时间和空间的逻辑结构之五

                                                  ——时间、空间与物质的运动(中)

志勰

对时间、空间和物质运动的属性的进一步分析。本文确立了处理时间的方法


物质运动的描述问题

     我们在上面已经确定了惯性参照系与物体存在状态的关系,一个惯性参照系可以唯一的确定物体在物质世界中的某种存在状态,在传统物理学中,这种存在状态我们通常把它叫做物体的运动速度,它对应物体存在的一种状态。我们通常笼统的将物体的这种存在状态叫做物体的运动速度。实际上这是不严格的。在实际的应用过程中,如在太空中,我们通常将我们的存在状态作为惯性参照系的零点,将我们本身看作静止,这样,就出现了很多的惯性参照系标准。另一方面,我们采用物质的存在状态即:物质和空间的作用关系,我们将如何去处理这个复杂的参照系体系呢?因为物质和空间的作用关系并不仅仅表现在物质的运动上,传统所说的引力场等空间的作用,将会使物质与空间的关系更为复杂,我们将如何去处理呢?

 确定物质世界存在状态的方法

         一、物质间存在的作用。

            我们不能否认,物体在处于不同的运动状态其属性是不同的,即便是相同的一个物体。如电荷:电荷的运动说明了这样的道理。一个电荷在运动时会对空间产生磁的作用,静止的电荷只和空间产生电的作用。除了采用物体在不同的存在状态其对外作用的属性是不同的之外,我们不能找到其它的解释。

          您也许有这样的疑问,普通的物体我们不能感觉到它在运动时和非运动时存在任何的不同,比如一个石子。我想这样的问题您没有考虑到物质的微观结构所给与外界的作用。如果一个石子中的电子和质子在运动时所给与外界的某一个物体的作用,其大小近乎相等、方向相反,我们将不能觉察出石子和外界空间之间所存在的任何的作用。但是,我们不能说石子和外界的物体之间没有相互作用。物体之间的作用力不是求解矢量作用力的大小,可以通过确定的方向来判定。物体间的这种作用对于物体在空间中的运动在宏观上来说也许没有任何的矢量属性,但是,它是存在的。我们不能否认这样的事实。对于这一点,您可以通过如下简单的方法来进行确定:给一个物体分别带上一定的正电荷和负电荷,并分别去测定它们对外界的作用。并进而推测物体在只有正电荷和只有负电荷时所给与外界的电的作用强度。

          实际上,在外表上看来没有任何相互作用的普通的物体间的作用是非常巨大的。在化学上一摩尔的物质里所携带的正负电荷电量 就大概在6乘以10的3次方库仑左右。它们所占据的体积却在不到一立方厘米的空间里,大家就可想而知物体间的作用是多么的强烈。只是由于正负电荷所给与的电的作用方向是大小相等、方向相反,所以我们不能发现普通物体间的作用。地球外层的正电离层对地球空间所形成的磁场,也就是我们通常所说的地磁也是由于这种作用失恒形成的。

    二、物体间作用的属性和运动的关系

  (1)对物质作用属性和运动变化关系处理的原则

       我们知道,在宇宙中存在的物体都在不停的运动变化,并且在宇宙中不停的变换位置。对于我们对宇宙的描述,一个首要的问题是我们应以什么样的方式去处理宇宙中物体的运动变化问题。

   不论我们采用任何的对物质运动变化的定义方式,也不论我们对宇宙中物体的运动变化采用任何体系进行描述,我们所描述的宇宙中的物体的运动变化不依赖于我们所采用的描述定义体系。宇宙中天体的运动变化都在按它本身的运动变化规律在运动变化。我们所采用的描述定义体系只是为了便于对物质世界的运动变化进行描述。

    这样,在某种意义上来说,物质运动变化的主体不依赖于我们所针对物质世界的描述而建立的规律。我们对宇宙的描述仅起到人类对物质世界的理解的一种作用,我们所想象的宇宙和真实的宇宙的一种对应。除此之外,没有其它的含义。我们在这种意义上所得出的物质运动变化的规律仅是对某类或者物质运动变化规律的一种在我们理解意义上的描写和重现。

     (2)对物质运动变化处理的两种关系

     在牛顿力学中,对运动物体的处理是很简单的,可以说并没有考虑物质间的相互作用。当然,更不要说相对运动物质间的相互作用。在这样的意义上来说,牛顿力学对物质运动变化的处理是不全面的。

       相对论对物质在运动过程中的状态进行了处理,通过改变描述物质的基本属性来实现对物质运动状态之间的关系进行描述。下面我们来探讨相对论对物质运动状态进行处理的这些关系:

      (一) 光速不变原理

      通常认为,在这一原理上只有光速与光源的运动无关得以确认,这是在试验中严格证明的物理现象,或者说这是光速运动的一个规律。

         关于光速不变的理解,我想好多朋友可能对光速不变的含义存在疑问。主要是如下两个方面:

    一方面是在相对论中所引入的参照系。我们知道,在相对论中,时间和空间随不同的惯性参照系,其定量标准在发生变化。一般不容易理解,为什么在不同的惯性参照系中相对论的时间和空间观念是可变的。同时物体的质量的定量标准——相同的物体在不同惯性参照系中的质量也在发生数值上的计量变化。似乎可变就把时间和空间以及物质在不同惯性参照系中的定量的属性给改变了。

    时间、空间和质量的可变的属性只是我们根据我们所采用的科学定义体系对物质进行描述的结果。实际上,相对论中的时间、空间和物质的质量的属性所反映到的物体的对象上,对于物体的本身没有任何区别。一个物体在空间中进行运动,我们不论在任何的惯性参照系中去观测,这一物体的运动变化本身都是这一物体的运动变化本身。物体的运动变化不会因为我们的观测和定量体系而发生任何的改变。

    同样的情况下,光在宇宙中传播也不会因为我们所采用的观测体系而发生任何的改变。我在这里举个例子来说,如图:

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    假设在宇宙中有两个在处于相同的一个惯性参照系并相对静止物体a和物体b,其中两物体之间的长度为l。物体a有一脉冲光束射向物体b。我们在两个惯性参照系1和2中观测光从物体a射向物体b的传播速度。

    我们所描述的对象就是光束从a物体到b物体的传播速度,确定两个物体之间的距离,确定光束传播的时间。我们知道,在牛顿力学中我们不需要确定两个物体之间的相对长度,采用绝对空间并应用伽利略变换就行了。但是在相对论中,由于观测体所在的惯性参照系是不同的,那么我们必须确定两个物体之间的长度,并且根据各个惯性参照系中的物质运动变化描述标准去确定光速和光从物体a到物体b的时间。这样,在不同的描述体系中似乎我们对光从物体a到物体b的传播过程的数值描述就不同了。但是,两个惯性参照系所描述的主体都是光从物体a到物体b的传播的传播过程,光的传播速度是多少,传播用了多长的时间。不论两个惯性参照系采用任何的描述体系和在描述过程中存在任何的区别,但描述的主体是相同的。

     在这里,您可以看到,对于描述的物质运动变化的主体上,牛顿力学和相对论所描述的主体没有区别,同时相对论所采用的不同的描述标准,都是描述的相同的物质运动变化对象。

    (二)相对性原理

    以改变时间和空间观念的相对论在光速不变的基础上建立了相对性原理,这样,在不同的惯性参照系建立了不同的时间和空间标准。现在我们来看一看相对性原理的规则。

     相对性原理的第一个规则——光速不变原理:

   这一规则通常是这样表述的——在所有惯性参照系中,所测得的真空中的光的速率具有相同的数值C。

    对这一原理,我想大家在最初接触相对论的时候都存在过怀疑,为什么光速是恒值?形成这个观念主要是如下的原因形成的:

    在麦克斯韦的电磁理论中,认为电磁波的传播是由一种叫做以太的物质在传递,从而形成电磁波在空间中的传递。但是,在近代物理试验中,麦克尔逊——莫雷试验否定了以太作为实物对电磁波传递的存在。

    在这个问题上,“爱因斯坦先生引申了以太这个概念,它不应在认为是一种事物,只不过是跟真空想联系的那些物理量的总和。根据这一广乏的涵义,以太自然可以存在;但是必须记住,它不具有任何力学的性质” 。 《相对论》W.泡力著凌德洪 周万生译  P6

    这样,电磁波的传递就归到了空间的属性,虽然以太是可以存在的,但是已经不具有任何实物的属性,这样以太作为一种物质来说,已经不具有任何的意义。没有物质赋予空间的属性,那么,光速的问题作为一种与任何惯性参照系无关的说法就是理所当然的了。

    在本系列文章的前几部分,已经在物理逻辑上证明了空间必须赋予物质属性的某种特点,才具有我们现在对空间所理解的含义。很显然,仅将以太看作真空想联系的物理量的总和是不够的。在相对论对空间的理解中,将空间看作纯粹虚无的空间,采用数理关系去调节光速的关系是欠妥的。关于这个问题,我将在其他的文章中给与解释。(请留意本站——光速的问题)即便我们解释实在的物体本身间的作用上,也很难得到合理的解释。(请参阅本栏目其他的文章,这里不再重述)

    在上一部分光速不变原理中我们可以看到,不论我们是采用任何一种描述方法,只要对两个物体之间光的传递给与客观的解释,不论我们所得到的结论是如何的不同,但是我们所描述的主体是相同的,比如采用牛顿力学和相对论两种科学体系对这个问题进行描述,两种理论所得到的数值虽然是不同的,但是描述的对象主体是相同的。我在这里想说明的是,不能从一种科学描述体系的数值描述和另一种科学体系的数值的描述划作等号。这样做的结果是不对的。

    我在这里仍然沿用传统物理学中(现在将相对论看作正确的看法)的看法,将光速看作恒值。这样的看法是将空间看作空无一物理想的空间。另一方面需要说明的是,牛顿力学中所采用的描述体系中存在一种理想的标准。两种理论体系在描述系统上并不矛盾。光速不变原理虽然在说法上存在一些出入,但并不影响在这个问题上的合理性——它们所赋予空间属性的不同。

    但是,作为物理,将物理世界看作物理的真实,还是将物理规律看作物理的主体,两者在这个问题上发生冲突,我们只能择其一者。

    相对性原理的第二个规则——狭义相对论的相对性原理

    这一规则通常是这样表述的——在所有惯性参照系中,物理定律都是相同的。

     我们可以看到,在这样的原则上,相对论接受了牛顿力学所建立的基本的规律。我们可以认为,在相对论中接受了物理学的基础——牛顿运动定律。

     在处理高速的问题上,相对论完全接受牛顿定律我认为是不妥的。主要是反映在相对论和牛顿力学是两种不同的对空间属性的处理方法上。

     相对论放弃了空间属性的某种标准。我们知道,以太的概念是牛顿力学的产物,但是相对论放弃掉以太的概念,至少在空间属性的这个问题上存在分歧。

     相对论的空间没有某种定量的标准和牛顿力学所存在的确定的定量标准,成了两种不可调和的产物。两种描述体系在对相同事物的描述上,尤其是和以太相关概念的描述上,或者说空间属性的描述上,两种理论是不能兼容的,对于这个问题,如果空间的概念不能统一的话,那么在描述体系的物理逻辑中,在理论上将永远不能进行对话。

    可以从如下方面来看待这个问题:

     1、时间的问题

      与时间相关的第一个问题——时间间隔

   在相对论中,对不同惯性参照系进行时间可变的处理。在不同的惯性参照系中,钟表的走时是不同的,在计量钟表的走时的问题上,一个惯性参照系和另一个惯性参照系中的时间间隔是不同的,通常我们把它叫做时间膨胀。

     这样我们不知道那一种时间间隔是可以作为时间的计量单位的标准。

     我们采用时间的间隔(物质运动变化的流程)的标准或者说时间的单位,是为了对物质运动变化进行定量,那么在相对论中,我们又背道而驰,将物质运动变化的标准时间间隔划分到各个惯性参照系中,对于解决物质运动变化的描述,我们为什么还要采用时间单位的概念呢!!!

   在相对论中对时间间隔的处理上存在两种可以理解的方法:

    一种方法是将钟表的走时作为标准的时间单位。这样做是不妥的。因为我们不知道钟表走时的快慢是不是有空间属性对钟表的作用引起,如果钟表的走时很容易被某种外界事物的作用所改变,那么这不是标准的时间计量方法。在这种意义上来说,它不能作为时间计量标准。尤其是不能作为两个惯性参照系间的时间计量标准。

    另一种方法是相对论统一了所有惯性参照系中的时间单位,并将之作为一种根本。因此,相对论中的时间间隔单位是一种统一的时间计量标准。我们找不到任何的方法来确定这种时间的单位是标准的,尤其是在不同惯性参照系中的时间单位。

     如上两种看法都存在物理逻辑上的依据。只能作为一种经验约定。

   与时间相关的第二个问题——同时性的问题

    相对论从实际观测的角度去判定两个物体间的同时存在问题。我们知道,物体的存在本身就是一种同时性的标准,这个问题请您参见时间和空间的逻辑结构——时间的问题

   在同时性的问题上,不同运动状态(不同惯性参照系)的物体间的同时性,不依赖于我们所采用的测量方法。以存在的这一时刻作为同时性的判定方法无疑是没有问题的,这是绝对的同时性。

   但是,相对论所采用的不同惯性参照系间的相对的同时性,实际上也是一种绝对的同时性,这种绝对是针对物体的存在来说是绝对的。如果依此为序列建立物体间的同时性问题,那么,这种同时性就是绝对的同时性,不论是相对论还是牛顿力学。

  于时间相关的第三个问题——时间的单位

   时间的单位问题是物理学中确定物质运动变化最基本的问题,只要是测定运动变化,那么就必须采用某种时间单位去衡量物质在空间中的位置、状态等的变化,那么,时间就是不可或缺的一种基本单位。

   在科学的历史中,我们曾成功的采用经验约定的方法对物理量的基本单位进行约定。比如温度、质量等。指定在特定环境下物体存在的属性和它所反映出的数量关系。并很成功的解决了物理世界的计量问题。那么在时间问题上,我们为什么不采用这种方法呢!

   当然指定时间的标准单位存在确定的困难,都需要我们采用试验的方法去检验物质的进程和参照系的关系。以及物质在其它环境中的进程关系,比如引力、电场、磁场等等。

    毫无疑问,这是一种可行性的方法。并可以应用于改变物理世界数理关系的实用方法。

    2、空间的问题

     空间的属性

     空间的属性在物理学中一直在被忽略,这是因为空间对于物理世界来说是很抽象的事物。在历史上空间的属性被忽略主要是由于两个时期:

      一个时期是牛顿力学时期,在这个时期里科学还没有进入到物质的微观状态,空间通常是被看作真空属性的什么也没有的事物。在牛顿力学推进到电磁理论之后,人类对空间的探索开始进入到空间的探索上,在当时对空间问题的理解上,认为在空间中存在传递电磁波的物质,通常把它叫做以太。但这种物质的属性于空间是无关的。因为仍然也不能叫做对空间属性的探索,因为并不是将空间的属性赋予物质的属性。

      第二个时期是相对论时期,这个时期对空间的探索主要来源于光速的问题——试验测定的光速于光源无关以及麦克尔逊——莫雷试验对以太的否定。这个时期的贡献是排除了以太物质作为实物的存在。确定了空间存在某种属性,但却于事物的属性无关。在这个时期之后,物理学开始走向了场的概念,以试验为基础上的量子力学在此应运而生,并成为现代物理学的主导地位。

      由于空间的问题,在科学是上出现了这两个物理哲学上的分岔口。当然时间和空间是抽象的事物,在物理世界的理解上是密不可分的更严格的来说,应该是空间和时间的问题。但以产生分歧的原因却来源于空间的属性的探索上。

       我在本系列文章中,已经探讨了空间的初步问题,从物理逻辑的意义上来说,必须赋予空间以物质的属性,才可能在因果逻辑上彻底的解决描述物理世界的基本问题。进一步的内容请您参见

物质的运动进程和时间问题、时空因子。(此一部分内容还没有完成描述,请关注本站)

        2000.12.14


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