我国哲学界在阐释狭义相对论时空理论上的失误，本文主要内容关键词为：狭义相对论论文,理论上论文,哲学论文,时空论文,我国论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B021.3 文献标识码：A 文章编号：1003-854X(2001)05-0055-05
狭义相对论时空理论，亦即狭义相对论运动学，是从物理学的观点论述空间和时间的规律的学说。长期以来，我国哲学界在狭义相对论时空理论的阐释上，一直存在着一些明显的错误观点，主要是认为狭义相对论已揭示出：“空间和时间是同物质的运动相联系着的。时间和空间随着物质运动的变化而变化，它们和运动着的物质是不能分离的，它们彼此之间也是不能分离的。”（注：艾思奇主编：《辩证唯物主义 历史唯物主义》，人民出版社1978年第3版，第45页。）这种观点自从我国著名哲学教科书——《辩证唯物主义 历史唯物主义》出版以来，一直为许多哲学教科书和哲学文章所沿袭。针对这种情况，笔者曾于十几年前撰文指出了这一错误（注：乐传新：《相对论时空理论评价探讨》，《哲学研究》1986年第10期；《必须科学地评价相对论时空理论》，《哲学研究》1992年第12期。）。然而至今，这种错误观点仍然见诸于新版的权威哲学教科书甚至百科全书类出版物。
笔者再一次重申：狭义相对论从真空中光速不变公设（或原理）出发，揭示了时间与空间的相互联系，并没有揭示时空依赖于物质及其运动，也没有证明时空随物质运动变化而变化；广义相对论从引力相互作用这一侧面，才揭示了物质、运动、时空之间的不可分割的联系。广义相对论的时空理论才真正是辩证唯物主义时空观的自然科学基础。为什么我国哲学界在狭义相对论时空理论阐释上一再失误？究其原因，这是由于除了对狭义相对论时空理论理解不够外，还有一个十分重要的因素在误导，即以我们现在的物质观、运动观和时空观——如时空是物质存在形式、运动是物质运动和真空不空等观念，去看待狭义相对论的时空理论，这种先入之见阻碍了我们按其理论本身涵义如实地阐释和评价，因而不自觉揠苗助长拔高了狭义相对论的成就，得出了错误的结论。
本文对狭义相对论创立过程中的疑难问题的解决、狭义相对论的时空度规理论以及容易造成误解的两个问题，进行初步探讨，力图纠正阐释上的失误。限于笔者水平，错误疏漏之处在所难免，敬请哲学界同仁批评指正。
一
众所周知，狭义相对论是在解决牛顿力学与麦克斯韦电动力学的不协调困难中诞生的。十九世纪下半叶，经典物理学在取得辉煌成就的同时，也面临一系列理论上的困境，其中之一就是麦克斯韦电动力学与牛顿力学的冲突。这表现在牛顿力学通过伽利略变换可以满足伽利略相对性原理（亦称力学相对性原理）；而麦克斯韦电动力学在伽利略变换下却不遵从这个原理，就是麦克斯韦方程中的常数C——当时已被证明为光在真空中的传播速度，只在一个特殊惯性系中才能保持不变。当时的物理学家们对经典物理学这两种理论的冲突十分困惑，许多人曾进行了各种理论协调尝试均未成功。于是，物理学家们只好承认牛顿力学和麦克斯韦电动力学的不协调，转而去寻找那个使电动力学成立的特殊参考系。在电磁学发展的历史上，物理学家们曾经假定存在一种电磁介质——“以太”，它无所不在，充满了包括真空在内的整个空间，而且是电磁场的载体。麦克斯韦电动力学将电、磁、光统一起来，并预言了电磁波的存在，电磁波在当时被解释为以太的机械振动。1888年，德国青年物理学家赫兹发现了电磁波，这不仅是对麦克斯韦电动力学的证实，而且也使当时物理学家们对以太的存在深信不疑。这就很自然地使物理学家们认为以太这个参考系是使麦克斯韦电动力学成立的唯一特殊惯性系，于是麦克斯韦方程中的光速C只对以太系而言，而对其它惯性系则是可变量。然而当时在承认以太存在的前提下，对以太的运动状况尚有疑问：以太是绝对静止呢？还是被其中运动物体拖曳着一起运动呢？荷兰物理学家洛伦兹主张以太静止于绝对空间中。于是，充实的以太取代了空虚的绝对空间的位置。由于牛顿绝对时空观已为人们长期接受，再加上洛伦兹的威望，许多人相信以太是绝对静止不动的。按照这个观点，在地球上做电磁学实验，例如测量光速，则应测量到各个方向上光速的差异从而探测到“以太风”的存在。从19世纪末开始（在此以前已有一些物理学家从事了一些相关实验），物理学家们精心设计了一系列实验，以便证实上述观点。其中最著名的是1887年迈克尔逊—莫雷实验，其精密度达V[2]/C[2]数量级，具有明确的判决性，然而实验结果表明不存在“以太风”（必须注意，该实验至多只能表明以太不是绝对静止的，并没有否定以太存在）。为了解释迈克尔逊—莫雷实验的零结果，物理学家们赋予“以太”种种奇特力学性质，提出了各种假说，虽然可以解释迈克尔逊—莫雷实验，但却与其它实验相矛盾。1892-1904年，洛伦兹对于当时众说纷纭的以太概念作了澄清，他取消了以太其它的一切力学性质，只赋予以太的不动性——绝对静止状态，在斐兹杰惹的假说基础上，用电子论提出精心改进的“收缩假说”：假设物体相对以太运动时，物体内部的各个分子间出现一种力，使物体沿运动方向缩短。它虽然比其它假说能更好地解释迈克尔逊—莫雷实验，但先验地提出了十一个假定，有明显人为性质，不能令人满意（后为1932年肯尼迪—戎迪克的不等臂迈克尔逊干涉仪实验所否定）。总之，当时没有一种假说能统一解释上述的这些实验，这就是所谓的“以太之谜”。
解决“以太之谜”的重任历史地落在爱因斯坦的肩上，他通过哲学观点和逻辑的思考，认为麦克斯韦电动力学应用到运动参照系上所引起的不对称，并非是自然现象所固有的，亦即麦克斯韦方程在任何惯性系上都应成立。“以太之谜”的思想混乱，是因为假设存在一个绝对静止的以太系所引起的。于是，他以快刀斩乱麻的方式宣布以太“是多余的”，“不需要引进一个具有特殊性质的‘绝对静止的空间’”（注：范岱年等编译：《爱因斯坦文集》第2卷，商务印书馆1977年版，第84页。）。为了使麦克斯韦方程中的常数C（光速）在任何惯性系中保持常量，必须假定光速不变，而实验事实正好显示了这一点。于是将光速在真空中恒为C亦即与惯性系无关提升为公设——光速不变原理，并将伽利略相对性原理推广为狭义相对性原理（不仅力学定律而且物理定律在所有惯性系中都具有相同形式）。根据这两条原理就自然得出了新的时空变换——洛伦兹变换，建立了狭义相对论，从而消除了牛顿力学与麦克斯韦电动力学的矛盾，使这两种经典理论的方程在洛伦兹变换下保持不变性，都满足相对性原理。
狭义相对论的建立，刷新了人类几千年来的时空观念，是时空发展史上的重大飞跃。那么，狭义相对论是否全面变革了牛顿绝对时空观呢？笔者认为无论是狭义相对论的理论本身还是爱因斯坦当时的思想均未达到这个高度，它只是从否定时间与空间无关这一角度，揭示了时间与空间在形式上的不可分割性，而对牛顿的绝对时间、绝对空间的本质涵义并未作实质的改变。
我国哲学界对牛顿绝对时空观的涵义理解亦不全面，这直接影响到对狭义相对论时空理论的阐释。笔者曾在十几年前撰文首次指出，牛顿绝对时空观应包括下列三方面的涵义。
第一，空间和时间像物质一样是独立的客观实在，也就是说空间、时间、物质是三个独立的实体。
第二，空间和时间只作用于物质及其运动，但却不受物质及其运动的影响。空间和时间作为一切力学现象的积极参与者，只起作用而不承受反作用，这种“单向因果联系”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第3卷，商务印书馆1979年版，第501页。）或“因果的绝对性”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第228页。），显然违背科学上的思考方式。
第三，空间和时间互不关联，一方的存在和变化并不影响另一方的存在和变化。
值得注意的是，牛顿绝对时空观这三个方面的涵义是既有联系又有区别的。其中，第二个方面虽然比第一个方面有更深一层的意义，但这两个方面密切相关：承认其一，必承认其二；否定其一，也必否定其二。然而，第三个方面却有一定的独立意义，即否定或承认第一、第二两个方面，固然能否定或承认第三个方面；但不能倒过来，即仅只否定或承认第三方面，却不能导致否定或承认第一、第二两个方面：即揭示了时间和空间的联系，并不等于揭示了时间、空间与物质及其运动的依赖关系。特别要指出的是，第一、第二两个方面正是牛顿绝对时空观的本质涵义。如果不能正确地把握牛顿绝对时空观这三个方面的涵义，就不能科学地阐释狭义相对论时空理论的哲学。
我认为，狭义相对论只否定了牛顿绝对时空观的第三个方面的涵义，而未否定实质上是保留了第一、第二两个方面的涵义。之所以如此，是因为建立狭义相对论的关键是对时间概念的分析，导致揭示了时间与空间的联系。
狭义相对论的基本原理要求改变时间概念。表面上看，光速不变原理与狭义相对性原理是不相容的。经过艰苦的思索，爱因斯坦说：在放弃了许多没有效果的尝试后，“我终于认识到，时间是值得怀疑的！”按照牛顿关于绝对时间的概念，时间是与任何事物也与空间无关的。爱因斯坦年青时颇受马赫哲学思想的启发，即与任何事物无关的概念，是一种无法为经验证实的“形而上学”概念，应从理论中将其剔除掉，绝对时间正是这样的概念。对绝对时间亦即对绝对同时性问题的考察是建立狭义相对论的突破口。光的传播定律表明真空中的光速是一切信号速度的上限，任何信号的传播都需要时间，由此爱因斯坦认识到：“时间是不能绝对定义的，在时间和信号传播速度之间存在着不可分割的联系，用这个新的概念，我才第一次有可能完全解决所有这些困难。”（注：爱因斯坦：《我是怎样创立相对论的？》，载《自然科学哲学问题》1983年第2期。）这就是通过有限速度的信号进行校钟操作，发现时间是不能离开空间来绝对定义的，牛顿那种普适一切惯性系的绝对时间乃是一个先验的观念。时间是属于惯性系这种空间的，不同惯性系有不同的时间，同时性是相对的而不是绝对的。故此，狭义相对性原理同光速不变原理的矛盾是表观上的，是与空间分离的绝对时间概念造成的。正如爱因斯坦所说：“为了使狭义相对论原理同光速不变原理相一致，必须放弃存在绝对的（符合于一切惯性系的）时间的假设。”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第184页。）这里必须注意：协调狭义相对论两条基本原理没有也不需要涉及牛顿绝对时空观的本质涵义，仅仅只须否定时间与空间的不关联性就足够了。
综上所述，从对狭义相对论建立过程中关键性疑难问题解决的分析中，可清楚地看出，狭义相对论只是突破了牛顿绝对时空观（即否定了牛顿绝对时空观的第三方面的涵义），并未否定实际上是保留了牛顿绝对时空观的本质涵义（即保留了牛顿绝对时空观的第一、第二两方面的涵义）。下面我们对狭义相对论的时空度规理论本身进行分析，亦可得出上述同样的结论。
二
在相对论中，是用“度规”(metric)来描述时空的。度规亦称量，就是给定时空中两个邻近事件的线元。为了将狭义相对论与广义相对论的时空理论相比较，我们用一般数学形式来表示度规：
由上式可看出：第一，时空坐标本身直接表示度规关系，亦即坐标差＝可量度的长度和时间。爱因斯坦指出：”在古典力学里，同样在狭义相对论里，空间和时间的坐标都有直接的物理意义。”（注：范岱年等编译：《爱因斯坦文集》第2卷，商务印书馆1977年版，第282页。）狭义相对论同牛顿力学一样，其时空度规是先于物质及其运动决定的，这就是度规的先验性，亦即是牛顿绝对时空观第一个方面的涵义。第二，度规张量是一个常量，不受物质及其运动影响，这就是度规的刚性，亦即是牛顿绝对时空观的第二个方面的涵义。在狭义相对论中，其度规被称为“准欧几里得度规”，而将度规张量g[,μν]，化为η[,μν]的坐标系称为“准笛卡儿坐标系”。实际上，狭义相对论只不过是说四维空间的惯性系，是伪欧氏空间或明可夫斯基空间，这个均匀平直的空间与三维欧氏空间并没有本质区别，只是多了一维和度规号差出现负数。狭义相对论时空度规的先验性和刚性，清楚地表明时空是不依赖于物质及其运动的独立客观存在，正如爱因斯坦所说：“狭义相对论的四维空间像牛顿的空间一样地刚硬和绝对。”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第262页。）“这样，像在古典力学里一样，空间在这里也是物理实在的表示中的一个独立组成部分。如果我们设想把物质和场移去，惯性空间，或者更为准确地说，这空间同有关的时间一起，却依然存在。四维结构（明可夫斯基空间）被认为是物质和场的载体。”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第554页。）我们将这种时间和空间结合在一起形成的不依赖于物质及其运动的时空实体称之为“绝对空间——时间”，它仍然保留了牛顿绝对时空观的本质涵义。
在广义相对论时空理论中，将引力与度规同一（狭义相对论完全略去了引力作用），或者说时空与引力场是一回事，而引力场是由物体产生的。于是这就导致了双重意义：其一，“一旦引力引了过来，它就粉碎了惯性系这个概念”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第390页。）；其二，时空度规失去了先验性和被剥夺了刚性。在广义相对论的度规表示式中：时空坐标不再表示度规关系，已退化为没有物理意义的数，只有同相应的度规张量g[,μν]相结合才能给出度规的实在性；度规张量g[,uν]不再取伽利略值了，其矩阵中虽然只有十个分量是独立的(g[,μν]=g[,νμ])，但无论使用何种坐标变换，都不能像狭义相对论那样化为对角矩阵成为常量，即是说g[,μν]是时空坐标的函数。这就意味着：必须用高斯曲线坐标系来取代笛卡儿直角坐标系，亦即用非均匀弯曲的黎曼几何取代均匀平直的欧氏几何，故g[,μν]称为黎曼度规张量。黎曼度规张量既不是先验的也不是刚性的，而是一个由引力场方程中物质能量动量张量Tμν决定的柔性度规，即是说时空性质是由物质及其运动决定的。在1915年建立广义相对论之后，爱因斯坦和福克等人又从引力场方程中推导出物质运动方程，证明了物质运动方程蕴涵在场方程之中，从而深刻地揭示了物质、运动、时空之间的统一性，全面破除了牛顿绝对时空观三个方面的涵义，实现了人类时空观念上最伟大的革命。玻恩高度赞扬道：“广义相对论的创立，不论是当时还是现在在我看来，都是人类思索自然的最伟大的业绩，是哲学的洞察力、物理直觉和数学技巧最惊人的结合。”（注：[德]玻恩：《我这一代的物理学》，侯德彭、蒋贻安译，商务印书馆1964年版，第239页。）霍金则指出：“1915年之前，空间和时间被认为是事件在其中发生的固定舞台，而它们不受在其中发生的事件的影响。即便在狭义相对论中，这也是对的。……然而在广义相对论中，情况相当不同。这时，空间和时间变成为动力学量：当一个物体运动时，或一个力起作用时，它影响了空间和时间的曲率；反过来，空间—时间的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事所影响。”（注：[英]史蒂芬·霍金：《时间简史》，许明贤、吴忠超译，湖南科学技术出版社1996年版，第42页。）我们必须认识到，就狭义相对论突破了人类时空观的定势而言，对物理学发展的影响是巨大的，然而就人类思想的成就来看，广义相对论却具有更为巨大的意义。广义相对论才真正是辩证唯物主义时空观的自然科学基础。我国哲学界由于认为狭义相对论已经揭示了时空与物质及其运动的不可分割的联系，所以在阐述广义相对论的哲学意义时，就只好说是对这个观点的“进一步证明”，这显然拔高了狭义的相对论，而低估了广义相对论的成就。
三
我认为，我国哲学界在阐释狭义相对论时空理论上的失误，还与对下面两个问题的理解密切相关，因而必须加以澄清。
第一是以太和真空问题。爱因斯坦对以太和真空的看法有一个前后变化的过程，这里只就狭义相对论和爱因斯坦当时的思想进行讨论。狭义相对论否定以太承认电磁场是一种物质形态，这是一个重大功绩；然而这却使原先设想充满以太的宇宙空间又回到空虚状态，即空无一物的真空。但是，我国哲学界较为普遍的观点是认为电磁场取代了“以太”的位置，“狭义相对论世界里充满了电磁”，真空不空。实际上，狭义相对论认为电磁场只是分布在空间的局部区域，即场源附近和光线所经过的路径（这同六十年代发现的3k微波辐射的背景场是不同的），而其它广袤无垠的宇宙空间仍是一无所有的空虚。那么，无媒质的空虚空间如何传播电磁波（包括光）呢？爱因斯坦说：“现在唯一的出路，便是认定空间具有一种发送电磁波的物理性能，而不过分顾虑这句话有何真正意义。”（注：爱因斯坦、英费尔德：《物理学的进化》，周肇威译，上海科学技术出版社1962年版，第110页。）下面我们将会看到这句的真正意义是什么。可见，在狭义相对论里，局域电磁场并没有取代充满宇宙空间的以太，电磁场也没有“代替以太取得了作为独立的物理实在的地位”。必须注意，狭义相对论不是场论，还没有用连续性的场来表示物理实在。在当时，空虚空间即真空不但依然存在，而且也是可以想象的。“因此，连狭义相对论也没有消除笛卡儿对‘空虚空间’是独立存在的或者竟然是先验性存在的这种见解所表示的怀疑。”（注：爱因斯坦：《狭义与广义相对论浅说》，杨润殷译，上海科学技术出版社1964年版，第118页。）
第二是“钟慢尺缩效应”问题。我国哲学界普遍认为：“钟慢尺缩效应证明时空随物质运动而变化”，因而狭义相对论揭示了时空与物质及其运动的依赖关系。本文上面已分析过狭义相对论中的时空与物质及其运动间是单向因果作用，“钟慢尺缩效应”决不能理解为物质运动对时空的影响。理解这个问题的关键是必须弄清两点：其一，在牛顿力学和在狭义相对论中，所讲的惯性系运动指什么？人们往往从运动是物质运动这一观点出发，将惯性系运动理解为物质的运动。这种与惯性系概念相矛盾的观点是不正确的。实际上，惯性系运动是指时空框架本身之间的相对运动。牛顿指出：“如果一个处所在运动，那末放在里面的无论什么东西也是在随它一起运动”（注：[美]塞耶编：《牛顿自然哲学著作选》，上海人民出版社1974年版，第24页。）。这里的“处所”指的是绝对空间的可动部分——相对空间，它后来为惯性系所替换。所以，无论是牛顿力学还是狭义相对论都没有也不可能给出物体作惯性运动的“物质因”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第188页。），而“以空间作为动力因”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第159页。）。“于是假定物理定律（例如惯性定律与光速恒定定律）只对于这类惯性系是有效的”，这是“物理学体系里所指派给这种空间的任务”（注：爱因斯坦：《相对论的意义》，李灏译，科学出版社1961年版，第91页。）。这就是说时空作用于物体和光，使之作惯性运动并且光速不变。至此，我们可以看出上述爱因斯坦在否定以太后，必须“认定空间具有一种发送电磁波的物理性能”这句话的真正意义，指的就是“空间动力因”。其二，“钟慢尺缩效应”又指什么？狭义相对论认为这是运动学效应，不是动力学效应，亦即是没有物质作用原因的，不能用因果范畴来解释。“钟慢尺缩”实际上是空间本身的收缩、时间本身的变慢（惯性系彼此相对而言）。简短地说，是时空本身的属性，与物质及其运动无关。没有物质存在时，空间照样要收缩，时间也同样要变慢。有物质存在时，无论何种材料构成，由于限制在同一惯性空间中，沿运动方向上的长度必须都按同一因子收缩，其上发生的一切过程也必定都按同一因子变慢。这是狭义相对论中普遍的时空变换性质的要求，或者说是同时性定义的表达。有人不同意运动学解释，认为真空不空，应从真空这种物质背景场同作惯性运动的物质体系之间的相互作用，去探讨“钟慢迟缩”的“真实原因”。我认为狭义相对论尚未揭示真空不空，这种探讨超出了狭义相对论的理论框架。
那么，应当中何正确评价狭义相对论呢？爱因斯坦指出：“狭义相对论的成就可以表征如下：它一般地指出了普适常数C（光速）在自然规律中所起的作用，并且表明以时间作为一方，空间坐标作为另一方，两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第458页。），“依照古典力学并且依照狭义相对论，空间（空间—时间）是独立于物质或者场而存在的”（注：许良英等编译：《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1977年版，第557页。）。按照爱因斯坦的观点阐释狭义相对论的时空理论，就至少不会造成根本性的失误。
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