对空间特性的认识，是古人自然观的重要组成部分。中国古人在探索自然的过程中，形成了丰富多彩的空间观念，研究科技史，有必要对之加以探讨。
１关于空间的定义
在对空间概念的抽象上，古人有多种说法，常见的是用空间的三维性来定义空间。《管子》书中有《宙合》篇，后人解曰：“四方上下曰合”，“合”即为抽象意义的空间概念。由“四方上下”着眼进行定义，显然是强调的其三维性。
除了用“合”表示空间以外，古人更多地则是以“宇”表示空间。据《文子·自然》篇记载：“老子曰：……往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”这就是一例，它也是着眼于空间的三维性的。在历史上，类似说法很多，表明它是中国古代常见的一种空间表示方法。
《庄子·庚桑楚》对空间的定义则强调其客观实在性，说：“有实而无乎处者，宇也。”即是说，空间是一种客观实在，它可以容纳一切，其本身却不能被别的东西容纳。这一定义同时也涉及到了空间的无限性。
《墨经》对空间的定义颇富分析色彩，它强调空间方位，认为各种具体方位的集合就构成总的空间概念。《经上》有“宇，弥异所也”的定义，《经说》解释说：“宇，东西家南北。”即空间是各种不同场所或方位的总称，例如东、西、家、南、北这些具体方位概念，合在一起就抽象出总的空间概念。引文中提到“家”，这是墨者选定的空间方位参考点。东西南北以何为定？以生活中心“家”为参照而定。因此，这里也涉及到空间方位定域问题，注意到了具体空间方位的相对性。本条的精华在于它对“弥异”二字的使用，“弥异”就是包容一切有差异的某类事物，此处即时空。这是古今中外独树一帜的时空观念，有极强的逻辑性〔（１）〕。
凡此种种，都是以“宇”作为抽象的空间概念，只是定义的角度不同而已。
另外，中国古人也有将“宇”和“宙”合在一起，用“宇宙”表示空间的。这虽然与现代用法一致，但却为学术界所忽略。学术界通常认为，古人以“宇”表示空间，以“宙”表示时间，“宇”“宙”连用，则综合表示空间和时间，所谓“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇，”就昭示着这一点。这种认识，固然是不错的，但不能绝对化，古人并非一概用“宙”表示时间，“宙”的本义与空间相关。《说文解字》说：“宙，舟舆所极覆也。”这种意义的“宙”，就只能是抽象的空间概念了。从“宙”的这种意义出发，古人将其与“宇”连用，表示空间。从而演化出“宇宙”这一抽象空间概念，这里不妨举几个例子。
晋朝郭璞《江赋》：“若乃宇宙澄寂，八风不翔，舟子于是搦棹，涉人于是＠①榜。”〔（２）〕陆云：“函夏无尘，海外有谧，芒芒宇宙，天地交泰。”〔（３）〕后秦姜岌：“日之曜也……赫烈照于四极之中，而光曜焕乎宇宙之内。”〔（４）〕这些，都是以“宇宙”表示空间的典型例子。
对于古人将“宇”“宙”连用或并提以表示空间的做法，必须有清醒认识，否则在评价古人相关学说时，就容易犯错误。例如东汉张衡在其《灵宪》中论述了天地直径以后指出：“过此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。”对于这一段话，论者咸以为张衡提出了无限时空观念，从而给予高度评价。其实，从上下文来看，张衡这段话只讨论了无限空间观念，与时间概念无涉。
２空间的有限与否
空间有限与否，直到今天仍然为现代宇宙学所关注，也是古代哲人讨论的热点。古人在思考这一问题时，有多种说法，其中很多人主张空间无限。例如，《管子·宙合》即说：“宙合之意，上通于天之上，下泉于地之下，外出于四海之外，合络天地，以为一裹。散之至于无间……是大之无外，小之无内，故曰有棠天地。”天地囊括万物，宙合又有棠天地，大之无外，这样的空间，应该说是无限的。引文的最后一句特别指出，无限性是表现在宏观、微观两个方面的。这一认识非常深刻。
《列子·汤问》同样从宏观和微观两个方面对空间性质进行探讨，认为它“无极无尽”。殷汤曰：“然则上下八方有极尽乎？革曰：无则无极，有则有尽，朕何以知之？然无极之外，复无无极；无尽之中，复无无尽。朕是以知其无极无尽地，而不知其有极有尽也。”
这里借夏革之口，讨论了空间的“极”、“尽”问题。极，指空间的外部边缘；尽，指空间的内部破缺。《列子》认为，如果空间是虚无，它就没有边缘，是无限的；如果空间由具体物质组成，它的内部就会有尽处，即空缺，这样，空间的无限性就是不完全的。但是在无穷大的宇宙之外，不可能再有无穷大的空间；在光滑连续的纯粹空间之内，也不会再有空缺。《列子》主张空间不能等同于物质，它是容纳具体物体的，是无限大的，内部也是连续的、光滑的，没有空缺。《列子》能够考虑到空间的破缺与否，其思想深度令人叹服。
唐代柳宗元认为，“无极之极，莽弥非垠”；“东西南北，其极无方”，明确指出空间是无限的。因为是无限的，所以它“无中无旁”〔（５）〕，没有中心。由无限空间观念进一步否定宇宙中心的存在，在人类认识史上是一大进步。
我国古代对空间无限性的议论甚多，这里不再详列。
空间无限的判断，合乎逻辑思维。古人常认为，有形则有极，无形则无尽，空间是无形的，所以它无极无尽。这一思想方法具有普遍性，无论是在中国还是在西方，都可以觅到它的踪迹。例如古罗马卢克莱修就曾提出过一种投掷飞矛的理想实验，用以论证空间的无限性。中西文化在用逻辑推理方式论证空间的无限性时，在思路上是彼此相仿的。
另一方面，古人也确有主张有限空间观的。例如西汉学者扬雄即曾提出：“阖天谓之宇。”〔（６）〕空间（宇）的范围以浑天说所主张的天球（阖天）为尺度，当然是指有限空间。这种有限空间观念，有它自己一定的观测依据和数理推算过程。三国王蕃的议论，就充分表明了这一点。他说：“夫周径固前定物，为盖天者尚不考验，而乃论天地之外，日月所不照，阴阳所不至，日精所不及，仪术所不测，皆为之说，虚诞无征，是亦邹子瀛海之类也。”〔（７）〕
王蕃反对那种任意臆测天球之外空间范围的方法，他的话表现了一种求实精神。在历史上，很多浑天家都计算过天球的大小，其结果虽然不能成立，但他们重视用数理方法研究空间性质，也有其可取之处。我们不能以与今人所持信念是否相符为标准评价古人，而应重点考察他们工作的实质，了解他们的思想方法，以此为依据进行评价。实际上，空间究竟有限与否，现代科学亦存在不同看法，对于古人，当然也不必在此问题上过于苛求。
在这里，张衡的工作值得一提。他在论述天球的大小时说：“ 八极之维，径二亿三万二千三百里，南北则短减千里，东西则广增千里。自地至天，半于八极，则地之深亦如之。通而度之，则是浑已。将覆其数，用重〔差〕钩股。悬天之景，薄地之义（仪），皆移千差里一寸得之。过此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。”〔（８）〕
括号中的字是前人据意思所作的校正。由引文来看，张衡所持是一种椭圆天球观念，认为这个天球的平均直径是２３２３００里。他特别强调说，要得到这一结果，所用的数学工具是重差勾股术，物理依据是所谓地隔千里、影差一寸的学说。今人对张衡这段陈述给以高度评价，是说他提出了“宇之表无极，宙之端无穷”的无限时空观。实际上，张衡这段话并未涉及时间，前文对此已有说明。笔者认为，张衡的功绩并不仅仅在于他认为空间是无限的，他的话隐含了这样一种认识：用数理方法所能观测和认识的空间，是有限的，超出这个范围的空间是无穷尽的。对于无限空间，只能用思辨的方法去解决。换言之，在讨论空间范围时，哪些属于物理问题、哪些属于哲学问题，张衡的理论对之做了区分，这才真正是其高明之处。
３空间取向的绝对性
中国古代空间观念的另一特征，是其对空间取向性的重视，认为空间各向异性，方向具有绝对意义。这一特征的作用首先在于它发展出了一套实用角度概念体系，用四维、八干、十二支表示二十四个地平方位角。由于中国古代角度概念缺乏，这一体系成功地解决了物体分布地平方位的表示问题，因而具有较大的实用价值。而其更重要的意义则在于：这是对空间物理特性的揭示。物质的分布及运动与空间分不开，所谓空间的各向异性，实际上反映了物质在空间中分布及运动的特征，认为它不是浑浑沌沌，各向同性，而是沿各个方向有不同的表现。因此我们说这一认识揭示的是空间的物理特性。
中国古人对空间取向绝对性的论述很多，例如《管子·七法》篇云：“不明于则而欲出号令，犹立朝夕于运钧之上。”立朝夕，即确定东西取向。不能在旋转的钧石上建立方向标志，因为方向本身是固定的。这里就涉及到方向的绝对性。
除了水平方向，古人对铅直取向亦很重视，认为它是自然本身的特质，人类在主观上不能对之加以更改。例如，《荀子·王制篇》云：“有天有地，而上下有差。”《墨子·辞过》：“圣人有传：天地也，则曰上下；四时也，则曰阴阳；人情也，则曰男女；禽兽也，则曰牡牝雄雌也。真天壤之情，虽有先王不能更也。”这些，都反映了一种绝对的上下观念。
中国古人的绝对上下观，与其固有的地平大地观分不开。古人缺乏地球观念，认为大地是平的，在量级上与天的大小差不多〔（９）〕，由此，上下取向是绝对的，背离地面，就是向上，否则为向下。这与古希腊人不同。希腊人笃信地为球形，他们的上下观以指向地心为下，背离地心为上，是一种相对的上下观念。后来，在中国古代宇宙结构理论中出现了浑天说，认为天包地外，否定了传统所谓天在上地在下的说法，但中国人对于上和下的理解并没有改变。这种绝对上下观与地圆说不相容。例如，清代陈本礼在反对明末清初传入我国的地圆说时就曾议论道：“泰西谓地上下四傍，皆生齿所居，此言尤为不经。盖地之四面，皆有边际，处于边际者，则东极之人与西极相望，如另一天地，然皆立地上。若使旁行侧立，已难驻足，何况倒转脚底，顶对地心，焉能立而不堕乎？”〔（１０）〕陈本礼的这种疑虑，从西方相对上下观念来看，不成其为问题。清初学者方中通就曾运用西学观点解释过这一问题：“方者以上为上，以下为下；圆者以边为上，以中为下。地居天之正中，故人以各立之地为下，不知其彼此颠倒也。”〔（１１）〕因为圆者以中为下，以边为上，人在地球上无论居于何处，都是头上脚下，倾坠之事，当然无从发生。
中国和西方关于上下的观念在几何意义上完全不同，但引导他们产生上下意识的物理因素却是同一的，是地心引力。古人通过对与地心引力有关的大量事实的感受，结合他们对大地形状的认识，产生了各自不同的上下观念。由此，古人对空间在铅直方向取向性的重视，有其内在的物理依据，即地球引力的客观存在，尽管他们自己并不知道这一点。
古人重视对方向的判别，是由于他们认为空间不同的方位有不同的性质。所谓“五方配五行”，就反映了这种认识。五方，指东、西、南、北、中五个方位，古人认为五行按木、金、火、水、土顺序与上述五方相配。这种说法在古书中比比皆是，这里不再例举。古人不但认为空间方位有五行意义的差异，而且进一步把它推向了更广泛的涵义。《晏子春秋》的一则记述可以帮助我们更好地理解这一点：“景公新成柏寝之室，使师开鼓琴。师开左抚宫，右弹商，曰：‘室夕。’公曰：‘何以知之？’师开对曰：‘东方之声薄，西方之声扬。’”〔（１２）〕
东汉高诱注“室夕”曰：“言其室邪不正……夕又有西义。”这是说，房子朝向不正、会通过它的声学效应表现出来。本条记述未必属实，但它反映了古人一种信念：空间取向的不同，有着物理意义的差异。
《晏子春秋》的记述，虽然迹近神话，但其思想内涵则未必完全荒唐，因为方向概念的产生，确有其一定的物理依据。正如人们对铅直方向的强调是对重力现象的体会一样，水平四向观念的产生则是对地球自转有关现象感受的结果。地球的自转，造成了太阳东升西落的周日视运动，这导致东西二向的建立。地球自转时，角动量守恒，其自转轴在空间中的指向恒定不变，这一指向投影到地面，就构成了南北二向。因此，地球自转是人们得以建立恒定水平四向的物理基础。
空间取向是绝对的，这等价于说空间各向异性。古人这一认识与现代所谓宇宙学原理大相径庭。宇宙学原理主张宇宙均匀各向同性，它揭示了大尺度空间物质分布的特性。中国古代的有关认识，是就人直接可见尺度而言的，它与现代宇宙学原理是互补的。
４时空关系
在古人有关时空关系的议论中，占主导地位的是时间与空间相关的说法。例如，《管子》中有《宙合》篇，其中提到“宙合有棠天地”。按后人注解，古往今来曰宙，四方上下曰合，即这里的“宙合”指时间和空间，天地就存在于时空之中。这是将时间与空间相提并论。古籍中常见四时配四方之说，认为春属东，夏属南，秋属西，冬属北，则是将特定的时空相联系。《庄子·则阳》引容成氏曰：除日无岁，无内无外。”认为没有时间的累积，连空间方位的内外都无从区分。明末方以智对时空关系有更精辟论述：“《管子》曰宙合，谓宙合宇也。灼然宙轮转于宇，则宇中有宙，宙中有宇。春夏秋冬之旋转，即列于五方。”〔（１３）〕这里把时间比成轮子，以为时间的推移在空间中进行，空间中有时间，时间中有空间，二者浑然一体。这种陈述，侧重于强调时空相关性，与牛顿绝对时空观强调时空互不相关相比，着眼点有所不同。
我国先秦曲籍《墨经》的《经下》篇，则从物理问题着手，涉及到了时间、空间和运动的关系。《经》：“行修以久，说在先后。”《说》：“行：者（诸）行者必先近而后远。远近，修也；先后，久也。民行修必以久也。”《经》：“宇域徙，说在长宇久。”《说》：“宇：徙而有处，宇。宇南北，在旦又在暮，宇徙久。”引文中的“久”，是墨家所定义的抽象时间概念，“宇”则表示空间。这两条，都是说空间距离的变化伴随着时间的流逝。即对于表征运动而言，时间、空间缺一不可。
中国古代这种时空和运动不可分的观念，得到了当今学界的热情赞扬，人们倾向于把它看作是爱因斯坦相对论时空观在中国古代的朴素表现。但这种认识不能成立，中国古代时空观的科学基础并未超越经典物理学范围。爱因斯坦本人即曾指出：“我们必须注意不要认为实在世界的四维性是狭义相对论第一次提出的新看法，甚至早在经典物理学中，事件就由四个数来确定，即三个空间坐标和一个时间坐标，因此全部物理‘事件’被认为是寓存于一个四维连续流形中的。”〔（１４）〕即是说，物理“事件”发生于一定的时间和空间之中，从这个意义上说，时空是联系在一起的。中国古人的论述，与经典物理学内在并不矛盾。
狭义相对论时空观所主张的时空相关，有其特定内涵，那就是同时相对性概念。这一概念是在光速不变和自然界定律对洛仑兹变换保持不变这两条原理的基础上推证出来的，它认为，“所有与一个选定的事件同时的诸事件就一个特定的惯性系而言确实是存在的，但是这不再能说成为与惯性系的选择无关的了。”〔（１４）〕即是说，“每一个参考物体（坐标系）都有它本身的特殊的时间，除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的，否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。〔（１４）〕所谓时间与空间的不可分，即是就这一意义而言的。显然，狭义相对论的时空观（广义相对论的时空观更进了一步，认为时空、空间与物质不可分，这里姑且不论）在依据的原理和具体内涵上都与中国古代时空相关的观念不同，我们不能说中国古代时空观远离经典物理学而接近于狭义相对论的时空观。
中国古代代空观在表现形式上有异于牛顿的陈述，那是由于双方思想方法不同，因而在讨论同一问题时，着眼点也不同。西方思想方法以分析为主，他们当然知道表征物理事件要用四个坐标，但并不去强调它的整体性，而是侧重于具体分析每个坐标对表征物理事件所起的作用，分析的结果，时空被分割为一维的时间和三维的空间，二者相互独立，时间的流逝对于不同的参照系是一样的，由此，产生了牛顿的绝对时空观。中国人则侧重于综合，重视整体效应，认为要表征物理事件，时间空间缺一不可，所以，二者不可分。在相对论时空观提出之前，人们认为牛顿绝对时空观天经地义；相对论广为人知之后，人们又对中国古代时空观推崇备至，这些皆为不妥。中国古人的说法与牛顿的论述有相通之处，它们都揭示了经典物理学时空观的某些特征。将这两种说法结合起来，可以获得对经典物理学时空观比较完整的认识，这就是其价值之所在。
