时空本源的探索

刘朝建

摘要：本文从唯物主义反映论的存在与意识的关系出发，对物理学的时空观念的本源进行探索，指出物理学的空间一一参照坐标系是对现实中真实存在的自然空间的模拟、反映，现实中真实存在的自然空间是物理学空间观念的本源；而时间则是对现实中物质运动过程的反映和量度，现实中物质的运动则是物理学时间观念的本源。

关键词：时间；空间；参照系；运动

中图分类号：0412.1

世界是包括一切的整体，它既不是由任何神或人创造的，它总是按规律燃烧，按规律熄灭的永恒的活火。

——赫拉克利特

1 自然科学理论是对现实中，自然中，客观存在的物质的性质及其规律的描述、刻画、模拟和反映，而现实中客观存在的物质的性质和规律则是自然科学理论认识的本源

自然以及自然中物质的性质和规律是一种现实存在，一种真实存在，一种客观存在，它们既不是由任何神或人创造的，它们的存在不会因为人类的存在而存在，也不会因为人类的消亡而消亡，它们也不会因为我们人类观念和意志的改变而改变，它们能够被我们感觉所感知，也能够被我们描述、刻画、模拟和反映。描述和模拟客观存在的物质性质及其规律的观念、认识就是自然科学理论，因此自然科学理论并不是一种客观存在，现实存在，而是存在于我们人类思维之中，是人类思维的产物，是人类智慧的结晶，它会随着人类对现实存在的、客观存在的自然以及自然中物质的性质和规律理解和认识的深入而不断地发展和变化。自然料学理论同人类的社会发展一样，经历了一个从低级向高级，从简单到复杂不断演化、进步和发展的过程。

人以及人类社会究其本质而言仍然是自然的一部份，是自然演化到一定阶段产生的能够认识和利用自然中物质的性质和规律的生物，自然界的物质和规律是绝对的，它既不是任何神或人创造的，它不会随人的主观意志，主观需要的改变而改变，对自然界物质性质和规律这种客观存在的认识只能通过观察和实践去认识，而不可能通过某种方式去创造。人类通过对自然界的观察和实践，能够获得对自然界物质的性质和规律的感性认识一一即有关自然界物质性质和规律的现像和数据，通过对这些现像和数据的理性思考一一分析，归纳，综合，演绎等，能够使人们认识到隐藏于这些现像和数据深处的自然界物质更为普遍的，一般性质和规律，并以物理和数学的方式进行描述、刻画、模拟，并在现实中加以利用，验证和完善，从而建立起自然科学理论，我们现有的自然科学理论。无论是物理学的力学、热力学、光学、电磁学、量子力学等，还是化学、生物学、医学等都无不是通过这种方式建立起来的，只有感知自然，我们才能认识自然，对自然的观察和实践才是我们认识自然的前提和基础，试想一下，如果不是通过观察和实验，而仅仅依靠某种猜测，或仅仅使用某种纯粹的数学演绎，我们能够认识到物质由百余元素组成，原子是由原子核和电子构成，而原子核由质子和中子构成吗？自然就像是一本从不隐瞒自身的百科全书，而科学研究的目的就是要读懂和理解这本书，而不是按照人为主观意志创造一本书，自然不是任何人能够创造出来的。因此客观存在的自然界物质的性质和规律是我们所有自然科学理论的本源，而自然科学理论则是对自然中物质性质和规律的描述、刻画、模拟和反映

正确理解自然科学理论与自然界中物质性质和规律的关系，才能使我们正确认识物理学的时间和空间观念，即物理学的时间和空间观念的本源是什么，它们是对现实中，客观存在的、真实存在的何种客观事物的描述、刻画、模拟。

2 物理学的空间一一参照坐标系是对现实存在的、客观存在的自然空间的描述和模拟，而现实存在、客观存在的自然空间则是物理学空间观念认识的本源

自然空间是一种客观存在，真实存在和现实存在，它既不是由任何神或人创造的，它不会因为人类的存在而存在，也不会因为人类消失而消失，也不会因为人的主观意志、主观需求的改变而改变，它是绝对的、第一性的，它能够被我们感觉所感知，也能够被我们所描述和模拟，对自然空间这种现实存在和客观存在的认识，只可能建立对它的观察和实践上，从对它的观察和实践所获得现像和数据的分析论证的基础上去认识、描述、模拟它的性质。

首先、在现实中，自然空间性质并不会随着物质运动状态的改变而改变，例如自然空间的大小并不会随着物质运动状态的改變而改变，物质运动状态改变改变的是物质自身的运动状态，是该物质相对于其它物质的运动状态的改变，而真实的自然空间的大小并不会改变，在现实中，我们在加速器中，可以将电子加速到接近光速，这时候只是电子自身运状态发生改变，电子相对于加速器的运动状态发生了改变，而加速器、地球及至整个宇宙的大小都不会发生改变，因此，哪种认为现实中自然空间的性质、自然空间的大小会随着物质运动状态的改变而改变是没有任何事实根据的，也是与我们对自然空间这种客观存在观察和实验所得基本性质的认识是不符合的。

其次、自然空间无所谓静止或运动，在现实中，运动的主体是物质，而自然空间是运动的客体，运动的本质是物质在自然空间中位置的变化，如果自然空间是运动或者是静止，哪就会有自然空间在自然空间中运动或静止，这在概念和观念上是自举的，在现实中，我们也只能观察到物质在自然空间中运动，而观察不到自然空间是远动或静止的。物理学之所以有空间运动或静止的观点，是因为没有正确区分认识上的空间一一参照系与现实中的自然空间的关系，认识上空间一一参照系是以参照物为基准的，而参照物是有运动和静止的，因此以参照物为基准的数学空间必然随参照物运动而运动，而真实的自然空间无所谓运动或静止，这反映了认识上的空间一一参照系只是相对的，近似的模拟、反映了真实的自然空间的部分性质。

在物理学中，对现实中自然空间的模拟、反映和描述是建立在以参照物为基准的数学坐标系一一参照系上，参照系并不是一种客观存在，现实存在，在现实中并不存在参照系这种客观事物，它是一种主观存在，它存在与人的思维与认识之中，它会随着人的主观意志、主观需要的改变而改变，例如我们可以选择地面，也可以选择运动的车船为参照物，可以选择地球为参照物，也可以选择太阳为参照物，我们可以选择直角坐标系，也可以选择球坐标系、极坐标系加以描述，这完全取决于我们的主观意志、主观需要。虽然参照系是一种主观存在，但是它反映和描述的内容是客观的，即是对现实中自然空间尽最大可能的模拟、描述和反映。

自然空间的大小不会随着物质运动的改变而改变，因此参照系坐标系空间的大小也不会因为参照物选择，运动状态的改变而改变，而这正是伽利略变换，力学矢量叠加，线性平移的理论基础，因此，物理学中伽利略变换中空间大小不变性，力学中的矢量叠加，线性平移并不是来自于某种主观的假定，而来自于对现实中自然空间的大小不会随着物质运动状态改变而改变的特性的模拟、描述和反映。

物理学是用三维空间，而不是一维、二维或四维、五维，采用的数学空间是正实空间而不是数值空间，可以选择往意方向为参考方向，这同样来自于对现实中自然空间的模拟、描述和反映，在现实中，我们只需要三个独立参数就能确定物体的空间位置，因此我们只需要选择三维坐标系就能描述和模拟现实中的自然空间，而现实中物体之间的距离始终是正数，这就决定了参照系的空间的正实性，而现实中的自然空间具有各向同性，即没有任何一个方向比其它方向具有特殊性质，因此我们可以在参照系中选择任意一个方向为参考方向，

正确认识物理学的参照系和现实中自然空间的关系，我们才能够理解为什么参照系是三维正实矢量空间，伽利略变换具有空间不变性，力学运算采用矢量叠加、线性运移，这些都是来自于对现实中自然空间特性的模拟、描述和反映，是建立在对自然空间这种客观存在、现实存在观察和实践所得现像和数据分析、归纳、总结的基础上。现实中的自然空间是物理学空间一一参照系的认识本源，是决定参照系性质的根据。

3 时间是对现实中物质运动过程反映和量度，而现实中物质的运动则是时间观念认识的本源

古希腊哲人亚里士多德在其《物理》一文中曾经对时间有着深刻而精彩的描述，他指出时间是运动的量度，这句话深刻地阐述了时间和现实中物质运动之间的關系，即时间不是一种客观存在，现实存在，自然存在，在现实之中，并不存在客观时间或自然时间，它是一种主观存在，它存在于我们观念、思维、感觉之中，它是对现实中物质持续性运动过程的能动反映和量度，时间作为一种主观感觉存在，它会受到我们精神和情绪的影响，在现实生活中，当我们心情愈悦时，我们会感觉光阴似箭，而我们情绪低落时，又会觉得度日如年，这充分显示时间存在的主观性。现实中，物质的运动是物质自身的运动而不是随什么而运动，是物质所固有的一种自然属性，而正是现实中物质具有的方向性的持续性的运动使我们产生了时间流逝的感觉。如果现实的世界不存在物质的运动，也就淡不上物质的持续性运动过程，也就感觉不到时间存在，一切都是永恒静止的，没有过去、现在、将来，没有前因，没有后果，事物也就不存在发生，发展和结束，也就没有历史，没有过程，甚至没有心理活动，没有意识，当然也就谈不上感觉时间的流逝。现实物质世界的物质是永恒的绝对运动的，因此对物质世界持续性过程的能动反映和量度一一时间也是一种永恒存在，并且始终从过去到现在到未来永恒的流动，只不过它不是存在与现实物质世界之中，而是存在与我们思维、观念、认识、感觉之中。

时间虽然是一种主观存在，但是它所反映的内容却是客观存在的，是对现实中物质持续性运动过程的能动反映，时间的特性如持续性、不可逆性正是对现实中物质运动的持续性：不可逆性模拟和反映。在物理学，时间和长度、质量、力是相同物理范畴的概念，长度是物质空间的量度（即物质空间距离、形状大小），质量是物质的量的量度（即物质的多少），力是物质相互作用的量度（强弱），而时间是物质运动过程的量度，在现实中，我们经常用时间来恒量运动的快慢，例如化学反应，时间越短则表明化学反应越快，如完成一件事情，时间越短，则事情做得越快，在物理学，机械运动和振动也可以用时间来量度，例如机械运动，通过单位距离时间越短，则运动越快，每振动一次，时间越短，则振动越快，在物理学，时间才是恒量物质运动过程快慢的基本物理量，而速度、速率、频率则是以时间为基础的引申物理量。正若我们可以用周期性、均匀性特定长度物质（如米尺）作为长度的测量基准，周期性、均匀性的特定质量的物质（如砝码）作为质量的测量的基准，而时间（物质运动过程的量度）的测量的基准使用的是周期性、均匀性的特定物质运动过程。我们用地球围绕太阳一周定义了一年，而地球自转一周定义了一天。物质运动是通过特定物质运动来计量，而时间是以特定物质运动为基准，这说明了时间是对现实中物质运动过程的量度结论的合理性。

在物理学中，只使用三维正矢空间只能描述物质在空间的位置，而不能反映物质在空间上位置的变化，因此物理学在三维正矢空间基础上还需要引入一个持续性、不可逆的变量一一时间变量才能描述和模拟现实中物质在自然空间中的远动，因此，参照系三维空间加一维时间正是为了描述和模拟现实中物质在自然空间中运动需要而人为建立的，三维空间和时间的性质是由现实中自然空间的性质和物质运动特性决定的。

4 现有物理学时空观的局限性

现有物理学无论是牛顿力学的绝对时空观或是相对论时空观对时间的理解都是将其看成是只有纯粹的数学意义，而没有任何现实的物理意义，它们都没有将时间与现实中物质运动相联系，只有将二者联系起来，我们才能认识到。时间是有现实物理意义的，即是对现实中物质运动过程的量度和能动反映，而现实中物质运动则是时间观念认识的本源。现有物理学也没有能够正确区分认识上的空间一一参照坐标系与现实中空间一一自然空间的关系，现代物理学的相对论时空观，无论是尺缩、时缩、还是同时性为相对性，都不是建立在对现实中存在的自然空间和物质运动观察和实验的结果，而是来自于为了调和因为把光的运动等同物体的机械运动，把光速等同于力学的机械运动速度而产生的光速不变原理与伽利略变换矛盾而人为主观构造的数学坐标系一一洛伦兹变换演绎的结果。相对论认为空间会随着物质运动状态的改变而改变，但是相对论并没有明确地指出是现实中的自然空间随物质运动状态妀变而改变，还是认识上的空间一一参照系空间随着物质远动状态改变而改变，很显然，现实中的自然空间大小不会随着物质运动状态的改变而改变，地球也好，宇宙也好，它们的大小不会因为人为指定的参照物的改变而改变。因此只可能认识上的空间一一参照系随着人为指定参照物的运动状态的改变而改变。现实中自然空间大小不会随着参照物运动状态改变而改变，而描述和模拟现实中自然空间的参照系的空间随人为指定参照物运动状态改变而改变，哪只能说明参照系变换的性质没有能够正确反映和模拟现实中自然空间的性质。因此，某些相对论物理物理学者认为是对现实中自然空间的观测随着人为选定参照物运动状态的改变而改变，观测是人类对自然的感知，如果现实中自然空间的大小是不变，而观测的结果是改变，哪也只能说明观测结果没有能够正确反映现实中自然空间的性质，即现实中的自然空间大小不会随着物质运动状态的改变而改变，更何况相对论的尺缩也并不是源于对现实的自然空间观测的结果，而是来自于纯粹的数学推导——洛伦兹变换的结果，如果我们相信洛伦玄变换是对现实中自然空间的真实模拟和反映，哪么必然是现实中自然空间大小会随着人为选定的参照物的远动状态的改变而改变。如果这个是真的，哪么就会得出地球或者宇宙的大小会因为人为选择地面还是车船，选择地球还是太阳为参照物的改变而改变的结论。这个结论显然是错误，地球，宇宙的大小肯定不会随人的主观意志改变而改变的，也不会随人为选择的参照物的改变而改变，自然的性质和规律不是由人的主观意志所能决定，因此我们需要慎重地对待相对论时空观的真实性与合理性。

参考文献：

[1]程守洙，江之永.普通物理学，高等教育出版社.

[2]高政祥，原子和亚原子物理学，北京大学出版社.

[3]彭恒武，徐锡申.理论物理基础，北京大学出版社.