時空本源的探索

劉朝建

摘要：本文從唯物主義反映論的存在與意識的關系出發(fā)，對物理學的時空觀念的本源進行探索，指出物理學的空間一一參照坐標系是對現(xiàn)實中真實存在的自然空間的模擬、反映，現(xiàn)實中真實存在的自然空間是物理學空間觀念的本源；而時間則是對現(xiàn)實中物質運動過程的反映和量度，現(xiàn)實中物質的運動則是物理學時間觀念的本源。

關鍵詞：時間；空間；參照系；運動

中圖分類號：0412.1

世界是包括一切的整體，它既不是由任何神或人創(chuàng)造的，它總是按規(guī)律燃燒，按規(guī)律熄滅的永恒的活火。

——赫拉克利特

1 自然科學理論是對現(xiàn)實中，自然中，客觀存在的物質的性質及其規(guī)律的描述、刻畫、模擬和反映，而現(xiàn)實中客觀存在的物質的性質和規(guī)律則是自然科學理論認識的本源

自然以及自然中物質的性質和規(guī)律是一種現(xiàn)實存在，一種真實存在，一種客觀存在，它們既不是由任何神或人創(chuàng)造的，它們的存在不會因為人類的存在而存在，也不會因為人類的消亡而消亡，它們也不會因為我們?nèi)祟愑^念和意志的改變而改變，它們能夠被我們感覺所感知，也能夠被我們描述、刻畫、模擬和反映。描述和模擬客觀存在的物質性質及其規(guī)律的觀念、認識就是自然科學理論，因此自然科學理論并不是一種客觀存在，現(xiàn)實存在，而是存在于我們?nèi)祟愃季S之中，是人類思維的產(chǎn)物，是人類智慧的結晶，它會隨著人類對現(xiàn)實存在的、客觀存在的自然以及自然中物質的性質和規(guī)律理解和認識的深入而不斷地發(fā)展和變化。自然料學理論同人類的社會發(fā)展一樣，經(jīng)歷了一個從低級向高級，從簡單到復雜不斷演化、進步和發(fā)展的過程。

人以及人類社會究其本質而言仍然是自然的一部份，是自然演化到一定階段產(chǎn)生的能夠認識和利用自然中物質的性質和規(guī)律的生物，自然界的物質和規(guī)律是絕對的，它既不是任何神或人創(chuàng)造的，它不會隨人的主觀意志，主觀需要的改變而改變，對自然界物質性質和規(guī)律這種客觀存在的認識只能通過觀察和實踐去認識，而不可能通過某種方式去創(chuàng)造。人類通過對自然界的觀察和實踐，能夠獲得對自然界物質的性質和規(guī)律的感性認識一一即有關自然界物質性質和規(guī)律的現(xiàn)像和數(shù)據(jù)，通過對這些現(xiàn)像和數(shù)據(jù)的理性思考一一分析，歸納，綜合，演繹等，能夠使人們認識到隱藏于這些現(xiàn)像和數(shù)據(jù)深處的自然界物質更為普遍的，一般性質和規(guī)律，并以物理和數(shù)學的方式進行描述、刻畫、模擬，并在現(xiàn)實中加以利用，驗證和完善，從而建立起自然科學理論，我們現(xiàn)有的自然科學理論。無論是物理學的力學、熱力學、光學、電磁學、量子力學等，還是化學、生物學、醫(yī)學等都無不是通過這種方式建立起來的，只有感知自然，我們才能認識自然，對自然的觀察和實踐才是我們認識自然的前提和基礎，試想一下，如果不是通過觀察和實驗，而僅僅依靠某種猜測，或僅僅使用某種純粹的數(shù)學演繹，我們能夠認識到物質由百余元素組成，原子是由原子核和電子構成，而原子核由質子和中子構成嗎？自然就像是一本從不隱瞞自身的百科全書，而科學研究的目的就是要讀懂和理解這本書，而不是按照人為主觀意志創(chuàng)造一本書，自然不是任何人能夠創(chuàng)造出來的。因此客觀存在的自然界物質的性質和規(guī)律是我們所有自然科學理論的本源，而自然科學理論則是對自然中物質性質和規(guī)律的描述、刻畫、模擬和反映

正確理解自然科學理論與自然界中物質性質和規(guī)律的關系，才能使我們正確認識物理學的時間和空間觀念，即物理學的時間和空間觀念的本源是什么，它們是對現(xiàn)實中，客觀存在的、真實存在的何種客觀事物的描述、刻畫、模擬。

2 物理學的空間一一參照坐標系是對現(xiàn)實存在的、客觀存在的自然空間的描述和模擬，而現(xiàn)實存在、客觀存在的自然空間則是物理學空間觀念認識的本源

自然空間是一種客觀存在，真實存在和現(xiàn)實存在，它既不是由任何神或人創(chuàng)造的，它不會因為人類的存在而存在，也不會因為人類消失而消失，也不會因為人的主觀意志、主觀需求的改變而改變，它是絕對的、第一性的，它能夠被我們感覺所感知，也能夠被我們所描述和模擬，對自然空間這種現(xiàn)實存在和客觀存在的認識，只可能建立對它的觀察和實踐上，從對它的觀察和實踐所獲得現(xiàn)像和數(shù)據(jù)的分析論證的基礎上去認識、描述、模擬它的性質。

首先、在現(xiàn)實中，自然空間性質并不會隨著物質運動狀態(tài)的改變而改變，例如自然空間的大小并不會隨著物質運動狀態(tài)的改變而改變，物質運動狀態(tài)改變改變的是物質自身的運動狀態(tài)，是該物質相對于其它物質的運動狀態(tài)的改變，而真實的自然空間的大小并不會改變，在現(xiàn)實中，我們在加速器中，可以將電子加速到接近光速，這時候只是電子自身運狀態(tài)發(fā)生改變，電子相對于加速器的運動狀態(tài)發(fā)生了改變，而加速器、地球及至整個宇宙的大小都不會發(fā)生改變，因此，哪種認為現(xiàn)實中自然空間的性質、自然空間的大小會隨著物質運動狀態(tài)的改變而改變是沒有任何事實根據(jù)的，也是與我們對自然空間這種客觀存在觀察和實驗所得基本性質的認識是不符合的。

其次、自然空間無所謂靜止或運動，在現(xiàn)實中，運動的主體是物質，而自然空間是運動的客體，運動的本質是物質在自然空間中位置的變化，如果自然空間是運動或者是靜止，哪就會有自然空間在自然空間中運動或靜止，這在概念和觀念上是自舉的，在現(xiàn)實中，我們也只能觀察到物質在自然空間中運動，而觀察不到自然空間是遠動或靜止的。物理學之所以有空間運動或靜止的觀點，是因為沒有正確區(qū)分認識上的空間一一參照系與現(xiàn)實中的自然空間的關系，認識上空間一一參照系是以參照物為基準的，而參照物是有運動和靜止的，因此以參照物為基準的數(shù)學空間必然隨參照物運動而運動，而真實的自然空間無所謂運動或靜止，這反映了認識上的空間一一參照系只是相對的，近似的模擬、反映了真實的自然空間的部分性質。

在物理學中，對現(xiàn)實中自然空間的模擬、反映和描述是建立在以參照物為基準的數(shù)學坐標系一一參照系上，參照系并不是一種客觀存在，現(xiàn)實存在，在現(xiàn)實中并不存在參照系這種客觀事物，它是一種主觀存在，它存在與人的思維與認識之中，它會隨著人的主觀意志、主觀需要的改變而改變，例如我們可以選擇地面，也可以選擇運動的車船為參照物，可以選擇地球為參照物，也可以選擇太陽為參照物，我們可以選擇直角坐標系，也可以選擇球坐標系、極坐標系加以描述，這完全取決于我們的主觀意志、主觀需要。雖然參照系是一種主觀存在，但是它反映和描述的內(nèi)容是客觀的，即是對現(xiàn)實中自然空間盡最大可能的模擬、描述和反映。

自然空間的大小不會隨著物質運動的改變而改變，因此參照系坐標系空間的大小也不會因為參照物選擇，運動狀態(tài)的改變而改變，而這正是伽利略變換，力學矢量疊加，線性平移的理論基礎，因此，物理學中伽利略變換中空間大小不變性，力學中的矢量疊加，線性平移并不是來自于某種主觀的假定，而來自于對現(xiàn)實中自然空間的大小不會隨著物質運動狀態(tài)改變而改變的特性的模擬、描述和反映。

物理學是用三維空間，而不是一維、二維或四維、五維，采用的數(shù)學空間是正實空間而不是數(shù)值空間，可以選擇往意方向為參考方向，這同樣來自于對現(xiàn)實中自然空間的模擬、描述和反映，在現(xiàn)實中，我們只需要三個獨立參數(shù)就能確定物體的空間位置，因此我們只需要選擇三維坐標系就能描述和模擬現(xiàn)實中的自然空間，而現(xiàn)實中物體之間的距離始終是正數(shù)，這就決定了參照系的空間的正實性，而現(xiàn)實中的自然空間具有各向同性，即沒有任何一個方向比其它方向具有特殊性質，因此我們可以在參照系中選擇任意一個方向為參考方向，

正確認識物理學的參照系和現(xiàn)實中自然空間的關系，我們才能夠理解為什么參照系是三維正實矢量空間，伽利略變換具有空間不變性，力學運算采用矢量疊加、線性運移，這些都是來自于對現(xiàn)實中自然空間特性的模擬、描述和反映，是建立在對自然空間這種客觀存在、現(xiàn)實存在觀察和實踐所得現(xiàn)像和數(shù)據(jù)分析、歸納、總結的基礎上。現(xiàn)實中的自然空間是物理學空間一一參照系的認識本源，是決定參照系性質的根據(jù)。

3 時間是對現(xiàn)實中物質運動過程反映和量度，而現(xiàn)實中物質的運動則是時間觀念認識的本源

古希臘哲人亞里士多德在其《物理》一文中曾經(jīng)對時間有著深刻而精彩的描述，他指出時間是運動的量度，這句話深刻地闡述了時間和現(xiàn)實中物質運動之間的關系，即時間不是一種客觀存在，現(xiàn)實存在，自然存在，在現(xiàn)實之中，并不存在客觀時間或自然時間，它是一種主觀存在，它存在于我們觀念、思維、感覺之中，它是對現(xiàn)實中物質持續(xù)性運動過程的能動反映和量度，時間作為一種主觀感覺存在，它會受到我們精神和情緒的影響，在現(xiàn)實生活中，當我們心情愈悅時，我們會感覺光陰似箭，而我們情緒低落時，又會覺得度日如年，這充分顯示時間存在的主觀性。現(xiàn)實中，物質的運動是物質自身的運動而不是隨什么而運動，是物質所固有的一種自然屬性，而正是現(xiàn)實中物質具有的方向性的持續(xù)性的運動使我們產(chǎn)生了時間流逝的感覺。如果現(xiàn)實的世界不存在物質的運動，也就淡不上物質的持續(xù)性運動過程，也就感覺不到時間存在，一切都是永恒靜止的，沒有過去、現(xiàn)在、將來，沒有前因，沒有后果，事物也就不存在發(fā)生，發(fā)展和結束，也就沒有歷史，沒有過程，甚至沒有心理活動，沒有意識，當然也就談不上感覺時間的流逝。現(xiàn)實物質世界的物質是永恒的絕對運動的，因此對物質世界持續(xù)性過程的能動反映和量度一一時間也是一種永恒存在，并且始終從過去到現(xiàn)在到未來永恒的流動，只不過它不是存在與現(xiàn)實物質世界之中，而是存在與我們思維、觀念、認識、感覺之中。

時間雖然是一種主觀存在，但是它所反映的內(nèi)容卻是客觀存在的，是對現(xiàn)實中物質持續(xù)性運動過程的能動反映，時間的特性如持續(xù)性、不可逆性正是對現(xiàn)實中物質運動的持續(xù)性：不可逆性模擬和反映。在物理學，時間和長度、質量、力是相同物理范疇的概念，長度是物質空間的量度（即物質空間距離、形狀大小），質量是物質的量的量度（即物質的多少），力是物質相互作用的量度（強弱），而時間是物質運動過程的量度，在現(xiàn)實中，我們經(jīng)常用時間來恒量運動的快慢，例如化學反應，時間越短則表明化學反應越快，如完成一件事情，時間越短，則事情做得越快，在物理學，機械運動和振動也可以用時間來量度，例如機械運動，通過單位距離時間越短，則運動越快，每振動一次，時間越短，則振動越快，在物理學，時間才是恒量物質運動過程快慢的基本物理量，而速度、速率、頻率則是以時間為基礎的引申物理量。正若我們可以用周期性、均勻性特定長度物質（如米尺）作為長度的測量基準，周期性、均勻性的特定質量的物質（如砝碼）作為質量的測量的基準，而時間（物質運動過程的量度）的測量的基準使用的是周期性、均勻性的特定物質運動過程。我們用地球圍繞太陽一周定義了一年，而地球自轉一周定義了一天。物質運動是通過特定物質運動來計量，而時間是以特定物質運動為基準，這說明了時間是對現(xiàn)實中物質運動過程的量度結論的合理性。

在物理學中，只使用三維正矢空間只能描述物質在空間的位置，而不能反映物質在空間上位置的變化，因此物理學在三維正矢空間基礎上還需要引入一個持續(xù)性、不可逆的變量一一時間變量才能描述和模擬現(xiàn)實中物質在自然空間中的遠動，因此，參照系三維空間加一維時間正是為了描述和模擬現(xiàn)實中物質在自然空間中運動需要而人為建立的，三維空間和時間的性質是由現(xiàn)實中自然空間的性質和物質運動特性決定的。

4 現(xiàn)有物理學時空觀的局限性

現(xiàn)有物理學無論是牛頓力學的絕對時空觀或是相對論時空觀對時間的理解都是將其看成是只有純粹的數(shù)學意義，而沒有任何現(xiàn)實的物理意義，它們都沒有將時間與現(xiàn)實中物質運動相聯(lián)系，只有將二者聯(lián)系起來，我們才能認識到。時間是有現(xiàn)實物理意義的，即是對現(xiàn)實中物質運動過程的量度和能動反映，而現(xiàn)實中物質運動則是時間觀念認識的本源。現(xiàn)有物理學也沒有能夠正確區(qū)分認識上的空間一一參照坐標系與現(xiàn)實中空間一一自然空間的關系，現(xiàn)代物理學的相對論時空觀，無論是尺縮、時縮、還是同時性為相對性，都不是建立在對現(xiàn)實中存在的自然空間和物質運動觀察和實驗的結果，而是來自于為了調(diào)和因為把光的運動等同物體的機械運動，把光速等同于力學的機械運動速度而產(chǎn)生的光速不變原理與伽利略變換矛盾而人為主觀構造的數(shù)學坐標系一一洛倫茲變換演繹的結果。相對論認為空間會隨著物質運動狀態(tài)的改變而改變，但是相對論并沒有明確地指出是現(xiàn)實中的自然空間隨物質運動狀態(tài)妀變而改變，還是認識上的空間一一參照系空間隨著物質遠動狀態(tài)改變而改變，很顯然，現(xiàn)實中的自然空間大小不會隨著物質運動狀態(tài)的改變而改變，地球也好，宇宙也好，它們的大小不會因為人為指定的參照物的改變而改變。因此只可能認識上的空間一一參照系隨著人為指定參照物的運動狀態(tài)的改變而改變。現(xiàn)實中自然空間大小不會隨著參照物運動狀態(tài)改變而改變，而描述和模擬現(xiàn)實中自然空間的參照系的空間隨人為指定參照物運動狀態(tài)改變而改變，哪只能說明參照系變換的性質沒有能夠正確反映和模擬現(xiàn)實中自然空間的性質。因此，某些相對論物理物理學者認為是對現(xiàn)實中自然空間的觀測隨著人為選定參照物運動狀態(tài)的改變而改變，觀測是人類對自然的感知，如果現(xiàn)實中自然空間的大小是不變，而觀測的結果是改變，哪也只能說明觀測結果沒有能夠正確反映現(xiàn)實中自然空間的性質，即現(xiàn)實中的自然空間大小不會隨著物質運動狀態(tài)的改變而改變，更何況相對論的尺縮也并不是源于對現(xiàn)實的自然空間觀測的結果，而是來自于純粹的數(shù)學推導——洛倫茲變換的結果，如果我們相信洛倫玄變換是對現(xiàn)實中自然空間的真實模擬和反映，哪么必然是現(xiàn)實中自然空間大小會隨著人為選定的參照物的遠動狀態(tài)的改變而改變。如果這個是真的，哪么就會得出地球或者宇宙的大小會因為人為選擇地面還是車船，選擇地球還是太陽為參照物的改變而改變的結論。這個結論顯然是錯誤，地球，宇宙的大小肯定不會隨人的主觀意志改變而改變的，也不會隨人為選擇的參照物的改變而改變，自然的性質和規(guī)律不是由人的主觀意志所能決定，因此我們需要慎重地對待相對論時空觀的真實性與合理性。

參考文獻：

[1]程守洙，江之永.普通物理學，高等教育出版社.

[2]高政祥，原子和亞原子物理學，北京大學出版社.

[3]彭恒武，徐錫申.理論物理基礎，北京大學出版社.