(最近在网上看到一篇文章,中心内容是通过强调人类社会乃至一切事物的空间性,从根本上否定马克思主义唯物史观。那位网友认为,一切事物都是空间性的,时间是附属于空间的;马克思不从空间看待人类社会却从时间上看,因而得出社会形态发展论,是完全错误的。那位网友的论述似乎颇有理论性、科学性,而实际上却是错误、偏面的,也是甚为奇怪的。对于事物的空间性、时间性以及时间与空间的关系,本人的《物质矛盾运动概论——兼谈宇宙历史中的若干问题》小书中《时间与空间的矛盾运动》以及《时空与物质的矛盾运动》、《物质在空间中的基本运动形式——集聚与疏散》、《物质在时间中的基本运动形式——生长与衰亡》,还有《关于时间箭头与循环“反演”——谈时间的螺旋运动》等篇章应该论述的比较清楚了。这就是把老早的这篇文章在此发表的原因。)
时间与空间、时空与物质、场与实物、分与合、质与量的矛盾运动都是密切关联的宇宙的基本性矛盾运动。正是这些矛盾运动是世界各种事物普遍联系、完美统一而又千变万化、绚丽多彩的内在根据。
时间与空间,对于人们并不陌生,它与人们一切一切的活动形影不离、息息相关。如果要问什么是时间?几乎谁都可以不假思索地回答说,古往今来不断流逝的岁月昼夜、不断变换着的春夏秋冬、滴答滴答而过的秒分时刻就是时间。将来在时间中迎来,过去在时间中渡过。体育运动,跑百米经历10秒钟;出外旅游,火车从北京到上海用14小时;光的传播,从太阳到地球历经约8分钟、到冥王星历经约4小时9.8分钟,这些数字所表示的都是时间间隔。农作物生长期半年或三个月;某人活了八十岁或一百年,自然这也指的是时间。秦始皇于公元前221年统一中国;拿破伦死于1821年5月5日;英国维多利亚女王于1838年6月28日在威斯敏斯特大教堂加冕;奥地利最早的音乐厅维也纳音乐厅于1870年1月6日举行首场演出;英国剑桥大学创立于1209年,牛顿于1669年被任命为该校卢卡逊数学教授,史蒂芬·霍金教授于1979年开始荣任这一教席,等等事件所发生的日期,不言而喻也是时间。可见时间现象丰富多采,不胜枚举。
如果问到什么是空间,人们往往也会轻而易举地回答,上下四方、海阔天空就是空间,用长宽高所表示的或者说用三维座标系所描述的那种东西就是空间。桌椅板凳及各种各样物品占据着的是空间;地球月亮、星星太阳在其中运动的是空间;分子原子、亚原子粒子在其中变换舞蹈着的是空间。飞机从北京飞到伦敦;宇宙探测器从地球飞往各有关星球所经过的航程自然也是空间。空间现象与时间现象一样丰富多采,不胜枚举。
但是,如果要问在各种各样时间、空间现象后面的本质是什么呢?时间与空间之间又是什么关系呢?这可能就不那么容易回答了。这个问题正是时空观问题,是哲学和自然科学史上的一个老问题。
远在古希腊时期,哲学先师亚里士多德就对时间和空间作过深刻思考和研究。他认为,时间乃是就先后而言运动的数目,时间确定运动,运动也确定时间。他又认为,一个事物的空间,就是这个事物的形式,物体皆在空间里,空间也都有物体。可见他把空间和时间与物质及其运动联系起来,看作是物质的形式和运动多少的表示。他的认识已接近现在的人们一般对空间、时间本质的认识,即认为空间和时间是物质存在的两种密切联系的形式,空间反映物质运动的广延性;时间反映物质运动的序列和持续性。
中国古代哲学家张载的“太虚即气”、气聚而为万物、气散而为太虚的思想,反映出他已经意识到物质、“气”与空间即“太虚”之间的矛盾运动关系,可以说这与近、现代科学史上关于物质、场与空间的概念是接近的。
在世界哲学史上,第一个明晰阐明时间、空间本质及二者之间矛盾运动的是黑格尔。他认为,事物的运动变化就是时间,现实事物本身的历程构成时间;一切事物并不是在时间中产生和消逝,事物本身就是时间性的东西。空间就是作为物质物体而存在的形式、自然事物的基础;没有独立不依地存在的空间,空间总是充实的空间,决不能和充实于其中的东西分开;间断性与连续性这两个环节的统一是客观上确定的空间概念,它常常被看作绝对空间,可是相对的空间是某种更高的东西。他又认为,空间和时间充满着运动物质、从属于物质运动,时间与空间的对立统一是位置,而位置与运动的对立统一是物质。
恩格斯则更加简明地论断,时间和空间就是物质一切存在的基本形式。如果结合恩格斯的没有无物质的运动、没有无运动的物质的思想,可以看到恩格斯把时间和空间看作运动物质和物质运动的基本形式。
在近、现代科学史上,爱因斯坦的“相对论”对于科学地揭示和证明时间、空间的本质及二者之间的关系作出了最伟大的革命性贡献。他一反牛顿力学绝对时间和绝对空间的观念,提出和论证了时间与空间的相对性。“相对论”的时空观可以概括为,物体在高速运动中和在引力场中时间膨胀变慢、空间尺度收缩变小;时间与空间形成四维时空连续体;时空是弯曲的,物质分布状态决定着时空曲率;而时空曲率又决定着物质运动。这就告诉我们,时间、空间和物质,并不是人们常识和经典力学所认为的那样,它们是绝对分离的异物,时间是绝对的、空间是绝对的;空间里可以有物质、也可以是“虚空”。而实际上,时间和空间都是相对的、它们之间的关系也是相对的和相互作用的,时空与物质也是相对的和相互作用的。这正如霍金教授指出的,爱因斯坦的广义相对论把空间和时间从一个事件在其中发生的被动的背景转变成宇宙动力学的主动参与者。而一切相对性和相互作用都是矛盾运动的反映。时间、空间及其相互之间,时空与物质之间都处在矛盾运动中。这也是告诉我们,时空的本质是什么?是物质运动和运动物质的基本表现形式、是时间与空间的对立统一体;什么是时间和空间?就是时空统一体的一分为二,就是物质运动和运动物质的两种密切联系着的基本表现形式。
尽管哲学家和自然科学家已经对时间空间的本质有了很深刻的见地,然而恐怕至今绝对时间和绝对空间观念仍笼罩着很多人的头脑。他们会说,一个小时就是一个小时,一秒钟就是一秒钟,时间怎么能够变慢呢?在伦敦的格林威治时间是一个小时,在北京的时间也是一个小时,只不过有8个小时的时差而已,这有什么错吗?一个作匀速直线运动的物体,位移一米用一秒时间,位移一百米就用一百秒时间,时间流逝的均匀性不也是绝对的吗?宇宙的历史、太阳的历史、地球的历史以及人类的历史,难道不都是在绝对均匀的时间中渡过吗?时间一刻一时、一天一年的流逝,不会因为儿童盼望快快长大而加快,也不会因为某些人特别繁忙希望时间慢行而减速,这不是铁一般的事实吗?空间的情况也是一样,从北京到海口今天飞机飞越的空间为2600公里,明天飞越的也是同一个2600公里;上海东方明珠电视塔高460米,今天明天、今年明年谁去测量都会是一样的;北京故宫占地面积72万平方米,它也不会变大或变小;地球绕太阳运行轨道总是约94000万公里的椭圆空间路程,银河系的直径总是约10万光年,这种种空间尺度难道不都是绝对的吗?在时间与空间的关系上,更会有人认为,表示古往今来间隔的时间与表示上下四方大小的空间,哪里谈得上有什么关系呢?相互转化更是不可想象的。谁能把时分秒当长度单位、谁又把米、公里当时间单位呢?至于时间空间与物质,那就更是风马中不相及。
在此,我们暂且不涉及爱因斯坦“相对论”,而通过常识性事例和适当想象来领略一下时间、空间及其二者之间相互关系的相对性和矛盾运动情况。
时间作为一种客观事物与其他事物一样,总是处在宇宙的复杂交错的矛盾运动网络中,它总是通过与其他事物的相对关系而得到表现。它的形象、计量方式、数量大小总是相对的,总是与它所处在的矛盾运动中的其他因素相互作用、相互规定。在时间形象上,往往表现为心理时间、文化时间、科学时间等不同的特色。光阴荏苒,时间如流,过去的捉不回,未来的扑不到,似乎人的命运任时间戏弄。这是客观的时间与人的心理之间矛盾运动的表现。人们越想尽多地支配时间,就越感觉时间难以把握;而越希望时间过得快一些,就越觉得时间慢腾磨人。同样地球自转一周,有时有人觉得“一晃就是一天”,有时有人又感觉“度日如年”。觉得时间过得太快,可以看作客观时间在心理时间中的收缩;觉得过得太慢,则可看作客观时间在心理时间中的膨胀。时间周期的收缩,使频率加快;时间周期的膨胀,使频率减慢。这里所谓客观时间,一般也不过是按地球自转标定的时间。
时间在与不同文化的矛盾运动中表现出不同的文化形象。在佛教及其他一些古代宗教文化中,时间表现为轮回的形象。“法轮功”正是利用了这一点加以夸大、渲染、扭曲和伪造,而成为一种对人们有比较大迷惑力的邪教。受骗上当者不仅有那些文化水平很低、科学知识很少、带有某种程度愚昧的人,也有一些大学生、甚至大学教授和级别不低的国家干部,这是为什么?除了某些社会原因以外,可以说是轮回的时间观在作怪。在犹太基督教里,时间是穿越过去和未来的线性形象,这种文化认为,耶酥的生死和十字架受难是不可能重复的唯一事件。
在科学研究中,时间形象也处在矛盾运动中。对称的时间形象或时间观认为,过去、现在、未来是无所谓的,甚至认为这种区别只不过是幻觉。另一种如箭头的时间形象或时间观认为,时间朝着单一的方向一直向前,甚至根据热力学第二定律推论说宇宙将走向“热寂”。这是客观的时间与有关科学家信仰、心理、原有学术思想基础诸因素矛盾运动的结果。
在马克思主义矛盾运动观看来,客观的时间应该是单向与双向、直线与循环、箭头与往复的对立统一,我们将在第二篇中对此予以讨论。人们基本上两种相反的时间形象都有一定的客观依据和某种真理性,这正说明时间不是绝对而是相对的。
时间的计量方式更表现出明显的相对性。古代有水漏计时、沙漏计时、日晷计时。后来出现摆钟计时、弹簧谐振子钟表计时。现代发展出谐振电路计时、石英晶体谐振钟表计时,在高科技、高精密计时领域则发明了三十万年误差一秒的铯原子钟计时。人类当今计时的最新成就,是利用脉冲星或中子星有规律的发射电磁辐射的间隔计时,精度可达一亿年误差一秒钟。有一些历史上出现的、利用不同的物质运动形式的、具有不同精度的各种相对的计时方式,现在仍在人类不同的民族、不同的地区、不同的领域一定程度上并行地使用着,发挥着相对重要的作用。
在时间的数量表示上也表现出明显的相对性。在钟表计时中,同样是指针转一圈,可以表示12小时(时针);可以表示60分钟、即一个小时(分针);还可以表示60秒钟、即60分之一小时。它们竞以720比1相悬殊。
时间是物质运动的基本表现形式,不同物体的相对近似的运动形式,却表现为不同的相对时间数量,同样说明了时间的相对性。钟表的时针相对于表盘转动2π弧度为一小时;地球相对于自身的轴线转动2π弧度为24小时;地球公转2π弧度则为一年、即平均8765小时48分46秒。不同物体同样运转2π弧度,而表示的时间却如此不同!
就某个特殊的物体运动来说,由于运动本身的矛盾性,时间的表示也处在矛盾运动中。例如通常把地球自转一圈划分为24小时,可是地球是不断变慢的,尽管变化不太显著。严格说来这个24小时是有问题的、是包含矛盾的。据科学家计算,按现在的“小时”时间尺度,地球在五亿年前自转一圈只用21小时。如果当时地球转一圈也划分为24小时,而两种“小时”的实际时间尺度却有7比8的差距。也许将来地球转动更慢以后,按现在的“小时”标准量度,应有25小时、26小时,而人们如果仍把它当作24小时看待,这又会出现不小的实质性差距。也许人们将来以原子钟为标准、即利用铯原子共振频率91.92631770亿次振动计作一秒钟,随着地球自转变慢,将一天时间更正为25小时、26小时。可是世界上没有真正永恒的东西,谁又能保证铯原子共振频率就是永恒的呢?而且,相差一秒就更正一次,还是相差一小时才更正一次呢?可见,离开相对性,时间是无法表示的。
从时间相对性的意义上来说,我们未尝不可把火星、金星、甚至木星或土星自转一圈定义为24小时,或把地球自转一周定义为30小时。而现在把地球自转一圈定义为24小时,这不过是人类为了自身的方便和由生活在地球上的习惯形成的。时间的量度无非是用一种运动去量度另一种运动。
在人类历史的运动中,人们使用了各种不同的纪年、纪元方式,同样体现了时间的相对性。公元纪年,说是以耶酥降生之年作为元年。甭说这是一个宗教传说,即使真有其事,这种纪元方式又有什么客观的绝对性依据呢?不过是历史运动的一种相对静止的假定而已,就象机械运动中假定相对静止物一样。如果说根据,那就是客观的时间与有关民族一定历史阶段文化运动的对立统一。我国古代采用干支纪年法,一直延续至今仍继续使用,这是我国文化发展与时间之间的矛盾运动结果。我国从汉武帝开始,历朝皇帝都附加采用皇帝年号纪年,这都是历史运动中封建皇帝惟我独尊、家天下政治与时间之间矛盾运动的表现。在西方,希腊人曾以第一次奥林匹亚竞技会年份为纪元(公元前776年);罗马人以始建罗马城为纪元(公元前754-753年)等等,无不与具体的历史运动有关。以某一种历史运动为标准去计量其他历史运动,这就是人类社会纪年时间相对性的本质。
时间的相对性已显而易见,而时间有没有绝对性呢?有的,时间是对物质运动的量度,物质运动有相对性,时间就有相对性;物质运动有绝对性,时间也就有绝对性。时间的绝对性与相对性的关系,就是物质运动绝对性与相对性的关系。正象绝对运动只能通过相对运动来认识和量度一样,绝对时间也只能通过相对时间来认识和量度。
空间作为一种客观事物,同样与其他事物处在复杂交织的矛盾运动网络中,它本身只有通过与其他事物的相对关系而得到表现。它的形象、它的计量和大小也都是相对的。同样的客观空间在与人的心理状态等因素的相互作用下会形成不同的心理空间形象。人们都知道,在绘画艺术上往往使用若干平行线条增加线条方向的空间扩展感。一个正方形的图形,通过平行线条,可以使人感到象长方形或象菱形。在一座楼房的竖直方向上作一些直线条,楼房就显得更高耸挺拔。一个人穿竖线条的衣服就比较看高;穿横线条的衣服就比较看胖。同一个房间,如果内壁煞白、光明亮堂,就给人以比较宽大舒畅的形象;如果内壁黑漆、暗淡寥光,就给人以狭小压抑的形象。这都是客观的空间、线条、光照等因素与人的心理相互作用形成的。还有一种情况,在客观空间与心理的矛盾运动中,心理表现出更大的作用。当一个人事业兴旺、境遇顺心、精神愉快、鸿图勃发的时候,就会感到广阔天地任凭翱翔;相反,当一个人处处碰壁、前景无望、精神忧郁时,就会觉得天地如此之小以至无立足之地。这里所说的一切所谓“客观”空间,一般只是人类认识的地球空间。
科学中的空间形象不依据直接感觉而是依据科学的事实和数学计算而确定,但是它也处在各种不同的物质运动形式的矛盾转化中。在低速机械运动中,空间表现为均匀平直;在高速运动中和引力场中,空间表现为收缩和弯曲。对物质实体、粒子而言,空间表现为间断;对场物质而言,空间表现为连续。我们可以说“相对论”的时空观具有更多的真理性,却不可以说经典力学的时空观是完全荒谬的。因为物质运动形式是多种多样、极其复杂的,人类对它的认识是逐渐加深、逐渐扩展的,每一种科学的认识都具有相对的真理性。
空间的计量也表现出相对性。中国有一套传统的市制计量单位;英美国家有英美制计量单位;国际上又有一套公制计量单位。不同的计量单位对于同一个空间的计量,自然会得出各自不同的相对数量。即使同一个空间计量单位的尺度也是相对规定的。例如公制的“米”,既可以是通过法国巴黎子午线全长的四千万分之一;又可以是氪(Kr-86)原子的2P10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射橙色光在真空中波长的1650763.73倍;还可以是光在铯原子钟0.000000003335640952秒内传播的距离。保存在巴黎的米的标准原器铂棒,严格说来也不是绝对不变的。更不必说被测量事物的尺度,随着物质的永恒的运动无疑处在变化中。严格说来,同一个物体这一次测量时和那一次测量时,其尺度是不一样的。空间的量度只能是相对的,只能是一个相对稳定的空间对另一个相对稳定空间的对比。
我们再来初步认识一下时间与空间相互之间的矛盾运动情况。人们对钟表再熟悉不过了,它是当今最通用的计时工具。但是,人们是否意识到,当钟表的表针一圈圈转动的时候,它首先表现为转过了一定的空间,而我们总是把一定的空间转化为一定时间呢?时针转过π/6弧度的空间,我们就说经过了一个小时,转过2π弧度空间就说是12个小时。对于地球转动的空间,我们也照样把它转化为天和年为单位的时间。这样,时间与空间就失去了严格界限而成为对立统一的、可以相互转化的事物。由于这种相互转化、相互等价性,我们甚至可以设想不要年、天等计时单位,只根据地球公转和自转的空间状况照样可以描述事物过程和记载历史事件。比方,设定在太阳与地球的某种状态下地球的公转和自转开始计数,公转圈数记作Am,自转圈数记作Bn,某事件发生于AmBn就等于某事件发生于某年某日、乃至某时刻。例如,假设在公元前10000年时在太阳与地球运动中存在某种标志性状态,地球公转、自转开始计数,对于1999年2月1日发生的事,就可以记作此事发生于A11999B32空间中。通过空间的分割,同样可以象时、分、秒、毫秒……精确计时一样而精确地标记事件的空间状况。
物体直线运动空间与时间之间也是可以等价和相互转化的。假定民航客机飞行速度为每小时一千公里,从A地飞到B地用2小时,可以等价于A地至B地二千公里。对于这段空间路程,人们也往往习惯地说,A地至B地2小时,而不说2千公里。在天文学上经常使用的空间距离单位是“光年”,有时也使用小单位“光秒”。一些非内行的人们常常把它当作时间单位,可以说这是歪打正着。这种单位确实既可以作为空间单位、也可以作为时间单位,这正好表明时间与空间之间密不可分的对立统一关系。或者可以这样说,1秒时间相当于30万公里空间;1年的时间相当于9.46×1012公里即9.46万亿公里空间。
这一点,对天文学带来了特别大的帮助。从时间一去不复返的意义上看来,人类无法考察宇宙演化过程中过去发生的事情。可是实际上,天文学家通过天文望远镜看到宇宙深远处的同时,也就是看到了宇宙的过去时间中。50光年远处的事件,就是50年前的事件。通过天文观察,人类的视野在二十世纪前期已经可以回溯到80亿年前;2000年5月有报道,多国科学家利用哈勃太空望远镜拍摄到一个距地球260亿光年的天体,就是说人类现在最久远可回溯到260亿年前。天文学家们进行的一项大工程是绘制约30亿光年范围的天图,这种天图既是空间图又是时间图。如果不是利用时间与空间的相互转化关系,对过去时间的考察是不可能的。
在一个人的生命运动及其所参与的社会活动中,某种意义上也体现着时间与空间的矛盾运动。一个人的寿命就是他的生命运动时间,而他随时的有成效的生活和参与各种工作活动的范围、活动量可以看作他的生命运动空间,他一生的生命运动总量就可以用生命运动时间与空间的积分表示。某种意义上,这个积分总量就是一个人有成效的生命运动的全部时空,而这种时空总量可以作为恒量人生意义和价值的一种标志。就是说,人生有成效时空总量由生命时间与有成效随时活动空间的矛盾运动情况决定。随时有成效的活动空间、活动量很小,时时奉行养生哲学,有可能延长寿命,而积分的时空总量却可能很小;随时有成效的活动空间、活动量特别大、超过了身体允许限度,可能会减少寿命,积分的时空总量也不一定大;只有根据具体的身体素质状况取适当大的随时有成效的活动空间、活动量,才有可能实现时空总量的最大值。这里涉及到生活、工作活动的张弛矛盾运动。生活、工作活动紧张、活动空间加大,可以看作压缩了时间转化成了空间;生活、工作活动松弛、活动空间减小可以看作压缩了空间转化成了时间。
在物理科学上“相对论”创立之前,就对时间与空间的相对性有了一定的认识,即使在牛顿力学中也表现了一定的相对性。譬如描述加速运动的方程中,时间t可以为正数、也可以为负数,这就是一种对立统一,就是一种相对性。空间的相对描述就更加明显和普遍。从伽利略开始,物理学就认识到机械运动的相对性,在考察物体空间位置及变化时,总是相对于其他物体、总是放在一定的座标系中进行相对的描述。空间位置不是什么绝对的位置、空间的变化不是什么绝对的变化,而是相对于某个参照物、座标系的位置和变化。同一个物体,在这个座标系中可能是端正的,在另一个座标系中可能是倾斜的;在这个座标系中用这一组数据标定,在那一个座标系中用那一组数据标定。同一个物体运动过程,在这个座标系中是这种运动量,而在那种座标系中是那种运动量。一个座标系与另一个座标系之间的或简或繁的换算,正是同一事物在描述上出现矛盾的反映。换算就是一种矛盾运动。
现在我们认识一下“相对论”的主要之点,考察一下时间与空间在“相对论”中表现出的相对性。“相对论”是对人类逐渐加深着的时间、空间相对性认识的继承和发展,是对时空观的重大革命。“相对论”的所谓“相对”就是指时间是相对的,空间是相对的,时间与空间的关系也是相对的,时空与物质还是相对的。正是由于种种相对性,使得世界不存在任何特殊的座标系,物理定律在任何座标系里都是适用的。也可以这样说,任何座标系或物质系统都有自己一套相对的时间、空间、物质运动状态的量度标准,构成统一的矛盾运动体系,而反映它们之间关系的物理定律却可以是不变的。
“狭义相对论”讲,在高速运动状态下,时间可以变慢、即发生膨胀,空间可以变短、即发生收缩。这就是说,时间、空间与相应物体的运动速度处在矛盾运动中。我们可以用普通经典力学中相对运动的一种简单情况来定性地理解一下这一点。象伽利略当初考察航行着的船的相对运动一样,假定船对于河岸以v的速度行驶。船上一个光信号从船尾A点发出经过时间t到达船头的B点,通过船上的空间距离为:S=ct;在经典力学绝对时空观念下,处在河岸上的观察者所看到的光信号通过的距离为S'=(v+c)t。显然,在船上观察的空间尺度S小于在河岸观察的空间尺度S',即S﹤S'。但科学测量证实,光速在任何参照系统都以同样的速度传播,因此“相对论”假定光速是绝对的,即作为一个不加证明的原理,就象经典力学把时间设定为绝对的一样。这样就使得S'=(v+c)t=ct',而S﹤S',即ct﹤ct',则必然t﹤t'。表明运动中的空间S收缩变短,而时间的数量减小、即时间频率减小时间周期膨胀。
对于运动中物体尺度收缩,还可以从物质结构上按照洛伦兹电子理论予以理解和说明。任何物体都是由原子组成的,而原子又是由带负电的电子与带正电的原子核组成的,并且电子对于原子核在很大的相对空间里,以电子云的方式运动着形成电磁场。物体的尺度决定于原子之间的距离,而原子之间的距离决定于原子周围的电磁场状态。物体的高速运动造成在运动方向上的微观电流、形成新的电磁场迭加到原来物体静止状态时的电磁场上,使得原子在运动方向上有更大的电磁吸引力,从而缩小了原子之间的距离、产生物体尺寸的收缩。按照物理学的计算,运动物体相对于静态尺度缩短为原来的(1-v2/c2)开平方,其中c就是光速,v就是物体相对运动速度。
钟表变慢、时间膨胀也可以从物质结构上按照洛伦兹原子理论加以理解和说明。典型时钟的时率是由弹簧谐振子频率决定的,弹簧谐振子的频率又决定于与弹簧连结的重物的质量和弹簧的倔强系数。高速运动状态的物体由于原子间电磁力增大使得质量变大、倔强系数减小,从而使谐振子频率变小,即周期变长、时针变慢。按照物理学家们的计算,运动时钟的时率相对于静止时钟变慢为原来的(1-V2/C2)开平方,即时间膨胀[1/(1-V2/C2)开平方]倍。
如果根据电子论理解一下电子表、石英表、原子钟涉及到的时间相对性应该更容易使人接受。在不同运动状态、物质形态下,作为与电磁场更直接联系着的电子电路的谐振频率、石英振荡频率、铯原子共振频率理应有所不同。
不过,这里须要说明,尺缩、钟慢是物体运动状态决定的;时间、空间是物体运动状态的表现形式,它们之间密不可分、相互影响、相互决定。象似气体的体积决定于气体的质量、温度、压力状态,而它的质量、温度、压力状态又受体积的影响和决定。对尺缩钟慢所作的解释,只是帮助接受时间、空间这种特性的一种方法。在洛伦兹电子理论中曾假定了绝对静止物质“以太”的存在,这有违于相对论的基本精神。如果说电子论解释和计算结果与“相对论”相符,那只能说明电磁运动也同样反映出时间、空间、物质运动的密切关联特性。同一个客观规律会在不同的情况下表现出来。
不管如何寻求解释和“解释”本身的科学性如何,无庸置疑,运动中的时钟变慢这已是经受过实验证明的真理。其中最有力、最明显的事实是,粒子物理学中考察亚原子粒子的寿命随着速度的增加而延长。在粒子的速度为光速的80%时,它们的寿命竟然为它们慢速“孪生弟兄”寿命的1.7倍。在粒子速度达到光速的99%时,其寿命更惊人地延长为7倍。
“狭义相对论”的尺缩钟慢由于物体运动引起。我们不会忘记,这里的运动是相对运动。作相对运动的两个座标系都认为对方的尺缩钟慢、认为自身的状态是稳定的,这与认为对方是运动的、自身是静止的一样。这就更明白地显示,时间、空间与物质相对运动状态密切相关、是物质相对运动状态的函数,是物质运动状态的基本表现形式。这正是哲学史上早就进行探索和逐渐阐明过的观点。
现在我们就会发现,前边所说到的常识对时间和空间的看法是片面的。一个小时并不绝对是一个小时,在不同的座标系里考察,它是不一样的。上海电视塔的高度也不是绝对的,不仅在地球外的某个高速运动的座标系里考察,它会变矮,而且严格说来,在地球不同等高面或等位面上考察,它的高度也是不一样的。
按照广义相对论,时间、空间还随着引力场而变化。引力场越强,钟表越慢、空间尺度越小;引力场越弱,钟表越快、空间尺度越大。这应该是容易解释的。在高速运动中时间变慢的电子论解释中,最终对弹簧谐振子的周期和频率起作用的是重物的质量和弹簧倔强系数。而在引力场中,引力完全可以直接改变重物的重量及质量和弹簧的倔强系数而引起时钟的变化,使得引力场越强,重物质量越大,相应弹簧倔强系数越小,时钟也就越慢。增大了的电磁力可使原子之间距离缩小;而引力不仅可以使原子之间距离缩小,而且使一切物体之间的距离缩小,从而使空间尺度缩小。
“相对论”的另一大贡献就是在人类思想史上第一次提出了时空连续体的概念。按照这种概念,时间与空间的区分是没有多大意义的。时间离不开空间、空间也离不开时间,没有无空间的时间、也没有无时间的空间,空间可转化为时间、时间也可转化为空间。自然科学的发展所揭示和证明的这种思想与黑格尔哲学的看法,可以说是完全一致的。黑格尔早就指出,空间与时间是不可分离的,空间的真理性是时间,因此空间就变为时间;时间的过去和将来当它们成为自然界的存在时,就是空间,时间变为空间。
我们不用数学、也不用高深的物理知识,而通过一般性想象和思维来理解一下时空统一体及其时间与空间的矛盾运动。任何事物所以说它存在,首先它必然处在生命历程中,这种生命历程就是时间。仅有时间历程,就象一条无限细的线段,表现不出事物本身的任何形象,没有任何形象、也就无所谓生命。因此,事物的生命存在也必然表现为某种空间形象。这就是说事物的时间离不开空间,离开空间的时间就是无。而事物可否仅仅靠空间形式存在而离开时间呢?同样不能。试想,事物如果不存在生命时间、任何生命历程,哪里还有什么空间现象呢?就是说没有时间也就不可能有空间。我们看到一棵树、一栋房子、一个几何图形表现为一定的空间形象,就说这些物体是存在的,可是这同时也是说这些物体处在它的生命途中。一棵树死亡了、腐烂变成气体物质了;一栋房子倒塌了、连瓦砾都风化为尘土了;一个几何图形消失了、被擦除了,它们没有了生命时间、还存在空间形象吗?它们没有了空间形象,还存在生命时间吗?二者要存俱存、要亡俱亡。事物生命的时间延续转化为空间;空间的延续又转化为时间,事物的存在就是时间与空间的矛盾运动,而二者的对立统一体就是连续时空。没有连续时空就是无。
按照现代宇宙学,宇宙最初的形态表现为普朗克时间(10-43秒)和普朗克空间(10-33cm)的统一体。二者对立统一、相辅相成,没有前者、后者便是无;没有后者、前者也是无。宇宙时间的演进也是空间的扩大,空间的扩大也是时间的演进。所谓宇宙膨胀就是宇宙时空统一体的膨胀。普朗克时间、普朗克空间是无比庞大、无比复杂的宇宙系统的胚胎或初卵,任何事物都由它的演化发展所产生。这也就是为什么要把时间与空间的矛盾运动作为宇宙基本性矛盾运动的一个重要理由。
还可以用一个比喻来较直观地理解时间、空间、及时空统一体之间的关系。把某事物的全部存在时空统一体比作一条管道,那么时间就是这条管道的轴线、空间就是管道的横截面。轴线为零谈不上管道、也就没有横截面;横截面不存在就是没有管道、也就没有轴线。只有轴线与横截面的矛盾运动才形成一条管道时空。科学家们在讲述宇宙时空“隧道”“虫洞”时,也往往画出一个三维管道作比喻,给予人们一种直观性。当然比喻仅仅是比喻,时空是四维的,而管道是三维的。
“相对论”又一重要结论就是,时间、空间、时空都是弯曲的。我们仍然通过较浅易的方法来领会一下时间空间的这一重要特性。按照狭义相对论,时钟随着运动速度的提高而减慢。我们可以象数学上那样,以时钟时率作纵轴、以运动速度v作横轴作一个直角座标系。在这个座标系里考察时间随速度变化的情况,即作出函数t=f(v)=t0 的几何表示。这样将会得到一条下降时间曲线,而不会得到直线。这条曲线相当直观地显示出时间随运动而弯曲的特性。按照广义相对论,时钟在引力场中减慢。我们也可作一个直角座标系,使纵轴表示时钟由低引力场向高引力场移动或转变的时率t,横轴表示引力场强度g。在这个座标系里考察时间随引力场变化情况,即作出函数t=f(g)的几何表示,也会得到一条下降的时间曲线,而不会得到直线。这种曲线则相当直观地显示出时间在引力场中的弯曲特性。自然,在前一情况中,当时钟没有相对运动即速度为零时或相对运动速度为定值时;在后一情况中,当引力场没有什么变化时,座标中的时率表现为固定的点,说明在这些情况下时间的流逝是均匀的。当钟表运动速度接近光速或引力场接近黑洞视界引力场(即光也不能挣脱引力、光子所受引力运动与光的离心运动平衡)时,时间曲线趋近横座标轴,表示时间慢得接近停止。
如果将上述座标纵轴改为运动物体的空间尺度L,横轴仍表示速度,也可以得到一条空间尺度下降的曲线,一定意义上表示空间发生了弯曲。在速度越接近光速时,曲线就越靠近横座标轴,表示空间尺度减至无穷小。当物体运动方向上的尺度趋近无穷小,而垂直于运动方向的尺度不变时,某种意义上说明立体空间的曲率接近无穷大。再假如纵座标表示一个球状物体所形成的引力场中球面空间的半径R,横座标表示引力场强度g,又会得到一条下降的曲线。引力场强度越大,曲线越接近横座标轴,表示空间曲率半径越小、即曲率越大。
以上通过时间、空间随速度、引力场变化而变化的曲线,在一定意义上体现出它们的弯曲特性。以下我们用另一种方法进一步领会一下空间在引力场中的弯曲特性,并进而看到,宇宙的任何实际存在的时空都是不同程度弯曲的;平直时空只是一种理想状态,实际上它是不存在的,似乎象人们研究气体运动规律时设定的理想气体实际并不存在那样。我们在想象中考察一个大质量物体、比如地球周围的弯曲空间。按照广义相对论,空间曲率与引力场大小密切相关,引力场大,空间曲率就大;引力场小,空间曲率就小。这样就可以把地球的引力场看作地球周围的空间。因为地球是椭球体,且表面凸凹不平、物质分布及重力分布不均匀,使得地球引力场的等势面为不规则的椭球面。而这种无数弯弯曲曲的椭球等势面可以认为它表示着地球周围空间在经纬方向上的弯曲状况。我们再进一步想象,在地面的一点上作一竖直线,它与经线、纬线形成地球空间的一个三维座标系。一般情况下把地面和地球的等势面看作是平面,把竖座标轴看作与地面、等势面垂直,因而通过三维座标系表示的地球周围的空间自然被认为是平直空间。建筑工人就很会利用这一点,为了把墙砌直,总是以重锤线为准绳。而在实际上,地球表面和等势面都是不规则曲面,不仅经纬线所表示的地面两个座标轴不是直线,作为与这些曲面垂直的竖向座标轴也不可能是直线,而是复杂弯曲的。也就是说,地球周围空间不仅经纬向是弯曲的,而竖向也是弯曲的。这就必然表现着三维空间处在更复杂的弯曲中。
上边我们已经得知,时间在引力场中是弯曲的。地球周围的三维弯曲空间与弯曲时间的对立统一,必然就是地球周围及其复杂弯曲的时空。我们不妨仍用管道来比喻时空,把弯曲的时间看作管道的弯曲轴线,把弯曲的三维空间看作是管道的弯曲横截面。一个由弯曲轴线和弯曲横截面形成的管道该是多么奇形怪状啊!
而实际上地球周围的空间和时空比以上所设想的还要复杂得多,因为太阳、太阳周围地球以外的其他行星以及各种各样的宇宙天体、宇宙可能到处都存在的暗物质,对地球周围的空间和引力场都有影响,这就使得它的弯曲更加复杂起来。
我们还可以想象到,地球及其周围的弯曲空间随着自身的自转、公转以及太阳系、银河系的运转乃至随着宇宙的膨胀而不断地运动变化着。时间在演进,空间在变迁。时时刻刻都是新的时间,时时处处都是新的空间。从根本上看来,时间一去不复返,空间也一去不复返。人类社会也处在不停地发展运动中,人们总是生活在不断更新的时空里。
我们将以上讨论归纳起来,就是在说明,时间处在矛盾运动中,空间处在矛盾运动中,时间与空间相互之间处在矛盾运动中,时空统一体也处在矛盾运动中。时间、空间的本质是什么?它们是物质运动和运动物质的最基本表现形式,也就是宇宙一切一切事物的基本表现形式。时间、空间、时空都是弯曲的,随着不断地物质运动,它们的曲率处在不断地变化中,时间、空间的矛盾运动是宇宙基本性的矛盾运动,它是任何事物的任何矛盾运动须臾不离的。
既然时空是运动物质的表现形式,那么时空与物质就处在矛盾运动中。接下来我们就讨论一下这个问题。
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