时间和空间的逻辑结构

——时间的问题

志勰

对物质运动变化过程中的时间问题所采用的进一步的分析,本文揭示了物质运动和时间定义的一种关系。


     如果我们要面对物理世界的时间和空间问题,那么首先一个问题就是物质世界的存在问题。

      在目前我们人类所采用的对物质世界的描述中,通常都采用时间和空间的概念对物体的存在进行描述,实际上,在人类的语言所描述的范围,包括科学的语言(或者说数学的语言),我们不能采用除此之外的形式对物体的存在进行描述。

      我们所存在的这个物质世界,是无时不刻的在运动变化,某一个物体运动变化的进程,是我们针对其它物质和这一物体的位置、状态发生变化进行比较的结果。从这一物体的运动变化过程中,我们感觉到某种运动变化的流程,通常我们把这种我们感觉到的这种流程,赋予时间的概念。关于这个问题,请您参见时间的经验感觉(本站中的)。同时,对于时间的计量,从物体的运动流程来说,在经典的二十世纪以前的物理学来说,我们定义了标准的时间计量流程。自相对论之后,逐渐采用物质运动的一种计量模式来计量时间的标准问题,(您可以参阅参照系、观测与物体的速度     牛顿力学、相对论和时间空间的关系等时间与空间中的内容。本站中的)在本文中要讨论这个基础性的问题。

      另一方面,物质运动变化过程中的某一确定的状态(通常所说的任意时刻的状态),我们通常要采用标准的空间计量模式进行大小的描述,(您可参见空间的概念。本站中的)以相对论为理论的分界线,存在两种空间观念的描述,本文也要探讨这个定义性的问题。

      时间和空间的观念一直在确定着我们对物质世界的描述,只是我们间接的在应用着时间和空间的概念。在本站时间与空间的栏目中探讨过相对论的时间和空间的观念,但是,并没有在具体问题上确定时间和空间观念的定义问题,就在于我们所采用的语言描述模式对物质世界的描述的基础。今天我们着重从描述物质世界的角度讨论时间和空间的逻辑的基础。

     如果您没有接触过时间与空间基本概念性的内容,我建议您浏览一下本站中的这部分内容,因为本文的探讨要进入一种纯粹的逻辑抽象过程中,需要您对这些概念有一定的了解并且有一定的想象力和分析能力。

      现在,由于我们采用了钟表对时间进行了计量,那么在日常生活中我们所采用的时间概念和科学上我们所采用的时间概念本质上并没有什么区别,我们所引用的时间概念实际上是采用将物质事件的某种进程对物质事件的某种运动过程作为定义的方法,(您可参见时间的经验感觉)。这里面涉及到一个标准的时间进程。但实际上,这个标准时间进程并不标准,在相对论中就提出了这样的概念,静止参照系中的时间和运动参照系中的时间是不同的,运动参照系中的时间会存在膨胀效应。其实质是两个标准的时钟,静止参照系中的时钟和高速运动参照系中的时钟在某一段时间中相比会存在两个钟表的走时不同,换算到物质运动变化上,运动参照系中的物理事件的运动变化会减缓。如果我们确认物理事件的主体是由物质构成,那么物理事件进程的减缓意味着推动物理事件的作用在两个惯性参照系会存在不同。另一方面,相对论认为,不同惯性参照系的主体的属性也是不同的,比如质量的不同。相同一个物体,在高速运动时物体的质量会大于静止参照系中的质量。这样,在相对论中导致两个惯性参照系中的时间不同可能有两种情况引起:一种是物体的本身的属性的改变(不包括空间问题);另一种是推动物理事件进程的作用在发生改变。关于物体本身的属性的改变,我在这里就不讨论了,而留到下一篇文章——时空因子中去讨论这个问题。这里我们只讨论第二种情况——推动物理事件进程的作用在发生改变。

      静止参照系中的物体和运动参照系中的物体由于任意时刻在发生着位移,尤其是在高速运动状态,两个惯性参照系中的物体所在的位置和物体本身的精确的存在状态是不能精确的测定的。即便我们可以进行测定,在测定的过程中,由于存在着测量物体而不能避免的误差,在高速运动状态下误差会很大。在这样的前提下去讨论两者的时间,实际上我们是在探讨不同存在状态下两个孤立的物体的时间观念问题。

1、孤立物体间的时间

      如果两个物体间没有任何信息的传递,各自在进行某种周期性的运动,比如地球上的钟摆和月球上的钟摆,那么若以两个钟摆作为计量时间的标准,我们将不能从一个钟摆的时间标准去判断另一个钟摆中的时间标准,但有一点可以肯定,一个钟摆在运动的同时,另一个钟摆也在运动。很显然,一个钟摆运动的历程对应着另一个钟摆所运动的历程。如果我们采用时间的说法就是,一种时间的序列总是对应另一种时间的序列。关键是我们所采用的对应方法。我们不知道一个钟摆的一个确定状态对应的另一个钟摆的一个确定的状态,这样,问题就出现了。

   人类对物质世界的理解总是寻求一种贴近于物质本身精确的理解,那么,对物质周期运动的的过程中所表现的时间观念也是这样。通常我们要知道一个钟摆的运动的一个序列对应着另一个钟摆的一个序列,这样的方式来描述两个钟摆的运动过程是不够的,我们还要求知道一个钟摆运动过程中的某一个状态,另一个钟摆是什么样的状态。即:两个钟摆运动序列过程中的点对点之间的对应。或者知道一个钟摆的某一个运动状态后去知道钟摆未来还没有出现的某一个状态。前者在物理学中我们通常采用同时性的概念去进行判断。后者我们则采用一种时间定义体系和物质运动的关系去确定——即通常我们所说的时间标准去确定。

   在历史上,存在两种同时性的判断方法。一种是牛顿力学中绝对的同时性。另一种则是对高速运动物体进行处理的相对的同时性。在同时性的判定方法上,我们必须要进入到多系统物质的状态,因为在孤立物体间我们是不能进行任何判定的。对于预言物体运动未来的某一个状态,我们也必须定义一个标准的物质运动流程,否则也无法对物体运动的过程进行任何的描述,就更不要说预言了。

2、物质运动流程的定义方法和原则(进行同时性判断的方法、原则)

   对孤立物质运动流程的描述,这本身就必须需要外界的物质的存在状态,来对孤立物质运动的本身进行比较,否则,我们不能进行物质的存在状态等之类的任何的描述。一个物体就是一个物体,在它本身的前提上,我们将没有任何的语言描述模式进行描述。大小、颜色、状态等等,在我们描述的同时,我们是在引用外界的某种标准和物质的本身进行比较。即便我们采用定量的方法对物体本身进行描述,那么我们仍然不能逃避采用理想的标准进行比较。

       如果宇宙中的物体都在运动,那么存在的任一时刻(严格的说是存在的时刻),宇宙中的任何一个物体所处于的某种状态都可以看作是确定的状态的话,那么任意物体的这一时刻的状态对应于宇宙中其它物体本身的唯一的一个存在状态,并且,这个物体的任一时刻的确定状态存在,宇宙中其它物体的某一个状态也一并存在,这样,以存在的本身就形成了宇宙中物质存在状态的对应。通常,我们把这种对应叫做物质存在的同时性。

      如果随着孤立运动物体的运动进程,一个物体的一个存在状态所对应的宇宙中其它物体的存在状态叫做a状态,第二个状态叫做b状态...c状态....d状态......一直到无穷的状态。我们知道,宇宙中的物质在不停的运动变化,一个相对静止的物体,它本身的分子、原子和电子的存在状态不会是相对静止,这样,即便是基本粒子,它所存在的环境如空间中的电磁波所给于它的作用环境,和其它物质的相对位置等是唯一确定的。因此如上所说的物质任意时刻的一个状态和宇宙中其它物质的这一对应存在状态的对应是唯一的。

      牛顿力学的同时性是指这种对应的唯一性,并且不依赖于采用哪一物体作为对应的选择的原对应体,因此,只有一个对应序列。

   相对论认为,这种对应依赖于惯性参照系 ,从不同的惯性参照系的a到无穷状态的对应会存在不同的对应序列。有多少个惯性参照系,就有多少个对应序列。在一个对应序列中,一个物体的a状态对应于宇宙中其它物体的a状态。如果我们通过一个对应序列中的某一个状态——a状态,确立另一个对应序列中的某一个状态作为相同的对应状态a状态,那么,在相对论这种对应状态中的两个序列就可以确立对关系了。在一个对应序列中一个物体的b状态和另一个序列中物体的b状态是对应的,同样c-c d-d ......等等。大家可以看到,牛顿力学和相对论对物质存在状态的描述上是相同的。大家知道,相对论和牛顿力学在时间观念上是不同的,如何采用对应序列之后,相对论和牛顿力学所描述的主体就统一了呢?关于这一点是因为牛顿力学和相对论所采用的同时性的概念是不同的。相对论是采用的相对的同时性的概念。牛顿力学则是采用的绝对性的同时性的概念。这一点大家要分清。

    不论我们采用牛顿力学中的物体运动状态在对应序列中的唯一确定性,还是采用相对论中的不同的惯性参照系存在不同的物质存在状态的对应序列,都必须满足物质存在的同时性的对应序列。不论是牛顿力学中的绝对的同时性还是相对论中的相对的同时性。两者对宇宙中物质的存在状态的对应描述都是相同的。

      * 在关于同时性的定义问题结束之时,大家一定有这样一个疑问。相对论采用对不同惯性参照系间通过采用光对不同惯性参照系进行测量的方法去确定同时性的定义。我在这里却采用理想的物体存在的一刻去确定物体存在的同时性的问题,大家都知道,存在的一刻随时都在变动,这样似乎缺乏客观实际应用上的价值。我想在这里稍微解释一下这个问题:

    在实际应用上,相对论的同时性同样没有实际应用的价值。当我们采用相对论的方法去确定同时性时,两个惯性参照系的同时性的那一刻已经过去,我们只能根据我们测得的结果确定过去的某一时刻在物质间的存在状态上是同时的,我们所得到的同时性的时刻永远是过去的时刻。物质的运动都是在发展变化的,确定了两个运动物体过去的某一时刻是同时的不等于现在的时刻是同时性的,因为相对论的同时性是随惯性参照系的不同而不同。

    但是,将物体间的同时性建立在物体本身的存在的一时刻上,物体间的同时性就是绝对的了。这是一种理想的严格的定义。但是这样的一个定义存在一个具体应用上的问题,两个孤立物体间需要信息交流,交流的过程中就需要我们通常所说的时间,这就需要我们采用物质本身的定义体系去对同时性测量的本身进行定义了。我们知道,时间的本身和空间、物质的运动变化的定义是分不开的。时间的定义同时和物质的运动、空间的定义是一个不可分割的定义体系,同时性是建立一个可供测量的基点。只有等整个的定义体系确定之后才可以确定同时性的测量方法,即:实际应用上的定义。*

3、时间的观念(时间的持续)

    如上我们采用纯数理的方法确定了宇宙中物体同时性的存在状态描述。我们知道,物体是运动的,如上的方法仅确立了物质同时性存在状态间的对应。物质两个存在状态间的过渡是可以作为连续处理的,如:相对位移过程、加速过程。

    传统物理学中存在两种时间观念,它们之间的不同,也主要是反映在对物质两种状态之间过渡过程的处理上,两者是通过不同的定义体系来实现的。

    牛顿力学采用标准的时间计量单位,相对论采用自身的惯性参照系作为本参照系时间计量的标准。您可参见牛顿力学、相对论和时间空间的关系

4、时间的持续属性

      一个事件或者说一个物体两种状态的过渡过程,它的持续性包含我们通常所采用的时间概念。我在这里举个例子来说:

    一个物体从A地到B地的运动。如果我们粗略的讲,质量为X千克的物体,从a地开始以每秒50公里的速度运动,经过一小时后到达b地。即便这样一种粗略的描述,也包含我们对事物描述过程中的一个基本的观念——时间的观念。

    在物体移动过程中任意相邻的两个位置间隔,在物体运动的这个过程中都可以作为连续处理,即我们通常所说的时间的绵延,但是,这样的说法是建立在时间概念的基础上,即我们通常所说的标准的物质进程,在这个标准上我们才可以谈论时间的连续。否则那就是不具有物理意义的数理的过程。在传统中我们所建立的这个标准的时间延续模式,时间的间隔是无限可分的,这一点是由空间间隔(长度)的无限可分形成,从更广乏的意义上来说,这是由物质的运动变化可作为连续处理的经验决定。

5、物质运动持续的特点以及时间和物质运动变化的属性

   对于物质的运动变化,在我们描述上虽然采用时间的观念,但是我们必须承认,物质的运动变化过程是由是它本身发生运动变化的原因决定,至于我们所赋予的时间概念,只是由于我们为了描述上的方便,而对物质世界的运动变化而采用的便于我们描述的一种基本的定义方法而已。

   首先对此确定的一个问题是物质的运动变化是依赖于和它相互作用的环境。我们知道,宇宙是一个非常大的体系,在地球上的一个分子的运动变化和太阳上的一个电子的运动变化是无关的。如果我们确认在宇宙中存在一种传统观念中的支配物质运动变化的时间。(这一点可以从一些科普读物中的时间的倒流可以看出来),我们在两个不同的环境里找不到为何两种粒子的时间观念而必须相同的依据。在纯科学上来说,我们将物质的运动变化都归因于是物体运动状态发生变化的作用力以及物体本身的质量属性,与宇宙中这种统一的时间质是毫无关系的。我们也没有任何理由和根据来确定这种时间质的存在。

   但是,依据我们通常采用的物质运动变化的定义,比如加速度的定义:一个物体单位时间内的速度变化数值实际上它包含了这样的定义,采用标准的物质运动变化流程,单位时间内物体的速度变化数值即为加速度的概念。如果我们确定在两个不同的环境里,完全相同的一个物体,如果在单位时间里所施加给它们的力是相同的,并且它们产生的运动状态变化也是相同的,那么物体在和它周围的环境的相互作用也是相同的。这个周围的环境是指物质的存在环境,实质上,也是物质间相互作用属性的一种定义。

   在相对论中假设了两个惯性参照系间的时间和空间是不同的,这样的定义大家不易接受。实际上它包含了这样的原理:为了便于我们采用统一的对物质运动变化描述的定义标准,假设在不同的惯性参照系中的时间和空间可变,使物质运动变化的定义标准符合传统中我们所采用的统一的标准的定义数值。实际上,这是通过物质和它周围环境相互作用的属性是相同的这一点来实现的。我们知道,电荷间的相互作用的关系,当一个电荷和参照系处于静止状态的时候,电荷相对于静止参照系不产生磁场,但是当电荷和参照系处于运动状态的时候,电荷产生相对于参照系的磁场,这说明,电荷和参照系在处于静止和运动状态的时候,两种作用环境不是相同的。这里只是举个例子,并不是说相对论就是这样处理这种电和磁的作用的。而是相对论在处理相对运动的属性上存在作用环境不是相同的一样。但是,不同的是相对论的确是采用这种电和磁的属性去处理这种相互作用环境的。(可参见下一部分内容)这种方法我是不赞同的,但不等于它没有道理。

   相对论假设时间和空间的不同去处理这种物质作用的环境问题,使物质作用的环境相同。这样,在不同的惯性参照系中,物质和环境相互作用的属性就是相同的了。在一个惯性参照系中去加速一个单位质量的物体和在另一个不同环境中去加速相同的一个单位质量物体,两者是没有区别的。但是,物质相互作用的环境通过这样的调节,物理量的属性已经发生了改变,我只能这样认为,这是通过数理关系去调节物质运动变化在我们对物质统一描述上的定义。

6、对物质和周围作用环境的解释

   通常的意义上,大家可能将物质和它周围环境的作用看作某种力的作用。我在这里给一个否定的回答——不是。周围环境是指一种虚拟的环境是指我们通常的定义环境。比如:当一千克的的物质受到一牛顿的力的时候,它会产生一米每秒的加速度。这是我们通常的定义标准,也是我们通常的定义环境。但是,我们没有理由认为宇宙中所有的物质都符合这样的特点,在某种特定的环境下,比如:强磁场、强引力场、高速运动状态,当我们给一千克的物质一牛顿的力的时候,它可能产生0.5米每秒的加速度。文中所述的作用环境是指这种作用环境。主要反映在物质运动和作用力的关系以及作用的属性上。

  

    说明:我在探讨时间的持续属性上引入到物质运动变化的属性上,这实际上是将时间的属性进行经验感觉的还原,将时间的本身还原给物质运动变化的本身,如果从物理上来解决时间的问题,这是唯一可以采用的方法。

2000.10.10