周吉善 （jishanzhou@126.com）　2007.07

当今物理学界的普遍看法是，对时间的逻辑界定大概是物理学中最重要的问题，要想得到对时间和空间关系的合理而准确的描述是非常困难的。当代诺贝尔物理奖得主劳克林说：现代理论物理学的任务是说明时间和空间是什么。

本人认为，这些观点都非常正确。依据中西文化优势互补的原则，经过近20年的求索，我们给出的答案是：

空间：指宇宙中除物质之外，用量纲式中L、T度量的所有空域；

时间T是用于计量空间中任意一点弯曲程度的基本物理量。

具体而详细的讨论请参看“物质 空间和时间的逻辑关系”和“确立正确的L-T观”，这里只引述几个要点。

一、自然观和基本概念的失误

1、爱因斯坦早在半个世纪之前就指出：“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”（1-P114）。

据此可以判定：物理学必须持物质～空间系统论的自然观。即西方哲学所坚持的物质～精神两分法，根本就不能适用于物理学。

2、怀特海亦早就指出：“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”（2-P289）。

现代哲学和科学中，同时都存在着将指代实体的概念和指谓属性的概念混为一谈的弊病，从而引出了“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”的问题。依据怀特海的这个发现，我们悟出了传统将指代实体的概念空间跟指谓属性的概念时间T，并称为“时空”或“空时”，是导致产生诸多困惑和悖论的根源之所在。

3、“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”（1-P113）。

爱因斯坦这段话中就有问题了：时间T是物理学量纲式中的、一个可以由任何人精确测定的物理量，而物质和空间却都是抽象的类概念，将三者并列称之为“科学从科学发展前的思想中”接收过来“的概念”，很显然是不恰当的。

在对上述三段话进行综合分析之后，即可以将物质、空间、质量、时间和长度之间的关系表示如下：

实体概念： 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，仅用于统称客观实在本身。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，物理学根本就不研究物质和空间本身。

试想：你能回答水果是什么滋味吗？物理学所认知的是物质的质量，而质量M则是用于度量所有物理实在本质属性的物理量，可以由任何人予以精确测定。

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，而不用于指称任何实际存在的东西。用于计量空间属性的物理量是长度L，传统将“长度L等同于空间”的观念是错的！

综上所述，在哲学和物理学交叉使用频率最高的物质、空间、质量、时间和长度五个概念中，物质和空间具备对等关系，都是用于指代客观实在的抽象的类概念；质量M、时间T和长度L具备对等关系，都是用于指谓可以精确计量的属性概念。传统将时间T和空间视为对等关系的观念，是大错而特错的！

于是，我们就有了如下的六个定义：

宇宙（指universe而不是cosmos）是由物质和空间构成的巨系统。

边界条件是：宇宙之外再也没有任何基本存在。

物质：指用量纲式中M计量的、可以被分隔成独立个体的基本存在。

空间：指宇宙中除物质之外，用量纲式中L、T计量的所有空域。

质量M是用于计量物质的量的多少的基本物理量；

时间T是用于计量空间中任意一点弯曲程度的基本物理量；

长度L是用于计量空间中任意两点之间间隔的基本物理量。

在经典物理学中L用于度量欧氏几何的直线距离，在相对论和量子论中L用于度量非欧几何的弧线长度。

为了避免物理学概念和哲学概念的混淆可能带来的歧义，在未来的物理学理论中应该完全采用符号表示法，使用Z系统、N系统、M、T、L彻底取代物质、空间、质量、时间、长度五个概念。即在物理学理论中不再使用物质和空间这两个哲学概念。

二、场概念“是坐标和时间的函数”

人类文明的发展归根结底是人类的思维能力和实践能力的发展，数学和逻辑学是发展人类思维能力的基本工具；而思维逻辑又要求必须首先界定数量尽可能少的基本概念作为进行逻辑推理的基础，这些最基本的概念就被称为逻辑基元，比如在数学中数字即是最基本的逻辑基元。

在物理学理论中，传统一直认为量纲式中的质量M、时间T和长度L是描述自然规律的最基本的逻辑基元。但是，由于将长度（或曰坐标）L和空间这两个概念混为一谈的缘故，迄今都没有能弄清空间、时间和长度之间的逻辑关系。

“古代的几何学家所研究的是概念上的东西（直线、点、面），并没有研究到空间本身”（1-P110）。爱因斯坦早在半个世纪之前就发现了这个问题，也因为没有能够跳出传统将时间T和空间视为对等的怪圈，最后不得不功亏一篑地抱憾终生。

由于人类的思维具有能够把那些指谓属性的抽象概念从物理实在中分离出来的能力，所以物理学将M、T、L三者作为最基本的逻辑基元，一直使用了三百余年都非常实用；通常都认为逻辑基元指的是一种不可直接定义的客体，从而忽略了这种逻辑基元必须保持与某种物理实在有着潜在的逻辑关系。

在近代物理学发展史上，对逻辑基元和物理实在的关系，处理最好的是牛顿从物质中抽象出了质量M；最大的失误是将长度L等同于空间本身。

因为“希腊自然哲学的出发点是丰富多彩的现象能藉以得到解释的本原问题”；随后发展为对世界本质的回答，最基本的要求是：“必须寻求这样一个统一的本原”，而且“物质方面必须起决定性的作用”（2-P69）。也就是说，物理学从一开始直至今日，所依据的哲学基础都是物质一元论的自然观。

物理学的肇始是将重量作为描述自然规律最基本的逻辑基元在使用，后来因为发现了同一个物体的重量在不同的地方会出现差异，牛顿就依据他创立的第二定律，将重量记为G=mg，从而抽象出了质量M这个概念，并且将用L、T表述的物理量称为描述运动的参量。从重量中抽象出质量是牛顿对物理学最重要的贡献，而将用L、T表述的物理量g称为描述运动的参量，却不能说不是最大的失误。

场的概念“是一个量（或量的复合），是坐标和时间的函数”（1-P115）。依据现代物理学引入场概念描述运动的成功，结合点、线、面、体这些概念所指代的都不是“空间本身”，只需要将g称为空间中所存在的自然场强度，原来理论中的许多悖论就都可以得到冰释。

进一步剖析还可以发现，重量之所以是一个变量的原因，就在于在空间中的不同位置，g本来就不是一个恒量。从牛顿力学一直到现代物理学，都一直视g为一个恒量，不能说不是存在于物理学理论中的一大误区。

“依据广义相对论，空间已经被赋予物理性质”；“这种新的以太在未来物理学的世界图象中注定要起作用的，我们现在还不清楚”（3-P120）。

我们对爱因斯坦这两句话的解释是：

传统物理学中使用L、T表述的g，就代表空间的一种非常重要的物理性质；从微观角度讲，跟时间和长度直接相关的周期T和波长λ，同样是用于表述空间物理性质的物理量。“这种新的以太”指的就是空间本身，它不是“在未来物理学的世界图象中注定要起作用的”，而是在传统的物理学理论中就一直起着不可或缺的作用。

爱因斯坦虽说突破了物质一元论的樊篱，首倡物理学必须持物质～空间系统论的自然观，却由于没有跨过传统一直误认为时间T和空间对等的障碍，依旧使用“空时”之类的错误概念，导致了从事物理学研究的人们不得不在迷途中继续摸索探寻。

实际上爱因斯坦在55年之前，就已经回答了空间是什么的问题：

“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”——只需要将其中的“空时”改为“用L、T表述的空间”，就完全可以了。

但是，由于西方哲学所坚持的是物质一元论自然观，由他首倡的这种物质～空间系统论的自然观，根本也就不可能被人们所接受，迄今已经几乎被完全遗忘了。

“这是爱因斯坦的伟大胜利。他的发现完全变革了我们思考空间和时间的方式。它们不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的，它们现在成为动力学的量”（4-P53）。由于霍金同样犯了视时间T和空间对等的错误，这段话虽说在很大程度上都是正确的，却并没有阐释清楚相对论中所包含的新观念之要害。

实际上只需要将第三句中的“它们”改为“空间”；将最后一句中的“它们”改为“用L、T的函数表述的空间结构”，就已经可以完全正确地阐明广义相对论的实质——即空间“不再是（物理）事件在其中发生的被动的背景……相反的，用L、T的函数表述的空间结构现在成为动力学的量”。

进一步考察还可以发现，即使是在经典物理学中，用L、T的函数表述的物理量g，同样是使物体做自然运动（诸如天体运行和自由落体之类非惯性系运动）的动力学的量。牛顿力学中存在的第一次推动问题，由广义相对论给出了答案，所谓的第一推动者即是用L、T的函数表述的空间结构，牛顿那关于“我们必得承认存在一个上帝”（2-P23）的谎言已经被彻底戳穿。

具体而详尽的讨论，可以参阅“广义相对论的实质”和“对牛顿力学体系的否定”。

长度L不能等同于空间本身，时间T和空间存在不对等关系，传统一直使用“空时”、“时空”之类的概念是一种严重的失误。我们只引进了这三点知识，现代物理学和经典物理学之间围绕空间“成为动力学的量”的矛盾，就已经彻底化为乌有。

三、封闭空间中的三维圆球

上一节反复提到的空间结构，指的究竟是什么东西？

在广义相对论场方程中，等式的左端是使用L、T的函数表述空间几何性质的球度规张量，已经告诉我们空间中存在着三维圆球形的结构。

庞加莱在一百多年前曾经提出一个猜想：

任何一个封闭的三维空间，只要它里面所有的封闭曲线都可以收缩成一点，这个空间就一定是一个三维圆球。

这个猜想于去年被完全证明，就非常即时地为这种封闭空间中存在着三维圆球结构的模型提供了充分而必要的数学支持。这种三维圆球就是与物体对等的物理实体，使用以L、T的函数表述的物理量予以度量，跟物体以M予以度量完全是一致的。

“封闭空间中的三维圆球”一文有详尽的讨论，于此不再赘述。

“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟，这样下述陈述即得以成立。

一个原子吸收的或发出的光的频率与该原子所处在的引力场的势有关。

……因此，在恒星表面上产生的光谱线与同一元素在地球表面上所产生的光谱线比较，应发生红向移动”（1-P106）。

这种说法对应于钟，就是放在引力势较深处的钟走时慢些；在20世纪60年代初，有人在水塔上下放两台原子钟，已经验证了广义相对论的这个推论是正确的。
其实在经典物理学中的时间观，又何尝不是如此呢。

高中《物理》教课书中就明确指出：同一台钟放在不同的高度或纬度，在相同的时间间隔内（比如一昼夜）所记录的数据本来就不相同，理由是在这些不同地方的g是不相同的。广义相对论仅仅是将g改为势（gR）来阐释其机制而已。

只需要承认地球被包裹在封闭空间的一个三维圆球中，这种时间T随势而变化的作用机制就不难被阐释清楚：时间T是用于度量三维圆球中不同位置弯曲程度的一个物理量。因为势（gR）是一个随R而变的物理量，而在R上任意两个不同点的曲率都是不相同的，故而时间T和任意一点的弯曲程度均直接相关。

广义相对论和经典物理学同时告诉我们，在封闭空间的三维圆球内同一R上的任何不同位置，对时间T的度量实际上并不存在统一而确定的标准。

那么，关于所有“钟的读数一致”的观念，到底是怎么回事呢？

四、日常积习的错觉

“亚里士多德和牛顿相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的”；“这就是大部分人当作常识的观点。然而，我们必须改变关于空间和时间的观念”（5-P27）。被霍金称之为“大部分人当作常识的观点”，是数千乃至上万年人类从日常生活中积淀下来的一种错觉；“我们必须改变这种关于空间和时间的观念”，这话虽说没错儿，但是，要改变被传统“凝固”了的积习，绝不是一件容易的事情。

人类社会为了协调群体活动的需求，很久很久以前先民们就开始使用不同的装置记录时间，诸如立个竿子以观测日影的移动，采用沙漏或滴水漏、焚香等作为标准，以确定时间的间隔和具体的时刻。直到摆钟出现之后，才有了全世界统一使用的时间间隔单位——秒。

人们从日常生活中获得的时间观念是：时间是客观的（东西），它像水似地自身在那里等速地流逝着，时间间隔具有确定的计量标准——那就是秒。

近代物理学为了能够精确地描述运动，关于时间的间隔和确定的时刻即成为非常重要的物理量，于是就产生了不同地方、不同坐标系“钟的读数一致”的要求；而摆钟亦正好可以通过调节摆长L达到这个目的，“校钟”即成为日常生活中的一种习惯，迄今几乎所有的电视台和广播电台，都把“校钟”作为义务在履行。

认为计量时间间隔存在统一标准的观念，是日常生活习惯和经典物理学的需求带给我们的错觉。经典物理学在要求“钟的读数一致”的同时，还指出同一台钟放在不同的高度或纬度，在相同的时间间隔内所记录的数据并不相等；但是，对于这一点只是轻描淡写地提了一下，并没有人去深入思考其中包含的物理意义。

习惯认为“钟的读数一致”就表明时间间隔总相等是一种错误观念：因为在不同高度或纬度读数一致的钟，其结构（指L）却不相同，比如广州、北京和北极的g之比为9.788/9.801/9.832，在这三个地方读数一致的钟，就必须满足摆长L之比同样是9.788/9.801/9.832。然而，由Ｔ＝可知，同一台钟所记录T的长短由g决定；若将它分别放在上述三个地方，T之比为3.136/3.130/3.129，所记录数据之比当为3.129/3.130/3.136。T之比即代表秒长之比，由此足可以说明在广州、北京、北极三地，用同一台钟检测到的秒长本来就不相等嘛！

在长达两千年的时间里，被“大部分人当作常识的观点”，很显然是错了。

相对论告诉我们钟会因为所处位置的不同而变慢或变快，跟经典物理学并无差别，没什么值得惊诧莫名的！同一台钟在不同高度或纬度记录的数据不同，其真实意义即是，在不同高度或纬度对时间间隔的度量，本来就不存在统一而确定的标准。

综上所述，传统认为时间间隔有确定标准的观念，是在日常生活中依据习惯需求产生的错觉；经典物理学对“钟的读数一致”的要求，又为这种错觉披上了合理的“科学”外衣，也就为当今的观念“改变”增添了更大难度。

实际上对时间间隔的检测，最关键的条件是使用同样的钟；在这个前提下，相对论提供的时间观和经典物理学是完全一致的。传统所谓的“钟的读数一致”，只能适用于日常生活——“使用同样的钟”和“钟的读数一致”，是两个完全不同的概念，相对论所提供的时间观不能被接受，就基于对二者的混淆。

“钟的读数一致”是现实生活中协调社会群体活动最迫切的需要，可以通过调节钟的结构予以实现；而描述自然规律的物理学，则必须强调“使用同样的钟”，因为只有如此所记录的才是客观存在的真时间。

五、“时间线”模型

依据物质～空间系统论的自然观，封闭空间中存在着使用L、T的函数表述的三维圆球形结构，时间T是用于度量空间中任意一点弯曲程度的物理量；结合广义相对论和经典物理学均揭示出时间T是一个随R而变的量，可以提出使用时间线解释相对论时间观的模型。

因为任何一个物体处在封闭空间中的三维圆球内都有两个自由度：“要么以V₁沿切线方向做圆周运动，要么以V₂沿半径方向落入球心”；“卫星速度与半径的关系式：V₁²=gR（实质是惠更斯圆运动公式的变形）；自由落体公式的变形：V₂²=2gR，就分别表述决定沿切线方向和半径方向做自然运动（非惯性系运动）的规律”。

如果在两个公式的两边分别乘以m，即可以得到两个完全不同的能量守恒和转化的公式：mV₁²=mgR和mV₂²=2mgR。

据此不难发现“物体在旋向上的一半能量来源于连续统（即三维圆球）的持续作用，即连续统中存在着自旋的能量”（6），犹如流体的涡旋有时会承载着物体“打旋儿”，有时又会将物体吸入中心一样。

封闭空间中的三维圆球既然有自转，其角速度ω当然

就是一个恒量。在如图用垂直于转轴的圆形截面所示

的涡旋矢径上有M、Q、N三个点，它们旋转一周持续

的T均相同，这个T即是三维圆球中不以人的意志为转移的内禀的绝对时间，我们就把这条矢径叫做封闭的三维圆球内的时间线。

假定人类生活在Q点，使用的是参照地球自转一周而确定的相对的时间间隔单位秒（即周长的1/86400）；如果以在Q处确定的秒长去测量M（或N）点的时间，同样是旋转一周，读数必然会变小（或变大），给人的直观印象就是时间变慢（或变快）。

这种所谓的时间膨胀（或延缓），实际上是用人为规定的、三维圆球中某一点的时间间隔为单位，去量度同一矢径上不同点的绝对时间得出的不同观测效应。

综上所述，可以对关于空间和时间是什么这个问题给出如下回答：

1、物理学理论中使用的空间，指的是和用M度量的物质对等的、一种用L、T度量的物理实在；空间本身不仅是“表演物理事件的一种舞台”，而且还是所有自然运动的第一推动者。霍金关于空间“成为动力学的量”的说法没有错儿。

2、广义相对论揭示出空间中存在一种球形结构，庞加莱猜想被完全证明，即为空间中任何一个封闭的区域都将呈现为三维圆球，提供了充分而必要的数学支持。

3、时间T是用于度量三维圆球中任意一点的弯曲程度的物理量。任何一个三维圆球中的矢径，都是表述三维圆球中时间变化规律的时间线。

网站简介　投稿指南　特别声明