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物质  空间和时间的逻辑关系

(2012-02-21 05:31:48)
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文化

观念变革

物理学创新

实体概念

属性概念

物质

空间

时间

杂谈

简介:周吉善网站(http://sea 3000 .net/zhoujishan/)上发表的全是干巴巴的理论性文章,5年来居然有十万人登陆造访,近期以来日平均访客超过200人;最受关注的就是这一篇文章,访客达2500人,跟“空间”有关的另外两篇文章居4、6位,访客也都过千人;居2、5位的跟《论动体的电动力学》相关,居第5位的与哲学相关—— 足以说明当今学界最受关注的,莫过于“概念”问题,尤为关键的是如何正确解读“空间”这个范畴。

《论动体的电动力学》和广义相对论场方程的成就,是从哲学的角度认定了空间是跟物质同在的另一类物理实在;从物理学角度讲,该理论不仅证明空间中存在着“三维圆球”形结构,还进一步揭示出“用量纲式中的L、T描述的空间结构”,是所有自然运动的“第一推动者”,物理学理论中的g、gR、gμν ,确实都是可以使得m的载体做自然运动的“动力学的量”。

最重要的观念变革是,首先应该用“物理事件”取代“质点”这个概念,进而认定任何一个物理事件都离不开三种要素:一是用M计量的参与物理过程的客体;二是事件涉及的范围大小(即广延性),用L度量;三是事件历经的过程长短(即持续性),用T度量—— 量纲式中M、L、T三个主单位的实用有效性,就足以说明物理学所研究的直接对象是“物理事件”,对物理事件的具体描述,所关注的不外乎是其广延性和持续性的定量关系而已。

未来科学要想走出当前的困境,首先必须从廓清哲学和科学的概念切入,严格区分物质、空间、质量、长度时间这五个在哲学、科学范畴内交叉使用最为广泛的最基本概念;

其二还必须彻底摈弃使用“空时”、“时空”之类错误说法的陋习;

其三是必须确立只使用L、T而不出现M的所有物理方程,表述的都是存在于空间中的自然规律,由之决定着用M计量的物体或带电粒子的动量和能量变化,所有用概念表述的都是空间中某种“结构”的一种特殊属性。

 

 

物质  空间和时间的逻辑关系

 

 

【摘要】 物质、空间、质量、时间和长度,在哲学、科学理论及日常生活中,都是使用频率非常高的概念,但是却没有人关注它们之间的逻辑关系问题。实际上物质和空间是指称对象(即基本存在)的两个哲学概念,而质量、时间和长度则是表述属性的三个基本物理量。依据物理学量纲式,可以判定时间和长度是比质量更基本的物理量。将这五个概念区分为哲学概念和基本物理量两类的直接结果是:物理学(即第二哲学)的自然观必须持物质、空间两系统结构论。

更进一步剖析的结果还可以发现,传统将“空时”连用是一种非常严重的错误,实际上T和L跟空间的关系,与M跟物质的关系完全相同。

关键词】 哲学概念  基本物理量  认知的逻辑起点  概念的逻辑定位  空间

 

物质、空间、质量、时间和长度五个概念,是哲学和科学理论中交叉使用频率最高的最重要范畴;然而,历来的理论家们却很少有人认真关注它们之间的逻辑关系,致使迄今理论界存在许多不应有的困惑。

“科学不是随着新事实的积累而发展的……而是随着一些有效的新概念的不断发展而发展的”(1-P249)。新理论的产生固然需要建立某些新的概念为逻辑先导;在历史上某些特殊时期,也不乏重新对常用概念的内涵和外延给予恰当定位,从而导致产生新理论的事例。

“科学史界越来越多的学者认识到,站在现代科学的立场寻找来龙去脉的做法有误入歧途的危险,转而采取从原来的境状中重新阐释科学的思想”(2-P2)。实际上哲学又何尝不应该如此。

本文讨论科学从量纲式谈起,讨论哲学从亚里士多德将形而上学和物理学分别称为第一哲学和第二哲学之前开始,看看究竟应该如何确立上述五个概念逻辑定位的关系。

 

1. 从量纲式谈起

物理量虽说有基本量和导出量之分,却都可以用质量M、时间T、长度L三个基本量统一表示,为检验物理关系式的正确性提供了方便而可靠的保障。比如被称为能量的量纲式〔E〕=〔L2MT-2〕,其中的指数2、1、-2就是该物理量对于长度、质量、时间的量纲。

在国际单位制电磁学量中,电阻和电感的量纲式分别为〔L2MT-3I-2〕和〔L2MT-2I-2〕,而在电磁学的高斯制单位中却非常简明地被记为〔L-1T〕和〔L〕。量纲式的应用实践证明,无论是力学还是热学、光学、电磁学所使用的物理量,都可以用质量、时间、长度组成的量纲式予以表示,足以说明M、L、T是物理学理论中三个最基本的物理量。

高斯制单位和国际单位制的差异,仅在于对长度、质量、时间使用的单位不同,前者被称为厘米、克、秒制,后者则称为米、千克、秒制。

在高斯制单位中,电容、电阻、电感的量纲式中,却都不包含质量M。在只使用电学量和磁学量、而不包含M的计算式子中,永远都存在着一个常量3×1010cm/s——也就是现在被称为光速的C=3×105km/s。

据此不难发现:

推论一:长度L和时间T是比质量M更基本的物理量。

推论二:3×1010cm/s是一个常量告诉我们:这个常量是包含在空间中、而与所谓的物质无关的一条自然规律;把它叫做“光速”是不恰当的。

推论三:依据推论二,在精密自然科学中使用的量度单位越小,越容易发现更深层次的自然规律。现代科学使用的时间单位实际上已经是秒的1/9192631770,自然就会出现一些新的规律很难被我们所接受。

 

2. 时间T和空间的关系

在传统理论中,空间和时间总被并列使用,给人的印象是物质、空间和时间T属于指称同类对象的三个不同概念,其间就包含着一种非常严重的观念性错误。因为物理量都可以被精确测定,物质的质量M时间T分别用天平和时钟测量,而空间呢?

有人会回答:用尺子!然而,用尺子测出的叫长度L,跟质量M时间T属于同类性质的概念,空间究竟应该放到什么位置上去呢?

1952年爱因斯坦在《狭义和广义相对论浅说》英译本15版的序言中补充了几句关于时间和空间的说明(3):

空间-时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中,而是这些物体具有空间广延性。这样看来,关于‘一无所有的空间’的概念就失去了意义。

实际上爱因斯坦在这里也同样犯了将时间T和空间并称的常识性错误,只需要对其中的个别概念略加修改,即可以更正由于传统理论中对二者关系处理不当带来的诸多困惑——

长度L-时间T未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。这种真实客体就叫做空间,它不仅有着用长度L度量的广延性,还有着用时间T度量的持续性。传统所谓的物体都被包容在空间中;这样看来,‘一无所有的空间’的概念就失去了意义。

时间T和空间两个概念是从属关系,即时间T、长度L跟空间的关系,与质量M跟物质的关系完全相同——物质空间用于指称两类截然不同的“物质世界的真实客体”,而M、T和L则用于指称这两类“真实客体”可以被精确测量的属性。对物理学理论而言,只有质量、电量、温度和时间、长度这五个概念,才是真正有用的单一的(即非复合的)基本物理量。

“亚里士多德关于称谓和关于基本实体的学说,就发展而为实体的诸属性相互联系而基本实体之间却相互分离的学说了。所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”(4-P289)——只需要承认物质和空间是指称两类“真实客体”的哲学范畴,而质量M和时间T、长度L是指代“属性”的基本物理量,“为此问题而大伤脑筋”的困惑,即可以全部得到冰释。

推论四物质空间属于物理学理论中误用的两个哲学概念,与之相对应的基本物理量是质量M、时间T和长度L;量纲式中三个基本物理量M、T和L的实用有效性,就在于三者的背后确实存在着物质、空间两类截然不同的“真实客体”。用方程描述的物理规律,表述的都是“实体的诸属性”间的相互联系,跟指称“真实客体”的物质和空间并不存在任何关系。

 

3. 物理学认知的逻辑起点

让“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”的根源,可以从爱因斯坦讲过的“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体(其中重要的特例是‘固体’)的概念接收过来,加以修正,使之更加确切”(3-P113)中窥见端倪。

物理学使用的基本概念被称为物理量,这些“量”都必须具备可以由任何人重复测定的特点,量纲式中的M、T、L就是最基本的三个。

而哲学的任务却是对基本存在本身进行最抽象的概括,于是“宇宙被分隔成一大堆各不相干的实体,每一实体以自己独有的方式表现自己那一套抽象的特点,这些特点在这一实在的个体中找到了它们共同的家园。但是,这样的实体不能同其它实体发生联系”(4-P289),这些实体本身就被哲学家统称为物质

“古代的几何学家所研究的概念上的东西(直线、点、面),并没有真正研究到空间本身”(3-P110),从古到今的哲学家同样的亦没有“研究到物质本身”;因为物质和空间均属于抽象的类概念,用于表述基本实在的共性,根本就无法直接用语言交流,犹如任何人都无法回答“水果是什么滋味”这个非常简单的问题。

很显然,科学将“空间、时间和物质客体”这三个概念“接收过来”时,并没有加以严格甄别,尤其是想当然地将空间和时间T并称为“空时”,是物理学理论中出现诸多悖论和困惑的症结之所在。

几何学家没有研究到空间本身,哲学家亦没有研究到物质本身,科学家又何尝能够研究到物质、空间本身呢!

物理方程描述的是质量、电量、能量(专指ε)、时间和长度这些属性概念之间的定量关系,这五个“量”指称的都不是基本存在( 即物质和空间)“本身”,而仅用于指代它们可以度量的不同的“特性”(或曰属性)。

“人们曾设想,不依赖于主观认识的‘物理实在’是由空时(为一方)以及与空时作相对运动的永远存在的质点(为另一方)所构成(至少在原则上是这样)。这个关于空时独立存在的观点,可以用这种断然的说法来表达:如果物质消失了,空时本身(作为表演物理事件的一种舞台)仍将依然存在”(3-P114)。

只需要将其中的“空时”改为“空间”,这种说法作为哲学家对“基本实在”的抽象概括,就千真万确是正确的。

物理学认知的对象确实分用M计量的物质、用T、L计量的空间两大类。

“理论的发展打破了这种观点”,爱因斯坦这样讲的依据,“是出现了场的概念以及最后在原则上要用这个概念来取代粒子(质点)观念的趋势”;接着他又解释说:场“是一个量(或量的复合),是坐标和时间的函数”(3-P115)。

在物理学理论中,物质用M度量,或曰M的本体即是物质;场用L(即坐标差)和T的函数描述,很显然各种不同的场的本体就都是空间,而空间的这种“质”却是“连续体”,不同于物质的可以连续被分隔。

爱因斯坦在1924年《论以太》和1930年《物理学中的空间、以太和场的问题》两篇文章中,就初步“论述了真空、空间、以太和场的统一性问题”,即“以太、真空和场指的是物理性质同一的物理实在”(5)—— 哲学理论中称为空间的就是这种物理实在。

不妨可以相对于物质将空间定义为:

空间:指宇宙中除物质之外、“作为表演物理事件的一种舞台”的、使用L和T计量的所有空域。

空间属于全宇宙关联的连续态,不同的空间中用T、L表述的多种结构;在物理学理论中将空间混为一谈使用的习惯,是一种严重错误。

用场的“概念来取代粒子(质点)观念的趋势”注定是行不通的,因为粒子用M度量,而场却用L、T的函数描述,二者分别用于表述物质或空间中截然不同的物理实在。

“认为空间是客观存在的、是不依赖于物质的这种观念系属于现代科学兴起以前的思想,但是关于存在着多个作相对运动的空间的观念则是现代科学兴起以后的思想”(3-P111)。这里第二句话中作相对运动的“空间”就应该改为,实际上在经典运动学所描述的宏观物体运动的规律中,g本来就是一个非常重要的表示场强的概念,m在g的作用下动能、动量必然会不断增加;广义相对论场方程中的gμν代表空间的基本度规张量,Tμν代表物质的能量动量张量,二者分别处在等式的两端——空间以g或gμν的不同形式作用于m,决定着单个物体的能量和动量。

现代科学和经典物理学在用L、T描述的“空间”结构改变着“物质”的动量这一点上完全是一致的,差异仅在于使用的数学方法不同而已。

量子场论则是从微观角度描述空间中不同的,分别作用于粒子(即质量)或电荷(即电量)的规律,所谓“多个作相对运动的空间的观念”中的空间,只需要改用“场”这个基本物理量,马上就可以豁然贯通地意识到关于“现代科学兴起”前后的区分并没有实际意义——物理学理论中使用的物质和空间,只具有泛指物理实在本身的作用,要描述基本实体之间的相互联系及基本规律,则必须使用可以精确测定的基本物理量

所有用M计量的物理客体的本体统称物质,所有用T、L计量的场的本体均指空间。量子场论描述的是空间中的场作用于物质系统的质量电量的基本规律。

推论五:物理学认知的逻辑起点应该是物质、空间二元论

物质空间属于哲学理论中表述共性的概念,不能通过语言直接交流;物理学理论中使用的是基本物理量,均可以由任何人重复予以测定。

物理学理论中误用的“空时”、空间和物质三个概念,是导致出现诸多困惑和悖论的症结之所在——“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体”的概念接收过来时,没有严格甄别这三个概念的本质差异,即时间T可以精确测定,而与“空间”和“物质客体”相关的、可以精确测定的却是长度L质量M

空间和物质属于哲学概念,M、T、L属于物理量;只需要对这五个概念做出严格甄别与区分,所谓20世纪物理学对哲学的挑战,即可以全部被平息,现代科学和经典物理学之间的裂隙,亦很容易得到弥合。

 

最后可以将物质、空间、质量、时间和长度之间的逻辑关系表示如下:

哲学概念:  物质       空间(属哲学范畴表述共性的抽象的类概念)

            ↓     ↙   

基本物理量:质量   时间      长度(属科学范畴计量个性的属性概念)

表述共性的类概念只有称谓作用,仅用于指代基本存在本身。自然科学理论中使用的物质和空间,并不具有任何物理学意义。

表示个性的物理量,属于可以由任何人重复测定的、并且具有确定计量单位的属性概念,并不用于指称任何实际存在的东西。

 

综上所述,未来科学要想走出当前的困境,首先必须从廓清哲学和科学的概念切入,严格区分物质、空间、质量、长度时间这五个在哲学、科学范畴内交叉使用最为广泛的最基本概念;

其二还必须彻底摈弃使用“空时”、“时空”之类错误说法的陋习;

其三是必须确立只使用L、T而不出现M的所有物理方程,表述的都是存在于空间中的自然规律,由之决定着用M计量的物体或带电粒子的动量和能量变化,所有用概念表述的都是空间中某种“结构”的一种特殊属性。

 

 

参 考 书 目

(1)(美)G·Holton著    物理科学的概念和理论导论     人民教育出版社       1983 年

(2)董光璧著              易学科学史纲                 武汉出版社           1993年

(3)爱因斯坦著            狭义与广义相对论浅说         上海科学技术出版社   1964年

(4)文池主编              宇宙简史                     线装书局             2003年

(5)薛晓舟                真空理论的发展图景和本体诠释 自然辩证法通讯   2005年5期

(6)周吉善                时间随R而变的方程       郑州防空兵学院学报   2003年2期

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