论时空的物质性

、國Zr砂丈夢华东）CHINA UNI VERS 门丫 OI PETROLEUM马克思主义基本原理概论论文题目：论时空的物质性学院：#专业:#班级:#姓名:#学号:#考核学期：2014至2015学年 第一学期论时空的物质性#(坤；m学院 姑#)摘要：木文从相对论的角度，论述了时间与空间的物质性，并试图探讨时间与空间的可能的转换关系及转 换方式。时间与空间是物质的属性，它们依赖于物质的存在而存在，它们的性质随物质的运动状态改变而 改变。时间不是独立于物质和物质的运动之外而永恒的流逝：空间也不是与物质和物质的运动无关而无限 的延伸。时间与空间的转换依赖于物质的运动。关键词：时间：空间：相对论；物质：运动；现在：四维人类对时间与空间的观测认识由来已久。哲学家、天文学家、物理学家对时间和空间的 论述众说纷纭，对时间和空间究竞是什么争论不休。然而根据除却人们争论的核心焦点问题, 我们人致可以得到这样一个共识。即所谓空间，是物质存在的广延性，由长度、宽度和高度 表现出来。而时间是物质运动、变化过程的持续性和顺序性，由过去、现在、未来构成的连 续不断的系统表现出来。基于此，我们将得到如下论断。1时间与空间不能脱离物质而单独存在近代伟人的物理学家牛顿(1642 一 1727)认为，“绝对的真实的数理的时间其本身为等 量的流速而与外物无关”，而“绝对之空间其本身无关于外在事物”。牛顿的空间，一切可能 的体，像一个无尽量的空盒子，或者说像一个无尽量的巨桶,将实物一一摆进去；时间则为继 续不停的等量流,虽然没有存在的外物，它也在那里流。在这种绝对时空理论的体系中，即使 失去一切客观物体,此绝对体仍然存在。这种绝对的时空观从亚里士多德时代开始就已经存 在，并统治了物理学界上T年的历史。二十世纪初，物理学产生了突破，一个新的物理学领域一一近代物理学诞生了。近代物理 学中重要的一部分内容就是相对论，它使我们对时间与空间有了新的认识。下面就从狭义相 对论的思想来分析时间与空间的属性，而这种对时间与空间的分析是基于狭义相对论的两个 基本原理：光速不变原理和相对论原理推导出的洛仑兹变换基础上的。洛仑兹变换同样是指一个质点所在的时空点在两个惯性坐标系中的坐标间关系。设该质 点的时空点在惯性系S中的坐标为(x, y, z, t),在另一相对S系以匀速u沿x轴正向运动的 惯性系Sc中的坐标为(x ,yzV),当t=t，二0时两坐标系完全重合，则两惯性系坐标间的 洛伦兹变换为：X = y( X - lit )/= y式中Y=J_；/c2；由此变换我们可以给岀两个重要的物理现彖:运动方向上的长度收缩。 设沿运动方向放置一静止时测的长度为L。的尺,而该尺相对观察者以u匀速运动时测得的长 度为：L = LOy/l - u2/c2即它相对运动的观测者长度变短了。另一现彖就是时间的膨胀。设有一物理爭件的过程相对观测者静止时间间隔为At,而 相对以u匀速运动的观测者测得该物理爭件的时间间隔为A f ,则由洛仑兹变换得：AtAt=,=yjl U2/C2即这个物理事件的时间间隔相对运动的观察者时间变慢了，这就是所谓的时间膨胀。由此我们不难得出结论:时间与空间的间隔是与运动相关的，而且由狭义相对论还可以 进一步说明，时间与空间也是相关的。虽然人们对此结论的理解各不相同，但可以肯定的一 点是，时间与空间是具有物质性的，换言之，时间与空间是物质的属性，它们不能脱离物质 单独存在。抛却相对论的推导过程，我们也可以从时间与空间的本质意义来探讨时空的物质性。本文已给出人们关于空间达成的共识，即空间是物质存在的广延性，而非经典时空观中 牛顿所提出的“巨桶空间”(在牛顿的空间中，一切可能的体，像一个无尽量的空盒子,或者说 像一个无尽量的巨桶，将实物一一摆进去)，空间不再是承载物质的容器，而是物质本身所具 有的性质，表现物质“存在”的一个重要的物理量。我国著名的哲学家王夫之(1619 1692) 也曾经有关于时空的议论,他说：上天下地曰宇，往古来今曰宙，虽然，莫为之郛郭也。惟有郛郭者，则旁有质而中无实， 谓之空洞可矣，宇宙其如是哉！宇宙者积而成乎久大者也。(思问录内爲)此处的“上天卞地”，应理解为宇宙中总的物质的延伸，即空间，这也从一个方面印证 了空间的物质性。同时他认为宇宙不能有郛郭(“外墙”)，如果有郛郭，四旁有边墙而中空， 好像一个空洞。这种空间正如牛顿之无尽量的巨桶空间，而时间也正好是不断的等量流。王 夫之的话,恰似对牛顿的批判。相较于空间，时间的物质性更为明显，从某种意义上讲，时间与物质的联系更为密切。 首先我们设想一下，如果没有物质，那就不会有物质的运动和变化，不会有时间的实体与概 念，那只会有“现在”，有永远的“现在”。全体空间（假如还存在空间）会有统一的时间、统 一的“现在”，而没有过去与未来。但如果物质在运动，彼此作不等速运动，这统一的现在”， 就会分裂出种种不同的“现在”，这也就是“同时”的相对性原理。物质在变换位形时，这统 一的“现在”必须变换成对本体系为统一的另一种“现在”。由此我们可以得出，时间不是 脱离物质的独立的永恒的流逝，而是物质运动、变化过程的持续性和顺序性，是由因果链抽 象而来的物质的具体属性。2时间与空间可以通过运动相互转换美国物理学家A.爱因斯坦（1879-1955）提出的质能方程E二me的意义不仅在于给出 了物质和能量这两个原本“亳不相关”的物理量之间的转换关系，还在于为时间与空间的转 换提供了一个可以参照的思路和模板。正如法国理论物理学家L.V.德布罗意（1892/987） 仅仅根据光的粒子性就推断出粒子的波动性,我们也町以尝试依据质量和能量的关系推导出 时间和空间的关系。虽然这种推论可能是模糊的、漏洞百岀的甚至是错误的，但这一步值得 我们边出。质能方程的是物质与能量的转换关系，物质转换成能量的途径之一就是碰撞导致的质量 亏损。那么时间与空间的转换途径又是什么呢？假设我们乘坐一艘飞船，以接近光速的速度飞行，根据相对论效应，时间出现膨胀效应， 而飞船飞行方向的线度（空间）则大为缩短。是否可以认为，膨胀的时间来自于缩减的空间， 时间与空间通过物质的运动实现了转换呢？时间与空间统一的基础在于：二者都是物质的存在形式，其内容是同一物质。空间与时 间统一于物质，恰似长、宽、高统一于物体。时间与空间统一的关键是：“现在”有一定的量。“现在”是现实的、客观的、物质的, “现在”的量也是现实的、客观的、物质的。现在的量，也就是时间的量。时间的量不同于 空间的量，但是，因为二者都是物质的量，所以，可以通过一定的公式将二者联系起来。这 里所说的公式，当然是指四维公式。时间的量，如秒、分、小时、口、月、年等，与空间的 量，如长度的量及体积的量等，可以通过一定的四维公式联系起来。一定爭物的一定的实 的时间的量具有一定的质量。对过去与未来，人们都知道二者的量。过去的量是无限的，未来的量也是无限的。那么， 在过去与未来之间的“现在”有没有量呢？如果说“现在没有一定的量，那么也就没有“现在”。因为质与量是不可分的，没有一 定的量也就没有质。那么，我们就只能或者是生活在过去，或者是生活在未来，这显然是 错误的。所以，“现在”有一定的量。在过去与未来之间有“现在”，“现在”并不是隔开过去与 未来的一张纸，它是由旧事物向新事物转化的过程，空间与时间统一为四维连续区的关键 就在于“现在”有一定的量，“现在”的量也就是时间这一维的量。我们说时间是物质的存在形式，当然包括过去与未来，但是，过去的时间只是物质曾经 有过的存在形式，而未来的时间是未来物质的存在形式。实际上，现实的物质的存在形式只 是现在。“现在”的量究竞有多少呢？物质的分布和运动决定时间和空间的几何特性，也决定时 间和空间的量。“现在”的量就是事物内部量变或质变过程所持续的时间长度。时间的屋是由运动的物质决定的，而物质的发展变化是逐步进行的，是从最小的单位开 始的。物质的最小单位是无穷小，其发展变化也是从无穷小开始的。在无限短的“现在”之 中，事物进行量变或质变。反过来说，无穷小的物质其质变或量变所持续的时间长度是一个 无限短的量。我们在口常生活中所说的现在，并不是仅仅指无限短的一瞬间。不同的事物，其“现在” 的量是不同的。较大的事物，其内部量变或质变所持续的时间较长，因而其“现在”也较长。 有的事物的“现在”是一秒钟，有的是一年，有的是一亿年。那些“现在”较长的事物，在 其存在期间，又可分过去与现在。例如，一个人只要他活着，就可以说他“现在”，但在他 生存期间，又有他的过去与现在，一般的也有未来。不同爭物的量变或质变的时间长度是不同的，“现在”的长度差别很人。但对整个宇宙 来说，“现在”的时间长度是一个无穷小的量。其原因是：第一，因为宇宙中有无穷小的物 质，它们的变化所用的时间其长度是一个无穷小的量。这是主要原因；第二，就某一较人的 事物来说，也是由较小的物质组成的，也有无穷小的物质。在其存在的时间里，也有量的变 化，因而又可以分为过去与现在；第三，时间是物质运动、变化过程的持续性和顺序性，即 便是那些极短的时间也应按先后顺序排。一个无穷小的量一旦扩人，它就可以分为过去和现 在。或者说，9超过无限短的时间已经成为过去，它已经不是现在了；第四，在无限短的时 间里，宇宙已经发生了一定的变化，与原来的宇宙相比，它已经有所不同。也可以说，原来 的宇宙已经成了过去；第五，不同的事物，“现在”的时间长度不同，最终只能以无限短的 时间长度来排先后顺序。举例来说，运动员赛跑，如果用的小时数相同，那就要看谁用的分 钟少；如果用的分钟数相同，那就要看谁用的秒钟少。“现在”作为一个无限短的量，与无穷人、绝对真理有相似之处。人们认识绝对真理的 过程是一个无限的过程，认识无穷大的过程也是一个无限的过程，同样，认识无穷小或者说 无限短的过程也是一个无限的过程。3基于最小时空单元及空时四维连续区的一种可能的时空转换关系按照相对论的观点，物质是四维的。在数学上，从一维到二维再到三维，都是既有屋的 变化也有质的变化，一维是指直线，二维是指平面，三维是指立体。从一维到二维是从直线 到平面，从二维到三维是从平面到立体。在这些变化中，量与质的变化都是明显的。我们将 时间一维设为第四维，那么，第四维的内涵是什么呢？从三维到四维，有没有质与量的变化 呢？第四维的内涵就是“现在”。不同的事物有不同的“现在”，其量是不同的。就整个宇宙 来说，“现在”的量是一个无穷小的量。作为与空间统一的“现在”，其量只能是一个无穷小 的量。或者说，在空时四维连续区中，时间这一维的量只能是一个无穷小的量。从一维到二维是从直线到平面!量增加了无数倍，从二维到三维是从平面到立体，量也 增加了无数倍。那么，从三维到四维，量有没有变化呢？四维宇宙的量是无穷人乘无穷小。我们把“现在”设为t,把三维的空间设为w,则空 时四维连续区的公式为：wt=wt （空时）在这一公式中，当W是宇宙时，wt就是一个特殊的量。因为宇宙是无限的，所以，W 是一个无穷大的量。而“现在”的最小时间长度是一个无穷小的量，将这一无穷小代入t得：w*t=wt=l （空时）二者相乘就是无穷大乘无穷小，因而结果就是1。我们把这一结果看作是一空时。对宇 宙来说，这是空时四维连续区的最小单位。而如果W不是无穷人的宇宙，而是某一有限的事物，那么，它就是一个常量。若t是无 穷小，则wt也是无穷小。理解了时间的长度，我们就可以进而分析爭物在高速运动中方向的变化。任何爭物都是 四维的，任何爭物的运动都是在四维空时中运动。但是，因为低速运动的事物的时间一维微 不足道，所以，与其在三维空时的运动相比，低速运动的事物在四维空时中的变化不人。但 是，当事物的运动速度达到一定高度时，它就明显地由在立体中运动转而进入到四维空时中 运动，其变化是显著的。这里所说的运动达到一定高度的速度，是指达到与光速相当的高度， 当然小于光速。那些在平面上运动的事物，当它转入三维空间运动时，变化并不人。例如，在水面上游 动的鸭子当它钻入水中时，它的这种运动的变化只是普通的变化。但是，当爭物的运动由在 立体中运动转而进入四维空时中运动时，情况就发生了重大的变化!其运动方向发生了九十 度的人转弯。为了便于理解，我们作个假设。设某外星人从A星球出发,向地球上的北京前进。他出 发时，A星球的时间是北京的时间是Too Ta与T。是同时的。他到达北京的时间是T。， 由于他所乘坐的宇宙飞船速度极快，所以当他到达北京时，时间T。还没有成为过去，还是 “现在”。这是因为同时性是相对的，“现在”有一定的量。在现在”这段时间里，时间T。 与T。都在。或者说，T。与T。都处于“现在”之内，二者同时存在。又因为必与也是同时 的，所以T、T。、T。三者都是同时的。此处的“现在”的量当然人于无限小。在上图的四维坐标中，设A为A星球，0为T。时的北京0为T。时的北京。在三角形 00 A中，时间前进的方向是从0向0前进。0的左边是过去，0的右边 是未来,0与0之间是现在。在这一个三角形中，00是T0时的北京与T0时的北京的连 线。这一连线00是北京这一物质在时间中所占有的位置，也就是说，00是此时北京在 时间一维中所占的位置。这一位置构成一段距离，这一距离与在三维空间的距离有共同点, 都是由物质的运动形成的！都是现实的-物质的。认识这段距离的物质性，是理解相对论的关 键。这与同时性的相对性是一个问题。在这个三角形4 00 A中0、0、A是同时的，00是时间一维中的线段。A是三维空 间的一点，A0是从三维空间的一点A引向00.的一条直线。因为时间与空间总体上呈垂直 状态，且A0与00相交于0,所以，A0垂直于00,因而，A00 A是直角三角形。 在直角三角形 00 A中，A0是在低速运动下从A星球到北京的距离，而A0是高速运动 下从A星球到北京的距离。A0本是垂直于00的，但因为时间的前进，此时A0已不再垂直 于00 o在直角三角形厶。A中，A0已成为一条斜边。在这一直角三角形A00 A中，00,2 = AO2 - A0,2根据罗伦兹变换公式可知！运动的尺子要比静止的尺子短- 2/c2倍。由此可知A0 比A0要短J1 以倍。设：四维空时的时间一维的长度为Lm；慢速运动中的空间长度为L空：高速运动中的空间长度为L A：则：t 2 _ j 2 j 2根据罗伦兹变换公式，运动的尺子要比静止的尺子短- 2/c2倍。2 = %2_厶府2=厶空2一 （L空肛IP/解得：22仪2这就是时间与空间之间的等值换算公式。当然，这里的U是事物的速度，C是光速。只 要承认时间与空间都是物质存在的形式，那就可以理解这一公式。参考文献：1美阿尔伯侍爱因斯坦著易洪波，李智谍编译相对论凶.重庆出版社.2006.2美史蒂芬靈金著许明贤，吴忠超译.时间简史M.湖南科学技术出版社,2012.3英英艾萨克牛顿著.王克迪译.自然哲学之数学原理M.北京大学出版社，2013.4件凤鸣.时间的过去、现在和未来J.前沿科学（季刊）:2011.第5卷:79-88.5刘文浩.时间与空间的等值换算公式J.科协论坛:2009.第8期：77-78.6李春泰、陶泉禄.论墨子与亚里斯多德时空观念的差别与意义J自然辩证法研究：1995,0. 8： 30-337徐恩生李晖孙丽媛.时间与空间的诠释J.沈阳航空工业学皖学报：2004,第21卷:87-88.8杨向奎.再论时间与空间J.中国社会科学皖研究生皖学报：1994,第3期：1-8.