坚持时空相对和绝对性的辨证统一   为现代物理学大厦奠定牢固的基础

马国梁

时空是现代物理学的基础，我们能否正确的认识时空关系到这座物理学大厦的基础是否牢固，在哲学和其它自然科学中也有着重大的意义。

时空是时间和空间的简称。时间、空间都是抽象的概念，是我们从物质的存在、运动和变化中提取它们的共同特征而形成的（就象“水果”的概念一样）。空间是我们从物体的形状、位置及运动中认识到它的三维性、连续性、无限性及统一性的，它是所有物质共用的场所；时间是我们从物质的运动、变化过程中认识到它的一维性、连续性、无限性及统一性的，它是包容所有事物并运载它们一起前行的一条长河。时空都是客观存在的事物。

时空的存在与物质相比是居于第二位的，我们始终认为物质是第一性的。假如没有物质，那么时空是否还存在我们不得而知，但那样的话我们就绝不会形成时空的概念，也没法认识它的各种性质。因此从这个意义上说时空是依附于物质而存在的。就象“山洞”一样，倘若没有山，那么同样一方空间也就没法再成为洞；也如同人的衣服一样，如果没有人，那就谈不上衣服。

无限的空间容纳了所有的物质，并为物质的运动和演化提供了广阔的舞台和背景。没有不占空间的物质，也没有不含物质的空间。只是空间各处的物质密度有所不同，且都处在不断的张落之中。无限的物质通过相互作用结成一个庞大的系统，而无限的、统一的空间与这个物质系统则融为一体、不可分开。空间如果是一张白纸，那么物质就是纸上的字画。

无限的空间是绝对的、静止的、永恒不变的。无论它内部的局部空间如何运动、收缩或扭曲，都不会影响总体的性质。这就象在海面上，虽然总是波浪翻滚，但并不妨碍它在总体上是一个平面一样。无限的时间是连续的、均匀的、统一的。虽然每个物质系统的运动、变化过程不可能永远连续、均匀，但所有物质系统在运动、变化过程中的均匀段组合起来即足以保证时间的连续、均匀性。这就象每个人的手表不可能都走准，但把所有手表的走准段都组合起来即可以表示准确的时间一样。整个宇宙中的时间是统一的、一维的，在每一个时刻各物质系统都有一个对应的状态。假如有一种传播速度为无穷大的信息媒介，那么就可以把宇宙中所有的“同一时刻”都统一起来。可惜我们还没有这样的信息媒介。如用传播速度有限的媒介来传递信息，那么“异地的同时性”就必须排除信息传播所需时间的影响。

局部的隶属于各物质系统的时空是有限的、相对的、运动的、可变的，有可能因时、因地、因运动状态而异，但时空的变化必须通过系统内部大部分物质的变化来体现；如果只是少部分物质的变化，那么就不能叫做时空的变化。例如“天上一日、地下一年”、“洞中方七日，世上已千年”的说法就是反映时间会“因地而异”的神话。在那里所有物体的运动变化过程，包括时钟运行、人的生理、思维活动等都变慢了，而不是只有少数过程变慢。空间也是一样。在格列佛的“小人国旅游记”中，虽然小人国收缩了，但格列佛在那里并没有收缩，所以就不能说那个地方的空间是收缩的。在爱因斯坦的“弯曲空间”中，因为外边的直尺拿到该地并没有发生弯曲；各物体当以不同的速度通过该地时轨迹的曲率都不相同，所以也不能说那个地方的空间是弯曲的。只凭光线通过时所发生的弯曲现象不能代表空间也是弯曲的。恰恰相反，倒有更多的事实证明空间是平直的。

说隶属于各物质系统的局部时空可变并不是说它们就一定可变，而是让我们的思维多一条方向，让我们对某些物质现象的解释多一种方法。我们实在没法证明各物质系统的时空特性是永恒不变的。两个三角形在重合时是全等的，可是当它们分居两地时还全等吗？我们没法证明！我们也没法证明一根米尺在运动起来之后是否还和静止时的一样长。时钟也是这样：两只在同一地点校准的时钟，可是在将它们分开之后是否还保持同步呢？同一只时钟在运动时的运行速率是否还和静止时的相同呢？我们都无从知道。其微小的变化测不出不等于不存在。

爱因斯坦的狭义相对论否定空间的物质性和物体运动的绝对性，认为一切运动都只是相对的，这是不符合事实的。所有物体彼此间的运动是相对的，但物体在充满物质的空间中的运动则是绝对的。物体在穿越空间物质运动时会有各种效应发生。例如可以体现出物体的惯性，使之具有动量和动能；还使物体的运动速度有了上限；故它也可能改变物体的时空特性，使之发生“尺缩钟慢”现象。所以在将来的新时空理论中，我们首先应承认时空的物质性和物体运动的绝对性，承认在做绝对运动的物体上发生“纵向长度收缩SQRT(1-uu/cc)、时钟运行速率减慢SQRT(1-uu/cc)”的可能性。只有这样建立的时空理论，才能使迈克尔逊—莫雷实验结果得到最合理的解释；才能在做绝对运动的惯性系中，让所有闭合光路的平均测量速度都恒等于c ；才能在做绝对惯性运动的均匀介质中，让点光源的波面都成为标准的椭圆球面。而在低速运动情况下，“尺缩钟慢”则完全可以忽略，这与我们的常识相符——如此一类简单、优美的时空理论，我们有何理由不去重视并积极推广呢？而二十一世纪的物理学难道不应该有一个更牢固的基础吗？

至于物体的时空特性在引力场和惯性（力）场中的变化规律我们现在还不清楚。它在引力场中属于时空“因地而异”的情形，而在惯性场中则属于时空“因运动状态而异”的情形。它们都是今后应当继续研究的课题。但绝不会是爱因斯坦在“广义相对论”里所讲的那样，什么空间可以“弯曲”，时钟运行速率可由 “引力势”改变等等。爱因斯坦将二十世纪的物理学引向了一条似是而非、毫无前途的邪路。在这个世纪里我们应该迷途知返，将物理学这辆高速行驶的列车扳回正确的轨道。

事实上，早在17世纪，英国伟大的物理学家牛顿就为我们奠定了理想的时空基础，可惜我们没有正确理解他的思想。他在《自然哲学的数学原理》一书中，将时间和空间分为绝对的与相对的、真实的与表象的以及数学的与普通的。并说：“绝对的、真实的和数学的时间由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关；相对的、表象的和普通的时间是可感知和外在的，是对运动之延续的量度，它常被用以代替真实时间。”“绝对空间的自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动；相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构或是对绝对空间的量度。我们通过它与物体的相对位置感知它，它一般被当作是不可移动的。”他的“绝对时空”因“与外在事物无关”，所以曾被指责是脱离实际的唯心主义的东西。其实“时空”既然是从现实世界中抽象出来的理想化了的概念，那它就必然与现实拉开了距离，成为“既源于现实、又高于现实”的东西。“马”是从现实中的大马小马、公马母马、白马黑马、骏马驽马中抽象出来的，所以一匹抽象的“马”不可能是一匹刚出生的小马，一匹瘸腿的残疾马，一匹跑不快的劣马，这些都不是我们一般想象的“马”。所以若将“绝对时空与外在事物无关”理解成是“绝对时空不受外在事物的干扰”，这样也许可以避免人们的责难。另再补充上“相对时空”可能因时、因地、因运动状态而异，这样时空的概念即准确、完整了。

有了物质的、绝对的、静止的空间，那么就为各物体的存在、运动提供了共同的框架和背景，我们就有了统一的、绝对静止的参照物和参照系，用以研究各物体的绝对运动情况。而有了相对的、运动的、可变的空间，那么各物质系统也就有了相对稳定的、正常的一方时空，有了运动的惯性系，用以研究系统内部的运动情况，并为我们解释更多的物质现象打下了基础。同一质点在不同的绝对惯性系中具有不同的时空坐标，彼此之间可以相互转化。但在运动的惯性系之间，这种转化是相当烦琐的，倒是在动、静惯性系之间转化起来比较简单。我们根据前面所述的“尺缩钟慢”效应并参照伽利略变换式，可得在绝对静止、运动的惯性系之间对同一点时空坐标的变换式为

x′= (x – ut ) / SQRT(1- uu/cc)        y′= y         z′=  z

t′= t  SQRT(1- uu/cc )

这个变换比伽利略变换要高一级，它是替代洛仑兹变换的理想变换，理应成为现代物理学的基础。

我们是彻底的辩证唯物主义者，我们坚持对立统一的观点，任何单纯强调片面一方的观点都是错误的。绝对时空与相对时空是彼此不同的，是对立的，但它们又是统一的。时空和运动都是“即是相对的、又是绝对的”。绝对时空是相对时空存在的前提，而相对时空则是绝对时空的具体体现；绝对时空是无限的，它包容了所有的相对时空。而相对时空则是有限的，它们都是绝对时空的一部分。在这里，总体和部分的性质有所不同。运动和静止也有绝对和相对之分。同级物体彼此间的运动（静止）是相对的，但它们相对高一级的参照物（系）来说，运动（静止）则是绝对的。被选作参照物的级别不同，运动的性质也就不同。绝对运动也是物体相对空间物质的运动，而相对运动则是两个物体的绝对运动之差。两物体之间如果没有任何隔离物质的话，那么它们的相对距离及相对运动都将变得毫无意义。

综上所述，我们应当面对现实，承认空间的物质性；承认时空在总体上的绝对性、静止性、不变性，在局部上的相对性、运动性和可变性；承认有绝对静止的参照物和绝对运动的存在；承认物体的时空特性具有一定的可变性。只有这样，我们才能彻底纠正过去在时空问题上的迷惑及错误认识，清除爱因斯坦相对论百年以来所造成的理论混乱，为物理学的新发展开辟更为广阔的空间，促之实现它在新世纪里的又一次腾飞。