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对物理学的思考(四)
2019-07-02
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    物质与空间

    物质是不依赖于意识而又能为人的意识所反映的客观实在。按照现在流行的哲学观点认为“物质是标志客观实在的哲学范畴,这种客观实在是能被人感觉到的。它不依赖于我们的感觉而存在,为我们的感觉所复写、摄影、反映。”具体地说,所谓物质的定义包含着三层意思,第一,物质就是“客观实在”的东西,凡不是“客观实在”的东西就不是物质;第二, 物质是“离开意识而独立”的东西,凡不是“离开意识而独立”的东西,也不是物质;第三,物质是“能被意识所反映的客观实在”的东西。也就是宇宙中所有存在的一切都是物质,其是在宇宙时空中运动变化的,并是可能被人认识感觉的。

    空间又是什么?

    "空间"是个抽象的概念,其内涵是无界永在,其外延是一切物质占位的大小和相对位置的度量。"无界"指空间中的任何一点都是任意方位的出发点;"永在"指空间永远出现在当前时刻。也即物质是存在与运动在空间中,有物质运动,则一定有其存在的空间,有空间则必然有物质在其内运动,空间是物质及其运动的存在形式。也就是空间与物质是密不可分的。这样在研究物质运动变化的过程中也就必然的会涉及空间的问题。

    物质是在时空中不停运动变化的,时空是物质的存在形式,有时空则一定有物质在其内运动,反之有物质则一定有在它运动存在的时空中的时空。物质是运动着的,时空在其内的物质运动不发生变化的情况下,具有保持不变的特性,即具有惯性。物质与时空是矛盾的双方,它们相互依存相互影响。物质运动变化会影响其存在形式时空的相应变化(相对论时空的变化),而时空的形式也会影响在其内的物质运动(惯性、引力)。

    由此现在所谓的真空,由于它作为时空的存在,就一定不是没有物质的空间,而只是没有机械运动物质(实物质)的空间,因为光是可以在真空中传播的。这样被人认识到的物质分为两大类,一类是它本身据有一定边界,它独立的占据一定自己内部运动的空间,可作为一个独立整体与其它物质发生相互作用,并能被人所直接感觉到的实物质(一般可作为质点)。这就是我们现在所直接看到或通过各种仪器设备看到的大到星系、星球,小到基本粒子的实物质。现在描述实物质的运动时空为四维时空,即三维立体空间与一维时间,它们的运动一般为机械运动。第二类物质它本身无边界,充斥在全部空间中,它一般不会占据一定时空作为自己的内部的独立时空,但它却可在空间中运动,也只有通过它的运动与其它物质发生相互作用才能被人发现。这类物质就是场物质,如现在已被人确认的电磁场物质。在宇宙中到处都充满了这种场物质,在真空中也充满了这种场物质,这种物质存在于四维时空中。场是空间的一种物质状态,如在给定位置的电磁场是空间在该位置处的一种电磁场的状态,是所有其它位置的电磁场源在该处形成电磁场的迭加,而处于该位置的电磁体皆会受其作用。这样在物理学中场并不只是为了便于数学计算引入的一个数学概念,而是一种真正的物质形态,在宇宙中场是与粒子同时并存的一种运动物质存在形式。

    对于实物质,其本身是有一定空间限度的,即其是有明确的空间边界,它可明确的分开那里是该运动物质的内部,又从边界处分出是该运动物质的外部,同时它与其它物质发生相互作用时是整体物质参与的,这个整体是可以相对运动也可以是相对静止的,由此这时可以将它作为一个质点,以方便的进行运动规律的寻找及方便的描写。实物质可以组合,也可以分散,大到组成星系、恒星,小可分为基本粒子,但它们不管大小都还是有一定空间限度的,是内外有别的,即其内部的空间与外部空间是不同的,内部空间是独立于外部的空间的。实物质一般是以质量标称其总体数量的,而质量是惯量的量度,即质量是实物质独立时空保持不变能力的量度。由此实物质的运动及相互作用的描述都是针对其质量(独立空间整体)的。

    场物质如电磁场物质则是充满了全部空间的,即所有空间都存在场物质,它并不存在内部与外部之分。场物质的运动形式是波,波是一直运动着的,波不可能相对静止,场只有通过场物质的波动才能与其它物质发生相互作用。同时波一般也没有自己独立的时空,它是在所有的时空中运动着的。也就是实物质与场物质的差别在于一个是在全部空间中运动传播不可能相对静止,一个是有自己独立的空间而在其外部空间作整体运动可以是相对运动也可能是相对静止的。

    在数学与物理学中空间往往被简化成一个坐标架,这个坐标架只是为了能标明物质所存在的位置而设立,并不含有什么特殊的意义。而这坐标架的指向往往以维来称谓,其各维之间的方向是相互垂直的,即各维之间是相互正交的。在数学上这个维度可以有n 维(n为自然数),但在物理学中,宏观经典物理学中最多只有三维空间,而在相对论物理中也只是将时间加入其中而构成了四维相对论时空。

    在数学中,数是空间中的点。而数学中点是既无内部结构又是不分层次的抽象零维点。由此数学的本质不在于它的对象,而在于它的方法。这样数学发展的每一项重大成果,无一不是首先在思想方法上得到突破和创新的结果。而物理学中的“质点”是空间中物质的运动存在位置的标注,其不仅作着整体运动,同时这个质点还有内部结构,更占据着空间的一定范围,其必然有一定的空间范畴,而不可能是一个零维的点。即数学的空间只有数的存在,其可以是什么都没有,其可以是零,而物理空间中是必定有物质在其内运动的,空间中的点只能是质点,其占据着空间的一定范围。这就是数学与物理学之间的差别。

    数是时空中物质抽象的点,数的运算则是对点在时空中相互作用与运动的描述。数这个点是人类智慧抽象的结果,可谓“万物皆数”(毕达哥拉斯语)。数这个点可以是任何一种物质,可以是一个恒星系、或一个恒星,亦可以是一个人,也可以是一匹马,还可以是一个基本粒子或一个波。总之,数可以是一个任意的运动物质。而数的运算,则是物质在时空中的相互作用或运动。数的运算方程则是描述数这个点运动所遵循的规律。照此规律只要知道初始条件与边界条件,则可以确切的得到该点运动的最后结果。

    人类对数及其之间运算的研究则是数学。数学是研究空间形式数量关系和逻辑推理的科学,是对物质世界原型美的模写。由此数学是人类科学的基础,是通向科学大门的钥匙。

    数学发展中,经历了几次开拓,或也可以说是几次危机。这些都是由于人在对数及对数的运算过程中逻辑关系有了拓展性认识的结果。人为了对物质进行定量认识,首先要用一定的单位对物质进行定量,如几头牛、几只羊等,从而认识了自然数,0、1、2、3、4、┉。但随着人类对数运算的开展,如减法的进行,人则认识了整数系统┉┉-4、-3、-2、-1、0、1、2、3,、4 ,从而完成了人对正数--负数的第一次对称性认识。后来随着人类对数运算的开展,发展出了乘、除法,故数也就又发展出了整除数、分数。随着开方运算的出现,人又发现在数的空间中还应当有另外的一种数,这就是后来被称作无理数的数。其实所谓的无理数就是如这类的数。这类数在解二次方程中是很可能出现的,很多物质的运动都会出现在这类的方程中,如抛物运动等。这样人类也就认识了实数,从而使实数空间与实数达到了完全的一一对应。这也就完成了人对数认识的第一次飞跃。

    数学的第二次飞跃(危机)则是关于微积分初建的逻辑问题,也即“伯克莱悖论”。其是在假设某条件下进行推理,而后又否认这一条件的存在,但却保留了这一假设下所得的结果。这样的推理自是自相矛盾的,显然极不严密。由此逐步建立起了严密的数学逻辑系统,使数学成为真正义意上的数学。后来数学的突破主要表现在数理逻辑上,如第三次数学危机就是由于集合论悖论引发的。

    但人对数的认识并没有到实数为止。在描述物质运动中出现了方程X2+1=0,即在数学运算中出现了负数开方,这是个在实数空间中不存在的点。由此人引入了虚数i,其中。尽管这次对数认识的扩展,没有象无理数的引入一样激起数学界的一场混乱纷争,很快就平息了这场风波,但这也是颇为耐人寻味的对人思维定势的突破。从而使数由单纯的实数扩大为复数。也就是数的空间由实数空间扩大为复数空间。从而完成了人对实数--复数的第二次对称性认识。

    人对数的认识是否已经完结了呢?现在还不能定论。随着人类对物质运动的进一步认识,可能会出现新的运算,即新的描述物质运动的方程,从而也就可能又会有新的相应的数。但这些只能随人类对物质运动认识的进一步实践来决定。

    物理空间就是我们一睁眼就看见了的我们在其中生活、活动的空间。这个空间是三维的立体空间,现在所认识的所有物质运动都是在这三维空间中进行的。在物理空间中是不存在零维空间的,即物质是一定占有一定大小空间的,不存在没有空间的物质,也不存在没物质的空间。但在物理学中却有只作为物质所占位置标注的“质点”,这个点只是物质所占位置的标注,用以描述物质运动的过程,而并不是物质本身的结构与特性。这个“质点”本身结构可能很大,占位空间也可能很大,如星系、恒星等,但在描述其运动时,却可将其质量中心点的位置作为其所在位置的一个点(数学点)加以研究,从而得到其总体的运动规律。当然这个“质点”也可能是基本粒子,占位空间很小。但不管是那类的“质点”其实都有一定的占位空间,即“质点”是有内部结构的,不可能是零维的数学点。

    由于“质点”不是零维的,它所代表的物质运动占有一定的内部空间,这个空间是独立于质点外部的整体运动的空间的,且在一般情况下这独立空间内的物质也不会与其整体运动外的空间中物质发生相互作用,故两个“质点”的位置永远不可能是同一个点,即“质点”之间的距离永远不能为零,其最小距离只能为这两个质点所代表的物质所占独立空间范围到质心距离之和。这与数学中两个点可以是在同一位置,即两个点可距离为零是决然不同的。

    同时物质运动之间的相互作用,是物质的总体即物体独立空间之间的相互作用,它们在运动的作用下改变运动状态的过程中,总是作为一个整体而并不会涉及到物质独立空间的内部,除非是物质之间发生了反应,作用物质才可能发生物质所占独立空间内部物质的运动变化,如质点的碎裂、粘结,物质的化合、分解,物质的裂变、聚变等。也就是作为占有物理空间物质有总体空间位置(“质点”)的变化运动方式,这与数学点是相类似的,同时还有物质独立空间内物质相互之间的相互作用,而改变了物质空间内部物质的运动形态,形成了新的物质运动形态,从而也改变了原有物质存在形式的独立空间。这是数学点所没有的。

    也就是数学空间的点在空间如何运动,都不会影响其所在的空间;而物质运动所在的空间是与其内物质的运动形态相互关联的,是会随空间中物质运动形态变化而发生变化的。这正如物理学中相对论空间随物质运动变化会发生空间曲变所表明的那样。这点又是物理空间与数学空间的一大不同。

    一维空间是一条线,二维空间是一个面,三维空间是立方体。而点则是在这些空间中运动、存在的。在物理空间中,如在一维空间中运动的点只能在这条线上运动,其运动的再远也不可能运动到这条线外;同样在二维空间中运动的点,也只能在这个平面上运动,运动的再远也突破不了这个面;在三维空间运动的点同样只能在立体空间中运动,是不可能达到立体空间之外的。当然现在立体间之外是什么尚不清楚。

    空间中的维度限制了点之间的距离,如在一维的线空间中,线外的一个点与线上点的距离是无穷远的,既使这个点离这个线可能很近。这是因为线就是伸展的再远也不可能到达这个线外的点,但如果增加一个维度,使这个点与线构成二维平面,这个点有可能与线上点距离就并不是无穷远了,可能离的很近。同样二维面外的一个点与面上点的距离,也是无穷远,因为这个面再延伸也不可能达到这个点。同样如果增加一个维度由面与其外的点构成三维的体空间,则这个点可能距这面上的点也并不远。即空间中的距离与空间的维度是有关的,在低维度下的无穷在高一维下就可能不再是无穷了,还可能很近。这是否表明距离是与维度有关的,即距离的无穷是可能通过增加空间的维度来解决呢?

    在现代的物理学中,有很多描写物质运动的方程在对有关距离积分时,会出现无穷大的问题,这其实都与对空间距离的认识有关。既然空间维度的增加可解决无穷的问题,那么在三维立体空间中的无穷能否用增加维度来解决呢?一维线增加一维是面,二维面增加一维是立方体,三维立方体再增加一维又是什么呢?这多于三维的空间是我们到现在所不知的,它是什么呢?它存在吗?

    在物理学中物质(物体)是作相对运动的,这样同一运动在不同的坐标系中所得到的描述是不同的。经典物理学认为只要这些坐标系相互是作均速直线运动,即其为惯性坐标系,其所有描述都是相同的。这也就是说在在所有不同惯性坐标系(不同运动空间中)运动的物质与空间之间是没什么相互关系的,它们之间只是相对运动而已。当然为了使解决问题简化,一般是是选取相对静止的坐标系。这种经典物理的物质运动与空间观在上个世纪初被狭义相对论所突破,提出在不同的坐标系中对同一时空的描述是不同的,即在不同的坐标系中对同一物质运动的描述是不同的,但所有的惯性坐标系并不存在那一个更优越或那一个更基本的问题。由此对同一时空在不同的坐标系可能得到不同的量度。也正为此不仅在运动方向上空间量度会发生收缩,同时物质的质量这个对时空曲变的量度在不同的坐标系中也是不尽相同的。这表现在在一个坐标系中,该物质的运动速度为V1,但在另一个坐标系中其运动速度就变成了V2,而在n个坐标系中其运动速度就可能为Vn,而并不能表明这些坐标系中其中的那一个是最基本的,那一个是最优越的,它们彼此都是等价的。但在这n 个坐标系中对同一物质运动存在的形式时空的量度却是不同的,由此就有必要确定一个相对的坐标系来统一对该物质运动时空状态的量度,这样就选定在其内为相对静止的坐标系的质量为该运动物质运动状态的时空量度,也就是通常所说的质量m0,这样就可能统一所有坐标系中的物质质量,即有用将不同坐标描述的状态进行相互变换而达到统一。

    物质运动都有确定的动量,而定义动量除以速度为其惯量的量度,即。这样m0也就是物质在相对静止的坐标系中内部的物质运动状态,也即该运动物质存在的时空状态了。

    质量是惯量的量度,而所谓惯量是保持物质运动形式不变的量;而物质是在其存在的时空中运动的,一定的运动对应着确定的时空状态,一旦物质运动形式变化了,其相应存在的时空状态也必然要发生相应的变化,由此惯性实际上是空间不变性的体现。这样质量实际上是与运动物质存在形式的时空联系在一起的,即质量实际上是对时空变化量的量化表示。

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