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 周吉善 （jishanzhou@126.com） 2007.02
长度L、时间T作为物理学量纲式中两个最基本的物理量已经300余年，却没有一个明确的定义，不清楚二者指代的究竟是什么，二者的关系到底如何。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；中国科技大学（合肥）原天体物理研究中心主任张家铝教授在教课书（1990）中写道：“所谓狭义相对论的时空，严格地说来，应该是没有物质存在的时空”；中科院自然科学史所研究员董光璧在《世界物理学史》中指出：跟爱因斯坦求出第一个“有限而无边的静态时空解”同一年，莱顿天文台台长德•西特，依据广义相对论场方程也得出一个与爱氏模型不同的、“没有物质的宇宙时空解”，“其时空结构与物质密度无关”——即相对论是用L、T而不用M表述的理论。这里存在一个逻辑循环：要想回答时间和空间是什么，必须准确把握相对论的实质；而要想正确解读相对论，却又必须先搞清楚时间和空间是什么；100年来众多理论物理学家就深陷在这样一个逻辑循环的怪圈中难以自拔。于是就出现了理论物理学家不去考虑量纲式中L、T的物理意义，而公然说“时间和空间是什么应该由哲学家回答”的怪现象。
当年的爱因斯坦又何尝没有意识到这些，他独自创立了广义相对论，和别人共同创立了狭义相对论，又为创立量子论做出不可磨灭的贡献，所有这些成果均确立于他36岁之前；而在此后的40年间，爱因斯坦就一直深陷在彷徨困惑之中不能自拔，直至76岁高龄谢世而去，都没有能够从自己为理论物理学罩上的硕大阴影中走出来。今天，当我们认真拜读他辞世前三年为《狭义与广义相对论浅说》英译本15版添加的《附录》时，终于发现他已经走到了破解“时间和空间是什么”这个问题的边缘，只是因为不能严格区分实体概念和属性概念的本质差异，没有意识到“T和空间根本不对等”的关系，才不得不为功亏一篑而留下终生的遗憾。现在我们就从《附录》中的一句话开始，尝试着去切断这种逻辑循环的怪圈。
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。
空间、时间和物质这三个最基本概念既然来自于“科学发展前的思想”，当属于哲学概念而无疑。而科学的本质特点是：M、L、T作为量纲式中的三个物理量都可以精确测定，并且可以被任何人所重复——物质、空间和时间三个概念中却只有时间能够满足科学的要求，其余两个均不属于科学的范畴。
马上就会有人反诘说：空间和物质同样都可以精确测定，前者用尺子、后者用天平。请注意：用尺子测出的叫做长度L，用天平测出的叫做质量M；加上时间T三者构成了物理学量纲式。由之不难看出，物质和空间属于哲学范畴的基本概念，而只有质量M、时间T和长度L才能算是适用于科学的基本物理量。
很显然，物理学量纲式中M、T、L三个最基本的物理量，分别用于指代物质和空间的不同属性：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——L、T和空间，M和物质都是“不对等的”；而只有物质和空间、M和L-T才具有“对等性”。物质和空间两个哲学概念，在物理学理论中只有泛指研究对象的作用，并不具有任何物理意义。
由于科学将这三个概念“接收过来”时缺少必要的甄别区分，致使当今的物理学理论中存在着诸多难以自圆其说的悖论；如今只需要对爱因斯坦的说法略加“修正，使之更加确切”，未来科学就不难从当前的困窘中得以超脱。
推论一：物理学（即自然哲学）必须持物质～空间系统论的自然观；
推论二：T作为空间的一种属性，二者是从属关系，传统一直将二者并列称为“空时”或“时空”的陋习必须彻底改正。
物理学必须持物质～空间系统论的自然观，T和空间呈不对等的关系（即从属关系），是理论物理学冲破哲学樊篱必须跨过的两个“坎儿”；爱因斯坦经过40年的苦苦思索，终于以“断然的”为由跨过了第一个“坎儿”，却没有能够跨过第二个“坎儿”。下边这段话即可以作为佐证：
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。
实际上只需要将引文中的“空时”全部改为空间，就不但可以恰如其分地表达他想说的意思，又可以跨过将实体概念和属性概念混为一谈的第二个“坎儿”。然而，因为古希腊哲学对“本原”的追求派生出的“物质第一性”的古老观念，禁锢着西方人的思维，迄今为止并没有人愿意接受爱因斯坦这种“断然的”、却“有悖于自己老祖宗的”的物质～空间二元论的自然观。
依据物质～空间系统论的自然观，可以得出如下六个定义：
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。
物理学量纲式中的T、L、M，都是用于计量客观存在基本特性的属性概念。物理学理论中用L、T的函数表述的物理量（比如g、gR、gμν等），均为空间中的一种“实体”结构；而只用L、T描绘的“数学图像”，均为空间中存在的一种自然规律。
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替代物质、空间、质量、时间、长度五个概念。
无论经典物理学还是相对论都要描述运动，都需要进行坐标变换；经典物理学使用的是伽利略变换，相对论使用的是洛仑兹变换，又分别被称为伽利略时空观和洛仑兹时空观。二者的本质差异就在于前者的L和T是各自独立的，而后者的L和T中都包含一个被称为“洛仑兹收缩”的量 （其中的β=V/C），即L和T都不再是各自独立的物理量——狭义相对论创立以来的100多年时间里，这个问题一直是困扰物理学家和哲学家的大难题，迄今都没有一种能够被广泛接受的合理的解释。我们在这里只想说明一点：传统关于“时空观”或者是“空时观”的说法，统统是一种错误。
实际上上述两种“变换”指的是两种关于用L-T描述空间结构的不同理念，前者可以称为关于L、T各自独立的L-T观，后者则是关于L、T相关的L-T观。这两种观念就分别适用于欧氏几何或非欧几何描述空间结构时的需要——伽利略L-T观适用于欧氏几何所描述的平直空间结构，而洛仑兹L-T观适用于非欧几何所描述的弯曲空间结构。这种区分虽说表面上看来并不具有什么实质性意义，但是可以从理念上彻底清除掉传统一直误用“空时”之类概念产生的思想混乱，使人非常清晰地时刻都不会忘记自然界由Z、N两系统构成，一看到M就知道指的是Z系统中的物体，一看到L、T就知道指的是N系统（即空间）中的一种结构。
依据伽利略的L-T结构变换原理，欧氏几何描述的空间中任意一个点的弯曲程度均为0，即t=t’成立，所谓的“同时性”是绝对的。依据洛仑兹的L-T结构变换原理，非欧几何描述的空间中任意一个点的弯曲程度均不相同，即t=t’不能成立，所谓的“同时性”则是相对的。表面上看起来这两种L-T结构变换原理是不能相容的，即通常所谓的“相对论改变了牛顿的绝对时间观”，实际上经典物理学和相对论的时间观完全是一致的——高中《物理》教课书中明确指出：同一台钟放在不同的高度或纬度，过一昼夜之后读数并不相同，即用于计量N系统中不同点弯曲程度的物理量T，相对于地球周围空间的不同位置，本来就没有统一的度量标准。即t=t’ 不成立。
相对论认为“每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间，而不同观察者携带同样的钟的读数不必要一致”，强调的是“使用同样的钟”；而对于经典运动学的坐标系变换，“钟的读数一致”则是最基本的前提条件——全中国使用的都是相对于北京的“钟的读数一致”所记录的相对时间，而不同地方所使用的钟的结构（指钟摆的长度L）却不尽相同。牛顿曾经指出：“绝对的、真的及数学的时间是自身在那里流，而因其性质是等速的且不与外界任何对象有关。此时间亦可名之为绵延（dauer）。相对的、貌似的及平常的时间，是绵延的可感的及外界的度量，可精确或不齐，而寻常则可用此而不用真时间，如年、月、日、钟点均是”。
据此不难看出，相对论要求“使用同样的钟”记录的是“自身在那里流”的绝对时间；而按照相对于北京的“钟的读数一致”所记录的却是“可感的及外界的度量”的相对时间。“钟的读数一致”虽说对协调社会群体活动非常实用，但是却不能用于描述真正的自然规律；只有“使用同样的钟”所记录的“真的” T才具有真理性，能够适用于描述真正的自然规律。实用性≠真理性！当今理论界围绕时间的观念混乱，总根源就在于不懂得这条基本原理。
伽利略的L-T结构变换原理承认同时性的绝对性，使用的却是“可感的及外界的度量”的相对时间；洛仑兹的L-T结构变换原理不承认同时性的绝对性而认为同时性总是相对的，使用的则是“自身在那里流”的绝对时间——关于时间理论中这种“绝对”和“相对”观念的混淆和倒置，是澄清时间观错误的主要障碍。
恩格斯早就在《自然辩证法》中指出，如果将“力”这个术语用到物理学、化学和生物学去中，“混乱就不可避免了”；说得更直接、更明白一些就是“力学不属于物理学的范畴”。因为运动有自然运动和非自然运动之分，比如天体运行和自由落体就属于自然运动；而在“纯粹的地球上的力学”中，上升的运动总是“由人工造成”的，尤其是依据惯性系理论所描述的运动，就总离不开“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”——很显然，引入“力”这个概念所描述的全部是非自然运动，难怪怀特海会在《观念的冒险》中一针见血地说，“牛顿所谓的力，不管最终表现为何种数学公式，都不过是上帝施予的外加条件而已”。
经典运动学将运动分为惯性系运动和非惯性系运动，实际上用惯性定律所描述的都是非自然运动，而只有非惯性系运动所描述的才是自然运动。宗旨在于揭示自然规律的物理学，应该从自然运动中去发现和总结规律，伽利略的自由落体公式和惠更斯的圆运动公式为物理学提供了成功的典范。在这两个公式中有一个相同的g，是用L、T的函数表述的物理量，指代的就是存在于空间中的一种L-T结构。可惜的是由于受到西方哲学“物质第一性”观念的制约，错误地将这种使用L-T结构表述的物理量称之为描述运动的“参量”，一错就错了300多年。
霍金在《爱因斯坦之梦》中指出：相对论“完全改变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”，“它们现在成为动力学的量”——只需要将第一个“它们”改成“空间”（即N系统），将第二个“它们”改成“N系统中的L-T结构”，就已经非常准确地阐明了相对论带来的新观念。
“力”这个术语指的究竟是什么？怀特海说它是“上帝施予的外加条件”，似乎有点过于刻薄；依据牛顿第二定律F=ma，无论任何一种名称的力，不换算成a就不能代入方程进行计算，可以判定牛顿力学中所谓的力，就指用L-T结构a表述的N系统中的一种“实体”结构，跟上述两个公式中的g完全相同——在经典物理学中，用L-T结构表述的a和g，同样都是动力学的量，经典物理学和相对论在这一点上并不存在矛盾。霍金说的相对论“完全改变了我们思考空间和时间的方式”并不准确，实际情况则是相对论使我们认识到了“T和空间的不对等性”，确立了必须彻底改掉使用“空时”、“时空”之类概念的决心。
N系统中存在的最基本结构是用L-T描述的三维圆球。最早发现并用数学形式表述这种球形结构的是开普勒，他的行星运行第三定律被写成R3/T2=K，意思是任何一个行星运行的轨道都跟行星的M没有关系，即R3/T2=K表示的是N系统中存在的一种自然规律，由之决定着Z系统中独立个体运行的轨迹。R3就是一个具有球量纲的数学量——如果不放到物质～空间系统论自然观的框架中，物理学史上的第一个数学公式就永远都不可能得到正确的理解。
Z系统的独立个体在N系统中受到L-T结构的推动作自然运动应该遵从什么样的规律，R3/T2=K并不能给出定量的答案；伽利略的自由落体公式和惠更斯的圆运动公式揭示出，物体处在这种三维圆球中要么遵从V12=gR做圆周运动，要么遵从V22=2gR做自由落向球心的自然运动，都可以给出定量的结果。但是由于受到并非描述自然运动的牛顿力学的误导，这三个人的成果3个多世纪以来都没有能够被人们正确理解。
广义相对论场方程是对上述三个人成果的综合；但是虽说广义相对论创立已经90年了，人们却依旧在迷茫中摸索徘徊，对这种真正描述自然运动规律的理论提出这样那样的批评和指责，甚至还有人公开宣称“相对论是错误而实用的理论”，根源就在于不了解空间到底是什么，不能正确面对“T和空间不对等”的关系。
庞加莱猜想去年被“完全证明”，既为上述理论提供了数学支持，也为正确理解广义相对论场方程开启了方便之门。理论物理学突破300余年的樊篱已经指日可待。
必须确立的新观念有三：
1、宇宙是由用M计量的物质和用L、T计量的空间构成的巨系统；
2、T和空间具有不对等性，使用“空时”、“时空”的陋习必须彻底改正；
3、确认用L-T表述的是N系统中的一种“实体”结构，g确系是一个用L-T结构表述的由空间作用于M使物体做自然运动的动力学的量。
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