牛顿力学、相对论和时间空间的关系

志勰

对牛顿力学和相对论进行的比较分析,可以说本文是我在探索相对论时间和空间观念结束的一篇总结性的文章。对牛顿力学和相对论的观念进行了确定性比较判断。


     关于相对论和时间、空间的关系,在前面的文章中实际上已经结束了。又涉及的概念和说明的方法很杂乱,这里进行系统的整理一下,并对前面一些文章中的看法进行修正一下。为了便于总览整体的轮廓,这里只进行关键性的问题说明,您可以查阅前面的文章。

时间和空间的两种定义方法

     牛顿力学中的时间概念来源于人们对物质运动变化的经验感觉,并选定一个统一的定量标准去对物质运动变化进行定量,实际上这是采用一种物质运动变化的度量流程标准去对另一种物质运动变化进行度量。并且对这一度量流程绝对的均匀化,理想化。以至于是可以采用数学化的绝对均匀描述。比如两个时刻之间可以采用任意均匀的间隔进行描述。从物质事件的进程中我们可以向前或者向后无限的延伸。即通常所说的延绵。并且,这样的时间定义于我们所采用的任何参照系是无关的。关于这一问题,您可参见时间的经验感觉。牛顿力学对空间的处理也同样是这样,采用标准距离去定义物体的长度。实际上,牛顿力学已经将时间和空间纯粹的理想化,并采用数学化的方式进行描述。牛顿力学中时间和空间概念是脱离于物质运动的定义的。因此,时间与空间在牛顿力学中是最基本的物理单位。

     举个例子来说,热胀冷缩:一个物体发生热胀冷缩,我们不能判断物体所在的空间发生膨胀,而仅将物体这种膨胀属性归因于物体的结构在不同温度下所发生的常规现象,我们知道,实际上,温度的不同,物体分子间的相互作用是不同的。我们不是将这种作用加到空间上,而判断物体发生了空间膨胀,实际上,如果我们将空间的属性判断为物质的属性,那么这样的说法也未尝不可。因此,牛顿力学中的时间和空间是一种绝对理想化的物理量,它不依赖于物质的作用属性。

      相对论中的时间观念却不是这样了,它是在处理参照系的问题时而引入的新的概念。

     首先,它依赖于这样的假设——光速于参照系无关。并且,这样的观测在科学是上可以说是已经通过实验证实的观点。需要说明一下的是,在当时的科学范围内,通常都普遍认为物质间的相互作用主要是电磁作用,(万有引力由于在近距离处物质间的相互作用是可以忽略不计的)。电荷之间在相同的参照系中只有静电力的作用,但是在不同的参照系之间却存在磁场的作用,也就是说,在不同的参照系之间,电荷属性是不同的,那么,我们没有理由认为在不同的参照系中物质的属性状态(反映在电磁属性上)是相同的。那么,在相同的两个参照系中物质运动的进程中,我们也没有理由认为是相同的。同时,物质的结构属性我们也没有理由认为是相同的。也可以说是经验事实的相对性原理。

     在这样的前提下,相对论假设在运动参照系中物质的运动变化进程会减缓,同时,物质间的电磁相互作用也会发生变化,主要表现为沿运动方向,物体的长度会发生变化,相对论判定为沿运动方向物体的长度发生收缩。即通常我们所说的“时间膨胀”和“尺缩”现象。并确定时间和空间在不同参照系中的变化因子为cgwyd-2.gif (956 字节)

     同时,爱因斯坦先生采用光信号传递的模式对同时性也进行了相对性处理。这样,相对论和牛顿力学的时空观念就构成了两种独立的定义系统。

     的确,这样的假设我们找不出任何不合理的直接依据。

     我们可以看到,相对论的时间与空间观念与物质运动有着最为直接的联系,时间与空间的属性、状态依赖于物质的运动。

在相对论、牛顿力学中时间空间和基本概念间的逻辑关系

     1、牛顿力学时间和空间的结构模式     

     在牛顿力学中,时间和空间的概念来源于人类日常生活中的经验约定,那么,时间和空间和物理量间的关系也来源于这种经验约定。主要表现在如下两个约定:

一、一个事件的唯一确定性。

     我们描述一个物体,或者某一个事件,它的本身不会因为我们对它的不同观测而它自身的属性发生变化。比如一个物体的属性、一个事件的进程。

二、定义的标准

     牛顿力学采用理想的定义标准模式。

      对于时间的模式,采用标准的物质运动周期作为定量时间的模式。比如地球绕太阳公转一周叫做一年,我们不论采用如何观测,这一年必须是地球绕太阳一周,对于这一事件进程而言,这是一种理想的不变的恒量。并且与观测无关。

      空间的模式,通常是反映在长度单位上。也是采用标准的不变的物体属性模式。比如1989年米制公约计量大会上,决定将存档米原器的复制品规定为*米国际原器。其为铂铱合金,当温度为零度,用规定方法支撑时,其上两刻线之间的距离规定为一米。(参考《简明物理学辞典》许国宝   王福山主编 上海辞书出版社)
      我们不论采用何种观测方法,它的长度单位在这样限定的条件下是一种恒量。

     时间和空间通过这种约定,确定了时间和空间的计量模式,但是这样的计量模式,仅是作为我们计量单位的一种标准。在牛顿力学中,对于时间和空间的属性作了进一步的延伸。虽然我们采用了物质属性的模式定义了空间的单位,通过事件进程的模式定义了时间的单位,但是时间和空间的本身却是于物质无关的抽象属性。不论有没有事件的进程变化,我们仍然确定时间在延绵。不论有没有物质的存在,我们都可以想象到空间。牛顿力学,关键的在于采用时间和空间定义的标准对物质的存在状态进行定量,并进而延伸到时间和空间是纯粹的物理量。

      2、相对论的时间和空间的结构模式

     相对论则恰恰是另外一种模式,它是随科学的进一步发展而确定的另一种对时间和空间的定义模式。导致这样一种定义模式的非常有利的一个经验事实是光速与光源的运动无关,通常认为在一个世纪以前就已经获得了证明。

    为了调节参照系与光速的关系,在科学体系中引入了相对性原理。(相对性原理也是经验感觉,我们找不出什么理由怀疑这一原理在处理参照系的属性上存在问题,这是经验感觉)但是,这样一种引进把物质带入到电磁相互作用的属性中,不论是时间还是空间,都使物质的本身带有电磁相互作用的特点。这样的一种结论和当时的科学进程是分不开的,在当时的科学看法中,电磁间的相互作用构成了物质世界,这样一种说法并不过分。在原子层次到宏观的物质的结构中,电磁相互作用是一种首要的相互作用。物质的属性依赖于电磁属性作为一种判断是很有道理的。

     相对论对物质运动的处理,首先它依赖于如下两个目前和经验事实相符的假定:

     一、光速不变原理

     光速为恒值是目前公认的看法,这里我们不便对其进行探讨。

     二、相对性原理

      相对性原理是狭义相对论的核心,它决定着相对论是否可以作为一个独立的描述体系的关键。

     建立在如上两个假设的基础上,相对论提出了两种效应来调节光速的实验事实和理论相符。一种是时间膨胀,另一种是时间收缩。

      经过如上的处理,相对论就将物质的运动和时间空间在理论上严格的结合在一起。通过相对论的这种调节物质属性的关系,那么时间和空间就归到物质间的相互作上,如果光速是一个不变的恒量,那么在不同的参照系中,物质的属性就存在不同。

      这样,相对论的结果缩小了相对性原理的范围,(各个参照系间的物质间的属性只是在本参照系和其他参照系的比较中,具有这种等同的性质,相对于物质的运动变化来说,这是相对形原理的一种体验)在内在的逻辑关系上,相对性原理不再具有普适性。这样的代价是我们对物质世界的相互作用的真实推进了一步,或者说获得了可能性的一种解释。比如:我们不能判断同样的一个钟表在低速和高速两种状态下,其走时是否相同。在强引力场和弱引力场中,性能相同的两个钟表的走时会一模一样。如果我们将物质的运动变化归因于物质间的相互作用中,这样的解释对于物质世界而言是接近真实的。

     3、牛顿力学和相对论两种描述体系的描述结构

     关于这一问题,在参照系、观测与物体的速度的最后作了分析,这里我在进一步的说明一下。

    一、两种定义体系的基础

     由于牛顿力学确定了一个物理事件不依赖于我们的观察,那么在任何观测参照系中,一个物理事件是一个不变的恒量,通常采用牛顿力学去处理物理问题时采用物理事件的真实去矫正我们观测到的结果。一个物理事件绝对性的地位决定了我们在对物理事件测量过程中,我们的观测要服从于物理事件的真实性。而不是我们的观测结果,比如不同参照系中同时性的定义:不论我们采用任何一种确定同时性的模式,我们首先确定我们的测定模式在两个参照系中测量的差异,排除掉光线传播、测量仪器以及其他不能判定同时性的因素,排除误差。一个事件发生的任意一个时刻是唯一确定的。

     但相对论却不是这样了,它确定了一个物理事件依赖于我们的观测,讲求采用不同的参照系所观测到一个物理事件的结论。严格来说,相对论以观测过程中我们得到的结果,作为通过不同参照系对同一物理事件进行观测而得到的不同结论。相对论依赖于我们通过确定的方法而得到的结论。将观测的结果判定为我们获得物理世界真实性的的体验。在相对论中,我们观测的结果是首要的问题,物理事件的本身依赖于在不同参照系中的观测。当然,还必须加上这样的物理事实结论,物理事件的过程依赖于物质间的作用。

     二、两种定义体系的方法

     前面我们已经讨论过,牛顿力学对时间和空间的定义方法实际上是采用了一种绝对的标准,这种标准不依赖于物质本身的属性,牛顿力学对时间和空间采用纯粹数学化理想化的方法进行描述。

     在牛顿力学中,我们定义了参照系。通常我们是采用参照系的空间标度对物体在空间中的位置进行描述。通常将物体在运动中的路线叫做物体在空间中运动轨迹。我们都可以将物体在空间中的任意位置通过参照系的标度而确定物体在空间中的位置。即便我们采用两种惯性参照系,我们仍然可以在两个参照系中进行变换。物体在空间位置上的这种绝对化的时间和空间的这种参照系,我们通常将他们叫作伽利略参照系,通常将这种变换叫做伽利略变换。当我们采用伽利略变换的时候,我们不应忘记,这里所采用的是绝对的时间和空间观念。时间和空间概念是一种绝对理想标准的概念。

     在相对论中则不再是这样的了。

     相对论的时间和空间观念依赖于物质的运动,并将物质运动过程中不同的属性赋予到物质运动计量过程中的时间和空间的观念中。在这种计量过程中,时间和空间的观念施加了物质运动的作用属性。在相对论中是通过光速不变的观念来实现的,可以认为这种作用是物质运动的不同状态中的电磁属性的不同。

     相对论中的时间和空间的属性不再是与物质的运动无关的属性,在时间和空间的观念中还标志着两种参照系物质属性电磁作用的差异。同时,时间和空间的概念不再是理想的单位,而是与不同参照系中物质属性电磁作用差异的反应。

     因此,在牛顿力学和相对论力学中的时间和空间的观念,我们是不能混用的。牛顿力学中一个单位的时间不等于相对论力学中一个单位的时间。同样,牛顿力学中的一个空间单位,也不等于相对论力学中的一个空间单位。

     三、两种定义体系描述的模式

     牛顿力学中时间和空间对于描述体系而言是简单的。是通过空间坐标和时间标准的理想模式对物体运动变化进程进行描述。我们在描述过程中所采用的时间和空间单位是我们所定义的标准的单位,或者说是我们所采用的参照系本身的定义标准。

     在相对论中,则较为复杂一些了。首先我们采用我们所确定的静止参照系中的时间和空间标准去确定运动物体相对于我们所采用的惯性参照系的相对运动状态,从而确定物体在它本身的惯性参照系中的时间和空间,这样才可以采用相对论的时间和空间的观念进行描述。

     在牛顿力学中,我们是采用静止参照系中的时间和空间对物质的运动变化进行描述,而在相对论中我们确是采用的物体运动参照系中的时间和空间标准进行描述的。两种参照系中我们所采用的时间和空间的标准是不同的。关于这一问题,请您参见 参照系、观测与物体的速度,那里有对这一问题的较为详细的说明。

     四、牛顿力学和相对论两种时间观念在实际应用上的矛盾。

     在牛顿力学和相对论的两种对时间和空间的定义体系中,包含着两种对物理时间和空间的描述方法。牛顿力学中以物体的本体作为我们观测的描述体,以及相对论采用我们观测的结果作为我们对物理事件的描述。两种方法在侧重点上是绝对不同的。

     在牛顿力学中,物体是存在的事实,我们采用何种方法去确定物体的存在本身与物体的真实存在是无关的,我们所要作的是如何减少观测的误差、如何根据物体在不同环境中的属性去判断物体的真实大小,而不是物体的空间变化引起的物体的属性的改变。相对于高速而言,物体的空间大小对于牛顿力学来说是很难确定的。我们不能确定我们观测到的物体的状态就是物体的真实状态,因为我们不能确定物体的作用属性在不同的运动状态中是否相同,这也是牛顿力学在高速问题中所存在的困难。

      在牛顿力学中,请不要忘记,时间和空间的观念是理想的时间和空间观念。它不依赖于物质对外作用的属性。牛顿力学是采用观测参照系作为计量时间和空间的标准。

      相对论则不同了,它首先通过静止参照系去观察物体的高速状态,并进而确定这一状态,并在这种观测的基础上,确定物体在高速状态时的时间和空间属性。物体在不同参照系间的时间和空间标准,只是相对于不同的惯性参照系来说,任意一个惯性参照系都有一个时间和空间标准,我们不能对两个惯性参照系的观测结果进行任何的比较。一个惯性参照系中的一秒不等于另一个惯性参照系中的一秒。除非我们对两个惯性参照系中的时间单位建立当量关系。

     如果建立当量的关系,则出现我曾在本站中所说的时间悖缪。这样,相对论内部的逻辑关系就出现问题了。

      在实际应用中,两个惯性参照系之间的当量关系在相对论的原理上原则上是不能建立的,因为在两个惯性参照系中的同时性是相对的。但是,通过其他的方法可以在两个惯性参照系中建立绝对的同时性(可参见本站相关的文章),这样我们可以在两个惯性参照系中建立当量关系。请注意,这里所说的当量关系不是牛顿力学和相对论之间的当量关系,而是相对论两个惯性参照系之间的关系。

如何看待牛顿力学和相对论中所出现的矛盾问题

     1、牛顿力学

     在处理高速问题的过程中,牛顿的理想的时间和空间观念在实际的应用中会出现不能确定的现象,我们不能确定牛顿力学中的理想的时间和空间观念,和我们观测到的物体的属性所反映出来的时间和空间观念是否相同。常规的定义方法中所采用的标准的时间和空间观念只是我们所采用的一种定义标准,这种标准我们是建立在一种观测参照系的基础上,我们不能确定相对于此的高速惯性参照系中的时间和空间观念在普遍的物质间的相互作用上是否存在某种不同。牛顿力学所定义的标准的时间和空间标准是与参照系无关的。以当时的科学技术水平,是没有能力去解决这样的问题的。

     一种解决方法是保持牛顿力学中的时间和空间的定义方法不变,而采用物质的属性随物体的运动状态的变化而变化。通俗一点的讲,就是牛顿力学中的时间和空间仍然采用绝对的时间和空间,物体在确定运动状态而反映出的与静止参照系不同的属性,我们将它归因于物体的运动状态上,而不是改变时间和空间的定义。

     这样的定义是有应用前景的。首先,我们不论对任何运动物体进行观测,我们首先必须建立一个惯性参照系去对其进行描述。以目前人类所可能的观测范围,通常都是采用我们自身的惯性参照系进行观测的,那么我们采用我们本身的时间和空间去对整个我们可观测的宇宙范围的时间和空间进行定义,那么并没有超出我们在宇宙中可能性的应用中的时间和空间的属性的范围。当然,在实际应用中,不同的惯性参照系间的时间和空间的计量问题,通过物体在不同惯性参照系中的属性不同去进行调节将是不太方便的。我们将涉及到比较复杂的描述上的变换。但是,这样做也同时赢得了我们在理解上的方便,这样的时间和空间的观念和我们日常生活中的时间和空间观念是相同的。

     2、相对论

     相对论在数学描述上通常被看作是非常完美的一个物理理论,但是在实际的应用过程中,却几乎没有实际应用的价值。这来源于如下的两点:

     一、相对论建立了两个惯性参照系间的时间和空间的关系,但是却建立了一个相对的同时性。时间和空间的观念在不同的参照系中存在着不同。

     如果我们去定量在空间中的一个运动的物体,首先我们必须在时间和空间上对这个物体进行定量。确定物体在某一时刻所在的空间位置。由于我们在相对论中所采用的时间的同时性是相对的。我们实际上不能从观测参照系去确定某一时刻和运动物体的某一时刻的对应性,这样我们不能确定物体所在的某一时刻。

     在空间的概念上,我们所采用的空间概念是不同的,我们不能确定观测参照系中我们所观测到的物体的某一个位置和在运动参照系中所确定的某一位置是否是相同的位置。

     这样,在实际应用中,我们对物体所进行的基本的描述在相对论中很难实现。

     二、相对论将物体在不同惯性参照系运动过程中所表现出的事件进程属性间的不同归之于时间观念的不同,如钟表在不同参照系间的走时是不同的,即时间膨胀。同时,将物体在不同惯性参照系运动过程中所表现出的空间位置属性间的不同归之于空间观念的不同。如“尺缩”效应。

     我在这里姑且不论这两种相对论效应是否成立,暂时就假设这两种现象在高速运动的惯性参照系中是成立的。

     我们知道,事件的进程依赖于改变事物向前发展的环境和动力。对于一个物理事件,如加速一个物体的过程。依赖于两种条件:一种是物体的质量,另一种是推动物体的力。任意一个条件的改变,都会导致加速这个物体进程的改变。当然,相对论的内在的逻辑关系绝不是这样的简单,而是在不同的惯性参照系,物理事件进程的属性和空间位置间相互作用的属性发生改变。如果我们将这种改变归因于时间和空间的改变,那么这样的时间和空间实际上包含了物体相互作用的属性。这样的概念我们又如何采用通用的时间单位秒和长度单位米来讨论时间和空间呢?!我们可以肯定,这样的讨论实际上没有任何的意义。

     当然,现代的科学对时间单位和空间单位进行了重新定义,通常是采用光的传播作为时间和长度的单位。我们可以肯定,这样的定义模式——采用光速的定义模式时间的单位一秒和空间的长度单位一米在,不同的惯性参照系中是不同的。这种不同是这种作用的属性的不同。那么一秒和一米在不同的惯性参照系里讨论是没有任何的意义的。

     但是,这样的定义可以给与我们建立某种数值上的等量关系。这种量和时间和空间的观念是存在区别的。比如,在广义相对论中光线的传播是沿短时线运动的,这样的观点就包含了相互作用的特点。如果时间和空间的概念可以包括物质相互作用的属性,那么我们又何必建立力学的体系呢?

     本文在这里列出了相对论内在逻辑哲学观念上的两点矛盾,关于概念上的矛盾您可以参见其它的文章,本站在以前的文章中对此的讨论已经很多了。

    如果相对论对物理事件的描述在实验数值上是吻合的,那么,在逻辑上的问题仍然是不可以回避的。我们没有根据去排除物体事件在不同惯性参照系中的运动存在差异,但是,解释的方法并非只有归之于时间和空间可变的一种。

     从方法论上来说,还存在其它的描述模式对物体在不同惯性参照系中运动属性的不同进行描述。另一方面,相对论完成物质运动状态和物质事件本身进程间的关系,无疑开创了对物理事件描述的一种新的领域。作为我个人而言,不赞成这种描述方法。因为它把物理基本概念间的关系和属性给混合起来,至少从方法论上来说,这不是对物理事件精确描述的科学方法。

 

      (注:本文不是时间与空间的逻辑结构。它包含我原来对这篇文章的部分观点。由于我对新的时间和空间的看法还存在几个问题,也许近期不能得以解决,故将这部分观点写在这篇牛顿力学和相对论两种科学体系的哲学观念的分析中)

2000.9.20