物理科学探疑-时间、空间与物质的运动-时间和空间的逻辑结构之四----时间、空间与物质的运动(上）
时间和空间的逻辑结构之四
——时间、空间与物质的运动(上）
志勰
本文是对空间问题的进一步处理方法
在上一篇文章中，我们确定了我们常规所应用的空间的定义是基于某种物质的属性，并确定物质间的作用是通过空间某种物质来完成的。
这里我们来对宇宙中的物质描述进行基础性的探讨,即：侧重于描述体系的定义基础。
物质的运动
我们知道，在宇宙中，物质的个体都是在运动变化。传统的科学对物体的存在状态进行描述都必须建立参照系统。以确定物体的存在状态相对于我们描述系统的数与量的关系。那么，在宇宙中，我们要建立一个参照系，必须选择一个我们描述体系中相对速度为零的惯性系，即参照系。
1、参照系的选取
针对于整个宇宙，如果我们要选定一个惯性参照系去描述宇宙中物体的运动变化，这个惯性参照系是很难选取的，因为整个宇宙中的物体都在运动变化我们不能从众多的物体的惯性运动状态中比较出哪一种运动状态对于我们描述整个宇宙是最合理的，似乎所有的物体的运动状态在描述整个宇宙中都是同样的，这样我们将不能选择出最合适的惯性参照系。 这是从惯性参照系的意义上来说的。
但是，为了完成我们对运动物质世界的描述，我们必须选择一种惯性参照系作为我们描述运动物质存在状态的基点。在这个基础上，拿其他物体的存在状态来和这一确定物质的存在状态进行比较。即：我们通常所说的惯性参照系。
2、参照系的背景
我不想引用“背景”这个词对参照系进行描述，但是我找不到更好的词汇来描述参照系和空间的这种作用关系。我想词汇并不是特别重要的内容，关键是赋予它内在的含义。在近几篇文章中，我们谈探讨了物质和空间的作用，这里就不再对相同的问题进行重述，而在这些论述的基础上来检验我们应该采用的定义体系。
如果一个惯性参照系的物体的存在状态都对应一种物质和空间的作用状态，那么，我们可以确定，同一个惯性参照系中的物体的存在状态是相同的。同时可以确定物质和空间作用的属性是相同的。如果我们对我们描述的物体的存在状态的量进行描述，那么相同属性的量其数值在相同的空间和物质的存在状态中是相同的。比如物体的质量、长度。这就给与我们精确判定物质和空间相互作用状态在数值和量上进行描述的方法，即：一种物质和空间相互作用的关系确定一种严格的物质存在状态数量的描述。通常我们把它叫做惯性参照系。
另一方面，如果物质和空间间的作用属性的关系是不同的，那么我们无论如何也不能判定物质在空间中的存在状态是相同的，反映到我们采用数值与量的关系和物质存在状态的对应上，不能判做是相同的。
这样，一种惯性参照系就严格的确定了一种我们对物质存在状态进行描述的一系列的数与量的确定的关系。
这里我们先暂且跳过关于物质运动的基本概念定义，先确定进行定义的基础性的问题。
物质和空间对于描述物体定义的关系
在处理空间的问题上，传统物理学并没有在物质的基础上进行空间定义的解释，也没有提供空间和物质在物理逻辑上进行数量判定方法的定义，只提供了哲学上的空间属性。主要有如下方面：
1、在数学上处理的广延性和伸张性
2、在对物体的大小和位置的描述外延中进行数学处理的各向同性。
如上的处理是传统物理学根据不同需要进行处理的方法。除了纯粹的数学上的描述之外没有为我们提供其他的含义。这里我们对广义的空间进行考察。即：传统我们所说的通用的空间，纯粹的空间进行处理。现在采用物质的空间属性，偏重于物理逻辑上的基础定义。
1、空间的属性
主要有如下的关系确定了空间的属性：
一、空间的各向同性，它决定了物质在空间中存在确定的被称为质的稳定性。我们不会因为物质粒子在不同的空间位置而判断同一种粒子所占据的空间大小存在着差异。同时，在空间传递作用的过程中，同样也不会因为空间位置不同而判断确定物质间的相互作用存在不同。（您可参阅空间和物质的关系 本栏目中的）
二、同种基本粒子的同一性，我们判断相同属性的基本粒子具有相同的空间和大小。对外作用属性的相同确定着基本粒子和空间作用是相同的。
三、物质和空间的作用说明空间存在确定的空间介质。如果要满足我们对物质存在的描述，那么我们必须确定空间存在确定的作用背景，或者换句话说，空间是由某种物质组成。所有的物质间的作用都必须以这种空间物质的作用作为前提。（您可参见本栏目中的空间和物质的关系和空间和物质的作用两篇文章）
我们至少已经可以确定的空间和物质间相互作用的关系是均匀的和确定的。
2、空间属性的特点
确定空间的物质属性是必须的，这是我们进行观测和日常生活中对物质的存在所进行的逻辑分析的基础，同时，也是在我们所采用的描述体系中而必须确定的一个基点。脱离开这种空间的物质属性，我们将不能建立物理的因果关系。
一、这样的设定虽然在我们采用的物理世界的描述体系中沿精确性和逻辑性推进了一步，但是，这样的结果是将我们不能观测到的物质间的作用作为一种客观存在的事实来处理的，对空间这样的物质属性的设定在处理方法上是和传统物理概念中“场”的概念是相似的。不同的是传统物理概念中“场”的概念所担任的是物质间矢量的作用，本文中所述的则是物质和空间间的作用，其中包括宏观上物质间矢量的作用，同时也是将物质间的作用属性赋予到空间物质的作用形式上。这和场的作用形式是不同的。
我不能赞成传统物理学中“场”的物质的处理方法，如果场是一种物质，并且是由提供场的物质实体进行发射这种场的物质（如引力场传递引力作用的引力子、电磁场传递电磁作用的光子），并提供可以相互作用的场源之间作用的物质，那么，宇宙中的物质将会越来越多，因为场源物质在不停的运动，并且在不停的发射着“场”这种物质，那么场这种物质不就越来越多么？？？如果真是这样，那么，场物质从诞生到现在，它多的应该出乎我们想象。因此，物质间的这种相互作用，必然不是通过场这种物质的发射来完成的，而必须是通过某种物质间相互作用在空间中的传递来实现的。这样才可以实现物质在宇宙中的物质的平衡。当然，我们没有任何理由确认宇宙中的物质是处于平衡状态的，不论是从宏观天体的观测还是在物理理论的逻辑上，我们都不能对宇宙中的物质总量确定这样的一个结论，因为场的物质是一种我们不能实际观测的隐含的物质，它的存在与否我们是未知的，只是根据物理的经验事实做这样的假定，并便于对物理规律做出合理的解释。关于宇宙中的物质是一个常量，这只是基于我们所存在的宇宙在我们人类所观测的领域和我们的知识范围，而做出的一个常识性的约定，我想可以作为一个经验感觉约定。
二、在近两篇文章的分析中得出空间具有物质的属性，并且承担物质属性的判定依据。那么这和常规物理，如相对论，存在空间属性的分歧。其导致的结果主要是围绕对物质的空间大小的处理方法。
对于物体的空间大小，我们知道的有两种处理方法：一种是牛顿的绝对的空间观念，采用某种标准的长度单位作为对空间的定义基础，可以看作从数学的角度出发的理想的空间观念。另一种是相对论的空间观念，是将物质运动过程中和外界的某种作用关系作为空间定义的依据，反映在不同的惯性参照系具有不同的空间定义标准，其依据是光速不变的事实，可以看作是将空间建立在物质间的作用基础上的一种处理方法。（您可参见牛顿力学、相对论和时间空间的关系和参照系、观测与物体的速度 时间与空间栏目中的）
在牛顿力学中对空间的观念是纯粹的数学处理方法，这一点是毫无疑问的。我们通过一种空间对整个宇宙中的物质进行描述。所有的物质都在这一种理想的空间中存在，我们可以通过这样的空间对物体存在的大小、状态等描述物质存在的量对所有的物体进行统一描述。
在相对论中确定了光速在宇宙中的传递速度是一个常数的结论，并确定在宇宙中物体的运动速度不能超过这一常数。在进一步处理物体的运动速度问题上，在不同的惯性参照系就出现了长度单位的不同，或者说空间的不同。
这主要是如下的几个关系引起：
（ 1、）力的单位在不同的惯性参照系中是恒定的，或者说与惯性参照系无关。
（2、）加速度的定义：当一千克的物体获得一米每秒的加速度的时候，物体所受到的力为1牛顿。
（3、）相对性原理和光速不变原理。
为了确保相对性原理在任意惯性参照系中成立，并且任意惯性参照系中物质的运动变化都必须遵守力与加速度之间的关系，那么相对论必须改变质量、时间和长度在物质运动变化中的关系。相对论是通过一个参照系间的转换因子来实现的。就是时间膨胀和空间收缩因子
，当然质量上也必须作相应的改变以适应相对论的描述体系，主要是适应加速度与质量和光速之间的关系。
我们可以看到，在相对论运动学中，力与物体质量的关系是一个不变的恒量。可以说这个关系和牛顿力学是相同的。进一步的说，在物体作为质和引起物体运动变化作用的定义结构中，牛顿力学和相对论是相同的定义结构，也可以说形成物质运动变化的因果关系上，科学定义体系是相同的。这样，我们就不难理解两种科学定义体系的方法和原则，这是一种共识。
但是，牛顿力学理想的定义模式我们可以不去考虑，因为在牛顿力学中并没有处理，我们对物质运动变化实际应用过程中物质本身的定义体系和物质运动变化间进行描述的作用关系，或者从历史的角度上，牛顿力学并没有对物质本身的物质运动变化的定义结构进行确定。（如质量、力、时间、空间）牛顿力学所做的只是建立在日常生活中常见的一些现象的经验约定，至少如下这样的问题在牛顿力学中还没有出现，光速的问题、物质运动速度的极限问题、空间介质问题。这样的问题的提出，是在一个世纪以前，电磁理论较为完善的基础上，才可能出现。才可以对物质运动变化的定义结构本身的概念进行基础性的考虑。
相对论废弃了以太的观念，在空间本身的属性上来说，这是将空间看作空无一物的纯粹的空间。那么空间的大小在某种意义上来说就不是确定的了。如果不将空间赋予物质的属性而看作纯粹的空无一物的话，那么，我们不能找到一个物体的体积和纯粹的空间大小的对应，即便采用经验约定，如果空间缺少物质属性，那么我们将无法进行经验约定。相对论就是建立在这样的基础上——无法进行经验约定的意义上的的空间观念。主要表现在如下几方面：
（ 1、）相对论确立的不同的惯性参照系中沿运动方向的长度会发生空间的变化。这样一种空间变化相对论是通过惯性参照系间的相对速度来实现的。在不同的惯性参照系中，相同一个物体的空间长度发生的变化，那么在两种空间中有什么区别呢？在相对论的定义体系中，不同惯性参照系中的单位空间我们不能找到任何区别，这是由相对性原理决定的。那么，同一物体在不同的惯性参照系中所发生的变化我们又是如何得知的呢？随惯性参照系沿运动方向的物体的长度所存在的不同使我们根本没有办法进行两个惯性参照系间空间长度的测量。
（2、）贯穿不同惯性参照系的直线问题。如果我们所要测量的物体以很高的速度在运动，不论我们采用任意种形式对物体的空间大小进行测量，其中包括垂直与物体的运动方向测量或者沿运动方向进行测量。在我们的测量过程中，我们所采用测量的物质如光或者粒子，它必然要贯穿不同的惯性参照系，在贯穿的过程中，空间的大小也在发生一种渐变，那么这就存在一种测定结果的有效性问题。在这个问题上，我们实际上要确定多重空间的单位问题。
（3、）不同惯性参照系沿运动方向间的空间长度大小的不同，对于我们以物体为对象的描述上，到底这存在什么意义？我们知道，对于世界的描述存在多种方法，每种方法需要一种的定义体系。我们在相对论中所定义的空间可变的描述，对于向物质领域进军的可能性有多大？
在相对论中，我们确定的时间、空间和物质的不同惯性参照系间的关系，这实际上是为了调节两种关系。一种关系是物体的运动变化与物质间作用的关系，即：力与物体加速度的关系。另一种关系是根据一个世纪以前通过实验确定的光速为一常数的结论。在这样的意义上来说，这是一种数理关系，当然，我们也已经赋予它物理的内涵，但这种物理内涵却缺乏某种物理的依据。在这种意义上来说，相对论已经阻碍了科学进一步向微观物质和物质的内在关系的本身的发展。我们不能从相对论中得出物质间内在的进一步的关系。
（4、）物质间作用的关系。相对论将物质通过空间的作用，看作某种虚拟的东西或者说空间的属性。但是相对论并没有赋予空间任何的物质与空间作用的属性，这本身就是一种矛盾。如果我们确认物质的属性是通过空间传递，如果物质间的作用没有超距作用，那么空间中必然存在某种介质。这样的结果在逻辑上是行不通的。
三、对物体空间大小的处理方法
将空间的物质属性赋予物质本身，一个必然的结论是宇宙中只有一种空间，一种以物质本身的属性为特征的空间。
如果我们将这种空间的物质属性赋予真实的某种空间介质，实际上，在物质存在状态的描述上，这也是唯一的一种方法。我们必须假设在通常我们所说的空间中充满这种介质，这种介质提供并传递物质间的作用，不论我们是采用连续的还是间断的（或者说量子化的处理方法），在空间介质的这种作用和功能上的结果，必须符合我们日常生活中物质运动变化规律。
关于空间介质背景的存在模式，我将在时空因子中去处理，这里不再对这一问题进一步的探讨。
这样不论我们是采用牛顿力学的理想数学模式还是采用相对论的物质作用属性的模式去处理空间的大小问题，都会存在确定的依据。但是，这样在处理过程中，我们必须对两种定义体系进行修正。更严格的说，已经不是原有的定义体系，我们必须对这样的空间定义标准进行重新确立。
首先，任何一个惯性参照系都必须在这种介质背景中存在。那么，两种不同的惯性参照系中的两个点之间
 |
的距离，（如图）如果我们采用牛顿力学中的纯数学的标准，那么我们仍然可以对物质的运动变化进行处理。不过，a点和b点之间的距离是采用这种空间介质作为作用的背景，同时也是作为空间的一种计量依据。那么，不同惯性参照系间的空间大小是将是相同的。 相对论采用光速不变原理作为调节物质运动变化的量之间的关系，那么，一个惯性参照系中相对静止的物体的某种状态和另一个惯性参照系中相对静止的物体的某种状态是不同的。基于物体本身的体积的存在状 |
态我们也没有理由认为是相同的，这样的一种空间标准是建立在物体本身存在状态属性上的标准。需要提醒大家一点的是，在相对论中对空间的处理是将空间看作空无一物的空间。
如果我们引入空间介质背景的物质，那么很显然，采用绝对的空间作为数学描述模式更为合理。但是在实际应用上，我们必须确定计量空间大小的单位，空间介质是未知的，也缺少对空间介质判断的方法和原则，这样，在实际应用过程中会存在一定的困难。如果我们采用物体本身的存在状态作为对空间大小的计量依据，那么，这样所测定的也不是真正意义上的空间，而是测定的物体的某种存在状态和物体在不同存在状态之间的计量关系，更接近于某种数理关系。
我们只要引入空间介质背景物质，如上图：在宇宙中任意两点之间的距离，不论在任意惯性参照系中，其空间大小应该是相同的，这是由空间介质决定。
(此一部分内容，可参见本文其它部分内容，以及下一篇文章，时空因子）
下一部分内容
物质运动的描述问题
物质的运动进程和时间问题
关于本文的说明
由于本文设计的内容是物理学的基础性的问题，所设计的物理概念是基本概念的定义问题。关系也比较错综复杂，因此这一部分内容可能还需要一段时间。
我将已经完成的部分内容放到这里，希望与有志于此的朋友共同探讨。本文在某种意义上来说，已经确定了对物质运动变化的空间处理方法。关于空间的定义问题和时间的问题，将在下一部分内容中去做论述。
2000.11.10
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物理科学探疑