：对称性（或可逆性）及其破缺（或不可逆性）。对称性时间源自牛顿力学，按照这种时间观，现在、过去、未来是没有区别的，如行星无休止的圆周运动，钟表指针圈复一圈及气候春夏秋冬年复一年的循环。
19世纪中期，英国的开尔文等发现了热力学第二定律。按照这个定律，物质和能量只能沿着一个方向转换，即从可利用到不可利用，从有效到无效，从有秩序到无秩序。如煤燃烧后，成为无法生热的煤灰，并向大气层放出二氧化碳等废气。这就意味着时间对称性的破缺，宇宙万物从一定的价值与结构开始，不可挽回地朝着混乱与荒废发展，不同时刻的价值与结构不相同。第二定律揭示了一种时间“退化”的非对称性。
时间的本质是什么？
几乎与此同时，进化论者发现了发生在生物界和人类社会的时间对称性破缺，创立了进化时间观。达尔文认为，地球上的生物处在不断进化之中，从简单到复杂，从生命的低级形式向高级形式，从无区别的结构到互不相同的结构。马克思认为，人类社会是逐渐由低级向高级，向更加完善更加有序的阶段发展的。与退化论者恰成对照，进化论者的这些发现是令人十分乐观的：随着时间的流逝，宇宙将进化得越来越精美，不断地向更高水平发展。
在一个受精卵发育成人的过程中，体内的组织逐渐从简单向繁多精密发展。从脱离母体到成年（约20～35岁），人体器官逐步向功能完善发展。从成年到40岁左右，人体各器官的功能基本保持不变。此后，人体各器官的功能逐渐衰老，直至生命的消失。时间伴随了人一生的全过程，从人的一生依稀可见时间的进化性、对称性和退化性的缩影。
20世纪40年代的大爆炸模型和20世纪80年代的爆胀模型揭示了时间在宇宙尺度上的对称性破缺：约200亿年前，宇宙还是一个质量密度无限大的“奇点”，一次巨大的爆炸，并经过200亿年的近光速膨胀，形成了现在的宇宙，且还在膨胀。在基本粒子领域，美国科学家克罗宁和菲奇发现了时间对称性自发破缺的现象：C介子在衰变过程中，对于空间反射和电荷共轭变换不守恒，从而说明了时间反演对称性自发破缺。
与此同时，时间还具有周期性和参照性。时间的引入是我们可以同时观察到不同的进程，进而在不同的进程中对比出快慢先后。人类利用看起来周而复始的时间来做标准，来描述物体的发展变化过程，如四季变化、日月星辰的交替，导致宏观的时间变化成了相对论时间。当然，不可否认时间也是具有同时性的，是人类所选的参照物的不同才让时间有了运动感。
爱因斯坦曾认为，时间不过是人的主观“幻觉”而已。如上所述，时间是具有客观性。但不可否认，时间确与人的主观性有联系。尽管现代科技相当发达，可是时间机器仍是人类的一大梦想，因此，搞清楚时间的最终本质是科学家的一大愿望。
二、空间的本质
任何事物都处在一个空间的范围之内，离开了空间，这些事物将不会存在，空间是具体事物的组成部分，但是空间作为一个抽象的物质概念来说，它又是无物，这样看来对于空间的研究似乎十分具有矛盾性。那么空间究竟是一个什么样的概念呢？揭开空间的奥秘必定在物理学方面具有十分重要的意义。
哲学中空间的概念
在哲学中，空间被定义为：空间是具体事物的组成部分，是运动的表现形式，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象，是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体，是存在于世界大集体之中的，不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。
空间是具体事物的组成部分，是具体事物具有的一般规定。眼睛可以看到、手可以触到的具体事物，都是处在一定空间位置中的具体事物，都具有空间的具体规定，没有空间规定的具体事物是根本不存在的。
人存在于地球的空间自然环境之中，地球存在于太阳系的空间环境之中，太阳系存于于银河系的空间环境之中，银河系存在于宇宙的空间环境之中，大爆炸形成和产生的宇宙也有时间和空间的具体规定，也是存在于具体时间和具体空间之中的具体事物。脱离了一定空间位置规定的地球、太阳、银河系、宇宙，就不是人们所指称的同一个具体的地球、太阳和银河系了。
空间是运动的存在和表现形式。
运动有两种具体的表现形式：行为和存在。行为是相对彰显的运动，存在是相对静止的运动。
具体事物只有在一定的空间里才能存在。一滴水、一粒沙、一个原子、一线光都存在于一定的空间里，都有一定的空间。
位置作为表现形式。一切具体的行为、现象、事件都在具体空间里发生、发展和结束，都以具体的空间规定作为表现形式。
空间不仅是具体事物存在的表现形式，而且也是抽象事物存在的表现形式。
运动是具体事物的表现形式，是具体事物的组成部分，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象。空间是运动的组成部分，是运动的表现形式，是人们从行为和存在中分解和抽象出来的认识对象。所以可以十分准确地说，空间是人们对具体事物进行多次分解和抽象，从具体事物中分解和抽象出来的认识对象。
空间是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体。
绝对抽象事物或元本体是每个具体事物和每个相对抽象事物共同具有的一般规定、规律、性能和本质，是人们从每个具体事物和相对具体事物中分解和抽象出来的认识对象。
相对抽象事物或元实体是个别具体事物或个别种类的具体事物分别具有的特殊性规定、规律、性能和本质，是人们从不同个体、不同种类的具体事物中分解和抽象出来的认识对象。
物理学中空间的概念
事物都是可以一分为二的，空间也不例外。空间是具体空间和一般空间组成的对立统一体。
什么是具体空间？具体空间是有具体数量规定的认识对象，是有长、宽、高三维规定的空间体，是一般空间的具体存在和表现形式，是存在于具体事物之中的相对抽象事物或元实体。
什么是一般空间？一般空间是没有具体数量规定的认识对象，是无长、宽、高三维限制的空间体，是具体空间的本质和内容，是存在于具体事物和相对抽象事物之中绝对抽象事物或元本体。
空间是存在于世界大集体之中的不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。
世界是具体事物组成的统一体。个别具体事物是存在于世界大集体之中的，可以被人的感觉器官感到的普通个体成员。
具体事物是包含许多规定的认识对象，是多种规定的总和，是多样性的统一。人们通过对不同个别具体事物的比较，可以发现每个具体事物分别具有的特殊性规定和普遍性规定，然后把具体事物具有的特殊性和普遍性规定，从个别具体事物中分解和抽象出来并加以冠名，由此形成和产生了不可被人感到但可被人知道的各种各样的抽象事物。
抽象事物是具体事物的组成部分，是具体事物具有的各种规定、性能和本质，是具体事物被人的思维层层分解和逐级抽象形成和产生的分解体，是存在于具体事物大集体之中的普通个体成员。
空间是普通名词表述的抽象事物，它同普通名词表述的其他抽象事物一样，都是不能被人的感觉器官感觉到的认识对象。人的眼睛不能看到抽象一般的人、山、水果，人的手也不能触摸到抽象一般的工具、没有温度的水，没有硬度的石块。空间同人、石块、水果、工具、水都是不可被人感到但可被人知道的抽象事物，都是具体事物家庭集体中地位平等的个体成员。
世界是具体事物组成的统一体，个别具体事物是世界大集体中的普通个体成员。抽象事物是具体事物组成部分，是具体事物的家庭成员，因此，每个抽象事物都是世界的组成部分，世界存在与每个具体事物和每个抽象事物之中，每个具体事物和每个抽象事物都是存在于世界大集体之中的具有自身规定的普通个体成员。
对时间和空间的本质的总括
时间和空间具有共同的规定和本质，它们是相互联系的统一体。
（1）时间和空间同属于抽象事物，它们具有共同的来源，都是人们从具体事物之中分解和抽象出来的有关规定组成的认识对象。
（2）时间和空间都是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体。
（3）一般时间和一般空间是名称不同，内涵和外延完全相同的同一个绝对抽象事物或元本体
（4）具体时间和具体空间都具有数量的规定性。具体时间和具体空间是密不可分的统一体。
一个具体事物不仅同一定数量规定的具体时间段相联系，而且也同一定数量规定的具体空间体相联系。一定的具体时间段必定同一定的空间体相统一。具体时间离不开具体空间，具体空间也离不开具体时间。个别具体事物具有的时间和空间规定，可以用平面几何学坐标系上的一个坐标点来表示，时间和空间就是横竖坐标轴，每个具体事物具有的时空规定坐标点同时空横竖坐标轴具有垂直对应的关系。
时间和空间也具有不同的规定和特征，它们是相互对立的不同认识对象。
（1）时间和空间具有不同的数量单位。时间的单位是年、月、日、时、分、秒等，空间的单位是平方米、平方千米、立方米、立方分米、立方厘米等。
（2）时间和空间具有不同的维数特征。时间的特征是一维的，空间的特征是三维的。
时间和空间是两个不具体的抽象概念，研究时间和空间的本质问题，对于了解宇宙万物的发展变化等各方面是十分有帮助的。
三、物质的本质
宇宙很大，在宇宙中所包含的物质也有很多，但是，在这些繁琐的物质中，它们有什么特性没有，一切物质的本质特征又是什么呢？
世界是物质的，物质是运动的，因而物质和时空是不可分的，离开物质的时间和空间是毫无意义的，脱离时空的物质也是不存在的，物质在时空中的运动变化决定了万物的千姿百态。尽管万物的具体形态纷繁复杂、无穷多样，科学却发现了万物的三种最基本的存在形式和特征，即物质、能量和信息，宇宙中一切物质系统都是由这三个基本要素组成的，三者从本质上是相互区别的，在具体事物中又是不可分割的三个组成部分。当今世界上各门科学归根到底研究的都是它们在时空中的变化规律和内在本质。
哲学上讲的物质和物理学上讲的物质概念是不一样的，不过随着人们实践能力的提高，物质概念最终一定会达到统一的。
哲学上的物质其实是针对绝对时空而言的，揭示的是物质的真正本质。通过前面对时空本质的阐述，我们可以认为哲学上物质的完整含义是：“物质是在绝对空间中占有体积，具有质量、能量和信息，并为人的意识所反映，同时又能被意识反作用的客观存在。物质既不能被创生，又不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。”
物质的根本特性是客观实在性，所以它可以用质量来度量，这里的质量同物理中的质量概念既有区别又有联系，它有物质的数量的含义，而物理学中质量是物体惯性大小的量度。一般情况下，物质的数量越大惯性也越大，我们可以认为这时的惯性就是物质数量多少的度量。在绝对空间中任何物质都是具有质量的，宇宙中全部物质的质量是一个恒量，即物质的总数是不变的。物质在相对空间中可以静止，也可以运动，运动速度可以很慢，也可以很快。但在绝对空间中物质却是永恒运动着的。
现代物理学研究的则是相对时空中的物质，认为看得到摸得着或通过仪器直接观察到的在相对空间占有体积、具有质量的就是物质，它运动的速度只能低于光速，还可以在相对空间长时间静止，甚至能被消灭或创生，因而有物质湮灭和质能转换的说法，并导出质能联系方程式E ＝mc2，从方程式中可以看出，物质有多大质量就能转化为多大的能量，能量被物质吸收后总能找到对应的质量，物质损耗质量时总能找到对应的能量。
如果我们掌握了物质的本质，就应该明白，物理学中所谓的物质湮灭，实质上是物质存在形态上的改变，即它从一种有形物质变为另一种无形物质，并没有在这个世界上消失，它永远存在于绝对空间。当自然界中的宏观物质获得能量达到一个极值时，就会引发它本来蕴藏的巨大内能，从而使其解体疏散化为更加微细的特殊物质（各种基本物质和能量）融入相对空间中（有形化无形），具有能量的相对空间在一定的条件下又可以转变成聚集态的宏观物质，这就是常规物质的隐显变化过程，我国古代先哲早就认识到这个规律，“聚则成形，散则成气”就是对此现象的生动描述。
天地万物通过不断地交换能量和聚散能量，使静止变运动，运动变静止，有形化无形，无形变有形，这就造成了大千世界的风云变幻和千姿百态。尽管宏观物质形态变化无常，种类繁多，科学家却认为它们都是由为数不多的相对稳定的基本粒子组成的。
人类很早就在探索组成万物的基本成分是什么，大约2500年前，希腊哲学家德谟克里特等人认为物质是由一些不可再分的称为原子的粒子组成的，在20世纪三四十年代西方科学提出了“基本粒子”这一名称。当时指的是已知的质子、中子、电子、光子，其后一二十年中，又陆续发现许多粒子，包括μ子、中微子、各种介子、超子以及所有已知粒子的反粒子共有百余种。20世纪60年代，许多科学家纷纷提出关于“基本粒子结构的各种模型，其中最成功的是1964年盖尔曼和茨威格，同时独立地提出夸克模型，1965～1966年间我国高能物理工作者提出关于强子结构的层子模型，认为夸克之类基元是一种实体性的粒子，而且是微观世界某一层次的特征，称为层子，并为此做了不少理论工作。科学家们虽然经过不懈的努力，但至今未能找出一个孤立的夸克，却在探索过程中寻找出300多种基本粒子，将微观层次的研究逐渐推向极点。越来越多的事实证明基本粒子并不基本，它们也是由更加微小的物质组成，对此，中国古人早有见解，哲学家公孙龙曾经用“一尺之棰，日取其半，万世不歇”的形象比喻表达了物质无限可分的深奥哲理，从数学上也可以证明，一个大于零的数，不论它多么小都可以一直分下去，直到永远。理论上物质是无限可分的，实际上当今科学只能将物质分解至光子这一层次（场态物除外），再往下分则无能为力了。在此方面，还是古老东方的生命科学家技高一筹，他们以人体自身这个宇宙间最精密最灵敏的仪器作为实验工具，凭借超凡的直觉力和洞察力，内视体察到天地万物的原始物质是一种相对稳定却又不断变化着的极其精微的物质，他们把它叫“炁”，这种物质仍然具有能量、包含信息，故又称为“混元气”，“炁”既有粒子特性又有波场的特性，它存在于一切物质之中，又在一切物质之外。
“炁”是某一时空层次中的基本物质，故能万古长存，它保持稳定的方式同宏观物质系统一样，也是依靠不断地和外界交换物质能量信息（不过这些物质能量比现代科学上的物质能量更加细微），同时依靠这种方式与外界保持着普遍联系，因而混元气又是不断变化着的，并且具备多种特性，内部信息成分不同的“炁”可以组成各种基本粒子和自然力，再通过这些基本粒子和自然力的相互作用就产生了小至原子分子，大至天体星系的一切人们所能感知到的现实物质。
物质是不依赖人的意识并能为人的意识所反映的客观事物，整个世界是客观存在的物质世界。了解宇宙物质的本质特征的奥秘对于掌握物理学中的物质转换等具有很好的指导意义。
四、能量转化的本质
能量是一种客观存在，自然界的万物都是它的表现形式。与物质都存在反物质一样它也有相对的反能量。当他们相遇时系统就恢复平静了，就什么都没有了，就不存在了。
能量以多种形式出现，包括辐射、物体运动、处于激发状态的原子、分子内部及分子之间的应变力。所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的，也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形式。宇宙中发生的绝大部分事件，例如恒星的崩溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机的操作中都包括能量由一种形式转化为另一种形式。
能量的形式可以用不同的方法来描述。声能主要是分子前后有规律的运动；热能是分子的无规则运动；重力能产生于分隔物体的相互吸引；储存在机械应力中的能量，则是由于分离的电荷相互吸引的结果。尽管各种能量的表现形式大不相同，但是，每种能量都能采用一种方法来测量，这样就能够搞清楚，有多少能量由一种形式转化为另一种形式。不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量的能量。在一个系统中不论发生渐变还是骤变，只要没有能量进入或者离开这个系统，那么系统内部各种能量总和将不发生变化。
但是，能量确实可以从系统边界渗漏出去。特别是能量转换会导致产生热能，通过辐射和传导的方式泄漏出去。如通过发动机、电线、热水罐、我们的躯体和立体音响。而且，当热在流体中传导或辐射时，激起的流动通常促发了热量的转移。尽管传导或辐射热能很少的材料可用来减少热能的损耗，但也无法完全避免热能的流失。
这样一来，转换的能量总和几乎总是在减少。例如，在坐汽车旅行时，几乎所有储存在汽油分子中的能量，通过摩擦和消耗转换了，使行驶汽车的路面和空气的温度略微上升。即使采取措施使这些能量免于泄漏，它也会均匀地扩散而不再对我们有用。这是因为，只有当集聚起来的能量超过其他地方时（如瀑布、燃料和食物中的高能分子、不稳定的原子核和来自炽热太阳的热辐射），能量转换才能完成。当能量转换成热能向四处扩散，进一步的转换就会减少。
至于热量由温暖的地方向寒冷的地方扩散的原因，是一个概率问题。物质中的热能是由不相互碰撞的分子或原子的无序运动产生的。当物体某一区域极大数量的原子或分子和邻近区域的原子和分子重复进行着不规则的碰撞时，两个区域分得同等由不规则撞击产生的能量的方式要比在一个区域集中更多能量的方式多得多。这种热能无规则地分配，比热能有序地集中更为常见。通常，概率统计表明任何分子或原子的相互作用，都将以比开始时更大的无序告终。
然而，只要有些系统增加无序性，有的系统完全有可能增加有序性。例如，人类器官细胞，总是忙于增加制造复杂的分子和使身体结构的有序。但是，这种有序性花费的代价是增加了我们周围的无序，如要分解我们吃下去的食物的分子结构和使我们周围的环境变暖。结论是，无序的总量总是在增加。
不同的能量水平总是与分子不同原子结构相联系。有些结构变化需要补充能量，有些结构变化则可释放能量。例如，为了点燃炭火（即从木炭中减少掉一些碳原子）必须先提供热，但是，当氧分子和碳原子化合变成低能化合物——二氧化碳分子时，更多的能量作为光和热释放出来。叶绿素分子能被太阳光激发成高能结构，又反过来激发二氧化碳和水的分子。所以，使它们连接起来，经过几个步骤，它们能结合起来变成糖分子的高能结构和释放出一些氧气。随后，糖分子可能又与氧发生反应，再次形成二氧化碳和水分子，来自阳光的额外能量又会转移到其他分子中。(https://www.daowen.com)
事实已经证明，在分子或比分子更低的层次，能量与物质的产生是不连续的。当一个原子或一个分子的能量由一个能级以一定的跳跃方式转变成另一个能级时，两种能级之间不可能有其他等级。这种原子水平的量子效应产生的现象与我们熟悉的现象大不相同。当辐射遇到原子时，如果辐射能够给以恰好的能量，原子的内能就能被激发到较高的能级。同样，当原子的能级下降一级时，就会产生一定不连续量的辐射能。所以，利用物质发出的光或吸收的光，可以鉴定是什么物质，以此来确定这些物质是在实验室里，还是在遥远恒星的表面上。
原子核反应所产生的能量，比原子外层电子结构间反应（即化学反应）所产生的能量要多得多。当重原子核，如铀核、钚核分裂成较重原子核时，以及当轻原子核，如氢核聚变成较重的核时，就会释放出大量的能量，变成辐射和快速运动的粒子。一些重核裂变时，同时产生了额外的中子，这些中子又触发了更多的原子核裂变，发展下去就引起连锁反应。然而，只有当原子核间以极高的速度撞击（克服了两枚之间的正电排斥力），才会发生核聚变，这种撞击需要的超高温，可在恒星的内部形成，或者通过核裂变爆炸产生。
能量转化是自然界的一种必然的规律，揭开能量转化的本质，对于研究能量的开发和利用将有很大的帮助，对于人类的生产和生活将大有裨益。
五、宇宙物质——黑洞
人类对宇宙的研究永无止境，在这浩瀚无垠的宇宙中蕴藏着无数深奥的玄机，使人着实为之着迷，宇宙黑洞就是一个深不可测的谜。
宇宙黑洞简介
黑洞是一个在天文学中较晚出现的概念，在天文界中颇具神秘性，对于一般人来说更是无法想象。黑洞其实是一个空壳子般的天区，但它又是宇宙中密度最高的地方。黑洞有巨大的引力，连光都被它吸引。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种天区在1969年被美国物理学家约翰·阿提·惠勒称为贪得无厌的“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。
科学观点解释黑洞
黑洞其实也是个星球（类似星球），只不过它的密度非常非常大，靠近它的物体都被它的引力所约束，不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2千米/秒）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第三宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。
因为黑洞是不可见的，所以有人一直置疑，黑洞这种物质是否真的存在。如果真的存在，它们到底在哪里？
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，然后被压缩为一个密度高到难以想象的物质。巨大的引力使任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像贪吃鬼一样。即使是光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系，于是“黑洞”就诞生了。
我们要用爱因斯坦创建的广义相对论——引力学来理解黑洞的动力学，并理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界，引力学说适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。
爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。
同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。
如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。
假如在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。当然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。
那么为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去呢？正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。
我们已经说过，没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，人们把黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。此外，黑洞还能释放红外线。超大质量黑洞发生碰撞后就会形成的持续“红外线晚霞”，这些晚霞能持续发光10万年。借助于美国宇航局“斯皮策”太空望远镜并利用其红外探测功能可观测到此类红外线呈现的绚丽晚霞。
我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。一般说来，可能直到这些粒子消失时，我们都未曾有机会看到它们。
“黑洞”无疑是当今最有挑战性、最让人兴奋不已的天文学说之一。许多科学家也正在不断地努力揭开它那神秘的面纱。相信不久的将来有更多的新成果展现在我们面前。
六、暗物质和暗能量
大自然中存在着各种各样的物质，但是还存在着一种已知物质外的东西——暗物质。暗物质是科学界中最大的谜，我们虽然知道它的存在，但却不知它的庐山真面目，然而它所拥有的能量却是人类已知物质的能量的5倍多。因此，许多科学家对它产生了十分浓厚的研究兴趣。
然而暗能量更是神奇，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上，这个数字足以让人惊讶不已。
谁最先发现暗物质
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的形状，以及宇宙的过去与未来。然而目前所观察到的宇宙密度远远比标准值小100倍。然而爱因斯坦认为宇宙是有限封闭的，因此，在同一个宇宙空间里，宇宙密度减小，宇宙质量也在减小，也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
在重力透镜效应下观测到的暗物质星系内部大部分物质是连那些非常灵敏的太空望远镜也窥测不到的“暗物质”。1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据星体或气团围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
长期以来，被看好的暗物质只有基本粒子，因为它寿命长、温度低、无碰撞的持续性。寿命长是因为它必须与目前宇宙年龄相当，甚至更长；温度低是因为低温时粒子间互相脱离时才能在引力作用下迅速成团。然而中微子和反中微子以及轴子却具有以上特点，成为暗物质的候选者。标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星（巨大的红星）周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能被束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的“冷微子”，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，它能构成暗物质，最终得由实验来验证。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称作“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒内，直径为一万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人。这种理论是否成立仍是个谜，同样有待科学家进一步研究。
目前，世界各国的粒子物理学家正在这个领域用一些常规的天体现象以及普通的天体物理过程来解决人类对于暗物质的不解之谜，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
七、时间的相对性的研究
时间本是一个十分抽象的名词，因此我们需要正确把握时间的内在特征。在物理学中，时间是通过物理过程来定义的，首先在一个参考系（要求是惯性系，或者是非惯性系，但过程发生的空间范围无穷小）中，取定一个物理过程，设其为时间单位，然后用这个过程和其他过程比较，以测定时间。
时间的特性可以通过测量确定
1687年牛顿在他的名著《自然哲学之数学原理》中说：“绝对的、真实的、数学上的时间，以同样的方式流动，与外界的一切毫无关系。”因此牛顿认为，一只钟（或一根尺）无论静止还是运动，它的快慢（或长度）总是不变的。200多年后，年轻的爱因斯坦对此提出了疑问，他认为，牛顿的这个一直被认为是很清楚的假设，实际上一点也不清楚，必须谨慎地对它进行分析。
只要稍加思考就会觉得，牛顿的时间“滴答”和宇宙其他一切无关的理念是有问题的。我们常说“抽一支烟的工夫”，这句话生动地说明时间是与物质运动变化不可分割的，事实上时间观念和一些具体事物密切有关。例如钟摆的摆动、地球的轨道运动、晶体或原子的振动，以及一切物理过程、化学过程、生命过程等等。因此爱因斯坦对时间的基本看法是，时间与客观物质的存在及其运动密切有关，没有客观物质和它们运动变化过程的存在，也就没有时间的概念。因此，时间应当与物质的运动状态有关，不可能是绝对的。为了回答时间究竟是相对的还是绝对的这个问题，爱因斯坦认为，可以通过实验测量来决定。具体来说，需要谨慎地设计出合理的方案，让相对静止和相对运动的观察者对同一只钟或同一把尺进行测量，然后对测量结果进行比较。爱因斯坦重要的贡献在于，将时间这个看来相当抽象的问题建立在实验观测基础之上，由此时间进入了物理学的范畴。
通过理想实验，可以揭示出时间的特性
为了测量时间，研究它的特性，用通常实物所构造的钟（包括单摆、地球绕太阳的公转、晶体或原子的振动等）是不合适的，因为这样一来，必须同时研究构成钟的物质的存在对时间特性的影响，从而使问题复杂化。为此，爱因斯坦设计了如图所示的“理想实验”，其中所用的钟不含任何部件，唯一运用的是光的运动，而爱因斯坦认为，光的运动速度对于不同惯性系观察者来说，是绝对相同的，大家知道，“理想实验”在物理学发展中常常起到关键性作用，伽利略用理想实验揭示了物体的惯性，为牛顿力学的建立打下了基础。爱因斯坦利用“光钟”、“光尺”所做的理想实验，揭示了时、空的相对性，建立了作为现代物理学两大支柱之一的相对论。设想在一列以速度v做匀速直线运动的列车上，有位旅客对准竖直上方h高处的一面反光镜打出激光束，对于他以及所有列车上的人（称为“静系”）来说，这束激光从发出至回到光源位置［见图（a）］作为“滴答”一次的时间间隔为t0＝2h/c。
现在要问，地面上的观察者将怎样看待这个测量结果？从地面上看，这是一只运动的“光钟”，在光传播过程中列车向前行进了一段距离，因此地面上的人（称为“动系”）认为，这只光钟“滴答”一次的过程中光束是沿路径ABC传播的［见图（b）］，它所通过的路程大于2h，如果光速仍然是c，那么在他们看来，这只运动光钟“滴答”一次的时间Δt就会长些。进一步应用勾股定理，可得到定量关系：Δt＝ 
，注意到
，所以Δt＞Δt0。此结果表明：运动的钟变慢了。
如果将列车里的这只光钟搬到地面上，那么可得到类似的结果：列车里的人发现，这只运动光钟变慢了。因此，如果光速对于不同惯性系相同，则时间流逝的快慢就会与观察者的相对速度有关，这就是“时间相对性”的含义。
钟的“滴”事件和“答”事件可想象为一个化学过程的开始和结束；一个基本粒子的产生和淹灭；一个生命体的诞生和死亡；静止钟的“滴”事件和“答”事件发生在同一地点。因此，任何两个事件在某一惯性系里若发生在同一地点，则该参考系中测得这两个事件的时间（间隔）就称为“静时（间隔）”。静时（间隔）最短，或者说，静系中时间的流逝最快。
时间的相对性起源于“光速不变性”
与爱因斯坦的看法相反，在牛顿力学中，光速与一切其他通常物体的速度一样，都是相对的。如果这样，则根据牛顿力学中的速度合成公式，图（b）中光束沿路径ABC传播的速度将为
，且不难证明，这时光束沿该路径的传播时间（间隔）Δt＝2h/c＝t0。这个结果显示了牛顿力学中时间的绝对性。可见，如果光速是相对的，那么时间就是绝对的（牛顿力学）；反之，光速是绝对的，那么时间就是相对的（相对论）。
空间相对性与时间相对性密切有关
如果承认“时间是相对的”便可立即得到一个推论：“空间是相对的”。因为，当人们用钟和尺做测量光速的实验时，运动的钟与静止的钟相比，走得慢些，所以沿运动方向的动尺的长度（l）与静尺（l0）相比，必然按同样的比例缩短
以便保证光速不变。可见，空间相对性与时间相对性密切有关。而且根据爱因斯坦的观点，光速不变性是人类通过长期实践所认识到的大自然的一个基本法则，时空的相对性只是这个基本法则的必然结果。
光速究竟是相对的还是绝对的
力学中，常常将时间、空间和质量称为“基本量”，其他物理量，如速度、加速度、能量、动量等通称为“导出量”。可见时空的性质将严重影响其他所有物理量的性质以及所有物理规律的特征。现在我们又认识到，时空的绝对性或相对性问题实质上起源于光速的相对性或绝对性问题。光速究竟是相对的还是绝对的这个问题，生活在17世纪的伽利略和牛顿从未仔细想过。19世纪末，通过法拉第和麦克斯韦等物理学家的努力，建立了光的电磁理论；另一些科学家则设计了各种实验方案，发明了各种仪器，以便能精确测量光这类高速运动物质的速度。直到那时，物理学家才有条件真正认真地思考光和电磁波这类物质的运动速度是否满足伽利略—牛顿的速度相对性问题。大量精确度越来越高的实验结果表明，光的速度似乎完全不存在相对性。而是具有不变性，即光速不变是绝对的，而建立在光速不变基础上的时间空间则是相对的，这正是相对论时空观念区别于牛顿绝对时空观念的根本之处。牛顿的绝对时空观是建立在存在无限大传播速度基础上的，而相对论时空观则建立在只存在有限的最大传播速度的基础之上的。
八、对同时性的分析
同时是指不同存在者自我展现现象起点、止点或起止点相同，因此同时并非单指时刻相同，也可能是时段相同，如有的科学研究同时性的时刻相同要求非常精密，达到百万分之几秒等，而地球冰川时代我们也认为是同时。爱因斯坦创立“狭义相对论”是从对同时性的讨论开始的。
爱因斯坦在《狭义相对论的意义》中写道：为了完成时间的定义，可以使用真空中光速恒定的原理。假定在K系各处放置同样的时计，相对于K保持静止，并按下列安排校准。当某一时计Um指向时刻Tm时，从这只时计发出光线，在真空中通过距离Rmn到时计Un；当光线遇着时计Un的时刻，使时计Un对准到时刻Tn＝Tm＋Rmn/c。光速恒定原理于是断定这样校准时计不会引起矛盾。
对于同时性，有主观的同时性与客观的同时性之分。经典力学关于同时性的说法，是客观的。物质每时每刻都在发生变化，由于信号的传递速度限制，不可能均被我们感知，如太阳光照射到地球，需要八分多钟时间。我们感知的，也只是光线传递来的八分多钟以前的太阳的信息，现在太阳什么情况，只有以后才能知道。
主观的同时性表面上没人赞成，实际上远非如此。用光信号作为两点间同时性的校对信号，不失为一个良好的办法。但这种办法推广到任意点之间进行同时性的校对，就会出现一种错误情况。
比如A地发射一个光信号给B地和C地，但B地与C地距A地不一样远。那么A地校对时间起始点时，因先后接到两个返回信号，它的起始位置就不能确定：与B同时时就不能与C同时，反之亦然。这仅是三点之间的情况，宇宙中有无穷多点的，用光信号进行同时性校对时，实际上既认为光信号具有有限的传播速度，又默认光的速度是无穷大，立即即至。当然，校对了A与B的同时性，再与C校对时，可以告知C应增减多少，但宇宙中的点有无穷多，做到这一点是十分困难的，可以说是根本无力完成的。
运动是相对的，被测物体也是可作为观察者的。
另外，不能只认为有相互作用时才说物体存在。比如太阳光照到地球上需要八分多钟，我们不能把自己感知太阳光时，才说太阳存在。太阳的实际位置也不是我们看到的位置。有人举例说：与我们相距80光年处爆发了一颗新星，有人在20年前写了一本有关新星的书。那么这颗新星不会记载在这本书中。能不能说这本书记叙的完全正确呢？显然是不能够的。因为不管书中记载了没有，80年前这颗新星就诞生了。我们不能要求记叙完全正确，因为我们的活动能力有限，而事物的变化是无限的。我们只能要求记叙基本准确。有许多事情我们这一代人是无法得知的，但不能说那种事情不存在。我们的有些感觉掺进了主观的成分，必须经过思维才能了解真情。
比如，我们感到地面是平的（说海平面更恰当）。可地球是球形，海平面当然只是球面一部分。太阳东升西落，实际是地球自转。这些都只有经过思维，有些还需要经过模拟试验才能得出结论。
例如：在北京至广州的火车上设一个邮递员，车尾挂有邮政专车。
某甲乘客要到广州去，在北京站临上车时，给住在长沙的一个朋友乙写了一封信，说了一些事情。当甲乘了一段车后，想起还有一些事情没交代清楚，在火车上又写了一封信给乙。车上的邮递员很快把信转到车尾的邮政专车上。假设北京站的邮局也把甲的第一封信放在这节专车上，那么长沙的乙同时会收到甲的两封信，甲写信的时间是有间隔的，甲不会承认同时写了两封信。怎样去评价他们说法的是非呢？常识告诉我们，甲是当事人，甲的说法是正确的。乙认为甲同时写两封信是乙的感觉，是不符合事实的。甲的两封信都寄出了，不论乙收到收不到，都是寄了，不能因乙没收到信就断定甲没有寄信。但如果甲在信的末尾准确地写上了他写信的时间，乙在看信时也注意到这一点，乙就会根据信上注明的时间判断甲在什么地方写的信。并能想到，甲在写这些信时，自己分别在干着什么。但是，自然界的情况要复杂得多，物体大都不能把自己发出信号的时间写在信号上，所以人们在接到信号时需要仔细地判断，不然会出现甲乙两人说法不同的情况，可能会得出错误的结论的。
另外，如果乙的住地不在长沙而在郑州，甲的第二封信又是在经过郑州以后发出，那第二封信就与甲的行程相反，情况就更复杂了。
当某人要到朋友那里去而希望朋友到车站给自己帮助时，总是打电话或发电报给自己的朋友，就是因为电话或电报有比信件更快的传递速度。如果写信，除非是几日前就把信寄出，否则就只好由自己去拆信了，希望的帮助是不可能得到的。
如果甲不是乘火车而是乘飞机，飞机中途在武汉停留。甲在北京起飞时寄出一封信，甲在武汉停留时又寄出一封信。如果邮政系统仍以火车送信，那么乙收到甲的第二封信要比收到甲的第一封信要早一些。如果乙粗心一点，就会把信的次序颠倒。当然乙可以从信的内容和注明的时间来做出正确的判断。但是自然界怎样来标明这些信号的先后呢？
对于信件发出的时间，甲的说法是正确的，而乙只有在经过思维分析后才能得到正确的结论。“狭义相对论”否认甲的说法，承认乙的感觉。
“在某个参考系中同一时间，但在不同地点发生的两个事件，在另一个参考系看来，将变成被一定时间间隔分离开来的两个事件”。“在某个参考系中同一地点但在不同时间发生的两个事件，在另一个参考系看来，会变成被一定空间间隔分离开的两个事件”。这两种说法，用“看来”一词表述，只反映观察者的感觉，并不是事实。而这两种说法，却是“狭义相对论”使时间与空间等价且可以互相转换的理论基础。
此外，同时性也是具有相对性的。
如果忽略了信号传递的时间，认为离我们x米的光到达我们的眼睛，和离我们y米的事件的光到达我们的眼睛的时间相同，那么在任何地点观察到两事件发生的时间相同，则其他地点，也一定可以得到这个结论。换种说法，就是“同时”是绝对的。
而实际上信号传递是需要时间的，任何实验，都需要信号传递，我们在相距2光秒的两事件的中点，看到两事件同时发生，则在其中一个事件地点的人，看到另一个事件发生，是在本地事件发生后2秒时发生，所以我们看到的同时，在他看来不同时。所以“同时”不是绝对的，和位置相关，是相对的。这种情况我们称为测量现象，因为不只发生在光测量时，也发生在用声音测量时。
而当信号以无穷大速度传递时，相距有限距离的事件发生的信号，将不需要时间，直接到达测量者的头脑中，则“同时”又对每个测量者相同，是绝对的。
这种情况，我们称为物理本质，或“想象”现象。
由此论述可知，同时性的相对性问题，正是由于信号传递的慢引起的，即使信号传递是用光，在距离足够远时，也明显存在同时的相对性问题。
