时间和空间的本质

1、时间和空间的本质    时间是什么？空间是什么？似乎是不言自明的问题。但是，我们如果深入地进行研究，就为发现这是关于时间和空间本质的问题，也是很难回答的问题。所以早在公元世纪，被人们称作“教父”的奥古斯丁主教就说：“当人们还没有问起我关于时间时，关于时间我完全知道，但是一经叫我解释时，那才知道，关于时间我什么也不知道。”直到今天，仍有不少人有着与奥古斯丁相似的认识。所以时间和空间的本质是一个值得探讨的问题。从哲学方面来说，时间和空间究竟是物质还是意识，历来都是唯物主义哲学学派与唯心主义哲学学派之间一个主要分岐的问题；从物理学方面来说，时间和空间究竟是物质

2、还是思维工具，是不同物理学派之间一个主要分岐的问题；从科学哲学方面来说，时间和空间究竟是物质还是人们用来描述宇宙的工具，可能成为现代中国科哲学与现代西方科学哲学之间一个主要分岐的问题。所以时间和空间的本质确实是一个值得探讨的问题。几百年来，无论是哲学方面或者是物理学方面，对于时间和空间本质问题都进行了激烈的争论，而这些争论的内容对于我们能否正确认识它们来说是非常重要的，所以我们首先要对这些争论的内容作简单的介绍，然后来探讨时间和空间的本质。一、 哲学家关于时间和空间本质问题的论述世纪中，马克思辩证唯物主义哲学创立后，经常受到反对派的攻击。为了捍卫自已的学说，唯物主义哲学学派与反对它的哲学学派进

3、行了数十年之久的争论，争论的焦点之一就是时间和空间究竟是物质还是意识的问题。在这场争论中，以恩格斯和列宁为代表的唯物主义哲学学派与以卡.耐格里、杜林、马赫和毕尔生等为代表的反对派之间的争论尤为激烈，双方都阐明了自已对于时间和空间本质问题的看法，又相互进行了批驳。这场争论的主要内容如下。（一）恩格斯对于时间和空间本质所作的论述恩格斯对卡.耐格里在自然科学认识的界限报告中所说的“我们准确地知道一小时、一米、一公斤的意思是什么，但是我们不知道时间、空间、力和物质、运动和静止、原因和结果是什么。”进行批驳时说：“这是老生常谈。先从可以感觉到的事物造成抽象，然后又希望看到时间，嗅到空间。经验论者深深地陷

4、入了体会经验的习惯之中，甚至在研究抽象的东西的时候，还以为自已是在感性认识的领域内。我们知道什么是一小时或一米，但是不知道什么是时间和空间！仿佛时间根本不是小时而是其他某种东西，空间根本不是立方米而是其他某种东西！物质的这两种存在形式离开了物质，当然都是无，都只是在我们头脑中存在的空洞的观念、抽象。”2恩格斯还对杜林的“论题：世界在时间上是开端的，在空间上也是有界限的。”进行批驳说：“很清楚，有终点而无开端的无限性，和有开端而无终点的无限性相比，不多不少，都是无限的。只要一点点辩证的洞察力就一定会使杜林先生知道，开端和终点正象北极和南极一样必然是互相联系的，如果略去终点，开端就正好成为终点，即

5、序列所具有的一个终点，反过来也是一样。如果没有数学上运用无限序列的习惯，全部错觉都不可能有了。因为在数学上，为了达到不确定的、无限的东西，必须从确定的、有限的东西出发，所以一切数学的序列，正的或负的，都必须从一开始，否则就无从计算。但是，数学家的观念上的需要，决不是对现实世界的强制法。因为一切存在的基本形式是空间和时间，时间以外的存在和空间以外的存在，同样是非常荒诞的事情。”3可见，恩格思认为“时间”和“空间”是人们从可以感觉到的事物中抽象出来的概念，所以人的感觉器官感觉不到时间和空间；时间和空间是物质的两种存在形式，它们不能离开物质而独立存在；时间是没有开端和终点的；自然界的一切存在的基本形

6、式是时间和空间，时间以外的存在和空间以外的存在都是不可能的。（二）马赫对于时间和空间本质所作的论述马赫在力学一书中写道：“空间和时间是感觉系列的调整了的体系。”4马赫还说：“在生理学方面，时间和空间是判定方位的感觉，它们同感性的感觉一起决定着生物机体合目的的适应反应的发出。在物理学方面，时间和空间是物理要素的相互依存关系。”5可见，马赫认为时间和这间不是客观实在，而是人的意识；在生理学方面，时间和空间是判定方位的感觉；在物理学方面，时间和空间是物理要素的相互依存关系。（二）毕尔生对于时间和空间本质所作的论述毕尔生说：“我们不能断定空间和时间是真实的存在，因为它们不是存在于物中，而是存在于我们感

7、知物的方式中。时间象空间一样，是人的认识能力这部伟大的分类机器用来整理它的材料的方式之一。”6可见，毕尔生认为不能断定空间和时间是真实的存在，因为它们只存在于我们的感知物的方式中，它们是我们感知事物的方式。（三）列宁对于时间和空间本质所作的论述列宁说：“唯物主义既然承认客观实在即运动着的物质不依赖于我们的意识而存在，他也就必然要承认时间和空间的客观实在性。”7列宁还说：“既然杜林不承认，至少不是明确地承认时间和空间的客观实在性，他也就不是偶然地而是必然地一直滚到“终极原因”和“第一次推动”中去，因为他使自已失去了防止超出时间和空间界限的客观标准。如果时间和空间只是概念，那末创造它们的人类就有权

8、利超出它们的界限。”8可见，列宁认为必须承认时间和空间的客观实在性；如果不是明确地承认时间和空间的客观实在性，必然会陷入到依靠非自然的外部力量来推动宇宙的神秘主义的泥潭中。物理学家关于时间和空间本质问题的论述17世纪中，牛顿首先对当时流传的时间概念和空间概念进行论述，创立了自已的时空理论。后来，物理学家对牛顿的时间概念和空间概念进行了长时期争论。在这场争论中，以牛顿为代表的物理学家与以爱因斯坦和史蒂芬.霍金为代表的物理学家之间的争论尤为激烈。这场争论的主要内容如下。（一）牛顿对于时间概念和空间概念所作的论述牛顿说：“到现在为止，我对那些比较不太熟悉的词下了定义，并说明了我在下面论述中将怎样来理

9、解它们的意义。但对时间、空间、位置和运动我并没有下过定义，因为它们已为人们所共知。只不过我必须看到，一般人不是在别的观念下，而是从这些量和可感知的事物的联系中来理解它们的。这样就产生了某些偏见；而为了消除这种偏见，最好是把它们区分为绝对的和相对的，真正的和表观的，数学的和通常的。绝对的、真的及数学的时间（简称为“绝对时间”），按其自身并按其本质来说，在均匀地流动着，与外界任何对象没有关系。此时间亦可名之为延续。相对的、貌似的或平常的时间（简称为“相对时间”），是由感觉所理解到的，外界的用某种运动来作出的时间延续的量度，这种量度或者准确些或者会变动，并在日常生活中用来代替真实的数学时间，例如时、

10、日、月、年。绝对的空间（简称为“绝对空间”），按其实质永运是均匀的和不动的，与任何外界情况无关。相对的空间（简称为“相对空间”）为前者之量度或任何有范围的运动的部分，这部分由我们按照它相对于某些在日常生活中被认为不动的空间的其他物体的位置而确定。这样，例如地下空气或地上大气的空间延展是按照它们相对于地球的位置而定的。”9 可见，牛顿认为时间可以区分为绝对时间和相对时间，空间可以区分为绝对空间和相对空间。（二）爱因斯坦对于时间概念和空间概念所作的论述爱因斯坦说：“在我们看来，个人的经验是排列成一系列的事件的；在这个系列里，我们所记得的单个事件显然是按照“早”“迟”的判据排列着的，而对于这个判据却

11、不能作进一步的分析。因此，对于个人，存在着一种我的时间，即主观时间。这种时间的本身是不可量度的。”10“物理学的时间概念同科学思想以外的时间概念是一致的。因为后者来源于个人经验的时间次序，而这种次序我们必须作为事先规定了的东西来接受。”11“首先，我们要完全避开“空间”这一模糊的字眼。我们必须老实承认，对于“空间”一词，我们无法构成丝毫概念。”12“象在古典力学里一样，空间在这里也是物理实在的表示中的一个独立组成部分。如果我们设想把物质和场移去，惯性空间，或者更为准确地说，这空间同有关的时间一起，却依然存在。”13 “依照古典力学并且依照狭义相对论，空间（空间时间）是独立于物质或者场而存在的。

12、”14“在前几段中，我们的企图是要描述空间、时间和事件这些概念怎样能在心理上同经验发生关系。从逻辑上来看，它们都是人类智慧的自由创造，是思唯的工具，它们都是用来为了使经验彼此发生关系，以便由此可对经验作更好的通盘考查。”15“一个作匀速平移运动的物体的运动学形状取决于它相对于参照系的速度，而且物体的运动学形状和它的几何学形状的区别只是在相对运动的方向上按的比例缩短。一个相对于参照系以匀速运动的钟，由该参照系来评判，比这只钟相对于该参照系为静止时要走得慢一些，其变慢的比例为。”16“根据上面第二个关系式，单位时计两次摆动间的间隔（dt=1）,以我们坐标系里所用的单位表示，就相当于“时间”照此说来

13、，时计邻近的有质物质的质量愈大，它就走得愈慢。”17可见，爱因斯坦认为时间是主观的，这种时间的本身是不可量度的；物理学的时间概念来源于个人经验的时间次序；对于“空间”一词，我们无法构成丝毫概念；空间和时间是物质之外的独立存在；空间和时间都是人类智慧的自由创造，是思维的工具；空间在相对运动的方向上会缩短，时间在相对运动的方向上会变慢；时间在邻近有质物质时也会变慢。（三）爱因斯坦对于“四维时空”问题所作的论述爱因斯坦说；“相对论引起了空间和时间的科学概念的根本改变，用明可夫斯基的名言来说“从今以后，空间本身和时间本身都已成为阴影，只有两者的结合才保持独立的存在。”这种结合叫做“时间空间”，是目前这

14、个条目的主题。”18 “一个人如果不是数学家，当他听到”四维“的事物时，会激发一种象想起神怪事物时所产生的感觉而惊异起来。可是，我们所居住的世界是一个四维空时连续区这句话却是再平凡不过的说法”19“事实上，即使在古典物理学里，事件也已经是由四个数字来定位的，其中三个是空间坐标，一个时间坐标；因此，全部物理“事件”被认为是镶嵌在四维连续流形里的”。20“明（原文为“闵”）可夫斯基简称为“世界”的物理现象的世界，就空时观而言，自然是四维的。因为物理现象的世界是由各个事件组成的，而每一个事件又是由四个数来描述的，这四个数就是三个空间坐标，和一个时间坐标时间量值。具有这个意义的“世界”也是一个连续区，

15、在相对论中，用四维方式来考察这个“世界”是很自然的，因为按照相对论时间已经失去了它的独立性。这已由洛伦兹变换的第四方程表明。”21 可见，爱因斯坦认为时间和空间不能单独地存在，只有两者结合才能存在；自然界是一个四维时空连续区；全部物理事件（也就是物质）是镶嵌在四维连续流形里。（四）史蒂芬.霍金对于时间概念和空间概念所作的论述霍金说：“至少存在三类不同的时间箭头。第一类，热力学时间箭头沿着这一时间方向，无序程度或熵总是在增加的。第二类，心理学时间箭头。这个方向使我们感觉到时间在不断流逝沿着这一时间方向，我们记住了过去，但对未来并无所知。第三类，还存在宇宙学时间箭头。沿着这一方向，宇宙是在膨胀，而

16、不是在收缩。”22“经典广义相对论的奇点定理表明，宇宙必然有一个开端，而且这个开端只能用量子理论来描述。这接下来又会引出如下的观念：在虚时中宇宙可以是有限的，但它没有边界，或者说不存在奇点。然而，一旦回到我们所生活的实时之中，奇点看来仍然是存在的”。23“所谓虚时实际上就是基本时，而被我们称为实时者，只不过是我们头脑中所创造出来的某种东西。在实时中，宇宙有一个开端和一个终点，它们都是奇点，并构成时空的边界，科学定律在奇点处失效。但是，在虚时中就不存在任何奇点或边界。所以，也许被我们称之为虚时者，实际上有着更为基本的概念，而所谓实时仅仅是我们创造出来的一种概念，可用来邦助我们描述我们想象中的宇宙

17、之模样。然而，根据第一讲中我所介绍过的思路，科学理论只是一种数学模型，它可以用来说明我们的观测结果。它仅存在于我们的脑海之中。因此，提出这样的问题是毫无意义的：哪一种是真实的，是“实”时还是“虚”时？这只不过是关于取哪一种对描述宇宙更为有用的问题。”24“人们可以说时间有一个起点，即大爆炸瞬刻，这意味着在这之前的时间是完全不可定义的。应该强调的是，时间有起点之说与以前习以为常的观念大不相同。在一个无变化的宇宙中，时间上的起点必然是由来自宇宙之外、某种不为人知的外因所赋予的。对于一个起点来说，并不存在物理学上的必然性。人们可以设想，上帝确实在过去的任意时刻创造出了宇宙。另一方面，如果宇宙正在膨胀

18、，那么也许存在一些物理学上的理由，可用来说明为什么必然有过一个开端。人们仍然可以相信，是上帝在大爆炸瞬间创造出了宇宙。”25“ 许多人不喜欢时间会有一个起点的观念，其原因可能在于这种观念有点象是掺入了神灵干预的味道。（另一方面，天主教会则充分利用了大爆炸模型，并于1951年正式宣称这一模型与圣经相一致。）”26“时空可以形成一种无边界闭合曲面的观念，同样对上帝在宇宙事务中的作用具有深远的含意。随着科学理论在描述事件时所取得的成功，大多数人渐而相信上帝容许宇宙会按照一套定律来演化。看来他不会干涉宇宙以致破坏这些定律。但是，这些定律并没有告诉我们宇宙在诞生之时看上去应该是何种模样。宇宙应当仍需仰仗

19、上帝来上紧其发条，并选定以何种方式来启动它。只要宇宙有开端，而这个开端又是一个奇点，那么人们就可以假设宇宙乃是在某种外部力量的作用下生成的。”27 可见，霍金认为时间有三个不同类型的箭头；时间可以分为“虚”时和“实”时；“虚”时是更为基本的概念，而我们生活中的“实”时却是人们创造出来的一种概念；判断“虚”时还是“实”时中哪一种是真实时间的标准，是看它们之中哪一种对于描述宇宙更为有用；时间有一个起点，这个起点必然是由来自宇宙之外、某种不为人知的外因所赋予的；时间和空间形成了一种无边界的闭合曲面。二、 时间和空间是物质的两种基本属性前面已经回顾了哲学家关于时间和空间本质问题的论述，也回顾了物理学家

20、关于时间和空间本质问题的论述。现在，哲学家们巳经不再公开地争论这个问题;物理学家认为相对论的创立已经为这场争论划上了句号，所以也不必再进行争论了。但是，事实并非如此！例如：世界上任何人的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等感觉器官（即使借助十分精密的科学仪器）也不能感觉到“时间”和“空间”，那末，物理学家怎么会知道“时间”会变慢和“空间”会缩短？怎么会观测到“时间”变慢的数值和“空间”缩短的数值？显然，这表明人们对于时间和空间本质问题的争论并没结束！物理学家说，科学理论已经证实“时间”是上帝在宇宙大爆炸瞬刻创造出来的。对于这种科学理论，信仰天主教的人是很容易理解的；信仰佛教、道教和其他宗教的人就不容

21、易理解了；信仰辩证唯物主义哲学的人是无法理解的。显然，这也表明人们对于时间和空间本质问题的争论并没有结束！在这种争论并没有真正结束的情况下，最佳的选择是打破沉默、继续进行探讨。因此，我们首先对哲学家的时空理论、物理学家的时空理论、有关时空问题的物理实验、以及人们在日常生活中和科学技术活动中涉及到的时空问题进行研究，再根据研究的结果，给时间概念和空间概念下定义，然后讨论时间和空间的性质。（一） 时间概念和空间概念的定义时间和空间早在牛顿生活时代已经是人们所共知的概念，它们也是古代东方人和古代西方人早已独立地约定成俗的概念。随着科学技术的进步，时间概念和空间概念也发生了变化。例如，牛顿生活时代，人

22、们把时、日、月和年等称作“时间”（牛顿把它们称作“相对时间”），把地下空气和地上大气的空间延展称作“空间”（牛顿把它们称作“相对空间”）。现在，人们把时间的先后称作“早”和“晚”，并用“秒”（1秒=9192631770铯周期）作为计量时间数值的单位；把一个方向的空间称作“长度”，把平面形状的空间称作“面积”，把立体形状的空间称作“体积”，并用“米”（1米=1650763。73氪86在真空中的波长）作为计量长度数值的单位，以及用“平方米”和“立方米”分别作为计量面积和体积数值的单位。但是，这两个概念所反映的事物并没有发生根本性的变化。因此，我们可以根据牛顿生活时代人和现代人所说的时间概念反映出的

23、事物的本质属性，以及根据牛顿生活时代人和现代人们所说的空间概念反映出的事物的本质属性，给这两个概念定义如下： 时间是物质的运动与变化的过程长短和次序先后。空间是物质的存在范围的形状和大小。根据这种定义，可以知道：牛顿所说的时、日、月和年等相对时间，分别是地球自转一周的运动过程长短的124、地球自转一周的运动过程的长短、地球绕太阳一周的运动过程长短的112以及地球绕太阳一周的运动过程的长短；爱因斯坦所说的钟的滴嗒声里显示出来的时间，是钟摆的摆动过程的长短；时间单位“秒”，是铯原子振荡一次的过程长短的9192631770倍;人们所说的任何一种物质的时间，必定是该物质的运动与变化的过程长短和次序先后

24、。这几种时间，是人们可以感觉到的各种物质时间中的几个例子，所以在命名这类时间时，应该把它们分别称作“某某（代表某一个特定物质的名称）物质的时间”。而且，这类时间概念,是外延最小的时间概念（也就是最小的“被包含概念或种概念”）。牛顿所说的“绝对时间”、爱因斯坦所说的“时间”和人们通常所说的“时间”，都是人们对于自然界中各种物质时间的统称。而且，这种时间概念，是外延最大的时间概念（也就是最大的“包含概念或属概念”）。牛顿所说的地下空气或地上大气的空间延展等相对空间，分别是地下空气的存在范围的形状和大小，以及地上大气的存在范围的形状和大小；爱因斯坦所说的米尺的空间，是米尺在一个方向的存在范围的形状和

25、大小；长度单位“米”，是氪86一个波形在它传播方向的存在范围大小的1650763。73倍；人们所说的任何一种物质的空间，必定是该物质的存在范围的形状和大小。这几种空间，是人们可以感觉到的各种物质空间中的几个例子，所以在命名这类空间时，应该把它们分别称作“某某物质的空间”。而且，这类空间概念，是外延最小的空间概念。牛顿所说的“绝对空间”、爱因斯坦所说的“空间”和是人们通常所说的“空间”，都是人们对于自然界中各种物质空间的统称。而且，这种空间概念，是外延最大的空间概念。（二）时间和空间是物质的基本属性人们在日常生活中和科学技术活动中应用时间概念和空间概念时，通常都会应用两个未经过区别的、语词相同而

26、含义不同的时间概念和空间概念，即应用外延最小的时间概念（种概念）和外延最大的时间概念（属概念），以及应用外延最小的空间概念（种概念）和外延最大的空间概念（属概念）。这两个时间概念和空间概念反映的事物虽然有相同之处（即概念的内涵是相同的），但也有不同之处（即概念的外延是不同的），所以在研究时空问题时必须仔细辨别。根据时间概念的定义，可以知道：作为种概念的时间（在这种概念的“时间”一词之前必定有特定的物质名称），反映的是自然界中某一个物质所具有的运动与变化的过程长短和次序先后的性质。因此，人的感觉器官感觉到这个物质时，也就能够感觉到它的时间的数值大小；作为属概念的时间（在这种概念的“时间”一词之前

27、没有特定的物质名称），反映的是自然界中各种物质共同具有的运动与变化的过程长短和次序先后的性质。由于自然界中并没有可以称作“各种物质”的事物，所以人的感觉器官无法感觉到这种时间的数值大小。根据空间概念的定义，可以知道：作为种概念的空间（在这种概念的“空间”一词之前必定有特定的物质名称），反映的是自然界中某一个物质所具有的存在范围的形状和大小的性质。因此，人的感觉器官感觉到这个物质时，也就能够感觉到它的空间的数值大小；作为属概念的空间（在这种概念的“空间”一词之前没有特定的物质名称），反映的是自然界中各种物质共同具有的存在范围的形状和大小的性质。由于自然界中并没有可以称作“各种物质”的事物，所以人

28、的感觉器官感觉不到这种空间的数值大小。根据时间概念和空间概念的定义，以及在掌握了辨别两个不同的时间概念和两个不同的空间概念的方法后，我们就可以知道时间和空间具有如下的基本属性。第一，时间是物质在运动与变化过种是显示出来的一种属性，空间是物质在存在状态下显示出来的一种属性，它们是物质的两种基本属性。所以时间和空间不能离开物质而独立存在，也不能离开物质而构成四维连续流形。因此，凡是断定“绝对的、真的及数学的时间”，“绝对的空间”，“如果我们设想把物质和场移去，惯性空间，或者更为准确说，这空间同有关时间一起，却依然存在”，“空间（空间时间）是独立于物质或者场而存在的”，“全部物理“事件”被认为是镶嵌在四维连续流形里的”，“至少存在着三类不同的时间箭头”，以及“虚时”和“实时”等理论，都与客观存在的事实不符合。第二，被人们作为种概念应用的时间概念和空间概念，所反映的时间和空间的数值是可以进行量度的；被人们作为属概念应用的时间概念和空间概念，所反应的时间和