空间的本质

魏彬武

上海轻工控股集团有限公司 上海 200336

一、序言

为了能对空间有一个正确的认识,我在《关于空间弯曲的一点思考》中,[1]对空间是否弯曲作了详细的分析,论述了空间弯曲没有依据,不仅没有实际观测依据,也没有理论依据。空间弯曲没有依据,只是回答了空间没有弯曲,并没有回答空间为什么不能弯曲。要回答这个问题,我们就要知道:空间是什么,即空间的本质是什么。

二、对空间的几种认识

空间是什么?这个问题看似简单,要回答起来却不简单。看似简单,因为我们每个人都感知到空间的存在,都知道我们生活在一定范围的空间里。我们的生存如果没有空间是不可想象的。但空间是什么?这个问题却不好回答。对空间的认识,无法通过物理实验来检测、验证,也没有化学试剂可以测试空间,只能通过对大量现象的分析,从理论上、从哲学上达到对空间本质的认识。

历史上,对空间做过系统论述的哲学家、天文学家、物理学家有许多。这里选择最具代表性的4位伟大科学家的学术观点,来帮助我们认识空间的本质。

1.亚里士多德论述的空间。早在2300多年前,古希腊哲学家亚里士多德已经对空间进行了系统地研究。他从公认的认识出发:“大家公认,存在的事物总是存在于某一处所。并且,‘运动’的最一般最基本的形式是空间方面的运动(我们称之为位移)”。“人们很可以认为,在物体之外另有空间这种东西存在,一切物体都是在空间里的”。[2]

亚里士多德首先确认“空间”是存在的,继而对空间的现象作了详细的分析。亚里士多德认为“空间也有两种:一是共有的,即所有物体存在于其中的;另一是特有的,即每个物体所直接占有的。”[2]继而,亚里士多德从空间的各种现象中梳理出4个属于空间的特性:“我们认为:(1)空间乃是一事物(如果它是这事物的空间的话)的直接包围者,而又不是该事物部分;(2)直接空间既不大于也不小于内容物;(3)空间可以在内容事物离开以后留下来,因而是可分离的;(4)此外,整个空间有上和下之分,每一种元素按本性都趋向它们各自特有的空间并在那里留下来,空间就根据这个分上下。”[2]

那么,空间是什么?亚里士多德认为:“有四个东西,空间必须是其中之一:或形式,或质料,或限面间的一个独立的体积,或限面本身。”最后,亚里士多德排除了前三种。“如果空间不是这三者中之任何一者,即,既不是形式,也不是质料,也不是一个有别于移换着的物体的永恒的体积。那么空间必然是剩下的那第四种了,即包围物体的限面了。”[2]

亚里士多德给空间下的定义是:“包围物体的限面”。这和我们现在理解的三维立体空间不同。亚里士多德定义的空间“虽然有三维:长、阔、高——它们是定限一切物体的。”[2]所以,亚里士多德定义的空间并不是立体的,而仅仅是紧贴着物体的空间的面。亚里士多德梳理出的第三个可能的空间:“或限面间的一个独立的体积”,亚里士多德认为:“但是这样一种体积是不存在的,而是另有一个可被移动并且能和包容者接触起来的事物偶然地接着替代进来(当水从容器中倒出来,空气随后就补充进去——作者)。亚里士多德认为,空间也是一个具体的事物。如果把容器中被物体占据的体积当作空间,一个空间中就等于存在两个事物了。亚里士多德认为一个空间不能同时存在两个事物,“因此,包围者的静止的最直接的界面——这就是空间”。[2]

2.牛顿论述的空间。在经典物理学发展的鼎盛时期,牛顿对空间也做了研究和论述。牛顿把空间分为绝对空间和相对空间,“绝对空间:其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构,或是对绝对空间的量度,我们通过它与物体的相对位置感知它”。[3]

牛顿论述的绝对空间看不见摸不着,也没有仪器可以检测。“由于空间的这一部分无法看见,也不能通过感官把它与别的部分加以区分,所以我们代之以可感知的量度”。[3]即代之以相对空间。相对空间“一般被当作不可移动空间,如地表以下、大气中或天空中的空间,都是以其与地球的相互关系确定的”。[3]由此可见,牛顿论述的相对空间,是空间和物体结合在一起的空间,因而是可以观察到,可以感知到的空间。

那么,空间到底是什么呢?牛顿给出了他的定义:“时间和空间是,而且一直是它们自己以及一切其他事物的处所。所有事物置于时间中以列出顺序;置于空间中以排出位置。时间和空间在本质上或特性上就是处所”。[3]

3.爱因斯坦论述的空间。爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》中,对空间作了大量的论述。爱因斯坦论述的空间具有许多特点,现就与空间本质有关的特点作一叙述:

爱因斯坦还认为,空间是不能脱离物质而存在的。在狭义相对论和广义相对论中,爱因斯坦对此的认识是不一样的。在狭义相对论中,爱因斯坦认为空间是独立于物质的。“按照经典力学以及按照狭义相对论,空间(空时)的存在不依赖于物质或场。”[4]1在广义相对论中,爱因斯坦修正了这一认识,“一无所有的空间,亦即没有场的空间,是不存在的。”[4]“根据广义相对论,与依赖于坐标的‘充满空间的东西’相对立的空间是不能脱离此种‘充满空间的东西’而独立存在的”。[4]120广义相对论认为,空间中充满了场,场占据了所有的空间,不存在没有场的空间;空间作为场的“对立面”,其存在不能脱离场,可以说没有场便没有空间。那么空间是什么?爱因斯坦对空间下了一个近似的定义:“空时是不能独立存在的,只能作为场的结构性质而存在”。[4]对于爱因斯坦这个近似的定义,我们可以这样简洁地表述:空时只能作为场的结构性质。

4.恩格斯论述的空间。恩格斯对空间的论述非常简单,作为辩证唯物主义的创始人,从辩证唯物主义的观点出发,给空间下了一个定义:“一切存在的基本形式是空间和时间”。[5]简单地说空间是一种形式。

恩格斯没有对这个定义做出什么说明,也没有提出任何理论的依据。我们根据恩格斯的论述,可以知道空间不是独立的。因为内容决定形式,形式依赖于内容,离开了内容就没有形式。空间作为一种形式,不具备独立存在的方式,必须依赖于物质。

三、空间的本质

我们现在看到有四种空间。亚里士多德认为:空间是限面;牛顿认为:空间是处所;爱因斯坦认为:空间是场的结构性质;恩格斯认为:空间是一种形式。真是有点眼花缭乱。那么,到底哪一个定义才是空间真正的本质?

1.亚里士多德定义的空间在理论上显得混乱。亚里士多德定义的空间,作为包围物体最直接的限面,理论上会产生这样一些问题:

(1)空间大小会变化。亚里士多德认为:“直接空间既不大于也不小于内容物”。“与空间有关的运动,其一是位移,其二是增和减,因为在增和减的过程中空间也在变化着,也就是说,原来在这样大的空间里的事物,现在变得是在一个比前大些或小些的空间里了。”[2]亚里士多德肯定了空间的大小会变化。比如:一棵松树的幼苗,它的空间很小;但等它长成参天大树,它的空间就变得很大了。又如:一个气球原来是瘪的,把它吹大,这个气球的空间就由小变大了;如果把它的气放掉,它的空间又变小了。这样看来,空间可以自然地变大变小,又可以人为的变大变小,随意性很大,这在理论上显得牵强附会。

(2)空间会不会移动。如果空间会自然地或人为地变大变小,空间就不是固定的。空间在变化中,肯定会有移动;不是全部移动,也会是部分移动。但亚里士多德认为空间是不动的,“恰如容器是能移动的空间那样,空间是不能移动的容器。”[2]可是,物体都是可以移动的。作为包围者最直接的限面的空间,当被包围的物体移动了,空间会跟着移动吗?比如:容器中盛满了水,移动容器,水会跟着容器一起移动,因为“容器是能移动的空间”。可是移动容器,容器的空间会不会跟着容器一起移动?按照亚里士多德的论述“空间是不能移动的容器”,容器的空间应该是不动的。可是移动容器,水在容器里,水的空间也在容器里,水和水的空间似乎都和容器一起移动了。

那么,对于“空间是不能移动的容器”,是否可以作另一种解读,即:移动容器,容器的空间相对于容器是不动的。因而移动容器,容器的空间会和容器一起移动。亚里士多德没有这样认为:“空间可以在内容事物离开以后留下来,因而是可分离的”。“例如,水现在在某处,当它从某一容器中流走时,空气随后就补充进来。”[2]按照亚里士多德的这一论述,移动容器,容器的空间应该会在容器离开后留下来,由空气补充进容器离开后的空间。

亚里士多德有一个说明:“当某一事物在运动着的事物内运动,或者说,在它里面移动着,如船在河里移动着,宁可作为在包围的容器里,而不作为在包围的空间里。空间意味着是不动的,因此宁可说整条的河是空间,因为从整体着眼,河是不动的。”[2]亚里士多德为了肯定空间是不动的,把船在河里移动说成是在包围的容器里移动,还把河说成是空间。这样的理论,显然非常混乱。空间、河、容器,它们之间的区别是很清楚的,不应该产生这样的混淆。

我们跟随亚里士多德的论述走到这里,已经陷入重重矛盾之中。如果说空间可以移动,这和亚里士多德的论述有矛盾。但是,如果说空间是不动的,理论上也有矛盾。

(3)空间会生成和破灭。我们再回过头来看容器。如果空间是不动的,移动容器,空间应该不会随着容器一起移动。这时容器哪怕只移动了1mm,容器原来的空间(限面)就与容器发生了错位,原来是容器限面的空间就失去了作为限面而存在的理由,它应该自动破灭。空间会破灭吗?亚里士多德认为空间是会破灭的:“当水由气产生时,原来的空间就破灭了,因为产生的物体不在原来的空间里了。那么这种空间的破灭是怎么回事呢?”[2]亚里士多德自己提出了问题,自己却没有回答。

既然空间会破灭,那么空间也应该会生成。容器一旦移位了,原来的空间就不是容器的限面了,也就是说不是容器的空间了,它应该自动破灭。而容器总应该在空间里的,因而应该生成新的空间,不然容器就不在空间里了。

我们再来看看容器里的水。水在容器里,同时水也在空间里,因为水有自己的限面。当水从容器里流出来,按照亚里士多德的说法,水和水的空间分离了,由空气进入了原来水的空间。水不能不在空间里,那么水离开了原来的空间,就应该生成新的空间。水的空间是水的限面,水在容器里的形状和倒出来的形状是不同的,水在倒出来的过程中,形状也一直在变化。在这个过程中,水的空间究竟发生了什么变化?是在不断调整、改变自己的形状,以确保是水的限面;还是原来的空间不断破灭,又不断生成新的空间?亚里士多德对此没有论述。但如果容器里的水倒在了2个杯子里,应该是生成了2个新的空间;如果倒在了4个杯子里,应该是生成了4个新的空间。

从以上分析可以看出,亚里士多德论述的空间,可以变化大小,但又不能动,这本身是自相矛盾的。空间可以破灭,又可以生成。空间破灭是怎么回事,亚里士多德自己也回答不了;空间又可以生成,是否空间就可以无中生有?所以,空间如果是限面,理论上会产生很多混乱。因而,空间是包围者的静止的最直接的界面,是不能成立的。

2.牛顿定义的空间是不存在的。牛顿定义的空间是:“时间和空间在本质上或特性上就是处所”。简单地说,空间是处所,即物质存在的地方。

(1)空间不是处所。牛顿给出的空间定义,和我们看到的现象非常符合。但是,大自然常常把真相隐藏起来,而把假象呈现在我们面前。就象我们看到太阳东升西落地绕地球转圈,其实是地球自转造成的假象。但是在古人看来,太阳绕地球运转,肯定是不容置疑的事实。

空间如果是“处所”,空间就是独立的事物。一个独立存在的事物,可以用自身来说明自己。可是空间能用自身来说明自己吗?不能。空间只能通过物体或物质来说明。牛顿很清楚这一点,“由于空间的这一部分无法看见,也不能通过感官把它与别的部分加以区分,所以我们代之以可感知的度量。由事物的位置及其到我们视为不动的物体的距离定义出所有处所,再根据物体由某些处所移向另一些处所,测出相对于这些处所的所有运动。”[3]我们只有依据物体,才能对空间进行定位,进行测量。没有物体,空间是无法表示的。从这点来看,空间不是一个独立存在的事物,而是依附于物质的。空间不是一个独立存在的事物,那么空间在本质上和特性上就不是处所。不是物质必须依赖于空间而存在,而是空间只能附属于物质而存在。

(2)绝对空间是不存在的。牛顿论述的绝对空间有两个特性:一个是“处处均匀”,一个是“永不移动”。处处均匀就是有东西在各处分布,并且在各处分布的数量相同。绝对空间有什么东西在各处分布吗?没有。既然绝对空间作为空间来说,没有什么东西分布,那么也就无所谓均匀不均匀。所以,绝对空间处处均匀的说法难以成立。

绝对空间的第二个特性“永不移动”。我们有什么依据可以判断绝对空间是移动了还是没有移动?牛顿是这么说的:“在我们世界中物体的位置不能确定绝对静止。”[3]也就是说,我们无法判断物体在绝对空间中的哪个位置,因而也无法判断物体在绝对空间中是移动了还是没有移动。换一个角度看,这部分绝对空间和那部分绝对空间也是无法区别的,因而这部分绝对空间是移动了还是没有移动,也是无法判断的。移动,总有物体被移动或自己移动。按照牛顿的论述,绝对空间仅仅是一个绝对空的三维体积,什么也没有。“什么也没有”不动,和“什么也没有”移动,都是没有意义的。

我国政府对区域经济发展策略主要有：第一，改革开放前提出“超前共产主义”均衡发展战略。第二，改革开放后实行非均衡发展战略，提出优先发展东部沿海地区，先让一部分人富起来，“先富”带动“后富”。第三，为缩小东、中、西部之间经济发展的差距，提出“振兴东北老工业基地”“西部大开发”“促进中部地区崛起”等战略，促进东、中、西部协调发展。第四，现阶段区域协调发展战略已是我国地区经济发展的主要方向，十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”理念；十九大工作报告中又明确指出，要“贯彻新发展理念，实施区域协调发展战略，建立更加有效的区域协调发展新机制”。

牛顿是依据什么认为存在绝对空间?牛顿从哲学上作了说明:“在哲学研究中,我们则应当从感官抽象出并且思考事物自身,把它们与单凭感知测度的表象加以区分”。[2]牛顿是从感官抽象出了绝对空间。感官感知的是什么?感官感知的是被牛顿称为“相对空间”的空间。“如地表以下、大气中或天空中的空间”。牛顿从这些具体空间抽象出绝对空间,并认为绝对空间是空间自身。

“绝对空间”是一个概念,这个概念是否有一个真实的绝对空间与之对应?我们从植物的果实如:苹果、梨、香蕉等果实中抽象出水果这样一个概念,但现实世界中并不存在“水果”这样一种果实。“水果”只是苹果、梨、香蕉等植物果实的一种共性,只存在于我们的概念中、存在于我们的抽象思维中。牛顿从感官抽象出的“绝对空间”,其实就是他的相对空间(具体空间)的共性,这样的“绝对空间”和“水果”一样,只是一种概念,只能存在于我们的抽象思维中,而不可能存在于现实世界中。

(3)相对空间也是不存在的。牛顿论述的相对空间和亚里士多德论述的空间有类似之处。亚里士多德论述的空间会生成和破灭,牛顿论述的相对空间也会生成和破灭。因为原来是没有地球的,所以“地表以下、大气中或天空中的空间”原来是没有的。地球形成以后,在宇宙中、在绝对空间中就生成了这些相对空间。但这些相对空间迟早会消失,因为太阳系迟早会因太阳的核燃料燃烧殆尽而毁灭。太阳系毁灭了,地球上的这些相对空间肯定也破灭了。

空间是客观存在的,不管它是独立的还是非独立的事物。因而,空间的存在是不以人的意志为转移的。它象物质一样,是既不能创造,也不能被消灭的。空间可以自然地生成和人为的创造,甚至可以人为地消灭,这样随心所欲的空间,在理论上是难以成立。所以,牛顿的相对空间,也是不可能存在的。不存在绝对空间,也不存在相对空间。

3.爱因斯坦没有给出空间的定义。爱因斯坦认为:空间和时间是不能分割的,还认为空间是不能脱离物质而存在的,这已经非常接近真理了。但爱因斯坦就此止步,没能达到对空间本质的正确认识。爱因斯坦对空间的近似定义是:空间“只能作为场的结构性质”。这个近似定义在概念上有些含糊不清,而且有两方面的含糊不清。

(1)“只能作为场的结构性质”,这样的表述含糊不清。空间究竟是不是场的结构性质?如果空间是场的结构性质,那就明确地表述为“是”。表述为“只能作为”,似乎空间不是场的结构性质,只是用来作为场的结构性质。空间是场的结构性质和空间只能作为场的结构性质是有区别的。

对空间本质的认识,不能作似是而非的表述;概念必须明确、清晰,不能产生歧义。所以,爱因斯坦对空间做了那么多的论述,但对于空间本质的论述,只能认为缺失、没有。

4.恩格斯定义的空间揭示了空间的本质。恩格斯定义的空间给我们指明了认识空间、时间的正确方向,我们应该遵循恩格斯指明的方向去探索、去认识空间和时间。

空间和时间都是物质存在的基本形式。形式,形式,只是形式。它们不是宇宙间的某个独立事物,不具备独立存在的方式。空间和时间这两个形式都是客观存在的,但只是形式而已。它们依附于物质,没有物质,这两个形式也不会存在。

作为“一切存在的基本形式”,空间和时间只是一切事物必然表现出来的形式而已,是附属于物质的。但是,我们的感觉却是颠倒过来的,即:宇宙间没有哪一样事物可以脱离空间和时间,所有的事物都存在于空间和时间中。似乎空间和时间是独立于物质的,是不依赖于物质的,而物质却依赖于空间。没有空间,物质就没有存在的地方了。似乎空间和时间就是两个巨大的平台,两个交织在一起的平台,物质就在这两个平台中运动。这就如牛顿所论述的绝对空间和绝对时间一样,“所有事物置于时间中以列出顺序;置于空间中以排出位置”。如果空间和时间是独立的,它们就可以脱离物质而独立存在。但是,如果没有物质,空间自己怎么来表示空间?时间自己怎么来表示时间?作为空间,只有空间而没有物质,一无所有的空间是无法表示的。对空间的表示,必须依赖于物质,依赖于物质的运动。空间的三维性,就是物质运动只能有三个维度的运动方向,而不会有第四个维度的运动方向。空间的尺度,也只能由物质的运动来确定。一米的长度单位,是由原子的辐射波长确定的;一个天文单位的长度,是由地球与太阳的平均距离确定的;一光年的长度,是由光线在真空中一年运行的距离确定的。没有物质运动,就不会有空间这个概念。关于空间的所有规定性,都是由物质运动决定的。对于时间来说,要表示时间,也必须根据物质的运动才能作出表示。我们现在对时间的表示,就是根据地球的自转和地球绕太阳的公转做出的。地球自转一圈是一天,一天再分割成24个小时;地球绕太阳公转一圈是一年,一年再分割成12个月。如果物质“置于时间中”,但物质处于绝对静止状态,也不会有时间,也无法表示时间。关于时间的所有规定性,也都是由物质运动决定的。所以,空间和时间是不能脱离物质运动的;对空间和时间的表示,必须依据物质的运动。

一个独立存在的事物,可以用他自身的属性来说明自己。每一个事物,都有他自己的属性。而且,一个事物往往会有许多个属性;其中有本质属性和非本质属性。本质属性是事物特有的规定性,他决定了一事物之所以是这一事物,决定了一事物之所以区别于其他事物;因此,本质属性是事物的专有属性。非本质属性表现了事物的多样性,可以为不同事物共同具有。空间附属于物质,离开了物质,空间有属性吗?没有。时间也附属于物质,离开了物质,时间有属性吗?也没有。但空间和时间也应该有它们的属性,用以描述它们的特性,并以此区别于其他事物。空间和时间的属性是什么?

恩格斯在《自然辩证法》中指出:运动是“物质的固有属性”。[6]无论何时何地,都没有也不可能有没有运动的物质。运动是物质的固有属性,那么,物质的运动有没有属性?也有。物质运动有两个本质属性:一个是物质的位置移动,一个是运动的先后顺序。没有位置移动不成其为运动;没有先后顺序,运动也无法实现。物质运动的这两个属性,其表现形式就是空间和时间。所以,空间和时间都是物质运动的表现形式。但它们由于物质运动的不同属性,表现为不同的形式。物质运动的位置移动,其表现形式是空间;物质运动的先后顺序,其表现形式是时间。所以,空间是物质运动位置移动的表现形式,时间是物质运动先后顺序的表现形式。它们都是物质运动的表现形式,如果没有物质,它们也都不会存在。

物质运动具有两个本质属性,作为物质运动表现形式的空间和时间,它们具有什么属性?它们既然是物质运动的表现形式,它们的属性就是由物质运动决定的。物质运动的本质属性之一:物质运动的位置移动,就是空间的本质属性;物质运动的本质属性之二:运动的先后顺序,就是时间的本质属性。因为空间和时间不是独立的事物,它们只是物质运动的表现形式,物质运动的属性,也就决定了它的表现形式(空间和时间)的属性。

物质运动的位置移动,是物质运动的第一个本质属性;同时,也是其表现形式——空间的本质属性。物质运动的先后顺序,是物质运动的第二个本质属性;同时,也是其表现形式——时间的本质属性。本质属性是事物的专有属性,只能为一个事物专有并以此区别于其他事物。物质运动的位置移动,为什么既是物质运动的本质属性,又是空间的本质属性。这就说明物质运动的位置移动和空间本来就是一个事物。物质运动的位置移动是物质运动的第一个主体,是物质运动第一个本质属性;空间是物质运动位置移动的表现形式,附属于物质运动的第一个主体。时间也一样,物质运动的先后顺序是物质运动的第二个主体,是物质运动的第二个本质属性,时间就是物质运动先后顺序的表现形式,附属于物质运动的第二个主体。所以,物质运动的先后顺序和时间也是同一个事物。物质运动位置移动既是物质运动的本质属性,也是空间的本质属性;物质运动的先后顺序既是物质运动的第二个本质属性,也是时间的本质属性。

我们对空间的表述,常常会说:物体在空间中运行、星球在太空中运行。这样的表述和牛顿对空间的论述“所有事物置于空间中以排出位置”是一样的,是不确切的。这样的表述,是把空间作为一个独立的事物。空间不是独立的事物,只是物质运动位置移动的表现形式。但是,如果我们要以精确的表述来描述物体、星球运动和空间的关系,却是非常拗口。这有点像我们对太阳东升西落的表述。早晨,太阳从东方升起;傍晚,太阳从西面落下。这样的表述确切吗?这样的表述是不确切的,太阳并没有绕地球转,因而对于地球、以及地球上的我们来说,太阳不会升起也不会落下。但是这样的表述比较符合生活在地球上的我们的感觉,也比较容易描述一天中太阳的位置变化。如果在日常生活中,要精确表述我们所看到的太阳的视运动,反而会非常别扭,因而没有人提出要纠正这样一种不确切的表述。

空间是什么?为了认识空间的本质,我们走了许多弯路,但真理终究会被认识。空间不是一个独立存在的事物,而是附属于物质。空间只是物质运动位置移动的表现形式。物质运动位置移动的表现形式是无法弯曲的,物质运动位置移动的表现形式也没有什么东西可以弯曲,所以空间是不能弯曲的。时间也不是一个独立存在的事物,也是附属于物质的。时间是物质运动先后顺序的表现形式。我们认识了时间的本质,就知道所谓时间机器,以及时空穿越之类的猜想,都是无稽之谈。在自然科学领域,我们也要坚持辩证唯物主义,不然就会步入歧途。

致谢:感谢何慧给予我数学上的帮助