论时空的物质性

二十世纪初,物理学产生了突破,一个新的物理学领域——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。
马克思主义
基本原理概论论文
题 目：论时空的物质性
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考核学期：2014至2015学年 第一学期
论时空的物质性
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摘 要：本文从相对论的角度，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。
“现在”作为一个无限短的量，与无穷大、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，都是既有量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？
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·内篇》)
此处的“上天下地”，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。
四维宇宙的量是无穷大乘无穷小。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：w•t=wt（空时）
在这一公式中，当w是宇宙时，w•t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=1（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不是无穷大的宇宙，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w•t也是无穷小。
理解了时间的长度，我们就可以进而分析事物在高速运动中方向的变化。任何事物都是四维的，任何事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大。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。
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？
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。
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？
即它相对运动的观测者长度变短了。
另一现象就是时间的膨胀。设有一物理事件的过程相对观测者静止时间间隔为Δt,而相对以u匀速运动的观测者测得该物理事件的时间间隔为Δt',则由洛仑兹变换得:
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。
1时间与空间不能脱离物质而单独存在
近代伟大的物理学家牛顿(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千年的历史。
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”的量究竟有多少呢？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。
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',y',z',t'),当t=t'=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:
式中 ；由此变换我们可以给出运动方向放置一静止时测的长度为L0的尺,而该尺相对观察者以u匀速运动时测得的长度为:
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(1619一1692)也曾经有关于时空的议论,他说:
那些在平面上运动的事物，当它转入三维空间运动时，变化并不大。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，当事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大转弯。
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TA，北京的时间是T0。TA与T0是同时的。他到达北京的时间是T0’，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T0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T0’与T0都在。或者说，T0’与T0都处于“现在”之内，二者同时存在。又因为TA与也是同时的，所以TA、T0、T0’三者都是同时的。此处的“现在”的量当然大于无限小。
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、日、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。一定事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。
不同事物的量变或质变的时间长度是不同的，“现在”的长度差别很大。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，就某一较大的事物来说，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大，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。