1.时空问题与物理学

1、时空问题与物理学

《中国大百科全书》（物理学）中有条目：“力学、物理学、天文学和哲学的基本概念。在力学和物理学中，这些概念是从对物体及其运动和相互作用的测量和描述中抽象出来的；涉及物体及其运动和相互作用的广延性和持续性。空间是在测量和描述物体及其运动的位置、形状、方向等性质中抽象出来的；时间则是从描述物体运动的持续性，以及事件发生的顺序中抽象出来的。空间和时间的性质，主要通过它们与物体运动及其相互作用的各种关系和测量表现出来。物理学对于空间和时间的认识，还存在着一些基本问题有待解决，还在不断的发展”。

宇宙，现代汉语词典释为：“一切物质及其存在形式的总体（“宇”指无限空间，“宙”指无限时间）。”【1】宇宙一词最早载于春秋时期晋国程本（字子华）所著《子华子》一书《孔子赠》篇：“惟道无定形，虚凝为气，散布为万物，宇宙也者，所以载道而传焉者也”。 【2】是说唯有千变万化的客观规律, 寓于看不见的“气”和万物之中，所谓宇宙，就是通过它们显现这些客观规律的埸所。到了战国时期，鲁国的尸佼在其所著《尸子》一书中，第一次明确定义了“宇宙”： “四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。这个定义虽不深刻，但很简单且直观，故而被大家接受，传承至今。现代科学认为宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。

英语词汇中跟宇宙相对应的有“universe”和“cosmos”，二者旧时虽有诸多歧义, 1984年新版英语辞典中已使这两个词汇明确化： “universe”指称所有时空范围内一切事物存在的总体；“cosmos”指称天文学意义上的整个天体系统。科学家试图用纯物理理论来解释宇宙起源，依赖于三个假设：用数学语言表达的自然定律可以解释一切现象；这些定律适用于一切时间、地点；基本的自然定律是简单的。天文学上宇宙指人们所能观测到的星系和星际物质的总称。研究这个整体的物理分支是宇宙学。目前可观测宇宙的大小约为100亿光年(1光年=光在一年内走过的距离=9.46×10m 。)

所谓时空观，就是有关时间和空间的物理性质的认识。时空观同自然科学的发展是密切相关的。科学上的重大变革往往伴随着新时空观的产生。甚至，在一定意义下可以反过来说，时空观的变革才是科学上大变革的基本标志。物理学随着人们对时空与物理客体之间的认识之进化而进化，从而时空概念本身及其在物理学中的地位和作用，也在发生着相应的变化。然而对于宇宙（包括物质、运动、时间、空间）的认识和理解，从古到今无论是神学家们、哲学家们、物理学家们一直在进行非常激烈的辩争，但现在它们大体都已形成了各自的主流15

认识。时间和空间，是运动着的物质存在形式。空间是物质存在的广延性，时间是物质运动过程的持续性和顺序性。科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体（其中重要的特例是‘固体’）的概念接收过来，加以修正，使之更加确切. 目前物理思想的特点，和整个自然科学思想的特点一样，是在原则上力求完全用‘类空’概念来说明问题，力求借助于这些概念来表述一切具有定律形式的关系„„完全用‘类空’概念来理解一切关系在原则上是可能的（因为‘物质’已失去了作为基本概念的地位. 【3】这里关于空间-时间-事件诸概念（我们将把这些概念简称为“类空”概念，以有别于心理学方面的概念. 在一定的条件下，物理学必须并且只能以一个一致的时空概念作为其研究的基础和出发点。

时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。 物理学家薛定谔所讲的，我们不用时空进行思维，我们根本就不能思维。物理学的时空概念不可与哲学上的时空观相等同，因为前者以科学论证为特征，而后者以抽象思辨为特征。但是，它们以不同的方式都影响着物理学家的研究，为破除旧的概念、形成新的概念提供着方法论武器。而当一种物理时空概念形成，进而发展成为科学理论体系，并以其科学的特质影响着不同的哲学学派对时空概念的解读时，物理学的时空观便成为哲学时空观的科学基础。上的时空观就是在与物理学时空概念的抽象化、理想化要求之间的相互作用和相互启发中，产生和演变的。自然哲学时空观进行批判和扬弃的结果，由此形成了科学化的时空概念。这种时空概念一开始是一种所理解和接受。它将因果性不仅确立为自然的基本原理，而且确立为哲学在理解自然时的基本观念。这种观念为构成近代科学的哲学基础起到了背景的作用。在物理学上，坚信自然的物理规律是统一的信念和对物质本原的深入研究，推动着物理学时空概念的发展；时空概念的变革成为物理学发展过程中解决理论矛盾的出路。

爱因斯坦认为：“时空是一种我们用来思考的模式而不是我们用来生活的条件。”诺贝尔物理奖得主劳克林说：未来的理论物理学应该说明空间和时间是什么。物理学家薛定谔认为，我们不用时空进行思维，我们根本就不能思维。宇宙按照其定义，就是一切事物：物质、能量、空间、时间，物理学所指的物质及其运动脱离不了时间与空间，时空也不能脱离物质而存在，时间和空间作为物理学上有效的因素是本质上的因素，时空观念是物理学中最基本的也是最重要的概念，任何对时空观念的更新与深化，势必对整个物理学产生巨大的和革命性的影响，从中引出的任何结论都是普适的，任何物理定律均不能与之相矛盾; 任何对时间和空间概念的改变都要求对物理学作出重大调整，这种调整比自然科学的任何其他领域要大，因为时间和空间是物理过程赖以描述的支架。从逻辑的、分析的角度看，

时间的确具有与空间相似和相同的特性，这使得哲学史上大多数哲学家都把空间和时间放在一起讨论。空间和时间是事物之间的一种次序，空间用以描述物体的位形；时间用以描述事件之间的先后顺序。柏格森第一次从哲学上对时间和空间进行区分，并把时间置于比空间更优越的地位，这具有划时代意义。时间本体从空间化的时间中突现出来。后来的时间哲学不论是现象学、存在主义还是怀特海，都继承了时间优于空间的思想，这导致时间无论在作为物的存在方式，还是作为人的存在方式，都获得比空间更为根本的意义。空间和时间的物理性质主要通过它们与物体运动的各种联系而表现出来。在自然科学中，时间已不仅作为一个度规量而与空间一起接受几何学、逻辑学考究，时间的不可逆性和方向性本来就是一个重要的科学哲学问题，赖兴巴赫和格鲁巴姆为解释时间的方向性作出了重要的贡献。

时空概念的发展和丰富及其在物理学中的地位和作用的变化，体现了人类认识过程中理性和经验、人与物理对象之间的相互作用。首先，像时空概念这样重要的理论元素，如果不能正确认识它的相对性，而将其地位绝对化，仅在理论内部为拯救现象做特设性的调整，那将会阻碍理论的发展。从人类经验综合和抽象而来的概念，不应该是静止的、绝对化的，而应随着人类认识和实践的发展而发展。在这里，哲学的作用不可小视。时空概念的变化表明，科学进步决定了概念变化的方向。也就是说，我们要认识到概念变化的必然性及其变化的方向性。其次，概念都是人的抽象思维的产物。在抽象过程中，我们不得不在一定的认识条件下对经验现象作取舍和理想化；而在认识发展到更高阶段，处理更深层次和更广泛的现象和问题时，这些取舍和理想化就变得不再那么合理。可是，发现这种不合理却不是一件容易的事。爱因斯坦在为M. 雅默 (Max Jammer)的《空间概念物理学中空间理论的历史》作序时曾写到：在企图把庞杂的观察数据作出系统的概念表述时，科学家用上了整个概念武库，这些概念实际上是同他的母亲的奶一道吮吸来的；他很难觉察到他的这些概念中始终有问题的特征。(《爱因斯坦文集》第1卷，第586页) 时空概念的变化对于物理学来说似乎是一个顺理成章的事，但对于人类认识的发展来说却是异乎寻常的。因此爱因斯坦认为：为了科学，必须反反复复地批判这些基本概念，以免我们会不自觉地受它们支配。在传统的基本概念的贯彻使用碰到难以解决的矛盾而引起了观念发展的那些情况，这就变得特别明显。(同上) 也就是说，我们要认识到基本概念变化的可能性。再次，虽然科学来源于哲学，但由于技术手段的差别和理论要求的不同，对同样问题的研究科学和哲学会有不同的进路，发展的程度也不相同。所以，不应将哲学的时空观与科学对时空的研究所形成的时空概念简单地等同，同时也要注意两者的联系，这样才能既合理地利用科学取得的成果，又不僵化思想。也就是说，我们要认识到基本概念演化在科学上的特殊性。

如果把空间看作绝对静止的事物，也就是全然无变化的东西，那么时间也就不存在了。同样地，对于时间的测量，如果没有空间的变化作为背景，那么所谓的测量就是根本不可能的。设想一个静止的粒子，它表象为唯一确定的空间位置，而在时间上是无限延伸的，因而对它来说，时间的度量被否定了。当粒子一旦开始运动，就否定了它唯一确定的空间位置，运动中不同位置的相继出现，则表象了粒子的时间的度量，得到了该粒子运动所表征的时间。时间的再否定，就出现了粒子的新的空间位置因素，即确定了粒子新的空间度量。我们知道：地球的自转产生了昼夜的时间度量形式——地球时，月亮绕地球的转动产生了月的时间度量形式——月球时，地球绕太阳的运动产生了年的时间度量形式——太阳时。倘若这些运动不存在，或被终止了，那么年月日这些特有的时间度量形式也就不存在或被终止了。广义说来，地球、太阳和月亮都是一座钟，是人类生活中最通用和最古老的钟，而且也是标定其它各类钟的基础。从人类历史上看，现在的时间尺度或时标，就是靠地球自转和绕太阳的公转来确定的，并依据它导出其它单位的标度。现代科学虽然发现了地球自转的不均匀性，以及由于地球章动带来的地球公转周期的微小变化，但人类毕竟是生活在地球上的，一切活动都受到昼夜和季节变化的影响。因此，人们还是要不断修正自己的时钟，以适应大自然的这些变化。 参考文献：

【1】《现代汉语词典》（2002年增补本）中国社会科学院语言研究所词典编辑室编 北京：商务印书馆 2002年5月 第1538页

【2】《时空学说史》 李烈炎著 湖北人民出版社 1988年1月 第18页、21页、663页

【3】爱因斯坦著 狭义与广义相对论浅说p113 上海科学技术出版社 1964年

【4】爱因斯坦著 狭义与广义相对论浅说p112 上海科学技术出版社 1964年