辩证的时空观

2013-08-15杨升山杨凤霞江苏南京211100

科技视界 2013年1期

关键词：时间时钟

杨升山杨凤霞（江苏南京211100）

毛主席语录：

你对于那个问题不能解决吗？那末，你就去调查那个问题的现状和它的历史吧！你完完全全调查明白了，你对那个问题就有解决的办法了。一切结论产生于调查情况的末尾。而不是它的先头。

伟大导师列宁说：“怎样去寻找真理呢？怎样去弄清互相矛盾的意见和论断呢？ ”

“每有头脑的人都知道，如果某个问题引起了激烈的斗争，那么为了确定真理，就不要只看争论双方的声明，而要审查事实和元件，自行考察，看看有无证人的证词以及这些证词是否确实”。 ——引自《列宁选集》中文版第457-458 页

从相对论创立时起，就有了不同的时空概念。什么是时间？什么是空间？时间与空间能不能互换，成了讨论的常题。这就必须考察时间与空间概念的来源了。对于时间与空间的认识，主流界是认为是物质存在与运动的框架的，既然时间与空间都是物质存在与运动的框架，爱因斯坦把他们合成一体也是顺理成章的事情。但是这样很难解释空间的重叠与镶套，比如，一个大货车上装了一个集装箱，在集装箱内又装有套着的许多箱子，把这些箱子分别放置，几乎可以放满一个大院，可是却可以装在容量并不大的货车上。可使用空间压缩来解释吗？

我把我对时间与空间的看法叫做辩证的时空观，本文把时间与空间分别进行讨论。

1 首先说说什么是空间

对于时间与空间的论述，科学家们已作过详尽的论述。爱因斯坦是从对时空观的批判上创立他的“狭义相对论”的。由于运用“狭义相对论”遇到了一些难题，不得不对时空观重新考查，要考查不妨走远一些。时间与空间常常放在一起进行讨论，就综合为时空观。

自从人类从动物界分离出来以后，人们在与自然界的斗争中，从消极地适应环境向能动地改造环境过渡着。随着不断地变革现实，人类逐步积累了对事物越来越多的认识，经过分析比较，逐步建立了科学的理论，并用文字记载下来并传于后人。但由于科学的不发达和社会交往的稀少，各地的理论表述方式都不尽相同。社会的发展促使交换的产生，人们在交往中逐渐统一了认识。翻译工作之所以能够进行，就是使代表同一性质的词语具有同样价值。的确，“时间”与“空间”这些名词是人类强加于自然界的，自然界可以有它们另外的说法。它们的说法丝毫不影响我们的概念。如果人们能与自然界进行交流的话，那只要增加一种翻译就行了。人类把“时间”、“空间”这些名词强加于自然界，是人类交流思想的需要，是用语言代替物质的产物。语言一经确立，就给予它确切的含义，使用这些名词而改变这些名词的含义是不对的。

人们在实践中发现，一切物体都有一定的形状(开始人们只限于对刚性物体的认识)，一切物体都在不断的变化。(开始只发现一些物体在发生变化，如白天与黑夜的交替，动植物的生老病死，岩石的风化等，包括位置和形状的变化)。这些变化有时表现的急骤些，有时表现的缓慢些。在对事物的认识过程中，开始是把两物直接地放在一起进行比较的，这种比较方法已不能适应日益增多的需要，迫切需要一个比较的基准，这样长度单位就首先诞生了，原始的单位当然与现在的单位很不同。实际上在现在，各国的单位也不完全相同。比如有英制，公制，市制等不同量制。但达到目前这一步也是经历了不断统一的过程，有时还采用法律强制手段。如秦朝建国后第一件事就是统一度量衡。现今世界上逐步使用公制度量衡制度，将来有可能使用宇宙度量衡制度(如果别的星球有高等生物的话)，如果有人把“速度”翻译成“时间”，而把“时间”翻译成“速度”或别的什么，只要表示物体同样的特性，那也没有什么不可。就像中国和日本都使用有汉字，两国汉字的表意并不完全相同一样，但是不能乱用。

在古代，是没有认识到地球是球形的，放眼看地面像一个平面。长度单位是在地面上比较物体的过程中诞生的。当发现地面不是平面而是曲面以后，长度单位并没有改变，而把两地间直线距离用弦长来表示，而把地面的测量结果看成弧长，原因就是长度单位是一个理想化了的一个比较基准。像众所周知的那样，巴黎国际度量衡标准局保管的米达原尺，在气温稍有变化时也会发生变化，但仍被人们采用作标准尺，而用一系列系数来反映这些变化。这是人们进行测量时要用实物作度量工具的，而实物与理想标准之间总是存在差距。有些人只看到用实物作测量基准，没想到实物只是理想基准的代用品。

宇宙中万物是不是处于同一个空间中，或是各物均有自己的空间，这是与狭义相对论争论的焦点。宇宙是无穷的，可能还有另外的空间，那待将来去认识。但能让我们认识的物体都处于同一个（重叠）空间中。因为只有同处于一个空间中物体之间才能相互作用，也才能作用于我们的感官，被我们认识。“狭义相对论”关于长度收缩的说法，就是把物体自己的空间收缩，而不影响观察者的空间。从运动的相对性考虑，如果以被测物体为参照系，那我们也在运动，我们也会收缩，可我们却无法觉查到这一点。为此，有些人引进运动学形状以与几何学形状，说改变的只是运动学形状。这样就把唯心主义带进人们的感觉。因为运动学形状是不可测度的，只是人们的感觉。

自然界的物质有很多属性，其中两个属性分别表示他的形态，与不断变化的特征。[空间]也只是物体形体的线度与他们的延伸的测量。几何是人们形象的描述物体形态的方法，至于使用什么几何体系，完全是个人自愿。在发现地面不是平面，而是地球表面的一部分后，有的人继续把它当成平面，有的人使用另外的表示方法表示地面为弧面。这样就有了不同的几何体系。我认为。在同一个坐标体系中，坐标轴都应该是平直的。现在有些几何体系使用弯曲的坐标轴，而且三个坐标轴的弯曲程度并不相同。这样的几何体系是不能广泛使用的，只能应用于特定环境中。

2 接着来讨论时间

要点：时间一词来源已久，在经典物理学中，时间与空间是被认为是物质存在与运动的框架的，【没有时间与空间的运动是不可想象的】就是经典叙述。既然时间与空间都是框架，那把他们合并成一个也就应该是可行的，爱因斯坦就这样做了。从爱因斯坦创立相对论后，对时间一词有了不同的看法，那就只有从人类的认识过程中寻找时间的本来意义了。

时间表示的是物质运动或转化的过程，计量这个过程使用了周期信号，时钟是人们制造的周期信号，所以被人们广泛的利用来计量时间。在现今的国际单位制中，使用光速来计量时间，也是认为光具有波动性，光波也是一种周期信号。当测量者手中拿着原子钟进行测量时，发射的光的速度的确是一个常数c。

尽管不同的时钟有不同的振动周期，只要把取样周期设定为与地球日的周期一致，就可以表示相同的时间。人们常把时钟的读数看成时间。也没有原则的错误。那就要知道，时钟为什么会有读数。时钟不过是人们制造的周期信号发生器与周期取样器的组合。时钟的读数，就是测量出的周期数与取样周期数的比值。本来是没有量纲的。当把它作为物体运动比较的基准时，给与了他一个量纲。使用不同的周期信号就有不同的量纲。【秒】是使用时钟进行量度过程时的量纲。这样在物理与数学计算中，就可以把它作为自变量来使用了。把光速作为时间的计量基准，是倒着使用自变量与因变量的关系的一种做法，但不能推广应用。如果把时间看成随速度变化的量，那么微积分的公式中就不会这样简单了，就要把时间当成复合函数才行，要使用复合函数的运算公式了。

关键词汇：时间；周期运动；时钟

现在来看“时间”一词，“时间”也是在比较的实践中逐步产生的。现在世界上时间单位多种多样，没有像长度单位那样保留有逐渐统一的痕迹，但在民间，仍然能找到这样的痕迹。

现在，还能听到这样的语言，“×××走了一袋烟工夫了。 ”“他离开有一顿饭工夫。 ”这里所说的“一顿饭” 、“一袋烟”表示“吃完一顿饭”、“吸完一袋烟”所用的时间。他们表示的时间虽不确切，但也能使人明白。在中国的古书中记载有以“一炷香”、“三更、五更”等表示时间的术语。就是现在，仍然有年、月、日、时、分、秒、等不同的表示时间的单位。考查这些单位的共性，它们都是可重复的。只不过有些是自然的，有些是人为的。

由于事物内部矛盾运动发展是无限的，人们为了区分事物的矛盾运动，利用可重复出现的信号作为事物发展变化的比较基准。周期信号就是不断重复的信号。用自然周期信号比用可复现的人为信号作基准有许多方便之处，又因自然周期信号的周期是有限长的周期，倍增与等分也较容易，记数也很方便，且有天然的周期信号可供使用。自然就被人们采用了。当然最明显的周期信号是地球的转动（当时认为是太阳在行走）。就有人提议把地球转一转定为事物发展变化过程的比较基准，取名为“一日”（即见到太阳一次）。也有人用类似的方法定月相的周而复始为“一月”，定寒暑的周而复始为“一年”。因“年”，“月”，“日”，都是时间的单位，继而出现了年、月、日之间的换算关系。虽然现在公历的月不表示月相的变化了，只是保留转化的痕迹。

就拿现在使用的时钟来说，就有许多种类，比如挂钟，手表，原子钟。在机械表盛行的年代，手表还要分快摆与慢摆，这些都使用周期运动来计量时间的，不同之处是取样的周期数目不同。

有了长度单位和时间单位以后，比较事物的变化过程就容易得多了。把这两个单位联系起来，导出了比较事物变化快慢的物理量—速度。

设立了比较单位后并没有完全解决问题，还需要解决度量方法，度量方法的改进和技能的提高，给区分事物带来了方便，但不能也没有改变原有基准单位的基本含义。比如，现在采用“原子钟”来记时，也没改变时间单位作为比较事物变化过程的基本含义。

“时间”和“空间”的单位名称又是随着认识的步步深入而逐渐变更的。如果仍然把见到太阳一次叫“一日”，天体上的“一日”与地球上的“一日”就不相等。如月亮上的“一日”就约等于地球上“一日”的27倍，而用“原子钟”计时就显不出差别。现在采用“原子钟”计时以后，在未有证据证明天体上“原子钟”计时与地球上“原子钟”计时有不同的情况下，我们只能认为天地间在时间上是无差别的。否则，人们会找到不受所处地位影响的新的计时方法。

在全球导航系统GPS 的建设进程中，发现卫星上的原子钟与地面上的原子钟的时间读数略有差异，有人就说这是爱因斯坦的相对论效应引起的。人们做出了很多尝试，就是改变原子钟的振动频率来保持天地的时间进程相同。其实改变原子钟的取样周期数更简单易行。GPS 的成功运行说明天地间可以有相同的时间计量数值。

从使用原子钟到现在，不止一次的设置【闰秒】就是证据。

另外，认识事物的主人是人，尽管各种生物各有不同的生物钟，我们还是可以不看各生物钟所指的时刻，而用我们手中的尺和钟来确定被测物体的变化速度。光速的测定也是如此进行的。我们不需要知道“光子”的所谓固有寿命，我们就可以测定“光子”的速度了。同样，测定π 介子、μ 介子等所谓基本粒子的速度也应该是这样。就是所谓基本粒子的【固有寿命】，也是与和它相对静止的原子钟的原子振动周期进行比较才得到的。

对于周期信号的选择，并不是一成不变的，不同的情况下就会有不同的基准。

空间表示的是物体形体及其延伸，测量空间用的基准是直尺；时间表示的是物质变化过程，测量时间是用周期运动作为比较信号的，数值是物质的变化过程和周期信号比较后的周期记数与设定的取样周期数的比值。时钟只是人类制造的周期信号发生器，时钟的读数就是测量出的周期数与取样周期数的比值，并不是只有时钟指示的才是时间。

每个物质都有各自的时间和空间，人们为了能够比较，为了交流，为了区分物质，我们还是要有统一的时间和空间基准。理论是人创造的，有了文字，人们才能够广泛交流，我们用语言来表示物质，但不是语言就是物质，不要弄混了。时间基准与长度基准是人为设定的，只有有了测量基准，才会有数据产生，也才能从很多数据中整理出规律来。但是这些基准又是随着交流范围的扩展而不断变更的，这个可以从各国都有的市值单位看出来。自从进行国际交往后，就要使用国际单位制了。有没有宇宙单位制？在进行宇宙交流时也会产生。在现今的国际单位制中，使用光速来计量时间，也是看中了光具有波动性，波动就也是一种周期信号。当测量者手中拿着原子钟进行测量时，发射的光的速度的确是一个常数c。

结论：认识自然界的事物的主要方法是比较，认识物质的运动情况同样需要比较。运动是有过程的，这个过程被人们称为时间。量度这个过程是用一个已知的运动作为比较基准的，由于周期运动的周期计数方便，等分与倍增也容易，且有天然的周期信号可以使用，所以就把周期信号作为运动过程的比较工具了。

人们把这个比较基准使用于【一切运动】时，就需要这个基准具有延续性，顺序性和连续性。而且是单调的是不可逆转的。

物质的运动过程可以中断，也可以终止，只是用于比较的运动过程不能中断，不能终止，如果比较信号终止了或中断了，就可能有没有比较的部分运动过程，比较的结果就不真实了。

时间表示的是物体运动的过程，人们计量这个过程使用了周期信号作为计量工具，原来是用地球表面上出现一个竖杆的阴影最短时为一个计量单位的，后来发现这个单位有些长，也发现有其它的周期信号也可以做过程的量度工具，这些量度工具间就有了个换算关系。所以时间不具有唯一性。如果只为了自己使用不与别人进行交流，你完全可以设定自己使用的时间基准。

当人们把一个周期运动作为所有运动的比较基准时，就具有社会性了。但是，人们并不全部使用统一的时间基准，特别是需要进行保密的情况下，他们就可以制定他们使用的比较基准。所以时间只有在交流范围内具有社会性。

对于时间是不是具有绝对性，那要看与什么信号作为判断基准了。事实证明原子钟在高空时与地面上并不同步，所以原子钟的时间读数并不具有绝对性。

在现在的世界上，计量时间的方法是几种方法同时使用的。一日一日的计量方法是使用太阳照着地面上的一个竖杆在地面上的阴影长度最短时的次数，一月一月的计量方法（中国的农历）是计量月亮圆缺的次数，时钟的读数是时钟的周期是与他使用的取样周期数的比值。只不过表示相同的物质属性，他们是可以进行翻译的。取样周期数就是翻译的密码。

如果只有一种时间的计量方法，也就不会有【闰秒】、【闰月】、【闰年】的出现。而闰秒、闰月、闰年的出现，是把取样周期数取整数的结果，而把余数累计后就出现【闰】的现象了。

不同地点的时钟是不是读数相同，当然要对钟，问题是采取什么方法校对时钟。如果不在同一位置的两个时钟读数不同，可能有两种情况：第一种，是他们的振动周期相同，读数不同，那只要拨一下指针就行了；第二种，是它们的振动周期不同（这里不使用频率不同，因为频率中包含有时间因素），那就不能单靠拨动指针来使他们的读数一致了，就需要调整他们的振动周期，也可以调整他们的取样周期数，后者要简单一些。

要明白，时钟尽管有成千上万种，都是用他们的周期计数与他们使用的取样周期数来比较后得到时间读数的。取样周期数就是一个翻译密码。

人们对时间的定义不清楚，讨论起问题来各说各有理。很多情况下都是把时钟指示的数值看成唯一的时间。其实时间的数值都是对过程进行量化的结果。

我们日常对会把看到日出一次记为一日，我国的航天员杨利伟在空中就看到了14 次日出，如果把看到日出一次仍记为一日，就可以说他在空中生活了14 日，而地面上的人都说他上天只有一日，这不是天上与地面有了不同的时间么？所以量化过程使用的比较基准非常重要，使用别的基准就可以避免这个现象。爱因斯坦所谓的时间的相对性，就是使用了不适当的比较基准（把光的速度作为计量时间的基准）。