中国14个陆上邻国口诀:空间 时间和宇宙的结构

空间 时间和宇宙的结构

周吉善 （jishanzhou@126.com）　2007.02

摘要：物理学沿着牛顿《自然哲学的数学原理》开辟的道路走过300余年，虽说是成绩斐然，却也并非是没有瑕疵的；主要表现在唯一地迷信于数学描述，而无视其它形式的自然哲学基本原理的指导价值。尤其是分不清实体概念和属性概念的本质差异，长期以来将属于哲学范畴的概念空间和属于科学范畴的概念时间并称为“空时”或“时空”，直接产生的观念错误一直制约着科学理论的飞跃和升华。这篇文章从廓清物质、空间、质量、时间、长度五个最基本概念切入，首先发现了物理学必须持物质～空间系统论的自然观，进而又得出时间和空间是从属关系，指出传统使用“空时”、“时空”之类概念的陋习必须彻底改正。继而对物理学量纲式中的三个基本物理量M、L、T给出了明确定义；并且依据中华自然哲学最基本的原理“万物负阴而抱阳、冲气以为和”，以及庞加莱猜想被完全证明和航天实践积累的数据，计算出三维平坦空间、渐近闵氏空间和三维弯曲空间在宇宙中同时存在；惯性系理论、广义相对论和所谓的引力理论就分别适用于这三种空间；所谓的惯性系理论根本就不能适用于人类生活的三维弯曲空间。最后不仅得出一个宇宙是永恒的存在、宇宙是自组织演化过程的宇宙演化模型，同时还进一步指出，构建一个适用于三维平坦空间的L-T结构模型，适当变换之后即可以成为适用于渐近闵氏空间的L-T结构模型，再经过适当变换又可以成为适用于三维弯曲空间的L-T结构模型，完全是可以实现的。

关键词：实体概念 属性概念 抽象的类概念 基本物理量 空间中的三维圆球 L-T结构模型

——庞加莱猜想

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。

——爱因斯坦

“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”。

——怀特海

霍金在《时间简史》中慨叹道：“以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步……在19和20世纪，科学变得对哲学家，或除了少数专家以外的任何人，过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围”（1-P156）。

海德格尔却告诉我们：当代哲学面前有一个无法回避的语义逻辑问题，即那些最基本概念的词项，存在着明显的指称对象的不明确性和指谓涵义的欠确定性。他把这种词义学缺陷称为中西方人们共有的“常识性空白”，同时指出这种缺陷对所有哲学立论的更深层次，存在着严重的负面影响，并称消除这种常识性空白为哲学的“亟切之事”（2-P64）。

丹麦著名理论物理学家玻尔也说：“我们时代中的物理经验的扩大，已经使我们有必要从根本上修正无歧义地应用我们那些最基本概念的基础”（3-P46）。

从这三个人的话中不难看出，当代科学家面对的诸多困惑和悖论，基本上都来自于概念和哲学，那就让我们从最基本的概念切入来梳理一下吧。

1、爱因斯坦说：“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”（4-P113）。

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。而科学的本质特点有二：一是用概念表述的物理量都可以精确测定，二是可以被任何人所重复——这三个概念中就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M、T和L才能算是适用于科学的基本物理量。

据此可以将物质、空间、质量、时间和长度的逻辑关系表示如下：

表述共性的类概念只有称谓作用，除了指代实际存在的东西之外，不再表示任何意义；物理学理论中使用物质、空间这两个概念，就只有泛指物理客体的作用。

表示个性的物理量，属于可以由任何人反复测定的、且具有确定计量单位的属性概念，并不指代任何实际存在的东西。

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。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；而用于描述自然规律的物理学方程，却只使用表示属性的M、L、T等概念。

推论一、物理学的自然观应该是物质～空间系统论。

推论二、T和空间是从属关系，跟M和物质的关系完全相同。传统理论中使用“空时”或“时空”的陋习必须彻底予以改正。

2、依据物质～空间系统论的自然观，可以得出如下三个定义：

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。

物理学理论中用L、T的函数表述的物理量，均为空间中的一种“实体”结构，用L和T表述的方程，均为空间中存在的一种自然规律。

为了避免由于哲学概念和科学概念的混淆可能产生的歧义，建议未来的物理学理论中应该采用符号表示法，分别使用 Z系统、N系统、M、T、L取代物质、空间、质量、时间、长度。

爱因斯坦还指出：“物质客体……重要的特例是‘固体’”；“全部物理‘事件’被认为是寓存于一个四维连续流形中的”（4-P117）。S•温伯格说：“宇宙不是一种完全平衡的流体，而是充满了块状的星系和星系团”，实际上指的就是这种由流体似的空间和块状的星系团构成的宇宙。

爱因斯坦从创立相对论到“断然的”说出：“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-P115），前后总共经历了大半生（40余年）的苦苦思索和寻觅；但是由于古希腊自然哲学中对“本原”的追寻，在科学家们的头脑中始终占据着统治地位，迄今仍然没有几个人敢于接受这种“断然的”说法。另外一个更为严重的弊端是，迄今为止所有的科学家（包括爱因斯坦本人）都没有能够改掉“空时”连用的陋习——正是这种将实体概念和属性概念混为一谈的“传统”，导致了“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”（3-P298）。

3、“二十世纪初叶的两种新理论完全改变了我们有关空间和时间以及实在本身的思维方式”（1-P50）；“相对论终结了绝对时间的观念”（5-P29）——这里的第一句话虽说是对的，但是没有指出“改变了”的是什么；第二句话却就不正确了。

作为空间一种属性的T，确实有绝对和相对之分；但是关于“牛顿的绝对时空理论，爱因斯坦的相对时空理论”的传统说法，恰恰是把绝对和相对的关系搞“颠倒了”。

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”（6）。牛顿在这里说的非常明确：T分“自身在那里流”的绝对时间、“可感的及外界的度量”的相对时间；通常用钟记录的“钟点”并不是“绝对的、真的”T，而是相对时间。

那么，人们为什么要说牛顿持“绝对时间观”呢？由于经典物理学依据t=t’进行坐标系变换时，最基本的前提是所有“钟的读数一致”，人们就把这种惯性系理论所持的时间观称为绝对时间观，即任何坐标系中的T均相同；从而忘记了这种t=t’的关系，是建立在钟的结构（即摆的长度L）并不相同基础之上的——既然钟的结构可以人为地予以调节，所记录的就肯定不会是“自身在那里流”的“绝对的、真的”T。

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”（1-P29）——相对论强调的是“使用同样的钟”。

经典物理学并非不承认，同样的钟放在不同的高度或者是广州和沈阳，过一昼夜之后的读数并不相同——经典物理学和相对论的时间观并不矛盾。但是，相对论测量T的前提条件是不允许人为地调节钟；于是就出现了同样的钟放在空间中的不同位置，所记录到的“自身在那里流”的“绝对的、真的”T并不相同的结果，从而对人们确信无疑的仅适用于协调群体活动的“钟读数一致”的时间观构成巨大冲击。

综上所述，牛顿力学体系使用的T，可以人为地通过调节钟摆的长度相对地使所有“钟的读数一致”——这是协调群体活动所必需的；正是这种“必需”的与生俱来的“习惯”凝固而成的“传统”禁锢着人们的“思维方式”，误以为实用性就等于真理性；真正应该彻底“改变”的观念是：把全国各地使用的相对于北京的钟“读数一致”的T，错误地当成是“绝对的、真的”T。实际上只有相对论强调的“使用同样的钟”在空间中不同位置测到的，才能算是“绝对的、真的”T。

经典物理学同样承认，在空间中的不同位置，作为空间特性的T并不相同，即t=t’根本就不能成立；“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”（4-P106），爱因斯坦这样说和经典物理学理论中关于同一台钟处在不同高度读数不同的结论完全一致——相对论和经典物理学的时间观的差异，仅在于前者要求使用同样的钟，而后者则强调钟的读数一致；相对论使用的是“自身在那里流的”的绝对时间，而牛顿力学和经典运动学使用的却是“可感的及外界的度量”的相对时间。

小结：

（1）、相对论和经典物理学的时间观并不矛盾，传统所谓的绝对时间和相对时间，刚好是“颠倒”的；实际上“钟的读数一致”记录的是相对时间，只有“使用同样的钟”记录的才是“绝对的、真的”T。

（2）、“钟的读数一致”虽然在现实生活中非常实用，却不能用于描述真正的自然规律；而描述真正的自然规律则必须“使用同样的钟”测出空间中不同位置的“绝对的、真的” T——实用性≠真理性！理论工作者绝不应该忽视这条基本原理。

4、把T定位成空间的一种特性，实在是有点匪夷所思，让人无法接受。对于这个问题，运用传统所谓的逻辑思维和形象思维都将无济于事；实际上只需要将“钟” 类比于温度计，就不难“悟出”T是空间属性的道理来：同样的温度计在沈阳、北京和广州的同一时刻，其读数不同人人都可以理解；而“同样的钟”在这三个地方经过相同的时间间隔读数也不相同，为什么就不可理解呢——前者是对空间中热辐射的ε密度分布差异的量度，后者是对空间中不同点弯曲程度不同的量度；而温度计和时钟所记录的数据，同样都是被动地受到一种特定的作用显示出的结果，这种“特定的作用”就来自于空间中同一点ε密度或弯曲程度之不同。关于把T说成是描述空间特性的概念，通过这个类比总该可以接受了吧。

定义：

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；

质量M是用于计量物质的量的多少的基本物理量。

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。

小结：

（1）、每一个空间中的封闭三维圆球的半径R，都是这个球的时间线；在时间线上不同的点，对时间间隔长度的度量并不存在统一的标准。所谓相对论带来的时钟“变快”或“变慢”，实际上是用以R上某一点为参照人为规定的、计量时间间隔的长度标准，去量度其它点的T所得结果的直观反映。

（2）、正确理解时间间隔的绝对性、秒长定义的相对性、测量仪器的被动性三者之间的有机关系，是确立正确时间观必不可少的必要的前提。

5、一百余年前庞加莱提出的猜想被“完全证明”，为我们提供了一个正确描述宇宙结构的数学模型。

就整体宇宙而言，N系统即是一个封闭的整体，依据庞加莱猜想不难判定：宇宙是一个其大无比、有边无界的球体。在宇宙中任意一个封闭的三维空间，都必将会形成一个三维圆球；天文观测到的所有天体似乎都像存在于一个湍流的涡旋之中，为封闭空间中的任何一个三维圆球都存在自转的判断，提供了充分而必要的证据。

宇宙中所有的星系团、星系以及任意一个独立的天体，都被包裹在一个三维圆球之中；这些半径R差异极大的三维圆球又可以相互叠加，比如包裹着月球的三维圆球，就被包裹在包裹地球的三维圆球之中……直至包裹太阳系的三维圆球等等，均被包裹在包裹银河系的三维圆球之中。任何种类的天体都被包裹在空间中的一个三维圆球之内的逆命题，却并不完全是真命题，比如包裹着银河系的这个三维圆球的中心，就不存在可以被观测到的天体。传统理论由于受到牛顿所谓引力的误导，称那个空域存在“暗物质”，就纯粹属于臆想的结果。

依据物质～空间系统论、庞加莱猜想证实了封闭的三维空间必定是三维圆球，结合航天实践的经验和环绕速度、脱离速度等数据，不难计算出相对于包裹地球的三维圆球，在距球心不超过6.6×106m的范围内属于三维弯曲空间；在距球心6.6×106m～1.39×107m的范围内，属于渐近闵氏空间；当距离大于1.39×107m之后，就成为渐近三维平坦空间——牛顿引力理论所必需的三维弯曲空间，只存在于距地心6.6×106m的范围之内；相对论所揭示的渐近闵氏空间，存在于距地心6.6×106m～1.39×107m之间，惯性定律所必需的平坦空间，则存在于距地心1.39×107m的范围之外。

推论三、引力理论、广义相对论和惯性系理论分别适用于相对于地球球心不超过6.6×106m、6.6×106m～1.39×107m、大于1.39×107m三种空间；而对地球所谓的渐近三维平坦空间，实际上则是相对于太阳的渐近闵氏空间。在星系团与星系团之间那种非常遥远的距离内，是会存在真正的平坦空间的。

推论四：任何企望用一种特定的理论描述整体宇宙规律的设想，都注定是不可能成功的，因为宇宙空间结构本身的多样性，决定着宇宙中所有的自然运动必将会遵从不尽相同的规律。但是，首先确立适用于平坦空间的L-T结构模型，经过相关变换以得到适用于渐近闵氏空间的L-T结构模型，再变换出适用于弯曲空间的L-T结构模型，是完全有希望实现的。

推论五、引力定律和惯性定律根本不能相容。基于物理学应该描述自然运动的最基本的自然规律，惯性定律根本就不能成立，因为它永远都无法摆脱“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”。但是这个定律用于解决现实生活中的具体问题却非常实用，而科学家则永远都不应该忘记实用性≠真理性！

推论六、平坦空间、渐近闵氏空间和弯曲空间在宇宙中是同时共存的。依据地球和太阳之间的距离（1.49×1011m）计算的结果，渐近闵氏空间应该是弯曲空间的103倍，渐近三维平坦空间则远远大于弯曲空间的1015倍，平坦三维空间的范围将更大些——从整体角度考察，宇宙空间可以认为是平坦的，既不会膨胀、也不会收缩；整体宇宙既是由N系统包容着Z系统的永恒的存在，又是由ε生出M、M湮灭为ε的自组织演化过程。

参 考 书 目
   （1）(英)霍金著 许明贤等译 时间简史 湖南科技出版社 1995年
   （2）海德格尔著 存在与时间 生活 读书 新知三联书店 1987年
   （3）文池主编 宇宙简史 线装书局 2003年
   （4）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
   （5）(英)霍金著 许明贤等译 时间简史 湖南科技出版社 1995年
   （6）（英）牛顿著 自然哲学之数学原理 商务印书馆 1956年