時間和空間的邏輯結(jié)構(gòu)

1、時間和空間的邏輯結(jié)構(gòu)如果我們要面對物理世界的時間和空間問題， 那么首先一個問題就是物質(zhì) 世界的存在問題。在目前我們?nèi)祟愃捎玫膶ξ镔|(zhì)世界的描述中， 通常都采用時間和空間的 概念對物體的存在進行描述， 實際上， 在人類的語言所描述的范圍， 包括科學(xué)的 語言（或者說數(shù)學(xué)的語言） ，我們不能采用除此之外的形式對物體的存在進行描 述。我們所存在的這個物質(zhì)世界， 是無時不刻的在運動變化， 某一個物體運動 變化的進程， 是我們針對其它物質(zhì)和這一物體的位置、 狀態(tài)發(fā)生變化進行比較的 結(jié)果。從這一物體的運動變化過程中， 我們感覺到某種運動變化的流程， 通常我 們把這種我們感覺到的這種流程， 賦予時間的概念。

2、關(guān)于這個問題， 請您參見時 間的經(jīng)驗感覺（本站中的）。同時，對于時間的計量，從物體的運動流程來說， 在經(jīng)典的二十世紀以前的物理學(xué)來說， 我們定義了標準的時間計量流程。 自相對 論之后，逐漸采用物質(zhì)運動的一種計量模式來計量時間的標準問題， （ 您可以參 閱參照系、觀測與物體的速度 牛頓力學(xué)、相對論和時間空間的關(guān)系 等 時間與空間中的內(nèi)容。本站中的）在本文中要討論這個基礎(chǔ)性的問題。另一方面， 物質(zhì)運動變化過程中的某一確定的狀態(tài) （通常所說的任意時刻 的狀態(tài)），我們通常要采用標準的空間計量模式進行大小的描述， （您可參見 空 間的概念 。本站中的）以相對論為理論的分界線，存在兩種空間觀念的描述，本

3、文也要探討這個定義性的問題。時間和空間的觀念一直在確定著我們對物質(zhì)世界的描述， 只是我們間接的 在應(yīng)用著時間和空間的概念。 在本站時間與空間的欄目中探討過相對論的時間和 空間的觀念， 但是，并沒有在具體問題上確定時間和空間觀念的定義問題， 就在 于我們所采用的語言描述模式對物質(zhì)世界的描述的基礎(chǔ)。 今天我們著重從描述物 質(zhì)世界的角度討論時間和空間的邏輯的基礎(chǔ)。如果您沒有接觸過時間與空間基本概念性的內(nèi)容，我建議您瀏覽一下本站 中的這部分內(nèi)容， 因為本文的探討要進入一種純粹的邏輯抽象過程中， 需要您對 這些概念有一定的了解并且有一定的想象力和分析能力?，F(xiàn)在，由于我們采用了鐘表對時間進行了計量， 那么

4、在日常生活中我們所 采用的時間概念和科學(xué)上我們所采用的時間概念本質(zhì)上并沒有什么區(qū)別， 我們所 引用的時間概念實際上是采用將物質(zhì)事件的某種進程對物質(zhì)事件的某種運動過 程作為定義的方法， （您可參見時間的經(jīng)驗感覺）。這里面涉及到一個標準的時 間進程。 但實際上， 這個標準時間進程并不標準， 在相對論中就提出了這樣的概 念，靜止參照系中的時間和運動參照系中的時間是不同的， 運動參照系中的時間 會存在膨脹效應(yīng)。 其實質(zhì)是兩個標準的時鐘， 靜止參照系中的時鐘和高速運動參 照系中的時鐘在某一段時間中相比會存在兩個鐘表的走時不同， 換算到物質(zhì)運動 變化上，運動參照系中的物理事件的運動變化會減緩。 如果我們確

5、認物理事件的 主體是由物質(zhì)構(gòu)成， 那么物理事件進程的減緩意味著推動物理事件的作用在兩個 慣性參照系會存在不同。 另一方面，相對論認為， 不同慣性參照系的主體的屬性 也是不同的， 比如質(zhì)量的不同。 相同一個物體， 在高速運動時物體的質(zhì)量會大于 靜止參照系中的質(zhì)量。 這樣，在相對論中導(dǎo)致兩個慣性參照系中的時間不同可能 有兩種情況引起：一種是物體的本身的屬性的改變（不包括空間問題）；另一種 是推動物理事件進程的作用在發(fā)生改變。 關(guān)于物體本身的屬性的改變， 我在這里 就不討論了， 而留到下一篇文章時空因子中去討論這個問題。 這里我們只討 論第二種情況推動物理事件進程的作用在發(fā)生改變。靜止參照系中的物體

6、和運動參照系中的物體由于任意時刻在發(fā)生著位移， 尤其是在高速運動狀態(tài)， 兩個慣性參照系中的物體所在的位置和物體本身的精確 的存在狀態(tài)是不能精確的測定的。 即便我們可以進行測定， 在測定的過程中， 由 于存在著測量物體而不能避免的誤差， 在高速運動狀態(tài)下誤差會很大。 在這樣的 前提下去討論兩者的時間， 實際上我們是在探討不同存在狀態(tài)下兩個孤立的物體 的時間觀念問題。1、孤立物體間的時間如果兩個物體間沒有任何信息的傳遞， 各自在進行某種周期性的運動， 比 如地球上的鐘擺和月球上的鐘擺， 那么若以兩個鐘擺作為計量時間的標準， 我們 將不能從一個鐘擺的時間標準去判斷另一個鐘擺中的時間標準， 但有一點可

7、以肯 定，一個鐘擺在運動的同時，另一個鐘擺也在運動。很顯然，一個鐘擺運動的歷 程對應(yīng)著另一個鐘擺所運動的歷程。 如果我們采用時間的說法就是， 一種時間的 序列總是對應(yīng)另一種時間的序列。 關(guān)鍵是我們所采用的對應(yīng)方法。 我們不知道一 個鐘擺的一個確定狀態(tài)對應(yīng)的另一個鐘擺的一個確定的狀態(tài)， 這樣，問題就出現(xiàn) 了。人類對物質(zhì)世界的理解總是尋求一種貼近于物質(zhì)本身精確的理解，那么，對 物質(zhì)周期運動的的過程中所表現(xiàn)的時間觀念也是這樣。 通常我們要知道一個鐘擺 的運動的一個序列對應(yīng)著另一個鐘擺的一個序列， 這樣的方式來描述兩個鐘擺的 運動過程是不夠的， 我們還要求知道一個鐘擺運動過程中的某一個狀態(tài)， 另一個

8、鐘擺是什么樣的狀態(tài)。 即：兩個鐘擺運動序列過程中的點對點之間的對應(yīng)。 或者 知道一個鐘擺的某一個運動狀態(tài)后去知道鐘擺未來還沒有出現(xiàn)的某一個狀態(tài)。 前 者在物理學(xué)中我們通常采用同時性的概念去進行判斷。 后者我們則采用一種時間 定義體系和物質(zhì)運動的關(guān)系去確定即通常我們所說的時間標準去確定。在歷史上，存在兩種同時性的判斷方法。一種是牛頓力學(xué)中絕對的同時性。 另一種則是對高速運動物體進行處理的相對的同時性。在同時性的判定方法上， 我們必須要進入到多系統(tǒng)物質(zhì)的狀態(tài)， 因為在孤立物體間我們是不能進行任何判 定的。對于預(yù)言物體運動未來的某一個狀態(tài)， 我們也必須定義一個標準的物質(zhì)運 動流程，否則也無法對物體運

9、動的過程進行任何的描述，就更不要說預(yù)言了。2、物質(zhì)運動流程的定義方法和原則（進行同時性判斷的方法、原則）對孤立物質(zhì)運動流程的描述，這本身就必須需要外界的物質(zhì)的存在狀態(tài)，來 對孤立物質(zhì)運動的本身進行比較， 否則，我們不能進行物質(zhì)的存在狀態(tài)等之類的 任何的描述。 一個物體就是一個物體， 在它本身的前提上， 我們將沒有任何的語 言描述模式進行描述。大小、顏色、狀態(tài)等等，在我們描述的同時，我們是在引 用外界的某種標準和物質(zhì)的本身進行比較。 即便我們采用定量的方法對物體本身 進行描述，那么我們?nèi)匀徊荒芴颖懿捎美硐氲臉藴蔬M行比較。如果宇宙中的物體都在運動， 那么存在的任一時刻 （ 嚴格的說是存在的時 刻）

10、，宇宙中的任何一個物體所處于的某種狀態(tài)都可以看作是確定的狀態(tài)的話， 那么任意物體的這一時刻的狀態(tài)對應(yīng)于宇宙中其它物體本身的唯一的一個存在 狀態(tài)，并且， 這個物體的任一時刻的確定狀態(tài)存在， 宇宙中其它物體的某一個狀 態(tài)也一并存在， 這樣，以存在的本身就形成了宇宙中物質(zhì)存在狀態(tài)的對應(yīng)。 通常， 我們把這種對應(yīng)叫做物質(zhì)存在的同時性。如果隨著孤立運動物體的運動進程， 一個物體的一個存在狀態(tài)所對應(yīng)的宇 宙中其它物體的存在狀態(tài)叫做 a 狀態(tài)，第二個狀態(tài)叫做 b 狀態(tài) .c 狀態(tài)d狀態(tài) 一直到無窮的狀態(tài)。 我們知道， 宇宙中的物質(zhì)在不停的運動變化， 一個相對靜止的物體， 它本身的分子、 原子和電子的存在狀態(tài)

11、不會是相對靜止， 這 樣，即便是基本粒子，它所存在的環(huán)境如空間中的電磁波所給于它的作用環(huán)境， 和其它物質(zhì)的相對位置等是唯一確定的。 因此如上所說的物質(zhì)任意時刻的一個狀 態(tài)和宇宙中其它物質(zhì)的這一對應(yīng)存在狀態(tài)的對應(yīng)是唯一的。牛頓力學(xué)的同時性是指這種對應(yīng)的唯一性， 并且不依賴于采用哪一物體作為對應(yīng)的選擇的原對應(yīng)體，因此，只有一個對應(yīng)序列。相對論認為， 這種對應(yīng)依賴于慣性參照系 ，從不同的慣性參照系的 a 到無窮 狀態(tài)的對應(yīng)會存在不同的對應(yīng)序列。 有多少個慣性參照系， 就有多少個對應(yīng)序列。 在一個對應(yīng)序列中 ,一個物體的 a 狀態(tài)對應(yīng)于宇宙中其它物體的 a 狀態(tài)。如果我 們通過一個對應(yīng)序列中的某一個狀

12、態(tài) a 狀態(tài)，確立另一個對應(yīng)序列中的某一 個狀態(tài)作為相同的對應(yīng)狀態(tài) a 狀態(tài)，那么，在相對論這種對應(yīng)狀態(tài)中的兩個序列 就可以確立對關(guān)系了。 在一個對應(yīng)序列中一個物體的 b 狀態(tài)和另一個序列中物體 的 b 狀態(tài)是對應(yīng)的，同樣 c-c d-d 等等。大家可以看到，牛頓力學(xué)和相 對論對物質(zhì)存在狀態(tài)的描述上是相同的。 大家知道， 相對論和牛頓力學(xué)在時間觀 念上是不同的， 如何采用對應(yīng)序列之后， 相對論和牛頓力學(xué)所描述的主體就統(tǒng)一 了呢？關(guān)于這一點是因為牛頓力學(xué)和相對論所采用的同時性的概念是不同的。 相 對論是采用的相對的同時性的概念。牛頓力學(xué)則是采用的絕對性的同時性的概 念。這一點大家要分清。不論我們

13、采用牛頓力學(xué)中的物體運動狀態(tài)在對應(yīng)序列中的唯一確定性， 還是 采用相對論中的不同的慣性參照系存在不同的物質(zhì)存在狀態(tài)的對應(yīng)序列， 都必須 滿足物質(zhì)存在的同時性的對應(yīng)序列。 不論是牛頓力學(xué)中的絕對的同時性還是相對 論中的相對的同時性。兩者對宇宙中物質(zhì)的存在狀態(tài)的對應(yīng)描述都是相同的。* 在關(guān)于同時性的定義問題結(jié)束之時， 大家一定有這樣一個疑問。 相對論 采用對不同慣性參照系間通過采用光對不同慣性參照系進行測量的方法去確定 同時性的定義。我在這里卻采用理想的物體存在的一刻去確定物體存在的同時性 的問題， 大家都知道， 存在的一刻隨時都在變動， 這樣似乎缺乏客觀實際應(yīng)用上 的價值。我想在這里稍微解釋一下

14、這個問題：在實際應(yīng)用上， 相對論的同時性同樣沒有實際應(yīng)用的價值。 當(dāng)我們采用相對 論的方法去確定同時性時， 兩個慣性參照系的同時性的那一刻已經(jīng)過去， 我們只 能根據(jù)我們測得的結(jié)果確定過去的某一時刻在物質(zhì)間的存在狀態(tài)上是同時的， 我 們所得到的同時性的時刻永遠是過去的時刻。 物質(zhì)的運動都是在發(fā)展變化的， 確 定了兩個運動物體過去的某一時刻是同時的不等于現(xiàn)在的時刻是同時性的， 因為 相對論的同時性是隨慣性參照系的不同而不同。但是，將物體間的同時性建立在物體本身的存在的一時刻上， 物體間的同時 性就是絕對的了。 這是一種理想的嚴格的定義。 但是這樣的一個定義存在一個具 體應(yīng)用上的問題， 兩個孤立物體

15、間需要信息交流， 交流的過程中就需要我們通常 所說的時間，這就需要我們采用物質(zhì)本身的定義體系去對同時性測量的本身進行 定義了。我們知道，時間的本身和空間、物質(zhì)的運動變化的定義是分不開的。時 間的定義同時和物質(zhì)的運動、 空間的定義是一個不可分割的定義體系， 同時性是 建立一個可供測量的基點。 只有等整個的定義體系確定之后才可以確定同時性的 測量方法，即：實際應(yīng)用上的定義。 * 3、時間的觀念（時間的持續(xù)）如上我們采用純數(shù)理的方法確定了宇宙中物體同時性的存在狀態(tài)描述。 我們 知道，物體是運動的， 如上的方法僅確立了物質(zhì)同時性存在狀態(tài)間的對應(yīng)。 物質(zhì) 兩個存在狀態(tài)間的過渡是可以作為連續(xù)處理的，如：相

16、對位移過程、加速過程。傳統(tǒng)物理學(xué)中存在兩種時間觀念， 它們之間的不同， 也主要是反映在對物質(zhì) 兩種狀態(tài)之間過渡過程的處理上，兩者是通過不同的定義體系來實現(xiàn)的。牛頓力學(xué)采用標準的時間計量單位， 相對論采用自身的慣性參照系作為本參 照系時間計量的標準。您可參見 牛頓力學(xué)、相對論和時間空間的關(guān)系 。4、時間的持續(xù)屬性一個事件或者說一個物體兩種狀態(tài)的過渡過程， 它的持續(xù)性包含我們通常 所采用的時間概念。我在這里舉個例子來說：一個物體從A地到B地的運動。如果我們粗略的講，質(zhì)量為 X千克的物體， 從 a 地開始以每秒 50 公里的速度運動，經(jīng)過一小時后到達 b 地。即便這樣一種 粗略的描述，也包含我們對事

17、物描述過程中的一個基本的觀念時間的觀念。在物體移動過程中任意相鄰的兩個位置間隔， 在物體運動的這個過程中都可 以作為連續(xù)處理， 即我們通常所說的時間的綿延， 但是，這樣的說法是建立在時 間概念的基礎(chǔ)上， 即我們通常所說的標準的物質(zhì)進程， 在這個標準上我們才可以 談?wù)摃r間的連續(xù)。 否則那就是不具有物理意義的數(shù)理的過程。 在傳統(tǒng)中我們所建 立的這個標準的時間延續(xù)模式， 時間的間隔是無限可分的， 這一點是由空間間隔 （長度）的無限可分形成， 從更廣乏的意義上來說， 這是由物質(zhì)的運動變化可作 為連續(xù)處理的經(jīng)驗決定。5、物質(zhì)運動持續(xù)的特點以及時間和物質(zhì)運動變化的屬性對于物質(zhì)的運動變化，在我們描述上雖然采

18、用時間的觀念，但是我們必須承 認，物質(zhì)的運動變化過程是由是它本身發(fā)生運動變化的原因決定， 至于我們所賦 予的時間概念， 只是由于我們?yōu)榱嗣枋錾系姆奖悖?而對物質(zhì)世界的運動變化而采 用的便于我們描述的一種基本的定義方法而已。首先對此確定的一個問題是物質(zhì)的運動變化是依賴于和它相互作用的環(huán)境。 我們知道， 宇宙是一個非常大的體系， 在地球上的一個分子的運動變化和太陽上 的一個電子的運動變化是無關(guān)的。 如果我們確認在宇宙中存在一種傳統(tǒng)觀念中的 支配物質(zhì)運動變化的時間。 （這一點可以從一些科普讀物中的時間的倒流可以看 出來），我們在兩個不同的環(huán)境里找不到為何兩種粒子的時間觀念而必須相同的 依據(jù)。在純科學(xué)

19、上來說， 我們將物質(zhì)的運動變化都歸因于是物體運動狀態(tài)發(fā)生變 化的作用力以及物體本身的質(zhì)量屬性，與宇宙中這種統(tǒng)一的時間質(zhì)是毫無關(guān)系 的。我們也沒有任何理由和根據(jù)來確定這種時間質(zhì)的存在。但是，依據(jù)我們通常采用的物質(zhì)運動變化的定義，比如加速度的定義：一個 物體單位時間內(nèi)的速度變化數(shù)值實際上它包含了這樣的定義， 采用標準的物質(zhì)運 動變化流程， 單位時間內(nèi)物體的速度變化數(shù)值即為加速度的概念。 如果我們確定 在兩個不同的環(huán)境里， 完全相同的一個物體， 如果在單位時間里所施加給它們的 力是相同的， 并且它們產(chǎn)生的運動狀態(tài)變化也是相同的， 那么物體在和它周圍的 環(huán)境的相互作用也是相同的。 這個周圍的環(huán)境是指物

20、質(zhì)的存在環(huán)境， 實質(zhì)上， 也 是物質(zhì)間相互作用屬性的一種定義。在相對論中假設(shè)了兩個慣性參照系間的時間和空間是不同的，這樣的定義大 家不易接受。 實際上它包含了這樣的原理： 為了便于我們采用統(tǒng)一的對物質(zhì)運動 變化描述的定義標準， 假設(shè)在不同的慣性參照系中的時間和空間可變， 使物質(zhì)運 動變化的定義標準符合傳統(tǒng)中我們所采用的統(tǒng)一的標準的定義數(shù)值。 實際上，這 是通過物質(zhì)和它周圍環(huán)境相互作用的屬性是相同的這一點來實現(xiàn)的。我們知道， 電荷間的相互作用的關(guān)系， 當(dāng)一個電荷和參照系處于靜止?fàn)顟B(tài)的時候， 電荷相對 于靜止參照系不產(chǎn)生磁場， 但是當(dāng)電荷和參照系處于運動狀態(tài)的時候， 電荷產(chǎn)生 相對于參照系的磁場， 這說明， 電荷和參照系在處于靜止和運動狀態(tài)的時候， 兩 種作用環(huán)境不是相同的。 這里只是舉個例子， 并不是說相對論就是這樣處理這種 電和磁的作用的。 而是相對論在處理相對運動的屬性上存在作用環(huán)境不是相同的 一樣。但是，不