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物农学的时间和空间概念不可与文学上的时间和

时间:2020-01-25 18:10来源:数理科学
物理学随着人们对时空与物理客体之间关系的认识之进化而进化,从而时空概念本身及其在物理学中的地位和作用,也在发生着相应的变化。 爱因斯坦是继阿基米德、牛顿之后有一位伟

物理学随着人们对时空与物理客体之间关系的认识之进化而进化,从而时空概念本身及其在物理学中的地位和作用,也在发生着相应的变化。

爱因斯坦是继阿基米德、牛顿之后有一位伟大的科学家,他提出的相对论可以说是 20 世纪最伟大的成果,相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,它们共同奠定了现代物理学的基础。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空等全新的概念。

来源:《中国社会科学》(京)2019年第2期 作者:高策 乔笑斐

凤凰彩票在线计划,尽管物理学家在面对一个共同的客观世界时,可以持有不同的时空观,然而在一定的历史条件下,物理学必须并且只能以一个一致的时空概念作为其研究的基础和出发点。物理学的时空概念不可与哲学上的时空观相等同,因为前者以科学论证为特征,而后者以抽象思辨为特征。但是,它们以不同的方式都影响着物理学家的研究,为破除旧的概念、形成新的概念提供着方法论武器。而当一种物理时空概念形成,进而发展成为科学理论体系,并以其科学的特质影响着不同的哲学学派对时空概念的解读时,物理学的时空观便成为哲学时空观的科学基础。哲学史上的时空观就是在与物理学时空概念的抽象化、理想化要求之间的相互作用和相互启发中,产生和演变的。

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原帖:

近代科学以一种时空和物质相分离的观念作为出发点并在此基础上发展起来,这是伽利略、笛卡尔、牛顿等人对传统自然哲学时空观进行批判和扬弃的结果,由此形成了科学化的时空概念。这种时空概念一开始是一种数学化、具有公理性的规定,后来逐渐为哲学家所理解和接受。它将因果性不仅确立为自然的基本原理,而且确立为哲学在理解自然时的基本观念。这种观念为构成近代科学的哲学基础起到了背景的作用。在物理学上,坚信自然的物理规律是统一的信念和对物质本原的深入研究,推动着物理学时空概念的发展;时空概念的变革成为物理学发展过程中解决理论矛盾的出路。

然而爱因斯坦最伟大的成就几乎都在 1920 年之前完成,之后再无惊世的成果,很多人都说爱因斯坦沉迷于神学之中,其实并不是,爱因斯坦是继续沿着麦克斯韦的路,想要完成宇宙大一统。

作者简介:高策,山西大学科学技术史研究所教授;乔笑斐,山西大学科学技术史研究所讲师。

时空概念的进化最终导致时空自身作为一种特殊的对象而成为物理学的研究目标。时空的内禀性质需要发掘,时空成为物质和物理作用性质的起因;时空从超自然回归自然,时空概念从先验的公理概念转变为实在性概念:时空是实在的本性和表现之一——这些变化触动了以牛顿力学观念为科学基础的哲学体系,促成了哲学上的大变革:一种发展的、变化的、整体的且具有丰富相互作用关系的时空图景进入到不同哲学派别的时空观念中,形成了尔后科学与哲学之间种种相互作用的新起点。

我们曾说评选全世界最伟大的两位物理学家,那么牛顿爱因斯坦将毫无疑问入选,一个人构建了宏观世界的力学体系,一位带我们进入了微观世界,探索这茫茫宇宙。而连接这两位的,毫无疑问是麦克斯韦,他是旧时代的终结者,也是新时代的开创者。

标题注释:本文为国家社会科学基金重大项目“当代量子论与新科学哲学的兴起”(16ZDA1l3)阶段性成果。

一、科学化时空概念的建立和演变

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物理学尤其是基础物理学的研究,构成了人们认识物质世界深层本质的主要来源,是我们了解和把握整个科学发展的基础。20世纪以来,随着基础物理学理论的不断革命和突破,人类对自然界的认识经历了三个主要阶段。第一阶段以量子力学和相对论为代表,构成了整个物理学的支柱,其应用被延伸到了几乎所有物理学的分支领域,彻底改变了人们对物理世界的理解;第二阶段以粒子物理的标准模型和宇宙学的标准宇宙模型为代表,在物理学的统一方面取得了极大的进展;第三阶段以超弦与圈量子引力为代表,虽然目前它们还只是数学结构,而非成熟的物理理论,但正因如此,哲学讨论的意义更大。随着科学研究的尺度进入普朗克标度,远远超出了现有实验技术的可检验范围,物理学中关于物质、时间、空间等一些基本概念的内涵被深刻地改变,正在酝酿着物理学史上一场新的革命,堪称继近代物理学革命与20世纪初量子论和相对论革命之后的第三次科学革命。

第一个科学意义上的时空概念是被称为“绝对时空”的牛顿力学中的时空概念。牛顿说:“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”;“绝对空间:其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。”这里的时间是作为一种一维空间化的东西来看待的,因此牛顿范式下的时空问题实际上是一种广义的空间问题,形成的是承担“因果”的“序”(物理客体间的“形”的变化)的一维空间和作为“量”(物理客体的“形”的分布)的三维空间的一个总合的空间概念。这个空间概念被定义为与物理作用无关,其时空下两点间的作用是“瞬间”的、超距的,因为这个时空是由两个互不关联的空间形式并行存在的。这个时空的主要特征和作用是作为运动的背景和运动量的度量的背景,并可按照欧氏几何将其几何化。

他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,也是物理史上的第一次大一统,可以说没有麦克斯韦,就没有现代文明。

从科学哲学的角度来看,20世纪科学哲学的发展与物理学发展的三个阶段是同步的。第一阶段,量子论和相对论的建立,直接促成了科学哲学的产生;第二阶段,两个标准模型建立的过程,也正是科学哲学走向成熟的阶段;第三阶段,基础物理学所建立的新的概念体系,已经超越了传统科学哲学的范畴。两个标准模型形成后,随着希格斯粒子和引力波的发现,实验进一步证实了量子力学和广义相对论,但与此同时,仍然存在诸如暗物质、暗能量等现有的两个标准模型不能解释的问题。此时的情形非常类似20世纪初,一方面,传统科学范式取得了极大的成功,我们似乎抓住了部分真理;另一方面,同时存在很多传统范式无法解释的现象,更深层的真理初露端倪。因此,我们引入后真相科学时代①来指称这一时代。在这个全新的时代,科学理论越来越远离科学实验,人们可观测的世界与客观存在之间似乎横亘了一条不可逾越的鸿沟,研究的尺度深入到了普朗克标度,科学家不得不在目前实验不能给出验证的现实条件下,从事艰苦的理论探索。其发展的方向以量子力学与相对论融合为目标,以超弦与圈量子引力为代表。相对应地,按照人们对真相涵义的理解,我们可以将整个科学史进行重新划分。

除了作为背景之外,这种空间没有其他作用。因此爱因斯坦在总结牛顿意义下的空间概念时说道:“空间不仅作为一个同物质客体无关的独立的东西而引进来,而且还指定它在整个理论的因果结构中担任一个绝对的角色。这个角色从这样的意义上说来是绝对的空间作用于一切物质客体,可是这些物质客体却不反过来给空间以任何反作用。”(《爱因斯坦文集》第1卷,第589页)对于这种传统意义上的空间概念,爱因斯坦还写道:“空间的这两种概念可以像下面这样对比起来:空间作为物质客体世界的位置性质;空间作为一切物质客体的容器。在情况,要是没有物质客体,空间是不可思议的。在情况,物质客体只能被想象为存在于空间里面的;因此空间好像是这样一种实在,它在某种意义上是超越于物质世界的。”这种时空概念在一定意义上超越了物质世界,使得问题的处理大大简化。

据说剑桥某位物理学家有一次恭维爱因斯坦说:“你站在了牛顿的肩上”,爱因斯坦却回答:不,我是站在麦克斯韦的肩上!

前真相时代,从古希腊时期至哥白尼革命,典型代表为亚里士多德的物理学。该时代科学尚未从哲学中独立,人们理解的真相很大程度上基于传统、观念和信仰等因素。

经典物理理论中作为一切物理现象背景的时空概念的建立,对物理学摆脱自然哲学的纯思辨、走向科学化的分析起了决定性的作用,也系统地阐发了机械唯物主义的时空观;其最重要的贡献就是用科学的体系确立了因果性在科学和哲学上的重要地位。

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真相时代,从哥白尼革命至20世纪70年代标准模型的建立。该时代科学从哲学中独立出来,基于数学推理和实验验证,形成了自己独特的研究方法,对真相的理解主要基于经过经验检验的科学理论。真相时代又可分为宏观真相时代和量子真相时代两个部分。宏观真相时代,以牛顿力学和麦克斯韦电磁学为代表;量子真相时代,②以量子力学和相对论为代表,包括粒子物理和宇宙学两个标准模型。

然而,19世纪末物理学的黑体辐射和以太问题,导致了对这种“绝对时空”观的合理性的怀疑,由此引起了空间概念的变化及其在物理理论中的角色的改变。相对论统一了时间和空间的地位和作用,消除了各自的独立性,使时空成为一个关联的整体。相对论的产生引发了对时空问题的哲学思辨的新热潮。这时,直观、经验、综合的局限性被人们再次认识到,新理论下的时空概念变得相当技术化。科学史家杰拉耳德·霍耳顿认为:“相对论不但对于物理学本身,而且对于现代科学的哲学也是一种关键性的进展。”(见许良英编,第17页)这样一种新时空概念及其所形成的对自然的新时空观,并不容易被理解和接受。同时,这种时空概念与哲学上传统的时空观表现出有限性和无限性、直观性和非直观性上的冲突,有限与无限、有界与无界的辩证关系再次进入人们的思考中,这进一步增加了对其理解的难度。所以,无论是在物理学上还是哲学上,接受相对论的时空概念都不是一件轻而易举的事情。

爱因斯坦一生的科研之路就是在走麦克斯韦未走完的路,狭义相对论显然是为了解决麦克斯韦电磁理论与经典力学的矛盾才得以建立的,而广义相对论则是前面思想之延续。而其耗尽半生精力研究的统一场论,也是以统一引力场和电磁场为目标,实现物理史的第二次大一统。

后真相时代,两个标准模型之后,以超弦与圈量子引力为代表。

新的时空概念必然改变时空在理论中的地位和作用。普遍的背景作用被消除后,时空就像一切物理客体一样与其他物理客体之间存在相互作用:时空的特性依赖于其他物理客体,同时通过对其他物理客体的作用表现出自身的特性。引力可以用空间几何特征的空间弯曲得到解释和理解;物质间的作用以及物质的产生与我们所处时空的基本特性有关,即我们为什么具有这样的物质结构,是与时空的本性相关的,而我们的时空为什么是这样的,也是由物质世界的结构所决定的。这样一来,经典理论中那些特设性的形而上学的概念就被剔除了,时空的本质与物理客体的作用关联了起来,从而为将时空自身作为需要研究的物理实在提供了条件。时空的地位不再完全凌驾于一切物理对象和作用之上,而是同它们相互融合。物理学的时空概念变成了哲学时空观在物理学中的狭义表现。

场论的概念同样是起源于麦克斯韦的电磁场理论,麦克斯韦电磁场理论的核心概念是“场”,在某种空间区域,其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力,这就是“场”。那么一个带电物体对其他带电物体施加一种力(吸引力或排斥力,取决于极性)。磁体周围有磁场。

在新的时代,科学与哲学的关系也发生了微妙的变化,科学与哲学在科学探索的最深处似乎又相遇在一起。部分物理学家和数学家正在形成新的共同体,这个共同体的成员和哲学家又开始在一个平台上讨论同样的问题。一场新的科学革命正在酝酿,新的哲学理论也初见曙光,我们把正在萌芽中的新科学哲学理论称为后真相时代的科学哲学。真相时代的科学哲学,关于科学理论真理性的辩护,都强烈依赖于经验的检验。而在后真相时代,新的科学理论,一方面对传统的科学观念构成了极大的挑战,另一方面,理论的真理性又很难通过实验给出确认。因此,从哲学的角度审视科学中出现的挑战以及科学变革的内在张力,并据此重塑科学哲学的基本理论,是当下科学哲学亟需处理的重要议题。

物质结构和微观领域的研究从另一个角度再次冲击了传统的时空观。量子的概念使得物理对象的全域性成为普遍的。物理客体的描述不存在严格意义上的边界,而客体的边界的消失使得物理客体与其背景的“空间”在严格意义上也不再可以区分。量子同场的概念相结合,物质和空间不再彼此独立,所以爱因斯坦说:“没有场的空间是不存在的。”时空和场是一个互相制约、互相依存的整体,是一个东西的两种不同的表述,理解物理时空就是理解“场”。

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一、时代特征

当代物理学中的时空概念从某种意义上反映了经验和理性之间的辩证关系,说明仅从经验出发是不够的,还需要排除直观经验的干扰,用理性的力量去把握现象之后的东西。

磁场

从后真相时代回看整个科学的发展,呈现出了清晰的脉络,使我们能更加深刻地理解不同时代的科学范式及其发展的内在规律。下文将从空间尺度、科学方法和科学认识等多个层面,对不同时代科学理论的特征给出详细说明。

总之,时空的概念经历了一个从形而上的背景到实在的本体的变化过程。从牛顿的“与一切外在事物无关的绝对空间和时间”,到爱因斯坦的以“场”的形式存在的空间,时空概念在物理学中发生了巨大的变化或者说进化。理解时空概念在不同阶段的产生过程和内涵,可以帮助我们理解这一演变的必然性。

因为受宏观场存在形式的影响(不涉及分子、原子、电子等内部结构或机制,麦克斯韦的时代物理研究还没有深入微观领域)麦克斯韦电磁场理论对场的认识还是模糊的,停留在“以场论场”阶段,电力线和磁力线所描述的只是电场和磁场的宏观性质,并没有阐明场的性质和起源。

(一)不同时代理论研究的空间尺度

二、作为物理背景的时空

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前真相时代,物理学研究的尺度主要集中于人类肉眼所及的范围。该时代研究的尺度大约为毫米到太阳系,而且只能观测到星体的大概位置,没有精确的测量;宏观真相时代,放弃了以直接肉眼的观察作为依据,观察的手段不是自明的,而是依赖于新的理论和实验技术。随着实验方法的不断成熟和改进,物理学持续不断地开辟出新的研究领域。该时代研究的尺度大约为原子到太阳系的范围,而且观测更为精确;量子真相时代科学研究的对象从宏观世界过渡到了量子尺度,很多微观粒子无法直接观测,只能通过精密的实验仪器(粒子加速器、大型天文望远镜等)观测得到大量的数据,然后计算出相应的参数。该时代的研究尺度跨越了从夸克到整个可观测宇宙的范围。

古希腊人认为,人类有三种重要的空间经验:处所经验、虚空经验和广延经验。前科学时期,亚里士多德提出了“处所”的空间范畴,同时欧几里得建立了以几何图形为对象的几何体系。但“处所”并未与几何相结合,一些学者研究认为,三维的欧氏空间在欧几里得的心目中并不存在。“处所”是亚氏以后的主要空间范畴。亚氏的“处所”是非背景化的、局域化的,并被其目的论的运动理论赋予了绝对的不均匀性,所以“处所”不可以作为所有物体定位的背景空间,也无法几何化。“处所”范畴不能形成近代的空间概念,从而也未能使亚氏的物理学成为一种科学体系。

不过,麦克斯韦的电磁场理论统一了电和磁的作用,它是历史上第一个几种相互作用的统一理论。使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来,开始接受电磁作用和引力作用都是“近距作用”的观念。

后真相时代,人们开始深入到普朗克标度寻求引力和量子力学的统一。普朗克能量的值极大,普朗克时间的值却极其微小,远远超过了现有粒子加速器的能量范围。另外,在宇宙中也存在一些特殊的拥有量子引力效应的物理域,如大爆炸刚发生之后的宇宙、黑洞等,但是实验上进行探测非常困难。因此,这一时代的研究尺度从普朗克标度跨越到了整个宇宙的诞生和演化,进入了目前技术几乎无法探测的领域,很难通过实验来对不同量子引力理论进行鉴别和验证。

牛顿的近代空间概念具有两个重要的特征:背景特征和几何化特征。背景特征在物理学中的作用是最为关键的。在纷杂的世界中将欧氏几何的数学特征赋予空间、将空间作为“背景”,这是一个大胆而且方便的抽象。要使空间成为背景,空间就必须成为一个与物理客体对立的、在任何运动下都不会改变的存在,并且它在被赋予几何性质前必须是均质的。牛顿的绝对时空概念的提出正是这一要求的反映。这既符合当时人类的经验,也吸收了自然哲学的成就。这种近代的空间观念在物理学及其发展中扮演了十分重要的角色,它使数学化的技术手段得以实现。因此,它成为这一时期物理学的前提基础,是物理学科学革命的起点,从此物理学走向了严密自然科学发展的道路。

后来物理学家将它放在微观领域之中,当一个电荷移动时,另一个电荷并不会立刻感应到。第一个电荷会感应到一个反作用力,并获得动量,但第二个电荷则没有感应,直到第一个电荷移动的影响以光速传递到第二个电荷那里,并给予其动量之后。那在第二个电荷移动前,动量就藏在场中。那么就这样就解释了电磁场的存在。后来场的概念成为整个现代物理的范式。

(二)不同时代科学的方法论特征

按照这种时空观,不仅要将物理客体同时空相分离,也要把人从时空中分离出来,使人的认识对于时空是统一的,要排除无处不在的观察者的影响。因此,牛顿赋予作为理论基础的空间一个绝对的性质:以绝对时空为背景的惯性参考系,通过满足伽利略的相对性原理而保持其物理上的和谐与统一性。之后,笛卡尔的坐标系又将牛顿的绝对时空的数学化精致地表现出来。不论这种严格意义上的惯性系在经验上是否存在,它在理论的建立中都起到了关键的前提作用。

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前真相时代,数学、物理学都属于哲学研究的范畴。整体而言,这一时代的自然哲学用常识经验和逻辑论证的方式来证明假说,追求形式逻辑和对论证的纯抽象分析。主要进行直观的思辨,而不注重具体的操作,没有与数学和实验产生很紧密的联系。

牛顿未能对这一前提在经验上的可靠性给出合理的说明,这成为以后马赫等人对其时空观进行批判和突破的关键点。在一定意义上,这种空间和时间是形而上学的公设概念。从“思维经济”的角度看,这种时空定义就当时的认识程度而言是适当的,在以后的实践中也得到了证明。因此,弗洛里安·卡约里在其“关于《原理》的历史与解释性注释”中认为,绝对的时间和绝对的直线运动虽然“并没有以实验证据为基础,因而可以说成是形而上学的”,但是“牛顿的假设满足了二百多年前科学发展所需的检验”。(见牛顿,第647页)牛顿虽然没有在马赫之前提出“思维经济”的思想,然而他的成功对于在科学发展中将“思维经济”作为一种对理论之优越性进行评判的标准,起到了支持作用。

在狭义相对论中,爱因斯坦断言:自然界根本没有传到电磁波的媒介,电磁场自身就是媒介,爱因斯坦提出场在某一时空区域的特定状态,既没有电磁辐射也没有物质粒子。也就是所谓“真空”。爱因斯坦表示,场是物质存在的空间。表现为物质时空环境中各种因素的相互作用。

宏观真相时代的最大特点就是随着数学和物理学的发展,两者作为独立的学科,逐渐从哲学中脱离出来。数学和实验的地位凸显,强大的数学工具和各种实验仪器的发明大大推动了科学的进步和发展,取代了传统思辨,成为新的知识获取模式。

时空作为背景的不变性,使得物理学家可以排除客观世界中纷杂的各种联系,抓住物理世界的主要矛盾,同时这种几何特征和背景特征也可拓展至更具广泛意义的理论中。由拉格朗日(1736—1813)、泊松(1781—1840)、哈密顿(1805—1865)等人建立发展起来的分析力学体系,使得力学原理即使用很不同的方式来描述,也能得出相同的结论。将与经验直觉相联系的基本概念——位移、速度、加速度、质量、力等抽象成为理论概念,并理想化地给予严格定义,这些都是建立在具有独立背景的时空基础上的。广义坐标和拉格朗日方法、哈密顿的正则方程在更抽象的层面上使用了牛顿的这一背景性质的时空,使力学的语言可以描绘更多的物理现象,如光学、声学和电学现象。这些拓展为当代物理学突破作为绝对背景的时空观,提供了可以应用的物理学思想和方法。

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量子真相时代科学研究的对象从宏观可直接经验,过渡到了量子尺度,只能通过数学模型和精密的实验仪器进行间接的认识。在理论中数学的、结构化的描述占据核心位置,实验需要在理论的指引下设计出来,对理论进行验证,经验的地位从发现功能弱化为检验和辩护功能。理论逐渐走到了实验之前,由于对实验手段的依赖,人们无法再通过经验的积累来构建理论,而是首先在理论上有了明确的可检验预言,然后再设计实验进行检验,整个实验过程都渗透着理论的指引。

另一方面,背景空间的独立性使得几何空间可以单独由数学研究。欧几里得时期的几何并不研究实际的物理空间,因为每个人通过直觉获得的空间经验有着许多差异,心理空间或者个人空间是非各向同性的,其连续性和维数也是非常不确定的。只有过渡到同物理刚性相联系的、脱离个人经验直觉及各种感官知觉形态集合的抽象,才能形成与几何相联系的物理空间。同时,在背景空间的独立性下,人们注意到,抽象的空间图形并不与构成它的物体的特殊本性相关:它是独立的,可以脱离开物理性质而加以研究。绝对时空概念的合理性正是通过它对理论发展的功用来获得证明的。物理学又刺激了抽象的几何学的研究:N维空间的概念在18世纪由于分析力学的发展而有所前进,并推动N维几何学脱离物理学独自向前发展,从而为物理学今后的发展再次准备好数学的武器。

在此基础上,爱因斯坦把场的观点引进引力理论而创立了广义相对论。广义相对论引发了早已统一场论的研究热潮。

后真相时代,用实验对理论进行验证变得越来越困难,传统的以经验为基础的科学方法论在这里遭遇了极大的困难。物理学家逐渐从经验研究,转向纯数学上的理性推理和对基础概念的带有哲学色彩的分析和讨论,物理学、数学和哲学再次携手一起研究新出现的问题。在这一阶段理论的发展中,经验的地位逐渐弱化,数学成为唯一的逻辑途径,数学和物理学之间的界限越来越模糊,可能的发展趋势为在数学和物理学分别走向统一的基础上,走向建立在物理学大统一基础上的数学大统一。

力学体系的成功激发了哲学上机械决定论的诞生,但是由于它是建立在牛顿的时空概念之上的,因而随着这一概念自身问题的凸显,机械决定论也就必然地走向了破产。19世纪末物理学中的黑体辐射和以太问题引发了对时空概念本身的思考,于是时空的角色再次发生变化,时空自身成为物理学研究的对象,时空几何的唯一性受到了怀疑。

因为在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲,再加上当时知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用。所以无数科学家想成为继麦克斯韦之后,成为下一个完成大一统的人。

(三)不同时代科学的认识论特征

三、具有物理作用的时空

比如外尔从爱因斯坦广义相对论的对称性得到启发,意识到了电磁场的麦克斯韦方程也应当像爱因斯坦场方程一样,对应于一种基本的对称性,外尔建立了一种叫做“标度不变性”的对称变换,以统一引力和电磁力为目标,从对称观点出发,立足于规范不变。虽然并没有完成统一引力和电磁作用的宏大目标,但是催生了规范场论。

认识论关涉的是人们对知识的信念,其中既包括知识的来源,也包括对知识真理性的判断。人们对科学的认识很大程度上都是基于当时最成功的基础理论,而基础理论成功的背后都是以理论的统一描述为基本前提的。

相对论的提出使物理学家认识到背景化的时空概念对时空的描述是不完全的:时空除了作为背景外,还具有物理作用。爱因斯坦对时空的物理作用的揭示,是通过消除传统意义上的时间、空间概念的独立性和实现几何化纲领达到的。

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前真相时代,托勒密提出了天体运动模型,天空中的天体都在绕着地球的圆形轨道上运动,而那些轨道本身也沿着圆周运动。通过本轮和均轮所构建的数学模型,能预言日食、月食和行星的运动——预言的精度达到千分之一,为天体的运行提供了一个统一的描述。

“同时性”概念的深入分析是消除传统意义上的时间、空间概念的独立性的突破点。空间测量的“同时性”是有物理条件的。爱因斯坦证明,无法从无数个(处于相对运动中的不同参考系里的)等价的“地方时”中识别出绝对时间;只有相对于确定的参考系来说,时间数据才有意义,因此绝对时间单独不具有物理实在性,时间与空间的关系是相对化的。也因此,不存在超距作用,在三维空间上,物理的几何与数学的几何是不同的。闵可夫斯基认为相对论运动学的本质在于空间和时间的不可分割性;真实的世界是一个四维流形,它的元素是世界点:“从今以后,空间和时间应该退化为仅仅是个影子,而只有空间和时间二者的某种结合才保持着独立的存在。”(见玻恩,第340页)

到了 30 年代,因为迟迟无法实现引力和电磁作用的大一统,再加上量子力学不断得到实证,许多物理学家纷纷转向研究量子力学,所以对于统一场论的研究便逐渐衰弱,早已统一场论的研究对物理的影响不大, 但是对微分几何的发展具有重大推动作用。

宏观真相时代,牛顿力学又一次完成了统一。通过惯性定律,将运动与静止统一;通过万有引力定律,统一了包括地球在内的所有天体的运动规律。麦克斯韦则将电和磁统一起来,使人们意识到场是一种完全不同于物质实体的新的实在。量子真相时代,爱因斯坦首先用狭义相对论统一了所有类型的运动,然后用广义相对论统一了引力场与时空几何,彻底颠覆了牛顿的绝对时空观。后来,弱电理论统一了电磁力和弱相互作用,量子色动力学统一了强相互作用,并一起构成了粒子物理的标准模型。在宇宙学中,大爆炸模型和暴涨模型共同构成了宇宙学的标准模型。可以说整个物理学史都是沿着统一的路线前进,统一已经成为理论物理学研究的终极目标。

值得一提的是在理解狭义相对论时,哲学家中流行的观点往往只注意到狭义相对论对传统时空形式的革命,但物理学家如H. 马根脑、R. B. 林赛、A. 格吕鲍姆等人,却认为相对论并不像人们通常所认为的那样抛弃了绝对空间的概念,甚至连爱因斯坦本人也没有明确地表示对绝对空间的否定。实际上,三维空间和一维时间的独立的绝对背景性质被提升到了闵可夫斯基的四维空间中,闵氏时空是一种高维的牛顿时空。在这种意义上,狭义相对论并没有与牛顿的绝对空间断绝关系,因为四维背景时空与物理体系仍旧各自独立,不相互作用。但这一变化的革命性仍是显而易见的:它使人们的认识回归到宇宙是一个整体的概念上来,而不再主张独立的空间和时间,并且突出了时空在三维上的物理作用。狭义相对论的时空使得牛顿时空所掩盖的时空的物理作用得到揭示:正是在这种时空的特性下,电磁现象同力学现象一样可以满足相对性原理;能量和惯性质量是统一的,E=mC[2];任何参考系下都存在一个速度的上限,即真空中的光速C,真实的物理过程不是超距的,等等。当然,这也使得物理学中的时间更加不同于哲学中的“时间”范畴,因为物理学的时间不再具有优于空间的特性。

但是爱因斯坦并没有放弃,从 20 年代开始,他一直致力于统一场论的研究,在获得诺贝尔奖之后,爱因斯坦就曾说过“两种场互相独立的存在不能令寻求统一的心灵满意”“我们寻找数学上的统一场论,其中引力场与电磁长只是同一个场的不同分量。”!

后真相时代,仍然是统一之路的进一步延续。弦论统一了四种基本力,调和了相对论和量子力学的矛盾,被认为是大统一理论最有希望的候选者。同样,圈量子引力是关于引力场的一种非扰动量子理论,也是为了将量子力学和引力理论两个理论形式统一起来。两个理论可能像量子力学发展过程中波动力学和矩阵力学一样,以某种方式统一。③总之,新的物理学理论要想从旧框架下脱颖而出,必须首先从认识论上突破原有概念框架的束缚,在原本不同的概念之间建立新的联系,在新的统一背景下寻求物理意义上的终极统一理论。

狭义相对论在物理理论中第一次揭示了空间的物理作用;并且这个作用是实在的,而不是如“惯性力”那样的特设的虚的东西。

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二、后真相时代科学中的哲学问题

广义相对论体系进一步揭示了时空有其物理作用的特性:度规。物质的存在影响着时空的度规,时空的度规则决定着物质的运动形式。所谓“度规”就是空间几何性质的一种度量。度规系数反映了整个空间的几何测量的性质。使用度规体现了爱因斯坦揭示空间的基本相互作用的几何化纲领。为达到此目的,就必须破除欧氏几何以先验地位对真实空间所作的描述,对此,爱因斯坦认为必须采取几何学+物理定律的结构。

我们知道,爱因斯坦的广义相对论利用黎曼几何描述引力场取得了非常突出的成就,他采用弯曲时空的黎曼几何来描述引力场, 给出引力场中的物理规律, 进而提出引力场方程。

每个时代的科学都会形成一整套基础研究的框架,这种框架既包括理论所处理的基本对象及其描述方式,也包括基于科学理论所产生的哲学观念和科学认识论。不同的时代,科学不仅会开辟出全新的研究领域,产生新的哲学问题,同时也会对传统哲学问题给出全新解读。后真相时代虽尚未发展出成熟的理论,但是现有的研究已经可以对哲学的发展给出指引。后真相时代产生的新的哲学问题包括三个方面:首先,是从前真相时代产生并延续下来的基础哲学问题,对这些问题,每个时代都会给出完全不同的理解,主要包括:宇宙的起源、物质本体论、时空观念等;其次,是量子真相时代产生并延续下来的哲学问题,主要涉及量子力学的基础问题,如测量问题、量子纠缠、夸克禁闭等;最后,是后真相时代新产生的哲学问题,需要从后真相时代的科学所呈现出的新特征中寻找。

编辑:数理科学 本文来源:物农学的时间和空间概念不可与文学上的时间和

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