时空概念在物理学中的地位和作用

2019-12-05 12:48:55

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  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。

  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。

  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。

  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。

  一、科学化时空概念的建立和演变

  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。”(牛顿,第6页)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。

  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(即时空概念)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(作为一个惯性系)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:(a)空间作为物质客体世界的位置性质;(b)空间作为一切物质客体的容器。在情况(a),要是没有物质客体,空间是不可思议的。在情况(b),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。”(同上,第588页)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。

  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。

  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。

  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。

  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”。

  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。

  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。

  二、作为物理背景的时空

  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。(参见吴国盛)“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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。 1 2 下一页

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