四维空间 g = (g v = g! ) 这个矩 阵虽然 只有 10 个分 量是独 立的, 但元 论使 用何种 坐标变 换, 都

　自然辩证法研究 　 V ol . 13, N 0. 4, 1997 相对论时空观新探乐　传　新　　 相对论 时空观 包括狭 义相对 论时空观 和广 义 相对论时空 观。因为相对论不仅是 一门物理学, 而 且 也是 一种 哲学, 因 此 对它 的时 空 观进 行哲 学 探 讨, 具有十分重要的意义。 长期以来, 我 国哲学界一 直存在着一些不 妥的观点: 主要是认为狭义相对 论 时空 观已经 揭示了 时空与 物质及 其运动的 相互 联 系, 证实 了辩证 唯物主 义时空 观关于“ 时空 是物 质 存 在形式” 的原 理; 而广义相 对论时 空观只 不过 是 “ 进一步” 证实了这个原理而已。 我们认 为这种观点 不仅拔高了前者 低估了后者, 而且亦有将相对论 时 空观与辩证唯物主义时空观相提并论的 倾向。 实际 上, 狭 义相 对论 并未 揭 示出 时空 是 物质 的存 在 形 式, 只有广义相对论才较全 面地证实了时空与物 质 及其运动的辩证 关系, 广义 相对论是相对论时空 观 的最终的完整表 述, 是辩证 唯物主义时空观的真 正 自然科学基础。 为了正确理 解相对论时空观, 首先必须科学 地 把握牛顿绝对时 空观的涵义, 这是因为无论是狭 义 相对论还是广义 相对论的建立, 都与破除牛顿绝 对 时空观密切相关。 牛顿 绝对时 空观的 形成有 其科 学背景 和历 史 渊源, 对它的探讨我们将 另撰文论述。现仅只需 将 它的涵义论述如下: 第一, 当牛顿讲空间、 时间是绝 对的时候, 首 先 是 指空 间和 时间 同物 质 一样, 都 是 独立 的客 观 实 在, 亦即 是说, 空间、 时间、 物质 都是 独立存 在的 三 个实体。 第二, 当牛顿讲空间、 时间是绝 对的时候, 还 有 比第一个方 面更为深一层的意义 , 即空间、 时间、 物 质这 三个实 体的地 位并不 一样: 空间、 时间 作用 于 物质 及其运 动, 但 却不受 物质及 其运动 的影 响, 这 是一 种很强 的单向 因果作 用, 空 间、 时间作 为容 纳 物质及其运动的 舞台, 但这 个舞台既可以脱离其 中 的内容而存在而又不受任何影响。 第三, 当牛顿讲空间、 时间是绝 对的时候, 也 指 明了时间和空间互不关 联, 任何一方 的存在和变化 对另一方毫无影响。 牛顿绝 对时空 观这三 个方面 的涵 义既有 联系 亦有区别。其中, 第二个方面虽然比 第一个方面有 更深 一层的 意义, 但两者 密切相 关, 承 认( 或否 定) 其一, 必定承认( 或否定) 其二, 但第三个 方面却有 一定的独立性。诚然承认( 或否定) 第一、 第二两个 方面, 必定 承认( 或否 定) 第三个方 面; 但不能 倒过 来, 即仅只 承认( 或否 定) 第三个方 面, 却不能 导致 承认( 或否定) 第一、 第二两个方面。弄清牛顿绝对 时空观这三个方面的涵 义及其联系和区别, 这是正 确理解相对论时空观哲学意义的关键所在。 这是因 为, 从 哲学意 义上讲, 狭义 相对论 和广 义相对 论正 是在逐 步破除 牛顿绝 对时空观 这三个 方面涵 义的 过程中建立起来的。 我们认 为狭义 相对论 只是揭 示了 时间和 空间 的相互联系, 即只 破除了牛顿绝对时 空观的第三个 方面 的涵义, 并未 破除( 实质 上是保 留) 第 一、 第二 两个方面的涵义。 众所周知, 对 同时性问题的考察 是建立狭义相 对论的突破口。同时性 的绝对性, 即 所有惯性系中 都有统 一的时 间, 是 牛顿绝 对时空 观的必 然结 论。 爱因斯 坦用刚 性尺杆 和理想钟 在思想 实验中 进行 操作, 根据光速是 一切信号速度上限 和绝对运动不 可探测的大量物理实验 事实, 论证了 只有在同一惯 性系 上才 有统 一时 间, 不 同惯 性 系上 没有 统 一时 间, 因而同 时性与 参照系 ( 参 照空间) 相关 , 同 时性 是相对的不是绝对的。 这就揭示了时间和空间不能 分别独立存在, 而 是融合为一个单一 的四维连续区 ( 或四维空 间, 包括了时 间一维) 。爱 因斯坦通过对 绝对同时性是没有物理 内容这个先验概念的 考查, 揭示出了时间和空间密 切相联, 破除 了牛顿绝对时 空观的第三个方面的涵 义, 这是狭义 相对论重大功 绩之所在, 实现了人类时空观念的一 次伟大变革。 25 　　自然辩证法 研究 如上 所述, 揭示 了时间 和空 间的联 系, 破除 了 牛顿绝对时空观 的第三个方面涵义, 并不等于就 破 除 了牛 顿绝 对时 空观 的 第一、 二 两个 方面 的 涵 第 义。如 果说在 牛顿力 学中 有三个 独立 实体 —— 物 质、 时间、 空间, 那么在狭义 相对论中仍有两个独 立 实体 —— 物 质、 时间 —— 空 间( 时间、 空间结合为 一 个实体) 。 在牛顿力学中, 时间 、 空间分别是绝对的, 称为绝对时 间、 绝对空间; 而在狭义 相对论中, 时 间 和 空间结 合在一 起是绝对 的, 我们称之 为“ 绝对 时 间 —— 空间” 或“ ( 绝对四 维空间” , 仍然 具有牛 顿 ) 绝对时空观 的第一、 第二 两个方面的涵义。为了 理 解这一点, 必须对相对论中 的时空度规( 亦称度量) 进行探讨。 在相对 论中, 是用 度规来描述时空的。所谓 度 规就是给定时空 中两个邻近事件的 线元, 用下式 表 示( 这里限于四维时空) : ds 2 = 　 第 13 卷　第 4 期　　 间一 样地刚 硬和绝 对。 ( 《 ” 爱因 斯坦文 集》 第一 卷, 第 262 页) 。量子 力学 的创立 者之 一玻恩 也指 出: “ 爱因斯坦的狭义 相对论并没有与牛 顿的绝对空间 —— 就 我们使 用‘ 绝对空 间’ 词所指 的那种 狭隘 一 意义上讲—— 最终断绝关系。 ……使我们大伤脑筋 的绝 对空间这 个基本 问题此 时仍未 解决。 ( 《 ” 爱因 斯 坦的 相 对论 》 第 344- 345 页) 下 面, 我 们将 看 , 出, 真正解决绝对 空间( 连 同绝对时间一起) 这个基 本问题的, 是广义相对论。 爱因斯 坦对狭 义相对 论局限 性的 认识过 程是 曲折的。 他从自然界的统一性、 合谐性、 对称性的哲 学信念出发, 开始 只对狭义相对论仍 旧保留了惯性 系的 优越地 位( 物理定律 只在惯 性系中 成立) 和没 有解 决 引力 问题 ( 狭 义相 对论 完 全略 去了 引 力作 用) 感到不满意, 尚未认识到问题的症结所在。 直到 1912 年, 爱 因斯 坦在 对刚 体转 动圆 盘进 行理 想实 验时, 发现在 转动圆盘上, 亦即在一个引力场 中, 欧 氏几 何不 再成 立, 时 空坐 标失 去 了直 接度 量 的意 义。由此, 他领悟 到引力和时空几何 之间存在着联 系, 在 格罗斯 曼的帮 助下, 找到了 引力 场中成 立的 几何—— 黎曼几何, 于 1913 年两人合著发表了 《 广 义相 对论和引 力理论 纲要》 的著 名论文, 提出 引力 场是由黎曼度规张量来 描述的, 时空 度规则由下式 表示( 在高斯坐标系中) : ds2 = ∑g , = 0 3 dX dX ( 或 d s2 = ∑g , = 1 4 dX dX 　　其中, X 0 = Ct 为时间坐标, X1 、 2 、 3 为空间 坐 X X 标, 系数 g 为度 规张量, 它决 定度量 性质。在狭 义 相对 论中, 四维时 空用笛 卡儿直 角坐标 系表 示时, 其度规为: d s2 = C 2 dt 2 - dx 2 - dy 2 - d z 2 显然, 度规张量是一个对角矩阵, 即: c2　　　　　　0 　 - 1　　　 　　　　 - 1　　　 　0　　　　　 - 1 表示。从 的 ∑g , = 1 4 d X dX g = = 　 = g 11 ( dX 1 ) 2 + g 12 d X 1 dX 2 + … + g 44 ( d X 4 ) 2 　　其中, g 为黎曼度规张量, 用 矩阵表示即为 g 11 g 12 g 21 g 22 g 31 g 32 g 41 g 42 g 13 g 23 g 33 g 43 g 14 g 24 g 34 g 44 　　在狭义相对论中, 度规张量用 对 角矩阵 表示 式可看 出: 狭义 相对论 的 间 同欧 氏 几何 并没有 本质差 别, 只 是度规 号差出 现负 数, 故 在物理学上称为 伪欧氏空间; 时空坐标本身直接 表 示度 规, 是先于物 质及其 运动决 定的; 是 一个 常 量, 表明时间- 空间不受 物质及其运动的影 响。这 就是说, 狭义相对论的时空 度规既是先验的也是 刚 性的。所谓“ 先验的” 就是 时间- 空间是预先给 定 , 的, 独立于物质及其运动 之外; 所谓 “ 刚性的” 就 是 , 时空作为物质运 动的框架( 或舞台) , 但不受物质 运 动的影响。 狭义相对论时空度规的先验 性和刚性正 是牛顿绝对 时空观第一、 第二两个方面涵义。爱 因 斯 坦在《 我的世界 观》 1930 年) 一文中 论述狭义 相 ( 对 论时指 出: “ 狭义 相对论的 四维空 间像牛 顿的 空 26 g = (g v = g! ) 这个矩 阵虽然 只有 10 个分 量是独 立的, 但元 论使 用何种 坐标变 换, 都 不能使 之对角 化成为 常量, 即 是说 g 是时空坐 标的函数; 另外时 空坐标( 在引力 场中) 已经 退化为 没有物 理意义 的数, 只有同 它们 相应的黎曼度规相结 合才有物理意义。于是 , 这一 关键的步骤终于“ 去掉空间和时间最 后一点物理客 观性残余” 《 ( 爱因斯坦文 集》 第二卷, 第 285 页) , 将 人们从 坐标具 有直接 度量意义 的传统 观念中 解放 出来。 又经过两年的努 力, 于 1915 年爱因斯坦又建 立了广义协变性( 物理定律不因坐标 系的变换而改 相对论时空观新探 变 数 学形 式) 的引 力场 方 程, 发表 了《 力的 场 方 引 程》 又一著名论文, 宣告了广义相对论的诞生。引力 场方程如下: Rv1 g R = - 8?GT 2 碎了, 全面地破除 了牛顿绝对时空观 的三个方面的 涵义, 又一次 刷新了 人类的 时空观 念, 是时空 观念 发展史上最伟大的变革。 那么, 能否说 广义相对论已完全 揭示了时空是 物质存 在的形 式以及 时空和物 质运动 相互辩 证关 系呢? 我们认为广义相对 论尚未达到这一步。从现 在物理 学正在 探讨的 两个问题 中就可 得出这 个结 论。 第一个问题是引力场几何化。 引力场几何化就 是指引力场是一个时 空几何场。在引力场方 程中, T 是除引 力场 以外的 其它 物质 能量 动量 张量, 并 不包括引力场本身。 !既是时空度规张量同时又是 g 引力场的引力势, 即时空与引力 场是一回事。现代 物理实 验表明, 引力 场的传 播即引 力波, 具有 能量 动量, 因而是一种物质扬。那么, 引力场亦应有自身 的时空形式和对时空 性质有所影响。然而, 在广义 相对论 中, 引 力场与 时空同 一, 这 同辩 证唯物 主义 时空观 中认为 时空是 一切物质 形态存 在形式 的论 断是有差别的, 至 少可以说广义相对 论尚未完全揭 示出时 空是物 质存在 的形式以 及时空 和物质 运动 的辩证关系。然而, 广义相对论毕竟 取得了许多重 大成就, 说明 了在一 定范围 和一定 条件, 将引 力场 几何化 是可行 的; 正 如牛顿 力学将 时间、 空间 看作 绝对不变, 仍 在宏观低速领域有 效一样。科学研究 不可能一蹴而就, 总是逐渐向客观真 理逼近的。 第二个问题是时空奇点。 根据广义相对论的引 力场方 程, 当 物质密 度极大 时, 巨 大引 力会造 成物 质坍 缩, 以 至出现 奇点( 时空 消失的 奇异域) , 这显 然同辩证唯物主义时空观相悖。 许多物理学家认为 这是广义相对论的局限 性造成的, 正 在探索避免奇 点的理 论, 其 中量子 引力理 论引人 注目, 但能 否消 除奇点, 尚存 在疑问, 这 使得一些物理学家惊 呼: 时 空奇点是现代理论物理学面临的最大危机! ( D . W . Sciama, in T he Phy sicists co nceptio n o f N atur e, ed. M ehra J. , 〈 1973〉 这 种“ ) 危机 ” 意味 着一 场新 的物 理学革 命的来 临, 新 的时空 理论必 然诞生 ; 辩 证唯 物主义时空观也必将得 到更进一步的证实, 并且也 要随着这场时空观念的 革命不断改变形式, 以便同 自然科学携手前进和同步发展。 ( 下转第 32 页) 式中 R 为里齐张量, R 为标量曲率, g !为黎曼度 规 张量, T 为物质能理动量张量, G 为 引力恒量。 从引力场方 程可看出, 方程左边是描写时空 性 质的量, 方程右边是描写 物质性质的量。这两种 量 密 切相联 并相等, 表明 时空结 构( 时 空存在 和几 何 性 质) 依赖 于物质运 动( 包括物 质分布) , 也就是 取 决于 T 。1938 年, 爱 因斯坦等人 又从引 力场方 程 中推导出多体运 动方程, 于 是引力场方程不仅是 时 空变化方程( 物质运动决定 时空结构) , 而且也是 物 质运动方程 ( 时空结构 确定物质运动) 。于是, 广 义 相对 论从引 力相互 作用这 个侧面 将物质、 动、 运 时 空统一起来了。由此, 可得出以下三点重要结论: 第一, 时空度规失 去了先验性。这表现在黎 曼 度规 张量 g !不 是先 验确定 的, 而是 由物质 能量 动 量张量决定的。 时间- 空间( 或四维空间) 不再是与 物质及其运动无 关的独立实体, 从而破除了牛顿 绝 对时空观的第一个方面的涵义。 第二, 时空度规被 剥夺了刚性。这表现在黎 曼 度规 张量 g !是 时空 坐标的 函数, 随 物质运 动时 时 处处都不相同, 这是一个不 同于狭义相对论刚性 度 规的柔性度 规。时空不仅作用于物 质及其运动, 物 质及其运动也影 响时空, 从 而破除了牛顿绝对时 空 观的第二个方面的涵义。 第三, 取消了惯性 系的优载地位。广义相对 论 表明, 物 理定律在 任何参 照系中 都有相 同形 式, 或 者说 一切参 照系平 权, 惯 性系的 特权地 位被 取消。 实 际上, 惯性系 是一个 不受任 何物质作 用( 包括 引 力 作用) 的时空 框架, 但它却 作用于 物质及 其运 动 ( 如惯 性运动、 光速 不变) , 完 全是牛 顿力学 中绝 对 空间、 绝对时间的替身。广 义相对论是一种不同 于 牛顿引力理论的 新引力理论, 一旦将引力作用引 进 来, 惯性系( 大范围) 就不复存在。 爱因斯坦甚至说: “ 义相 对论 的实 质在 于它 克服 了 惯性 系这 个 概 广 念” 《 ( 爱因斯坦文集》 第三卷, 第 502 页) 。这就连牛 顿绝对时空观中 的绝对空间、 绝对时间的替身也 粉 27 　　自然辩证法 研究 水平的提高依赖于个人体悟和经验诀窍 。 总之, 中国古 代的科学 技术有 完全不 同于西 方 科技的特质。 以西方科技作为标准, 用西 方特有的方 法、 观念、 思想来研究它, 是难以揭示出它的特质的。 用这 些东西作 为标准来评 判它, 是有 失公允的。 这 样, 所得出的结论也是难以令人信服的。 　 第 13 卷　第 4 期　　〔 13〕《 白玉蟾全集. 鹤林问道篇》 。 〔 14〕《 重阳全真集》 卷四。 〔 17〕〔 李约瑟: 《 18〕 历史对 人的评价—— 中国人的世 界科学技 术观》 见《 , 李约瑟 文集》 潘吉 星主编, , 辽宁科技出版社 1986 年版。 〔 20〕羊化荣: 《 论东汉道教》 载 1981 年《 国宗教 试 , 中 学学会学术讨论会论文资料》 。 〔 21〕葛洪: 《 抱朴子内篇. 道意》 。 〔 22〕顾颉刚: 《 秦汉 的方士与儒生》 上海古籍 出版社 , 1978 年版, 第 8 页。 〔 23〕《 三国志. 魏志. 华佗传》 裴所引《 辩道论》 。 〔 24〕《 云笈七笺》 111 引《 卷 洞仙传》 。 〔 26〕转引自董光壁: 《 李约瑟的道家科技观》 《 , 道家文 化研究. 第二辑》 上海古籍出版社 1992 年版。 , 〔 27〕李约瑟: 《 中国 与西方在科学 史上的交 往》 见同 , 17, 第 171 页。 注释与引用文献　　〔 〔 3〕〔 〔 1〕 2〕〔 15〕 16〕〔 〔 〕 19〕 25 李约瑟: 《 中国 科学 技 术 史》 二卷, “ 第 道家 与 道 教” 第 194 - 195、 、 145、106、41 页、 6 章第 7 节。 第 〔 4〕汤用 彤: 《 汤用彤学术 论文集》 中华书局 1983 年 , 版, 第 59 页。 〔 〔 后汉书. 皇莆嵩》 5〕 6〕《 。 〔 〔 汉书. 郊祀志》 7〕 8〕《 。 〔 《 9〕 抱朴子内篇. 道意》 。 〔 《 10〕 金碧五相类参同契》 卷下。 〔 宗玄先生文集. 服气》 11〕 。 〔 《 吕传道集》 元阳 子的《 12〕 钟 、 还丹歌诀 》 施肩吾 的 、 《 西山群仙会真记》 钟离权的《 、 破迷正道歌》 。 【 作者简介】孔令宏, 男, 1969 年生, 中 山大 学哲学系博士研究生。 邮政编码: 广州市 510275 ( 本文责任编辑　范勤宇) ( 上接第 27 页) 参考文献　 　〔 1〕许良英等编辑: 《 爱因斯坦文集》 第一卷、 第二 卷、 第三卷, 商务印书馆 1977 年、 1979 年版。 〔 M ?玻恩: 《 2〕 爱因斯坦的相对论》 河北人民出 版社 , 1981 年版。 〔 〕 A ? Eins tein, 3 Si tz ung***** er. Preuss . A kad . W iss . , 44 ( 1915) , P . 844. 〔 Ein st ein —— S ommerfeld Bridf w echs el, ed. by A . 4〕 Hermann, Sch wabe V erlag , 1968, P . 26. 〔 5〕赵中 立、 许良英编: 《 纪念 爱因斯坦译 文集》 上 海 , 科学出版社 1979 年版。 〔 6〕张镇九编著: 《 现代相对论及黑洞物理学》 华中师 , 范大学出版社 1986 年版。 〔 7〕乐传 新: 《 相对 论时 空理 论评 价探 讨》 《 学研 , 哲 究》N o10, 1986。 , 〔 8〕乐传新: 《 须科学地评价相 对论时空理 论》 《 必 , 哲 学研究》 1992, N o12。 , 【 作者简介】乐传新, 男, 1942 年生, 副教授, 现为湖北大学政治系哲学教研 室主任、 硕士研究生导师。 邮编: 武汉市 430062 ( 本文责任编辑　马惠娣) ( 上接第 72 页) 制。 要想达到这个目的, 应更好地发挥社 会文化的职 能, 一方面要 进行法治 建设, 建立完 善的法 治体系, 用法 律制约人的 社会活动; 另一方 面要进 行道德 建 设, 建立新的道德观念, 用良好的道德引导人们的 行 为; 再一方面要建立新的价值观, 改变过去只着眼 于 32 经济和政益的做法建立持续发展的价值观。从而针 对全球性问题, 制定出各种政策和措 施, 使人类摆脱 威胁, 向新的文明迈进。 ( 本组责任编辑　范勤宇)

所有跟帖： 

• 引力场总是分布在三维空间中，因此，实际发生的是三维空间的弯曲。一般线和面的弯曲很直观，因为我们站在三维空间来观察。而三维空间的弯 -marketreflections- ♂ (18043 bytes) () 02/24/2011 postreply 15:29:33

• 物体运动速度小于光速弱引力场泊松方程 -marketreflections- ♂ (28118 bytes) () 02/24/2011 postreply 17:54:32

• 季候风 如果它们是“数”，那么“过去”和“未来”的概率分布就独立了，也就是说过去部分和未来部分没有相互作用。如果我们想要相互作用 -marketreflections- ♂ (5214 bytes) () 02/24/2011 postreply 18:05:33

• 季候风 经典傅立叶级数是单位圆上的函数 L^(S^1) 与整数上的函数（级数）l^1(Z^1) 之间的对偶关系;海森堡用的这种“ -marketreflections- ♂ (11697 bytes) () 02/24/2011 postreply 18:18:57

• 欧拉示性数 -marketreflections- ♂ (35414 bytes) () 02/26/2011 postreply 21:35:51

• 物理实验发现了一些观测数据只能取分立的值，而不是连续实数。于是，有些观测数据只能是可列集。 -marketreflections- ♂ (152 bytes) () 02/24/2011 postreply 18:28:29

• 假定物体的温度等条件恒定，辐射能量的状态也暂时不随时间变化。能量谱一定不可能是连续的实数值，否则系统同时就会辐射出无穷大的能量 -marketreflections- ♂ (20534 bytes) () 02/24/2011 postreply 18:32:34

• 量子群是作用在非交換空見（例如：xy 不同於 yx），歐幾里德空間在旋轉與變換（translations）下不變 -marketreflections- ♂ (5085 bytes) () 02/24/2011 postreply 19:12:59

• 函数的变分，费路径几分，都是复空间同一时间内的各种运动,所有的实物产生的引力场都可以按三维空间上三标量加法叠加在一起，所以可以形 -marketreflections- ♂ (1291 bytes) () 02/26/2011 postreply 06:46:22

• 曹盛林 芬斯勒时空中的相对论 -marketreflections- ♂ (100 bytes) () 02/26/2011 postreply 07:19:56

• 粒子的涡动运动为主时，牛顿力的动量，它是推动飞机的动量，不再增加了，而增加的只是涡动运动的动量，它不会给飞机加速，虽然也不会使飞 -marketreflections- ♂ (1852 bytes) () 02/26/2011 postreply 08:04:16

• 对于牛顿力学问题，我们可以找到一个虚拟的惯性系，因为现在技术上我们可以测量到非惯性运动产生的力。而对于波就不一样了 -marketreflections- ♂ (758 bytes) () 02/26/2011 postreply 08:12:53

• 引力:两个物体之间的万有引力的大小决定于两个物体的质量和它们之间的空间距离，空间距离又是由两个物体的特定的空间位置而确定的，也就 -marketreflections- ♂ (63541 bytes) () 02/24/2011 postreply 18:13:20