物質(zhì)、空間和時(shí)間的邏輯關(guān)系
周吉善 （jishanzhou@126.com） 2007.02
【摘要】：物質(zhì)、空間、質(zhì)量、時(shí)間和長(cháng)度，在哲學(xué)、科學(xué)理論及日常生活中，都是使用頻率非常高的概念，但是卻沒(méi)有人關(guān)注它們之間的邏輯關(guān)系問(wèn)題。實(shí)際上物質(zhì)和空間是指稱(chēng)對象（即基本存在）的兩個(gè)哲學(xué)概念，而質(zhì)量、時(shí)間和長(cháng)度則是表述屬性的三個(gè)基本物理量。依據物理學(xué)量綱式，可以判定時(shí)間和長(cháng)度是比質(zhì)量更基本的物理量。將這五個(gè)概念區分為哲學(xué)概念和基本物理量?jì)深?lèi)的直接結果是：物理學(xué)（即第二哲學(xué)）的自然觀(guān)必須堅持物質(zhì)、空間兩系統結構論。更進(jìn)一步剖析的結果還可以發(fā)現，傳統將空時(shí)連用是一種非常嚴重的錯誤，實(shí)際上時(shí)間和長(cháng)度跟空間的關(guān)系，與質(zhì)量跟物質(zhì)的關(guān)系完全相同。
物質(zhì)、空間、質(zhì)量、時(shí)間和長(cháng)度五個(gè)概念，是哲學(xué)和科學(xué)理論中交叉使用頻率最高的最重要范疇；然而，歷來(lái)的理論家們卻很少有人認真關(guān)注它們之間的邏輯關(guān)系，致使迄今理論界存在許多不應有的困惑。“科學(xué)不是隨著(zhù)新事實(shí)的積累而發(fā)展的……而是隨著(zhù)一些有效的新概念的不斷發(fā)展而發(fā)展的”（1-P249）。新理論的產(chǎn)生固然需要建立某些新的概念為邏輯先導；在歷史上某些特殊時(shí)期，也不乏重新對常用概念的內涵和外延給予恰當定位，從而導致產(chǎn)生新理論的事例。
“科學(xué)史界越來(lái)越多的學(xué)者認識到，站在現代科學(xué)的立場(chǎng)尋找來(lái)龍去脈的做法有誤入歧途的危險，轉而采取從原來(lái)的境狀中重新闡釋科學(xué)的思想”（2-P2）。實(shí)際上哲學(xué)又何嘗不應該如此。本文討論科學(xué)從量綱式談起，討論哲學(xué)從亞里士多德將形而上學(xué)和物理學(xué)分別稱(chēng)為第一哲學(xué)和第二哲學(xué)之前開(kāi)始，看看究竟應該如何確立上述五個(gè)概念邏輯定位的關(guān)系。
一、從量綱式談起
物理量雖說(shuō)有基本量和導出量之分，卻都可以用質(zhì)量M、時(shí)間T、長(cháng)度L三個(gè)基本量統一表示，為檢驗物理關(guān)系式的正確性提供了方便而可靠的保障。比如被稱(chēng)為能量的量綱式〔E〕=〔L2MT－2〕，其中的指數2、1、－2就是該物理量對于長(cháng)度、質(zhì)量、時(shí)間的量綱。在國際單位制電磁學(xué)量中，電阻和電感的量綱式分別為〔L2MT－2I－2〕和〔L2MT－2I－2〕，而在電磁學(xué)的高斯制單位中卻非常簡(jiǎn)明地被記為〔L－1T〕和〔L〕。量綱式的應用實(shí)踐證明，無(wú)論是力學(xué)還是熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)所使用的物理量，都可以用質(zhì)量、時(shí)間、長(cháng)度組成的量綱式予以表示，足以說(shuō)明M、L、T是物理學(xué)理論中三個(gè)最基本的物理量。
高斯制單位和國際單位制的差異，僅在于對長(cháng)度、質(zhì)量、時(shí)間使用的單位不同，前者被稱(chēng)為厘米、克、秒制，后者則稱(chēng)為米、千克、秒制。在高斯制單位中，電容、電阻、電感的量綱式中，卻都不包含質(zhì)量M。據此不難發(fā)現：
推論一：長(cháng)度L和時(shí)間T是比質(zhì)量M更基本的物理量。
二、時(shí)間和空間的關(guān)系
在傳統理論中，空間和時(shí)間概念總被并列使用，給人的印象是物質(zhì)、空間和時(shí)間屬于指稱(chēng)同類(lèi)對象的三個(gè)不同概念，其間包含著(zhù)一種非常嚴重的觀(guān)念性錯誤。因為物理量都可以被精確測定，物質(zhì)的質(zhì)量和時(shí)間分別用天平和時(shí)鐘測量，而空間呢？有人會(huì )回答：用尺子！然而，用尺子測出的叫長(cháng)度，跟質(zhì)量、時(shí)間屬于同類(lèi)性質(zhì)的概念，空間究竟應該放到什么位置上去呢？
1952年愛(ài)因斯坦在《狹義和廣義相對論淺說(shuō)》英譯本15版的序言中補充了幾句關(guān)于時(shí)間和空間的說(shuō)明（3）：
空間－時(shí)間未必能看作是可以脫離物質(zhì)世界的真實(shí)客體而獨立存在的東西。并不是物體存在于空間中，而是這些物體具有空間廣延性。這樣看來(lái)，關(guān)于‘一無(wú)所有的空間’的概念就失去了意義。
實(shí)際上愛(ài)因斯坦在這里也同樣犯了將時(shí)間和空間并列的常識性錯誤，只需要對其中的個(gè)別概念略加修改，即可以更正由于傳統理論中對二者關(guān)系處理不當帶來(lái)的諸多困惑——
長(cháng)度－時(shí)間未必能看作是可以脫離物質(zhì)世界的真實(shí)客體而獨立存在的東西。這種真實(shí)客體就叫做空間，它不僅有著(zhù)用長(cháng)度度量的廣延性，還有著(zhù)用時(shí)間度量的持續性。傳統所謂的物體都被包容在空間中；這樣看來(lái)，‘一無(wú)所有的空間’的概念就失去了意義。
時(shí)間和空間兩個(gè)概念是從屬關(guān)系，即時(shí)間T、長(cháng)度L跟空間的關(guān)系，與質(zhì)量M跟物質(zhì)的關(guān)系完全相同——物質(zhì)和空間用于指稱(chēng)兩類(lèi)截然不同的“物質(zhì)世界的真實(shí)客體”，而質(zhì)量、時(shí)間和長(cháng)度則用于指稱(chēng)這兩類(lèi)“真實(shí)客體”可以被精確測量的屬性。對物理學(xué)理論而言，只有質(zhì)量、電量、溫度和時(shí)間、長(cháng)度這五個(gè)概念，才是真正有用的單一的（即非復合的）基本物理量。
“亞里士多德關(guān)于稱(chēng)謂和關(guān)于基本實(shí)體的學(xué)說(shuō)，就發(fā)展而為實(shí)體的諸屬性相互聯(lián)系而基本實(shí)體之間卻相互分離的學(xué)說(shuō)了。所有的現代認識論和現代宇宙論都為此問(wèn)題而大傷腦筋” （4-P289）——只需要承認物質(zhì)和空間是指稱(chēng)兩類(lèi)“真實(shí)客體”的哲學(xué)范疇，而質(zhì)量M和時(shí)間T、長(cháng)度L是指代“屬性”的基本物理量，“為此問(wèn)題而大傷腦筋”的困惑，即可以全部得到冰釋。
推論二：物質(zhì)和空間屬于物理學(xué)理論中誤用的兩個(gè)哲學(xué)概念，與之相對應的基本物理量是質(zhì)量M、時(shí)間T和長(cháng)度L；量綱式中三個(gè)基本物理量M、T和L的實(shí)用有效性，就在于三者的背后確實(shí)存在著(zhù)物質(zhì)、空間兩類(lèi)截然不同的“真實(shí)客體”。用方程描述的物理規律，表述的只是“實(shí)體的諸屬性”間的相互聯(lián)系，跟指稱(chēng)“真實(shí)客體”的物質(zhì)和空間并不存在任何關(guān)系。
三、物理學(xué)認知的邏輯起點(diǎn)
讓“所有的現代認識論和現代宇宙論都為此問(wèn)題而大傷腦筋”的根源，可以從愛(ài)因斯坦講過(guò)的“科學(xué)從科學(xué)發(fā)展前的思想中將空間、時(shí)間和物質(zhì)客體（其中重要的特例是‘固體’）的概念接收過(guò)來(lái)，加以修正，使之更加確切” （3-P113）中窺見(jiàn)端倪。
物理學(xué)使用的基本概念被稱(chēng)為物理量，這些“量”都必須具備可以由任何人重復測定的特點(diǎn)，量綱式中的M、T、L就是最基本的三個(gè)。而哲學(xué)的任務(wù)卻是對基本存在本身進(jìn)行最抽象的概括，于是“宇宙被分隔成一大堆各不相干的實(shí)體，每一實(shí)體以自己獨有的方式表現自己那一套抽象的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在這一實(shí)在的個(gè)體中找到了它們共同的家園。但是，這樣的實(shí)體不能同其它實(shí)體發(fā)生聯(lián)系” （4-P289），這些實(shí)體本身就被哲學(xué)家統稱(chēng)為物質(zhì)。“古代的幾何學(xué)家所研究的概念上的東西（直線(xiàn)、點(diǎn)、面），并沒(méi)有真正研究到空間本身” （3-P110），從古到今的哲學(xué)家同樣的亦沒(méi)有“研究到物質(zhì)本身”；因為物質(zhì)和空間均屬于抽象的類(lèi)概念，用于表述基本實(shí)在的共性，根本就無(wú)法直接用語(yǔ)言交流，猶如任何人都無(wú)法回答“水果是什么滋味”這個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題。很顯然，科學(xué)將“空間、時(shí)間和物質(zhì)客體”這三個(gè)概念“接收過(guò)來(lái)”時(shí)，并沒(méi)有加以嚴格甄別，尤其是想當然地將空間和時(shí)間并稱(chēng)為“空時(shí)”，是物理學(xué)理論中存在的致命癥結。
幾何學(xué)家沒(méi)有研究到空間本身，哲學(xué)家亦沒(méi)有研究到物質(zhì)本身，科學(xué)家又何嘗能夠研究到物質(zhì)、空間本身呢！物理方程描述的是質(zhì)量、電量、能量（專(zhuān)指ε）、時(shí)間和長(cháng)度這些屬性概念之間的定量關(guān)系，這五個(gè)“量”指稱(chēng)的都不是基本存在——物質(zhì)和空間，而僅用于指代它們可以度量的不同的“特點(diǎn)”（或曰屬性）。
“人們曾設想，不依賴(lài)于主觀(guān)認識的‘物理實(shí)在’是由空時(shí)（為一方）以及與空時(shí)作相對運動(dòng)的永遠存在的質(zhì)點(diǎn)（為另一方）所構成（至少在原則上是這樣）。這個(gè)關(guān)于空時(shí)獨立存在的觀(guān)點(diǎn)，可以用這種斷然的說(shuō)法來(lái)表達：如果物質(zhì)消失了，空時(shí)本身（作為表演物理事件的一種舞臺）仍將依然存在” （3-P114）。只需要將其中的“空時(shí)”改為“空間”，這種說(shuō)法作為哲學(xué)家對“基本實(shí)在”的抽象概括，就是正確的。物理實(shí)在千真萬(wàn)確分用M計量的物質(zhì)、用T、L計量的空間兩大類(lèi)。
“理論的發(fā)展打破了這種觀(guān)點(diǎn)”，愛(ài)因斯坦這樣講的依據，“是出現了場(chǎng)的概念以及最后在原則上要用這個(gè)概念來(lái)取代粒子（質(zhì)點(diǎn)）觀(guān)念的趨勢”；接著(zhù)他又解釋說(shuō)：場(chǎng)“是一個(gè)量（或量的復合），是坐標和時(shí)間的函數” （3-P115）。在物理學(xué)理論中，物質(zhì)用M度量，或曰M的本體即是物質(zhì)；場(chǎng)用L（即坐標差）和T的函數描述，很顯然各種不同的場(chǎng)的本體就都是空間，而空間的這種“質(zhì)”卻是“連續體”，不同于物質(zhì)的可以連續被分隔。愛(ài)因斯坦在1924年《論以太》和1930年《物理學(xué)中的空間、以太和場(chǎng)的問(wèn)題》兩篇文章中，就初步“論述了真空、空間、以太和場(chǎng)的統一性問(wèn)題”，即“以太、真空和場(chǎng)指的是物理性質(zhì)同一的物理實(shí)在” （5）——哲學(xué)理論中稱(chēng)為空間的就是這種物理實(shí)在。
不妨可以相對于物質(zhì)將空間定義為：
空間指宇宙中除物質(zhì)之外、“作為表演物理事件的一種舞臺”的所有空域。
空間屬于全宇宙關(guān)聯(lián)的連續態(tài)，不同的場(chǎng)是空間中用T、L表述的多種結構；在物理學(xué)理論中將場(chǎng)和空間混為一談使用的習慣，是一種嚴重錯誤。用場(chǎng)的“概念來(lái)取代粒子（質(zhì)點(diǎn)）觀(guān)念的趨勢”注定是行不通的，因為粒子用M度量，而場(chǎng)卻用L、T的函數描述，二者分別用于表述物質(zhì)或空間中截然不同的物理實(shí)在。
“認為空間是客觀(guān)存在的、是不依賴(lài)于物質(zhì)的這種觀(guān)念系屬于現代科學(xué)興起以前的思想，但是關(guān)于存在著(zhù)多個(gè)作相對運動(dòng)的空間的觀(guān)念則是現代科學(xué)興起以后的思想” （3-P111）。這里第二句話(huà)中作相對運動(dòng)的“空間”就應該改為場(chǎng)，實(shí)際上在經(jīng)典運動(dòng)學(xué)所描述的宏觀(guān)物體運動(dòng)的規律中，g本來(lái)就是一個(gè)非常重要的表示場(chǎng)強的概念，m在g的作用下動(dòng)能、動(dòng)量必然會(huì )不斷增加；廣義相對論場(chǎng)方程中的gμν代表空間的基本度規張量，Tμν代表物質(zhì)的能量動(dòng)量張量，二者分別處在等式的兩端——空間以g或gμν的不同形式作用于m，決定著(zhù)單個(gè)物體的能量和動(dòng)量；現代科學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)在用L、T描述的 “空間”結構改變著(zhù) “物質(zhì)”的動(dòng)量這一點(diǎn)上完全是一致的，差異僅在于使用的數學(xué)方法不同而已。
量子場(chǎng)論則是從微觀(guān)角度描述空間中不同的場(chǎng)，分別作用于粒子（即質(zhì)量）或電荷（即電量）的規律，所謂“多個(gè)作相對運動(dòng)的空間的觀(guān)念”中的空間，只需要改用“場(chǎng)”這個(gè)基本物理量，馬上就可以豁然貫通地意識到關(guān)于“現代科學(xué)興起”前后的區分并沒(méi)有實(shí)際意義——物理學(xué)理論中使用的物質(zhì)和空間，只具有泛指物理實(shí)在本身的作用，要描述基本實(shí)體之間的相互聯(lián)系及基本規律，則必須使用可以精確測定的基本物理量。
所有用M計量的物理客體的本體統稱(chēng)物質(zhì)，所有用T、L計量的場(chǎng)的本體均指空間。量子場(chǎng)論描述的是空間中的場(chǎng)作用于物質(zhì)系統的質(zhì)量或電量的規律。
推論三：物理學(xué)認知的邏輯起點(diǎn)應該是物質(zhì)、空間二元論。物質(zhì)和空間屬于哲學(xué)理論中表述共性的概念，不能通過(guò)語(yǔ)言直接交流；物理學(xué)理論中使用的是基本物理量，均可以由任何人重復予以測定。物理學(xué)理論中使用的“空時(shí)”、空間和物質(zhì)三個(gè)概念，是導致出現諸多困惑和悖論的癥結之所在——“科學(xué)從科學(xué)發(fā)展前的思想中將空間、時(shí)間和物質(zhì)客體”的概念接收過(guò)來(lái)時(shí)，沒(méi)有嚴格甄別這三個(gè)概念的本質(zhì)差異，即“時(shí)間”T可以精確測定，而與“空間”和“物質(zhì)客體”相關(guān)的、可以精確測定的卻是長(cháng)度L和質(zhì)量M?？臻g和物質(zhì)屬于哲學(xué)概念，M、T、L屬于物理量；只需要對這五個(gè)概念做出嚴格甄別區分，所謂20世紀物理學(xué)對哲學(xué)的挑戰，即可以全部被平息，現代科學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)之間的裂隙，亦很容易得到彌合。
最后可以將物質(zhì)、空間、質(zhì)量、時(shí)間和長(cháng)度之間的關(guān)系表示如下：
表述共性的類(lèi)概念只有稱(chēng)謂作用，僅用于指稱(chēng)基本存在本身。自然科學(xué)理論中使用的物質(zhì)和空間，并不具有任何物理意義。
表示個(gè)性的物理量，屬于可以由任何人重復測定的、并且具有確定計量單位的屬性概念，而不用于指稱(chēng)任何實(shí)際存在的東西。
T∝g-1/2是空間以gR（即勢）作用于物質(zhì)系統的機械（擺鐘）而顯示出的時(shí)間，適用于物質(zhì)系統；T∝g是量子ε=h/T（即hν）在空間中傳播時(shí)直接顯示的時(shí)間，適用于空間系統——兩種不能相容的時(shí)間的存在（6），為物理學(xué)必須以物質(zhì)、空間二元論的自然觀(guān)為認知起點(diǎn)，提供了充分而必要的依據。
參 考 書(shū) 目
（1）（美）G•Holton著(zhù)/ 物理科學(xué)的概念和理論導論 / 人民教育出版社 / 1983 年
（2）董光璧著(zhù) / 易學(xué)科學(xué)史綱 / 武漢出版社 / 1993年
（3）愛(ài)因斯坦著(zhù) / 狹義與廣義相對論淺說(shuō) / 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 /1964年
（4）文池主編 / 宇宙簡(jiǎn)史 / 線(xiàn)裝書(shū)局 / 2003年
（5）薛曉舟 / 真空理論的發(fā)展圖景和本體詮釋/ 自然辯證法通訊/ 2005年5期
（6）周吉善 / 時(shí)間隨R而變的方程 /鄭州防空兵學(xué)院學(xué)報 / 2003年2期
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