时间和空间的逻辑结构之六

                                    ——时间、空间与物质的运动(下)——1

此部分内容是本文的开篇——引言,主要介绍从新的角度定义的内容、结构和逻辑的方法。


 

引言

  1、物体的存在与表述对象

    物质世界的存在不依赖于人们的感觉而存在,这是传统的哲学定义中对物质存在的属性的最为经典的看法。那么,既然物质不依赖于我们的感觉而存在,在我们采用科学去描述的时候,应该采用什么样的定量方法和模式去定量这种不依赖于我们的感觉而存在的物质存在呢?

  在搞清楚这个问题之前,我们必须要确定物质存在的属性,即,建立一个目标。具有什么样的属性,我们才可以判定物质在存在。我们眼前的这个世界是很复杂的一个世界。大到宇宙天体,小到一个光子。都是一种存在。每一个存在,我们都需要建立一个目标。如果我们没有这个目标,那么我们就不能进行任何针对性常识性的描述。只有我们建立了这个目标,我们采有可能对这个目标进行描述,比如在一个世纪以前,人们不会知道电子是什么样的东西。只有在发现伦琴射线之后,人们才知道存在电子这样的电荷。电子的本身无疑就是一种目标。如果没有发现这个目标,那么我们就不能确认它的存在。

  建立一种物质存在的目标无疑就是建立了一种物质描述的对象,并且,这个目标无疑就是,作为描述物质世界运动变化原理的一种主体。

  将科学的描述对象从这种描述目的的目标从存在意义上分离开来,并且作为存在的物质形式,那么作为存在的属性则为至关重要。因此,我们首要的问题就是需要建立一种鉴定物质存在的方法。也就是物理主体的目标。

  如果一个物体存在,那么作为一个个体而言,我们描述这个物体,它必然以两种形式而存在。一种形式是静止,另一种形式是运动。这依赖于以其它的物体的存在状态作为参照,对这个物体状态进行描述。或者推广到描述目标,一种是物体的存在状态不变,另一种是存在状态在变化。这依赖于物体在不同的相邻时刻两种存在状态的比较上。在表述上,前者偏向于物体存在的属性,后者偏向于物质的运动进程。

  从宇宙的角度上来看,所有的物体都在存在,并且都存在不同的运动状态,这作为一种先验的经验约定或者作为一种经验感觉。我们不能找到一种对单个物体进行描述的绝对的参照物体,因为宇宙中所有的物体都可以作为一种参照物体,去对这个物体进行描述。这对于我们采用一种绝对的描述体系是困难的。

   2、物体的表述系统

    如果我们要对一个已经存在的物体的运动进行表述,那么我们必须首先针对物体本身建立一种严格的表述系统,来确定这个物体的存在状态和它周围环境的关系。可以建立如下几种关系:

    (1)针对物体本身的属性建立描述物体的量的关系。这个量通常采用质量来定量,它表示物体所含物质量的多少。

    (2)针对物体和它周围环境建立描述物体位置的关系。这个量包含物体的运动进程标准(这是依据传统的判断方法,实际上物体的运动进程标准可以分离出去,在本文中我们要探讨这个问题),通常采用空间坐标的模式来进行,通常叫做参照系统。或者更广义的说时空观念。

    (3)针对物体和它周围环境建立描述物体状态的关系,这个关系通常包含了物体和周围环境的力学属性,也可以叫做因果关系。它表明这个物体的一个位置一个存在状态和另一个位置另一种存在状态的关系。

     3、传统的两种表述系统

    从科学的发展上来看,存在两种描述系统,并且如上的几种关系是决然的不同。

    一种描述系统是牛顿力学的描述系统。牛顿力学中,物体本身的属性建立描述物体的量的关系、物体和它周围环境建立描述物体位置的关系,两种关系都是固定不变的恒量,并且第三个关系——物体和它周围环境建立描述物体状态的关系也是一种恒定不变的关系。物理量的恒定和物理关系的恒定,我们通常将这种恒定的参照系统叫做绝对的参照系统。这种参照系统不会因为任何情况而发生任何的改变。

    另一种描述系统则是相对论描述系统。相对论的描述系统中,物体本身的属性建立描述物体的量的关系、物体和它周围环境建立描述物体位置的关系则不在采用恒定不变的量进行描述,而是从较为实用的角度上确定物体本身的属性建立描述物体的量的关系、物体和它周围环境建立描述物体位置的关系这两种关系。比如:由于物体力学属性环境的关系发生改变(引力场或者物体的运动状态),那么我们曾经建立的参照标准也会因这种力学属性环境的改变而改变。但是,相对论确保留了第三个关系的恒定不变,在这里可以理解成基于如上两个关系变化的情况下而保留的一种相对的恒定不变的关系。

 

     4、物体的表述结构

   在我们的表述系统中,我们所表述的目标必然以表述的对象而存在,因此,我们所表述的内容也必然以物体(表述目标)的存在为目的。在物质的存在过程中,通常意义下会存在三种形式的存在。这一点对大家来说都不会陌生,就是过去意义上的存在、正在进行的存在、未来意义上的存在。这三种存在就形成了物体在物质世界中存在的序列,我们可以把它叫做物体的运动进程。

   我们正在感觉到的物体的存在都是正在进行的存在。我们所采用物体描述体系的唯一目的也是为现在的这一存在状态或者未来的某一存在状态服务。那么,存在状态及存在状态在序列中的关系,则成为我们表述结构的的主要内容。

  如果以表述目标为目的,并且我们将这种目标当作一种具有实实在在的存在的客体。从物理的语言上来说,就是物理的对象。那么从表述对象上,我们应该建立如下的几种关系:

  (1)表述目标的本身

   表述目标质上的概念——质量,物体所含作为一种物的属性的质的多少。我们通常将这种物质的属性叫做质量。这一概念建立了我们所表述的目标的数与量的关系。

  它是作为一种具有物的属性所存在的特征概念。不具有这样的特征,那么我们所表述的对象,则不具有物质的属性,或者说它不是一种质的存在。

  (2)表述目标与环境的位置关系

   一个物体不会是孤立的存在,它必然和外界存在特定的联系。如果它不存在和外界的联系,那么我们则不能发现它,在我们对自然事物感觉的意识里,它是不存在的。在表述目标存在的过程中,这样的物体可以忽略不计。当然这有一个前提条件,就是我们不论采用什么样的测量、逻辑、感觉,我们都不能发现这样的客体存在。举个例子来说,真空的概念,我们通常都将真空当作一无所有。就是因为我们不能发现,在真空中还存在其它的物质实体存在。相对论在处理光速的问题上也是依据这样的原则,不能发现真空的属性存在客体的特征,而仅将光传递的介质当作一种与真空属性相联系的物理量。当然,从逻辑上来看,这样的看法存在一定的问题。(可参见时间和空间的逻辑结构之二——空间和物质的关系,本栏目)

  物质作为一种客体的属性还包括这样一种属性,就是作为客体的不相容性。如果我们将物质当作一种客体的属性,那么这种客体必然是不相容的。举个简单的例子来说,我们不能将相同的两个物体在不改变物体的属性的前提下,叠加到一起。或者从微观上来说,我们不能将两个粒子叠加到一个粒子的空间里。这一点是由物质的力学结构属性所决定。物质的这种特性来自于物质客体的力学结构本身。一个物质客体在空间中存在在这种意义上来说是唯一确定的。

  另一点则是客体和周围环境的力学关系。(这一点可参见时间和空间的逻辑结构之二——空间和物质的关系,在本文中,也要讨论这部分的内容)决定基本粒子大小的原因依赖于这种关系,同时,相同的客体对周围环境的相同的关系可以判定同一种基本粒子的同一性。

   在物质结构和物质对外作用的属性上,物质客体质与量在空间中确定的分布形成特定的物质种类。比如从物质微观粒子来说,电子、中子、质子等作为一种粒子属性的区别,元素形成化学物质种类的区别。并表现在质量的大小、自身的结构不同上。

  从广义的角度上来说,我们可以将它当作空间的概念来理解,当然,由于这种物质属性的关系,已经给空间赋予某种物质的属性。

  (3)表述目标与环境的状态关系——物体的存在状态

     我们在表述一个目标的时候,必然要以其它的物体作为一种参照标准,当然我们可以随意的指定任意物体作为描述的参照标准,在描述上,可以采用存在的一个任意性的物体。我们所指定的这一物体就是我们描述这个物体的参照标准。

  另一方面,在任一个存在的时刻,这个物体在这个参照标准中的位置在空间上是唯一的确定,相对于我们描述过程中的这个参照系中的参考物体(可以认为相对与参照系统是静止的物体),在存在序列上,连续的序列中,描述物体和参照物体间的位置变化存在一种量,这种量我们通常把它叫做速度。

  速度是和时间、空间相关联的量,它依赖于时间和空间的属于量的定义。通常可以认为速度的概念是在单位时间里物体所运动的单位距离。这样的定义无疑带上了时间和空间单位的内涵,这对于描述在环境中的变化的关系来说,是不方便的。比如:一个物体在一个单位时间里运动了一个长度单位。在另一个参照系统里一个物体也在一个单位时间里运动了一个长度单位。但是由于是两个参照系统,一个参照系统的时间单位是另一个参照系统的时间单位的1/5,长度单位也是1/5。那么描述一个单位时间里物体通过的距离的速度概念其描述的物质运动变化数量关系的内容则存在区别。这种区别就在于单位的不同。因此,我建议引入另一种关于物质运动状态的定义。这种定义就是速率的概念。

  具体的定义方法是通过物体的存在序列的方法进行定义的。可以这样描述:

  在物质运动进程序列中,相邻的两个进程序列中描述目标在空间中所移动的距离。可以理解成数学上的△ι/△l。这种定义的方法和传统定义方法的不同在于没有单位时间的概念,而是以物体的存在作为定量物体同时性的方法,同时将一个物体在任意个时刻,其在物质世界中存在的空间位置唯一的确定作为定量物体在空间中移动的唯一确定性。采用这种定量方案,既可以适用于牛顿力学,同时也可以适用于相对论。在这两种定义体系中存在这样的不同。

  在牛顿力学中,时间和空间的概念唯一的确定,和这里提到的是相同的定量模式。时间和空间的标准是以物体的存在属性为理想的标准,这种定义的逻辑基础是以存在为基础的非观测属性。在相对论中,则由于不同惯性参照系的同时性的不同,在时间和空间的概念中必须融入物质的作用属性。将相对论的物理意义和内涵于物质之间的作用相联系起来。

  (4)表述目标与序列流程的关系——物质状态的进程序列

  第一个问题:绝对物质序列流程的定义方法(也可以认为绝对时间的理论定量方案)

     物质在运动进程中,以存在状态为一个存在的序列,形成一系列的序列,物体在这个序列中的存在位置唯一的确定,每一个序列在物质世界中的存在进程中也是唯一的。那么,以存在状态为序列则形成一系列的标示物体的存在。这种判定方法是一种绝对的方法。并且有物质的存在作为其定义的基础。

  以任意存在的物质存在的每一个瞬时的状态,作为宇宙中所有物体存在过程中的一个状态,那么,宇宙中所有的物质的存在状态都和选定的物质的存在状态以存在为基础形成一个确定的序列。我们所指宇宙中物质存在的一个序列,是以所有物质的存在为基础的一个瞬时的状态。那么,以物质的存在所形成的一系列序列对于宇宙中物质的存在状态来说则是唯一的。

  第二个问题:在不同作用环境中存在的物质存在状态进程的均匀性问题

  在这种定义过程中,首先存在一个问题,就是序列均匀性的判定方法。物质的存在序列是一序列的存在,我们没有衡量这种序列排布均匀性更好的方法,因为物体都是在不同的运动变化,并且在不同的物质作用环境中,不能采用一种绝对的方法将这种不同物质作用环境中的序列的排列过程给与无限均匀,并进行观测上的比较。相对论的时间观念与惯性参照系有关的观念说明了这样的定义系统存在的困难。也就是采用实用的角度对不同的惯性参照系统、不同的引力环境对物质进程序列的定量问题。

  相对论认为,在不同的惯性参照系中,这种时间的均匀性要发生改变,在不同的惯性参照系中存在一个时间膨胀因子,那么这对于定量来说,给出了一定的困难。但我们仍然可以确定,在确定的作用环境中,物体存在的一系列序列是均匀的,并且可以存在确定的判定方法。

  解决这个问题的方法是首先要找出相同的作用环境,首先确定物体存在的序列进程在这种相同的环境中是均匀的。其依据可以采用物质存在的经验约定公式给与的规律。就是牛顿运动定律。或者更精确的说是牛顿第二运动定律。牛顿第二运动定律认为,物体的加速运动过程中,物体的加速度同物体所受到的作用力成正比。首先说明,这是一个基于经验事实的约定。

  从理论基础上来说,牛顿第二运动定律是将物体和外界的作用为零的时候,我们给与这个物体一个作用力,这个物体在这个作用力的作用下会产生a=f/m关系的运动状态变化。

  这样,对于一个稳定的物体作用环境,或者物体的作用环境相同。我们就找到了物体存在序列流程均匀性的判定方法。为了更便于对时间序列进行区分,我们可以采用物质运动的周期性的运动来进行恒量。比如钟表则是这样的计量工具。当然,这只是对于一种稳定的环境中才适用。在实际的应用上,我们必须确认,物质的运动进程的改变必须来自于环境作用的力学环境的改变,否则,我们则没有任何这样判定的依据。因为物体的存在进程是以物体的存在为基础上的存在。只有在物体自身的环境中,物体和环境的力学属性发生改变才具有实用的意义。否则,没有任何的意义。

  通过对相同物质作用环境中物质运动进程的定义,我们可以通过不同环境中对物质运动进程的的作用关系来定义不同作用环境中的物质运动进程的关系。

  第三个问题:我们是从实用的角度上来定义这一问题,还是从物理逻辑的角度来定义这样的问题。

  如果我们采用实用的角度定义这样的问题,那么,我们所定义的结果必然是和采用定量物质进程序列相关联的现象。我们必须通过确定的物质存在形式、物质的运动形式、物质间的作用形式去定义这样的物质进程序列的的均匀性。从某种意义上来说,这依赖于我们所采用的定量工具和定量模式。在某种意义上而言,我们所观测到的物质的存在状态是已经发生过的物质的存在。在这种观测意义上来说,这依赖于观测系统。

  那么,在物质的存在序列的流程上来说,则存在两种定量的方法。一种方法是理想的物质存在序列进程,这种序列进程是以物质的存在作为定量体系的先决条件,这样的定量模式是理想的标准的,我们所观测到的所有的现象都可以看作这种序列的近似。另一种方法是以一定的工具和方法作为物质存在序列进程的观测结果。并作为这种存在序列的依据。

  如上的两种方法在处理物质的序列流程上存在着绝对的区别。以物质存在为理想的物质存在序列进程是一种绝对的定义。这样的绝对定义是以物质的存在作为定义的基础,同时,在同时性的问题上也提供了一种理想的绝对定义基础。但在应用上则需要以一定的工具和方法作为物质存在序列进程的观测结果的条件。两者并不矛盾。但需要对物质存在的描述模式进行重新定义。在后面还要详细的讨论这个问题。

  我认为,在理论上,仍然需要采用绝对均匀物质进程序列对物体的存在进程进行描述。这是唯一的,并且也适用于所有的惯性参照系统。

   (5)表述目标的因果关系——状态变化的原因

  如果一个物体的所存在的物质运动进程序列被定义为标准的物质运动进程序列,同时,这种物质的运动变化或者说这种物质的周期运动被定义为衡量时间的标准。那么,描述任何其它的物质运动进程都需要和这个标准的物质运动进程进行比较。

  当这一标准的物质运动进程所标示的物质运动的实体在另一种环境中时,比如一个钟表在一个磁场中的走时、或者光子在不同的引力场中运动、再或者物体的运动变化在不同惯性参照系中的标准问题,它们的运动都和这个物体所在的力学环境存在一定的关系,那么我们对于物质的标准运动进程的定义是发生改变,还是选取类似于地方参照的模式,对物质的标准运动进程进行相类似的协变。即:物质运动的标准进程发生了改变。这是一个可供选择性的问题。

  这个问题在物理上,相对论的处理方法是对物质运动的标准运动进程引入协变的形式,并且定义了在不同的惯性参照系中物体的时间会发生改变,空间同样也会发生改变。

  这是一种人类对参照系统的选择性问题,这个定义依赖于人们喜欢的偏好。

  我认为,采用力学的规律对这个问题进行处理,将物质的标准运动进程定义到特定的环境里,那么,如果物质在其它环境中的运动进程发生改变,我们应该将这种改变归属到物质作用环境的力学属性发生了改变。而不是物质的标准运动进程发生改变,既然我们定义一种标准的物质运动进程,那么我们没有理由改变这一标准的物质进程的定义模式。

  引入物理的因果关系来处理这个问题,我认为是合理的,也是符合物理逻辑的。

(6)物体的惯性

  第一、惯性的属性

  牛顿力学是这样来看待这个经验事实的,“任何物体(指质点)在不受力的作用时,都保持静止状态或匀速直线运动状态”

   在没有外来作用力的时候,物体将保持确定的存在状态。物体的存在状态和环境是一种确定的关系,在这里也可以看作一种恒量。

   物体的惯性是和物体的质量相关联的另一种物理量,它表示一个物体保持确定存在状态的属性,这种属性定义了物体和存在环境的关系。牛顿第二定律给出了定量物体这种惯性的量的关系。

  第二、惯性和描述定义体系的结构关系

   如果我们确认这一基于经验约定的定律正确,那么,物体存在状态的这一惯性的属性,与观测的惯性参照系无关。这个定律表明,物体的存在状态和这个物体的受力是一种绝对的关系。另一方面,在牛顿力学的三大基础定律里没有关于时间和空间的定义,但第二定律直接引用了时间和空间的概念,同时也引入了时间和空间对物体运动变化描述的定量关系,我想牛顿力学的定义体系并不严密。

  这导致了相对论以此为基础的时间和空间新的数理逻辑结构。将不同惯性参照系中的时间和空间的协变关系引入到牛顿力学中,这就是相对论的数理定义体系。相对论也没有对时间和空间的基本概念进行严格的数与量的定义。

   牛顿第二运动定律是物体存在状态改变的情况,这两个定律对物体存在状态的变化建立了一种绝对的关系,同时也建立了物体存在状态的因果关系。也就是力学的属性。

   这指出了描述物体存在的两种并列的方法和内容,一种是物体的受力状态,另一种是非受力状态。反映在物体的存在状态上则是物体的状态不变、物体的状态改变上。

  我们不难得到,力学的属性是我们对物体的运动变化进行描述的最主要的原因。在物理定义体系中,如果可以将物体存在的状态变化、物体存在的进程序列发生的改变可以化归到力学的属性上,那么我们采用力学的因果关系去处理物体的存在状态是唯一符合物理逻辑的方法。同时也是描述物体所依赖的一种属性——惯性最直接的经验约定。

第三、传统的两种描述体系对惯性定量的角度

  相对论这种定义体系和牛顿力学定义体系在定义结构和属性上存在着不同,这种不同在于对不同惯性参照系中的物体的量进行不同的协变。举个例子来说,一个物体在不同的惯性参照系中定量,这个物体的质量是不同的,依赖于参照系统。牛顿力学认为,一个物体的存在就是存在,不会因为采用不同的参照系统去对这个物体进行描述,这个物体的量会发生改变。

  前者以物体的本身作为主体,强调的是客观的存在,后者以描述的模式作为主体,强调的是目标在观测中的属性。

(7)在实践应用过程中,对时间、空间进行定义的理想定量标准角度。

  从外界物体运动变化的周期的经验感觉给与时间的定义进行确定,比如在牛顿力学中我们采用地球公转的周期作为时间单位一天的定量标准,或者在更进一步的将这种利用外界物体运动周期无限细分下去的方法,对时间的概念和量值进行定义,并将这种定义普适于所有的运动变化,在前面我们已经讨论过这个问题,这样的定义方法存在一定的缺陷。这种缺陷来自于物体的作用环境两方面因素:

  一方面是空间的属性是否无限均匀,这在目前仅仅作为一种假设。举个例子来说,当我们在地球外层空间加速一个原子的时候,在一个确定力的作用下,这个原子在单位时间里产生8个原子长度/秒的加速度。那么,在太阳系的外层空间中重复这一过程,在这个确定力的作用下,这个原子是否也在单位时间里产生8个原子长度/秒的加速度。时间采用某一天体运动的周期。作为定义的标准。

  第二方面是空间的属性是否随不同物体运行的不同速度而存在不同。这一方面目前没有任何的尝试性的实验来针对这个问题进行检验。到是相对论对这个问题进行了理论预言,相对论认为物体的长度在不同的惯性参照系中存在着不同。对这个问题从物体存在的角度来说,物体的存在是唯一的一种存在,相对论的两种数值描述,描述的是相同的客体。但仍然不具有证据说明确定空间的属性是否随不同物体运行的不同速度而存在不同。

   如上两个问题导致的是空间和物体作用属性的差异。即:力学属性的不同。如果我们将空间和物体间作用属性的改变而归之到力学属性的改变上,这仍然是同样的适用。但我们将这种属性归因到时间和空间的属性发生改变,那么,也未尝不可。

   从另一方面来说,物理不是研究数理关系的学科,它所研究的是物体在空间中存在的力学的属性。那么,严格的定义空间的属性、定义时间的属性,从而来确定物体在不同的时间和空间中所存在的属性以及物体的运动变化的力学属性差异。这是以物质运动变化原理相适应的方法。

   这就形成了一种矛盾。这种矛盾是物理的描述目的和描述体系的矛盾。我们描述物体的存在,采用牛顿力学比较合适。但是从实用观测的角度上去描述物体的运动,那么自然是相对论的定量角度模式(这里并不是指的相对论定义体系,仅是方法,不是数量关系)更为实用。

 

          牛顿力学在实用的角度对物理结构的定义存在一定的缺陷,相对论所采用的参照系统和物体间关系的改变和保留也不是成功的,下面我们就如何在实用的角度建立一种描述体系进行进一步的探讨。

2001年8月4日


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