空间的概念

志勰

采用逻辑分析的方法对空间的特点作的简要的分析。


对物体静止存在状态的描述

    如果我们是静止的,有一个相对于我们是静止的物体,我们如何对它进行描述呢?如何描述物体的任意一点呢?

    常规的方法是建立一个参照系,对于描述相对于我们静止的物体,通常的参照系是选取我们本身的参照系作为参照系。我们可以选取这个参照系中的一点作为描述的基点,即:零点。这样我们就可以对物体的存在状态进行描述了。

    首先需要确认的一点是我们所选定的参照系是任意的,以我们的不同而不同。如果我们是坐在高速飞行的火箭上,那么,这个参照系就是以火箭上的任一点作为基点。关于高速运动的问题我们暂且抛在一边,将在以后的文章中在作探讨。这样做的目的是提醒大家,我们所在的参照系相对于别的参照系也可能在高速飞行。对于我们自身相对于未知的参照系是不能确定的。

    其次,就是描述这个物体的问题了。相对于参照系的基点,我们通常可以采用两种方法对物体进行确定。一种方法是测定物体的任意点和基点的距离,并同时测定物体的任一点和基点的连线间的角度。这样我们就可以确定物体的大小了。日常生活中物体给与我们眼睛的经验感觉通常是这样确定的。如果确定物体相对于我们的空间位置,那就必须对基点和物体任一点的连线和物体所处于基点的位置建立一个角度参照了。通常在科学描述中我们是通过坐标来完成的;即我们通常所说的球坐标系。另一种对物体描述的方法是首先建立一个参照系,通过长、宽、高三个维度的确立来完成的。即我们所说的三维坐标系。

  两种参照系对物体位置、大小等的描述具有等效性。前者对物体的描述需要确定基点相对于物体的长度和参照角度,才可以对物体在空间中的位置进行确定。而后者仅需要知道物体相对于三条坐标线的垂直距离就够了。在实际应用中后者比较方便和普遍。故,通常我们把空间叫做三维空间。

    我认为,建立这样的描述体系是因为这样的对物体的描述是在实际应用中最简单、最方便。

空间单位的定义问题

    描述体系的建立除了如上这种描述结构的建立之外,还有一个更重要的问题。就是单位的定义问题。空间单位对物体大小的描述是建立在长度的基础上。即:通常所说的两点之间的距离。

    长度的定义单位是由法国在创建米制式提出的,原规定为自北极通过巴黎到赤道的子午线长度的千万分之一,而标准米是一根铂棒,称为存档米源器。在1983年的第十七届国际计量大会上,又建立了米的新定义:“米是光在真空中,在1/299792458秒的时间间隔内运行距离的长度。”

    我们知道了确定单位的长度,那么就可以通过这一基本的长度单位对一个参照系中的物体的空间大小进行确定了。

    采用光在真空中的传播时间,或者光的运动进行定义,我认为是存在缺陷的。我们知道,现行的光速的定义是相对论定义的模式,适用于任何一个参照系。那么,在不同参照系中相对于一个确定的参照系,其长度是不同的。换句话说,在一个参照系中对其它参照系进行描述的时候,我们所采用的空间单位是不同的。这样物体的空间大小就是相对的了(同样大小的空间大小,在我们描述中通常是指同样数值的空间大小)。更进一步的讲,采用不同的参照系去定量一个物体的大小,那么物体的大小是一个变数,或者说物体没有一个确定的大小。当然,这样的说法是建立在相对论的基础上。

   不论我们去考察任何两个参照系中的空间,如果我们得到两个参照系间的有效的数值描述,那么首先在单位的量上,两个参照系间必然是相同的,否则,谈论两个参照系就没有任何意义。

    长度单位的大小实际上在于度量的意义,是一种数值和选定标准对象相对应的量的关系。

空间的特点

      在确定一个物体大小和物体位置的时候,我们所采用的三个维度的单位大小都采用相同的单位,并依此赋予空间的属性是各向同性。这是我们采用确定的单位对空间三条维度定义的结果。这是一种人为的定义,对它的合理性是一种经验约定。

      您可以看到,空间只是我们在对物体进行描述的时候而采用的虚拟的概念,实际上,这些概念所描述的除物体之外的实体是不存在的。我们找不到它存在的证据。我们只能是根据我们所采用的对物质大小测量的方法而得出的描述物体属性的一种状态参量。

    习惯上,我们通常根据物体给于我们的经验感觉将空间的属性进行外延,广延性和伸张性是我们所认识的空间属性的重要特点。同时,也是将物体所给与我们的对空间的经验感觉进行三条维度外延,采用数学描述的结果。

2000.8.9