時間和空間的兩種定義方法

     牛頓力學中的時間概念來源于人們對物質運動變化的經驗感覺，并選定一個統一的定量標準去對物質運動變化進行定量，實際上這是采用一種物質運動變化的度量流 程標準去對另一種物質運動變化進行度量。并且對這一度量流程絕對的均勻化，理想化。以至于是可以采用數學化的絕對均勻描述。比如兩個時刻之間可以采用任意 均勻的間隔進行描述。從物質事件的進程中我們可以向前或者向后無限的延伸。即通常所說的延綿。并且，這樣的時間定義于我們所采用的任何參照系是無關的。關 于這一問題，您可參見時間的經驗感覺。牛頓力學對空間的處理也同樣是這樣，采用標準距離去定義物體的長度。實際上，牛頓力學已經將時間和空間純粹的理想化，并采用數學化的方式進行描述。牛頓力學中時間和空間概念是脫離于物質運動的定義的。因此，時間與空間在牛頓力學中是最基本的物理單位。

     舉個例子來說，熱脹冷縮:一個物體發(fā)生熱脹冷縮，我們不能判斷物體所在的空間發(fā)生膨脹，而僅將物體這種膨脹屬性歸因于物體的結構在不同溫度下所發(fā)生的常規(guī) 現象，我們知道，實際上，溫度的不同，物體分子間的相互作用是不同的。我們不是將這種作用加到空間上，而判斷物體發(fā)生了空間膨脹，實際上，如果我們將空間 的屬性判斷為物質的屬性，那么這樣的說法也未嘗不可。因此，牛頓力學中的時間和空間是一種絕對理想化的物理量，它不依賴于物質的作用屬性。

      相對論中的時間觀念卻不是這樣了，它是在處理參照系的問題時而引入的新的概念。

     首先，它依賴于這樣的假設——光速于參照系無關。并且，這樣的觀測在科學是上可以說是已經通過實驗證實的觀點。需要說明一下的是，在當時的科學范圍內，通 常都普遍認為物質間的相互作用主要是電磁作用，（萬有引力由于在近距離處物質間的相互作用是可以忽略不計的）。電荷之間在相同的參照系中只有靜電力的作 用，但是在不同的參照系之間卻存在磁場的作用，也就是說，在不同的參照系之間，電荷屬性是不同的，那么，我們沒有理由認為在不同的參照系中物質的屬性狀態(tài) （反映在電磁屬性上)是相同的。那么，在相同的兩個參照系中物質運動的進程中，我們也沒有理由認為是相同的。同時，物質的結構屬性我們也沒有理由認為是相 同的。也可以說是經驗事實的相對性原理。

     在這樣的前提下，相對論假設在運動參照系中物質的運動變化進程會減緩，同時，物質間的電磁相互作用也會發(fā)生變化，主要表現為沿運動方向，物體的長度會發(fā)生 變化，相對論判定為沿運動方向物體的長度發(fā)生收縮。即通常我們所說的“時間膨脹”和“尺縮”現象。并確定時間和空間在不同參照系中的變化因子為。

     同時，愛因斯坦先生采用光信號傳遞的模式對同時性也進行了相對性處理。這樣，相對論和牛頓力學的時空觀念就構成了兩種獨立的定義系統。

     的確，這樣的假設我們找不出任何不合理的直接依據。

     我們可以看到，相對論的時間與空間觀念與物質運動有著最為直接的聯系，時間與空間的屬性、狀態(tài)依賴于物質的運動。

在相對論、牛頓力學中時間空間和基本概念間的邏輯關系

     1、牛頓力學時間和空間的結構模式     

　　時間和空間通過這種約定，確定了時間和空間的計量模式，但是這樣的計量模式，僅是作為我們計量單位的一種標準。在牛頓力學中，對于時間和空間的屬性作了 進一步的延伸。雖然我們采用了物質屬性的模式定義了空間的單位，通過事件進程的模式定義了時間的單位，但是時間和空間的本身卻是于物質無關的抽象屬性。不 論有沒有事件的進程變化，我們仍然確定時間在延綿。不論有沒有物質的存在，我們都可以想象到空間。牛頓力學，關鍵的在于采用時間和空間定義的標準對物質的 存在狀態(tài)進行定量，并進而延伸到時間和空間是純粹的物理量。

      2、相對論的時間和空間的結構模式

    建立在如上兩個假設的基礎上，相對論提出了兩種效應來調節(jié)光速的實驗事實和理論相符。一種是時間膨脹，另一種是時間收縮。

      經過如上的處理，相對論就將物質的運動和時間空間在理論上嚴格的結合在一起。通過相對論的這種調節(jié)物質屬性的關系，那么時間和空間就歸到物質間的相互作上，如果光速是一個不變的恒量，那么在不同的參照系中，物質的屬性就存在不同。

      這樣，相對論的結果縮小了相對性原理的范圍，（各個參照系間的物質間的屬性只是在本參照系和其他參照系的比較中，具有這種等同的性質，相對于物質的運動變 化來說，這是相對形原理的一種體驗）在內在的邏輯關系上，相對性原理不再具有普適性。這樣的代價是我們對物質世界的相互作用的真實推進了一步，或者說獲得 了可能性的一種解釋。比如：我們不能判斷同樣的一個鐘表在低速和高速兩種狀態(tài)下，其走時是否相同。在強引力場和弱引力場中，性能相同的兩個鐘表的走時會一 模一樣。如果我們將物質的運動變化歸因于物質間的相互作用中，這樣的解釋對于物質世界而言是接近真實的。

     3、牛頓力學和相對論兩種描述體系的描述結構

     關于這一問題，在參照系、觀測與物體的速度的最后作了分析，這里我在進一步的說明一下。

    一、兩種定義體系的基礎

     由于牛頓力學確定了一個物理事件不依賴于我們的觀察，那么在任何觀測參照系中，一個物理事件是一個不變的恒量，通常采用牛頓力學去處理物理問題時采用物理 事件的真實去矯正我們觀測到的結果。一個物理事件絕對性的地位決定了我們在對物理事件測量過程中，我們的觀測要服從于物理事件的真實性。而不是我們的觀測 結果，比如不同參照系中同時性的定義：不論我們采用任何一種確定同時性的模式，我們首先確定我們的測定模式在兩個參照系中測量的差異，排除掉光線傳播、測 量儀器以及其他不能判定同時性的因素，排除誤差。一個事件發(fā)生的任意一個時刻是唯一確定的。

     但相對論卻不是這樣了，它確定了一個物理事件依賴于我們的觀測，講求采用不同的參照系所觀測到一個物理事件的結論。嚴格來說，相對論以觀測過程中我們得到 的結果，作為通過不同參照系對同一物理事件進行觀測而得到的不同結論。相對論依賴于我們通過確定的方法而得到的結論。將觀測的結果判定為我們獲得物理世界 真實性的的體驗。在相對論中，我們觀測的結果是首要的問題，物理事件的本身依賴于在不同參照系中的觀測。當然，還必須加上這樣的物理事實結論，物理事件的 過程依賴于物質間的作用。

     二、兩種定義體系的方法

     前面我們已經討論過，牛頓力學對時間和空間的定義方法實際上是采用了一種絕對的標準，這種標準不依賴于物質本身的屬性，牛頓力學對時間和空間采用純粹數學化理想化的方法進行描述。

     在牛頓力學中，我們定義了參照系。通常我們是采用參照系的空間標度對物體在空間中的位置進行描述。通常將物體在運動中的路線叫做物體在空間中運動軌跡。我 們都可以將物體在空間中的任意位置通過參照系的標度而確定物體在空間中的位置。即便我們采用兩種慣性參照系，我們仍然可以在兩個參照系中進行變換。物體在 空間位置上的這種絕對化的時間和空間的這種參照系，我們通常將他們叫作伽利略參照系，通常將這種變換叫做伽利略變換。當我們采用伽利略變換的時候，我們不 應忘記，這里所采用的是絕對的時間和空間觀念。時間和空間概念是一種絕對理想標準的概念。

     在相對論中則不再是這樣的了。

     相對論的時間和空間觀念依賴于物質的運動，并將物質運動過程中不同的屬性賦予到物質運動計量過程中的時間和空間的觀念中。在這種計量過程中，時間和空間的 觀念施加了物質運動的作用屬性。在相對論中是通過光速不變的觀念來實現的，可以認為這種作用是物質運動的不同狀態(tài)中的電磁屬性的不同。

     相對論中的時間和空間的屬性不再是與物質的運動無關的屬性，在時間和空間的觀念中還標志著兩種參照系物質屬性電磁作用的差異。同時，時間和空間的概念不再是理想的單位，而是與不同參照系中物質屬性電磁作用差異的反應。

     因此，在牛頓力學和相對論力學中的時間和空間的觀念，我們是不能混用的。牛頓力學中一個單位的時間不等于相對論力學中一個單位的時間。同樣，牛頓力學中的一個空間單位，也不等于相對論力學中的一個空間單位。

     三、兩種定義體系描述的模式

     牛頓力學中時間和空間對于描述體系而言是簡單的。是通過空間坐標和時間標準的理想模式對物體運動變化進程進行描述。我們在描述過程中所采用的時間和空間單位是我們所定義的標準的單位，或者說是我們所采用的參照系本身的定義標準。

     在相對論中，則較為復雜一些了。首先我們采用我們所確定的靜止參照系中的時間和空間標準去確定運動物體相對于我們所采用的慣性參照系的相對運動狀態(tài)，從而確定物體在它本身的慣性參照系中的時間和空間，這樣才可以采用相對論的時間和空間的觀念進行描述。

     在牛頓力學中，我們是采用靜止參照系中的時間和空間對物質的運動變化進行描述，而在相對論中我們確是采用的物體運動參照系中的時間和空間標準進行描述的。兩種參照系中我們所采用的時間和空間的標準是不同的。關于這一問題，請您參見 參照系、觀測與物體的速度，那里有對這一問題的較為詳細的說明。

     四、牛頓力學和相對論兩種時間觀念在實際應用上的矛盾。

     在牛頓力學和相對論的兩種對時間和空間的定義體系中，包含著兩種對物理時間和空間的描述方法。牛頓力學中以物體的本體作為我們觀測的描述體，以及相對論采用我們觀測的結果作為我們對物理事件的描述。兩種方法在側重點上是絕對不同的。

     在牛頓力學中，物體是存在的事實，我們采用何種方法去確定物體的存在本身與物體的真實存在是無關的，我們所要作的是如何減少觀測的誤差、如何根據物體在不 同環(huán)境中的屬性去判斷物體的真實大小，而不是物體的空間變化引起的物體的屬性的改變。相對于高速而言，物體的空間大小對于牛頓力學來說是很難確定的。我們 不能確定我們觀測到的物體的狀態(tài)就是物體的真實狀態(tài)，因為我們不能確定物體的作用屬性在不同的運動狀態(tài)中是否相同，這也是牛頓力學在高速問題中所存在的困 難。

      在牛頓力學中，請不要忘記，時間和空間的觀念是理想的時間和空間觀念。它不依賴于物質對外作用的屬性。牛頓力學是采用觀測參照系作為計量時間和空間的標準。

      相對論則不同了，它首先通過靜止參照系去觀察物體的高速狀態(tài)，并進而確定這一狀態(tài)，并在這種觀測的基礎上，確定物體在高速狀態(tài)時的時間和空間屬性。物體在 不同參照系間的時間和空間標準，只是相對于不同的慣性參照系來說，任意一個慣性參照系都有一個時間和空間標準，我們不能對兩個慣性參照系的觀測結果進行任 何的比較。一個慣性參照系中的一秒不等于另一個慣性參照系中的一秒。除非我們對兩個慣性參照系中的時間單位建立當量關系。

     如果建立當量的關系，則出現我曾在本站中所說的時間?？姟＿@樣，相對論內部的邏輯關系就出現問題了。

      在實際應用中，兩個慣性參照系之間的當量關系在相對論的原理上原則上是不能建立的，因為在兩個慣性參照系中的同時性是相對的。但是，通過其他的方法可以在 兩個慣性參照系中建立絕對的同時性（可參見本站相關的文章），這樣我們可以在兩個慣性參照系中建立當量關系。請注意，這里所說的當量關系不是牛頓力學和相 對論之間的當量關系，而是相對論兩個慣性參照系之間的關系。

如何看待牛頓力學和相對論中所出現的矛盾問題

     1、牛頓力學

     在處理高速問題的過程中，牛頓的理想的時間和空間觀念在實際的應用中會出現不能確定的現象，我們不能確定牛頓力學中的理想的時間和空間觀念，和我們觀測到 的物體的屬性所反映出來的時間和空間觀念是否相同。常規(guī)的定義方法中所采用的標準的時間和空間觀念只是我們所采用的一種定義標準，這種標準我們是建立在一 種觀測參照系的基礎上，我們不能確定相對于此的高速慣性參照系中的時間和空間觀念在普遍的物質間的相互作用上是否存在某種不同。牛頓力學所定義的標準的時 間和空間標準是與參照系無關的。以當時的科學技術水平，是沒有能力去解決這樣的問題的。

     一種解決方法是保持牛頓力學中的時間和空間的定義方法不變，而采用物質的屬性隨物體的運動狀態(tài)的變化而變化。通俗一點的講，就是牛頓力學中的時間和空間仍 然采用絕對的時間和空間，物體在確定運動狀態(tài)而反映出的與靜止參照系不同的屬性，我們將它歸因于物體的運動狀態(tài)上，而不是改變時間和空間的定義。

     這樣的定義是有應用前景的。首先，我們不論對任何運動物體進行觀測，我們首先必須建立一個慣性參照系去對其進行描述。以目前人類所可能的觀測范圍，通常都 是采用我們自身的慣性參照系進行觀測的，那么我們采用我們本身的時間和空間去對整個我們可觀測的宇宙范圍的時間和空間進行定義，那么并沒有超出我們在宇宙 中可能性的應用中的時間和空間的屬性的范圍。當然，在實際應用中，不同的慣性參照系間的時間和空間的計量問題，通過物體在不同慣性參照系中的屬性不同去進 行調節(jié)將是不太方便的。我們將涉及到比較復雜的描述上的變換。但是，這樣做也同時贏得了我們在理解上的方便，這樣的時間和空間的觀念和我們日常生活中的時 間和空間觀念是相同的。

     2、相對論

     相對論在數學描述上通常被看作是非常完美的一個物理理論，但是在實際的應用過程中，卻幾乎沒有實際應用的價值。這來源于如下的兩點：

     一、相對論建立了兩個慣性參照系間的時間和空間的關系，但是卻建立了一個相對的同時性。時間和空間的觀念在不同的參照系中存在著不同。

     二、相對論將物體在不同慣性參照系運動過程中所表現出的事件進程屬性間的不同歸之于時間觀念的不同，如鐘表在不同參照系間的走時是不同的，即時間膨脹。同時，將物體在不同慣性參照系運動過程中所表現出的空間位置屬性間的不同歸之于空間觀念的不同。如“尺縮”效應。

   本文在這里列出了相對論內在邏輯哲學觀念上的兩點矛盾，關于概念上的矛盾您可以參見其它的文章，本站在以前的文章中對此的討論已經很多了。

    如果相對論對物理事件的描述在實驗數值上是吻合的，那么，在邏輯上的問題仍然是不可以回避的。我們沒有根據去排除物體事件在不同慣性參照系中的運動存在差異，但是，解釋的方法并非只有歸之于時間和空間可變的一種。

     從方法論上來說，還存在其它的描述模式對物體在不同慣性參照系中運動屬性的不同進行描述。另一方面，相對論完成物質運動狀態(tài)和物質事件本身進程間的關系， 無疑開創(chuàng)了對物理事件描述的一種新的領域。作為我個人而言，不贊成這種描述方法。因為它把物理基本概念間的關系和屬性給混合起來，至少從方法論上來說，這 不是對物理事件精確描述的科學方法。

      (注：本文不是時間與空間的邏輯結構。它包含我原來對這篇文章的部分觀點。由于我對新的時間和空間的看法還存在幾個問題，也許近期不能得以解決，故將這部分觀點寫在這篇牛頓力學和相對論兩種科學體系的哲學觀念的分析中）

2000.9.20

http://blog.sina.com.cn/s/blog_6130a8420101amy1.html

(2012-10-11 18:28: