牛顿力学、相对论和时间空间
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牛顿力学、相对论和时间空间的关系
志勰
对牛顿力学和相对论进行的比较
分析，
可以说本文是我在探索相对论时
间和空间观念结束的一篇
总结性的文章。
对牛顿力学和相对论的观念进
行了确定性比较判
断。
< br>关于相对论和时间、空间的关系，在前面的文章中实际上已经结束了。又
涉及的概
念和说明的方法很杂乱，
这里进行系统的整理一下，
并对前面一
些文章
中的看法进行修正一下。
为了便于总览整体的轮廓，
这里只进行关键性的问题说
明，您可以查阅前面的文章。
时间和空间的两种定义方法
牛顿力学中的时间概念来源于人们对物质运动变化的
经验感觉，并选定一
个统一的定量标准去对物质运动变化进行定量，
实际上这是采用一种物质运动变
化的度量流程标准去对另一种物质运动变化进行度量
。
并且对这一度量流程绝对
的均匀化，
理想化。
以至于是可以采用数学化的绝对均匀描述。
比如两个时
刻之
间可以采用任意均匀的间隔进行描述。
从物质事件的进程中
我们可以向前或者向
后无限的延伸。
即通常所说的延绵。
并且，
这样的时间定义于我们所采用的任何
参
照系是无关的。
关于这一问题，
您可参见
时间的经验感觉。
牛顿力学对空间的
处理也同样是这样，
采用标准距离去定义物体的长度。
实际上，
牛顿力学已经将
时间和空间纯粹的理想化，
并采用数学化的方式
进行描述。
牛顿力学中时间和空
间概念是脱离于物质运动的定义
的。
因此，
时间与空间在牛顿力学中是最基本的
物理单位。
举个
例子来说，
热胀冷缩
:
一个物体发生热
胀冷缩，
我们不能判断物体所在
的空间发生膨胀，
而仅将物体这种膨胀属性归因于物体的结构在不同温度下所发
生的常规现象，
我们知道，实际上，温度的不同，物体分子间的相互作用是不同
的。我们不是将这种作用
加到空间上，而判断物体发生了空间膨胀，实际上，如
果我们将空间的属性判断为物质的
属性，
那么这样的说法也未尝不可。
因此，
牛
顿力学中的时间和空间是一种绝对理想化的物理量，它不依赖于物质的作用属
性。
相对论中的时间观念却不是这样了，
它是在处理参照系的问题时而引入的
新的概念。
首
先，它依赖于这样的假设——光速于参照系无关。并且，这样的观测在
科学是上可以说是
已经通过实验证实的观点。
需要说明一下的是，
在当时的科学<
/p>
范围内，
通常都普遍认为物质间的相互作用主要是电磁作用，
（万有引力由于在
近距离处物质间的相互作用是可以忽略不计的）<
/p>
。
电荷之间在相同的参照系中只
有静电力
的作用，
但是在不同的参照系之间却存在磁场的作用，
也就是说
，
在不
同的参照系之间，
电荷属性是不
同的，
那么，
我们没有理由认为在不同的参照系
中物质的属性状态（反映在电磁属性上
)
是相同的。那
么，在相同的两个参照系
中物质运动的进程中，
我们也没有理由
认为是相同的。
同时，
物质的结构属性我
们也没有理由认为是相同的。也可以说是经验事实的相对性原理。
在这样的前提下，
相对论假
设在运动参照系中物质的运动变化进程会减缓，
同时，
物质间的
电磁相互作用也会发生变化，
主要表现为沿运动方向，
物体的长
度会发生变化，
相对论判定为沿运动方向物体的长度发生收缩。
即通常我们所说
的“时间膨胀”和“尺缩”现象。
并确定时间和空间在不同参照系中的变化因子
为
。<
/p>
同时，
爱因斯坦先生采用光信号传递的模式对同时性也进行了相对性处理。
这样，相对论和
牛顿力学的时空观念就构成了两种独立的定义系统。
的确，这样的假设我们找不出任何不合理的直接依据。
我们可以看到，
相对论的时
间与空间观念与物质运动有着最为直接的联系，
时间与空间的属性、状态依赖于物质的运
动。
在相对论、牛顿力学中时间空间和基本概念间的逻辑
关系
1
、牛顿力学时间和空间的结构模式
在牛顿力学中，时间和空间的概念来源于人类日常生
活中的经验约定，
那么，时间和空间和物理量间的关系也来源于这种经验约定。主要表现
在如
下两个约定：
一、一个事件的唯一确定性。
我们描述一个物体，
或者某
一个事件，
它的本身不会因为我们对它的不
同观测而它自身的属
性发生变化。比如一个物体的属性、一个事件的进程。
二、定义的标准
牛顿力学采用理想的定义标准模式。
对于时间的模式，采用标准的物质运动周期作为定量时间的模式。比
如地球绕太阳公转一周叫做一年，我们不论采用如何观测，这一年必须是地
球绕太阳
一周，对于这一事件进程而言，这是一种理想的不变的恒量。并且
与观测无关。
空间的模式，通常是反映在长度
单位上。也是采用标准的不变的物体
属性模式。
比如
1989
年米制公约计量大会上，
决定将存档米原
器的复制品规
定为
*
米国际原器。其为
铂铱合金，当温度为零度，用规定方法支撑时，其上
两刻线之间的距离规定为一米。
（参考《简明物理学辞典》许国宝
王福山
主编
上海辞书出版社）
我们不论采用何种观测方法，它的长度单位在这样限定的条件下是一
种恒量。
时间和空间通过
这种约定，确定了时间和空间的计量模式，但是这样的计
量模式，
仅是作为我们计量单位的一种标准。
在牛顿力学中，
对于时间
和空间的
属性作了进一步的延伸。
虽然我们采用了物质属性的模
式定义了空间的单位，
通
过事件进程的模式定义了时间的单位，
但是时间和空间的本身却是于物质无关的
抽象属性。
不论有没有事件的进程变化，
我们仍然确定时间在延绵。
< br>不论有没有
物质的存在，
我们都可以想象到空间。
牛顿力学，
关键的在于采用时间和空间定
义的
标准对物质的存在状态进行定量，并进而延伸到时间和空间是纯粹的物理
量。
2
、相对论的时间和空间的结构模式
相对论则恰恰是另外一种模式，它是随科学的进一步发展而确定的另
一种对时间和空间的定义模式。导致这样一种定义模式的非常有利的一个经
验事实是
光速与光源的运动无关，通常认为在一个世纪以前就已经获得了证
明。
< br>
为了调节参照系与光速的关系，在科学体系
中引入了相对性原理。（相
对性原理也是经验感觉，
我们找不出
什么理由怀疑这一原理在处理参照系的
属性上存在问题，这是经验感觉）但是，这样一种
引进把物质带入到电磁相
互作用的属性中，不论是时间还是空间，都使物质的本身带有电
磁相互作用
的特点。这样的一种结论和当时的科学进程是分不开的，在当时的科学看法<
/p>
中，电磁间的相互作用构成了物质世界，这样一种说法并不过分。在原子层
次到宏观的物质的结构中，电磁相互作用是一种首要的相互作用。物质的属
性依
赖于电磁属性作为一种判断是很有道理的。
相对论对物质运动的处理，首先它依赖于如下两个目前和经验事实相
符
的假定：
一、光速不变原理
光速为恒值是目前公认的看法，这里我们不便对其进行探讨。
二、相对性原理
相对性原理是狭义相对论的核心，它决定着相对论是否可以作为一个
独
立的描述体系的关键。
建
立在如上两个假设的基础上，相对论提出了两种效应来调节光速的实验
事实和理论相符。
一种是时间膨胀，另一种是时间收缩。
经过如上的处理，
相对论就将物质的运动和时间空间在理论上严格的结合
在一起。
通过相对论的这种调节物质属性的关系，
那么时间和空间就归到物质间
的相互作上，
如果光速
是一个不变的恒量，
那么在不同的参照系中，
物质的属性
就存在不同。
这样，
相对论的结果缩小了相对性原理的范围，
（各个
参照系间的物质间
的属性只是在本参照系和其他参照系的比较中，
具有这种等同的性质，
相对于物
质的运动变化来说，
这是相对形原理的一种体验）
在内在的逻辑关系上，
相对性
原理不再具有普适性。
这样的代价是我们对物质世界
的相互作用的真实推进了一
步，
或者说获得了可能性的一种解释
。
比如：
我们不能判断同样的一个钟表在低
速和高速两种状态下，
其走时是否相同。
在强引力场和弱引
力场中，
性能相同的
两个钟表的走时会一模一样。
如果我们将物质的运动变化归因于物质间的相互作
用中，这样的解释对于物质
世界而言是接近真实的。
3
、牛顿力学和相对论两种描述体系的描述结构
关于这一问题，在
参照系、
观测与物体的速度
的最后作了分析，这里我在
进一步的说明一下
。
一、两种定义体系的基础
由于牛顿力学确定了一个物理事件不依赖于我们的观察，那么在任何观测
参照系中，
一个物理事件是一个不变的恒量，
通常采用
牛顿力学去处理物理问题
时采用物理事件的真实去矫正我们观测到的结果。
一个物理事件绝对性的地位决
定了我们在对物理事件测量过程中，
我们的观测要服从于物理事件的真实性。
而
不是我
们的观测结果，
比如不同参照系中同时性的定义：
不论我们采用
任何一种
确定同时性的模式，我们首先确定我们的测定模式在两个参照系中测量的差异，
排除掉光线传播、
测量仪器以及其他不能判定同时性的因素，<
/p>
排除误差。
一个事
件发生的任意一个时刻
是唯一确定的。
但相对论
却不是这样了，它确定了一个物理事件依赖于我们的观测，讲求
采用不同的参照系所观测
到一个物理事件的结论。
严格来说，
相对论以观测过程
中我们得到的结果，
作为通过不同参照系对同一物理事件进行观测而得到
的不同
结论。
相对论依赖于我们通过确定的方法而得到的结论。
将观测的结果判定为我
们获得物理世界真实性的的体验。在相对
论中，我们观测的结果是首要的问题，
物理事件的本身依赖于在不同参照系中的观测。<
/p>
当然，
还必须加上这样的物理事
实结论，
物理事件的过程依赖于物质间的作用。