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论时间的本质
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公维鹏
揭示时间的本质所要面临的几个主要问题的初述
时间,最平凡而又最神秘的客观存在,似乎每一个人都知道它是什么,但又每一个人都不知道它到底是什么,每一个人都能实实在在的感受到它的存在,但也从来没有人能抓住它把它摆在桌子上仔仔细细的端详一下它到底是什么。
曾经,很多年,很多人像牛顿一样的认为,时间是一个和物质与空间的存在不相干涉的,均匀流逝的永恒的具有绝对独立性的客观存在,它的存在与发展不依赖于物质与空间的存在,永恒的均匀的一去不复返的依照其自性向前流逝,时间对于一切客观存在来说都是一样的,这种不科学的时间观现在在那些对于科学知识不够理解的人群中依然大范围的存在。
爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论为时间的存在形式画了一幅崭新的图像:类空间隔事件(1)的同时性具有相对性,在一个观测者看来同时发生的两个类空间隔事件在另一个运动状态不同的观测者看来却是不同时的;时间长度的测量值也具有相对性,同一个物质点的同一段运动过程由运动状态不同的观测者测量所得的时间长度各不相同;一个事件在一个坐标系中发生的空间方向坐标会影响它被不同的观测者测量所得的时间坐标,时间看来似乎不再和空间是一对互相独立不相干涉的客观存在;而且宇宙中物质的密度和引力场的强度也会影响时间的流逝速度,在物质密度越大引力场强度越强的地方时间的流逝速度越慢,由于宇宙中各个不同的地方的物质密度和引力场强度是千变万化的,因而在宇宙中不同地方的时间流逝速度也是千变万化的。狭义相对论和广义相对论的科学性已经为现代物理学的发展所证实。如此一来,牛顿那种与空间和物质的存在无关的均匀流逝绝对独立存在的时间观念就站不住脚了。
而且现代物理学的发展还揭示了一个巨大的矛盾,即物理学基础规律的时间可逆性与现实宇宙的时间单向性之间的矛盾。物理学的基础规律,牛顿力学、相对论和量子力学,除了热力学第二定律外,都具有时间可逆性,它们既允许时间向前发展,也允许时间向后发展,也就是说,如果构成宇宙物质体系的基本粒子质子、中子、电子等所有的微观粒子完全遵从这些物理学基本规律,那么看来似乎由这些物质粒子共同构造而成的宏观宇宙应该既允许我们从出生的婴儿发展到死亡的老人越活越老,也允许我们从一个死亡的老人发展到出生的婴儿越活越年轻,二者都是物理学基础规律所允许的。但是现实世界不是这样的,我们只能越活越老,不能越活越年轻。物理学基础规律的时间可逆性与现实世界的时间单向性产生了巨大的冲突。时间的单向性是如何产生的?是物理学基本规律还有我们未曾发现的固有的时间单向性还是整个宇宙有一套我们未曾揭示的发展机制产生了时间的单向性?
现代物理学对传统观念中时间在宇宙中的基础地位也产生了巨大的挑战。现代物理学的基础规律——牛顿力学、相对论和量子力学,除了热力学第二定律,都是时间对称的,即依照这些规律,如果宇宙中的一切物质点都向相反的方向运动,宇宙就会向原来的状态回归,时间就被倒过来了,这使得时间在宇宙中的地位显得无足轻重。
对时间的本质的初步揭示
时间到底是什么?它是如何存在的?
要明白这些问题,首先要想一下在现实生活中我们是如何把握时间的存在的。
我们总是在这样或那样的物质的运动中感受时间的存在与流逝的,看到星斗轮转,我们知道时间在流逝;看到春风卷地,花开花落,我们知道时间在流逝;看到飞瀑流泉,大河东去,我们知道时间在流逝;看到长江后浪推前浪,世人新人换旧人,我们知道时间在流逝。
当我们处于睡眠或昏迷状态,无法把握一切存在的运动的时候,我们便也无法知道时光流逝已几许。
我们总是用物质的运动过程来度量时间,地球自转一周为一天,地球绕太阳公转一周为一年,而精确的铯原子钟,则以铯-133原子在两个特定能级间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9192631770倍为一秒。
我们从来不能以运动的物质体系以外的其它事物作为时钟,也不能用物质的运动过程以外的其它事物来度量时间。
既然我们所用的时钟的时间单位本质上是某一物质体系的某一运动过程,那么物质的运动速度的物理描述本质上就是物质的运动过程同物质的运动过程的比值,这个比值是用一个物质体系在某一运动过程中产生的相对位移比上另一个物质体系的某一运动过程。
从这里我们可以判断,我们是在宇宙物质体系的运动中感受到时间的存在的。
因而我们做出如下揭示:时间,是普遍联系的宇宙物质体系的运动在运动的普遍联系中表现出的存在形式。
时间因宇宙物质体系的运动而存在,因而时间的一切性质与存在形式决定于宇宙物质体系的运动规律,决定于宇宙物质体系的本质与存在形式。
也因而,某一特定物质体系的运动所表现出的时间性,既决定于此物质体系作何种形式的运动,也决定于此物质体系的运动被哪一个物质体系所反映,如何被反映。这正是时间的相对性产生的根源。
理解时间的本质的几个要点
时间的基本构成元素是时刻,因而对时间的本质的把握,关键在于对时刻的本质的把握。
时刻是指一个物质点或一个空间点处于一种特定的态,这种特定的态是指此物质点或空间点相对于宇宙中所有的其它物质点和空间点处于一种特定的位移关系,这种特定的位移关系在物理上必须用四维坐标标度,即我们常用的(xyzt),三个空间方向坐标加一个时间方向坐标,它是唯一特定的,在不同的参照系中依照物理学规律严格的一一对应,这是此物质点或空间点所处的固有时刻。
在描述固有时刻的四维坐标中的最后一个坐标时间方向坐标t,则是此固有时刻被某一特定运动状态的物质体系反映所得的被测量所得时刻,我们应当理解它的实际意义。
但在这里我们先说另外一个问题:
时间本质上是普遍联系的宇宙物质体系的运动在运动的普遍联系中表现出的存在形式,时间的存在形式完全决定于宇宙物质体系的运动规律,而宇宙物质体系的运动规律是宇宙物质基础的不变的本质的体现,因而时间如何存在最终决定于宇宙物质基础的不变的本质,宇宙空间体系的存在不会影响宇宙物质体系的任何本质与存在形式,宇宙物质体系的存在与运动也不会影响宇宙空间体系的任何本质与存在形式,因而时间的存在与发展不会对宇宙空间体系产生任何的影响,宇宙空间体系的存在也不会影响时间的任何本质与存在形式。可是为什么我们在对时刻的本质的把握中,却考虑到了宇宙空间体系的存在,认为固有时刻是指一个空间点或物质点相对于宇宙中所有的其它物质点和空间点处于一种特定的位移关系,而不仅仅认为固有时刻是指一个物质点相对于宇宙中的其它物质点处于一种特定的位移关系呢?
因为空间体系的存在虽然和宇宙物质体系的存在和运动不相干涉,因而和时间的存在不相干涉,但我们却可以通过宇宙物质体系的存在和运动间接的客观的把握宇宙空间体系的存在。
这时可能有的朋友会提出异议,在相对论中空间方向坐标与时间方向坐标是互相联系不可分割的,一个参照系中的空间方向坐标会影响另一个参照系中的时间测量值,又怎么能说宇宙空间体系的存在和时间的存在互不干涉呢?
在这里我们要明白一个问题,在物理学中我们使用的所有参照系都是物质参照系,以物质体系为参照物并以规律性的物质的运动为反映手段,虽然我们把它们称为空间参照系,但它们首先反映的是物质体系的广延性,首先描述和演绎的是物质点同物质点的相对位移。因而相对论中空间方向坐标和时间方向坐标互相联系本质上意味着两个事件在一个坐标系中的相对位移会影响它们被不同的观测者测量所得的相对时间间隔描述,这是由物质的运动规律即我们反映世界的手段决定的,并不受空间体系的存在的影响,空间体系只是其发生的场所与背景,并且不会与其发生冲突。
确切的说,物理学时空不是时间和空间的结合,只是物质坐标系的时间方向坐标和空间方向坐标的结合。
为什么时间方向坐标与空间方向坐标不能绝对的分开?因为时间的发展本质上就是构成宇宙的各物质点的相对位移关系的变化。在这里光速不变原理这一特殊规律也起了关键性的作用,相对论中空间方向坐标和时间方向坐标的互相联系互相影响,最终是由物质的运动规律决定的,而不是因为空间和时间会互相影响互相改变。
不是一个物质点处于什么时刻决定了它和宇宙中的所有其它物质点处于何种位移关系,而是此物质点和宇宙中所有的其它物质点处于何种位移关系决定了它处于什么时刻。
              在理解了固有时刻的本质含义后,我们便要进一步理解同时性的意义。
同时性分为绝对同时性和相对同时性。
绝对同时性是指两个或多个物质点或空间点处于绝对相同的态,即它们同宇宙中的所有的其它物质点和空间点的相对位移关系完全相同,在物理学上即它们相遇,拥有在任何一个观测者看来完全相同的四维坐标,固有时刻相同。
相对同时性则是指任意两个不同的空间点或物质点各处于一个特定的态,但它们并不处于绝对同时的状态,即四维坐标不是完全相同的,固有时刻不同,但是在某一观测者看来从此两点各自处于的特定的态(固有时刻)发射出的信号以任意大的有限速度均不能到达对方,则此观测者认为此两点的这两个特定的态是相对同时的。
相对同时性由物质体系的广延性的可测度性与运动规律性演绎计算得出。
表达固有时刻的四维坐标(xyzt)中的最后一个坐标t是此固有时刻被观测者测量所得的被测量所得时刻,它的本质意义是此固有时刻同用作时钟的某一物质体系的某一特定的态处于绝对或相对同时的关系。比如说,我们认为太阳在中午十二点升到天空正中间,其本质意义便是认为太阳在我们头顶正上方一亿五千公里处向我们垂直发射光线的固有时刻和我们的时钟指针指向表盘十二点处的固有时刻相对同时(在这里粗略的忽略了光的传播过程带来的误差)。
被测量所得时刻及其延续形成时钟时间体系,它的本质是用一个特殊的运动形式均匀稳定的运动物质体系的运动的态与延续性来反映和度量整个宇宙物质体系的运动。我们日常生活中的时间观念,科学中的时间,本质上都是时钟时间。而相对论和日常时间观念的矛盾的产生和解决,也在于对时钟时间的理解上。
时间长度是一个物质体系的运动因位移变化的连续性产生的运动的连续性与持续性。如果时刻分为固有时刻和被测量所得时刻,那么时间长度也应该分为固有时间长度和被测量所得时间长度。
固有时间长度应该用四维坐标描述的世界线来标定,本质上是一个物质点的一段运动过程,它在不同的坐标系之间规律性的转换后其描述是完全等价的,测量所得时间长度则是被某一观测者认为与此固有时间相等的用作时钟的物质体系的某一运动过程。
处于不同固有时刻的事件被用作时钟的特定物质体系所反映便形成各自的被测量所得时刻或者说时钟时刻,这些时钟时刻的差值(本质上是用作时钟的物质体系的一段运动过程)便是这些不同的事件映射到时钟上形成的相差时间长度,或者说时钟认为这些事件相差如许的时间。
在假设整个宇宙物质体系的运动是普遍联系的严格规律性的条件下,宇宙中的时钟时间体系有两种可能的存在形式:绝对同一的宇宙时钟时间体系或者是相对统一的时钟时间体系。
如果宇宙中任意两个不同的事件,它们不是绝对同时的,即在任意一个观测者看来它们不具有完全相同的四维坐标,但是如果一旦此任意两事件被某一特定的物质体系或者说观测者所反映被认为是相对同时的,那么宇宙中所有的运动状态相同的或者不同的物质体系都认为此两事件是相对同时的,那么我们认为我们的宇宙具有绝对同一的时钟时间,即我们用任意的物质体系作为时钟,它们对宇宙的时间描述本质上是完全等价的,也就是我们对整个宇宙物质体系的运动有一个绝对同一的因而是唯一确定的时钟时间描述,被一个观测者认为是相对同时的两事件会被所有的观测者判定为相对同时的,而且同一个物质体系的同一段运动过程被所有的观测者测量不管他们的运动状态如何其所得的时间长度都是相等的唯一确定的。如果我们的宇宙物质体系的运动符合爱因斯坦相对性原理并且物质运动的最高速度光速c的值可以取到无限大,即信息传递可以是瞬时的因而观测也可以是瞬时的,那么我们的宇宙就会形成绝对同一的时钟时间体系,拥有唯一确定的时钟时间描述。
但是不行,我们宇宙中物质运动的最高速度光速是有限的,而且光速相对于所有的物质体系不变,因而宇宙物质体系的客观运动被运动状态不同的物质体系所反映所得的时钟时间描述是不一样的,因而我们客观宇宙的时钟时间体系不是绝对同一的而是相对统一的。
所谓相对统一的时钟时间体系,就是指运动状态不同的物质体系对宇宙物质体系的客观运动的时钟描述不同,或者说宇宙物质体系的客观运动在运动状态不同的物质体系上的时间映射不一样,但它们又按照严格的规律性互相联系。
现代物理学的发展证明,我们宇宙中的时钟时间体系不是绝对同一的而是相对统一的。
不论是绝对同一的时钟时间体系还是相对统一的时钟时间体系,其本质都是一样的,是普遍联系的宇宙物质体系的运动的存在形式,其差别在于在能产生绝对同一的时钟时间体系的宇宙,物质运动的速度可以达到无限大因而观测可以是瞬时的,而产生相对统一的时钟时间体系的宇宙中,物质运动的最大速度是有限的因而观测必须是一个过程。
我这里表达的绝对同一的时钟时间体系和牛顿的绝对时间,其表象是一样的——宇宙的运动发展拥有唯一确定的时间描述,然而二者却有着本质的不同。牛顿的绝对时间,被表达为和物质与空间同等地位的构成宇宙的基础元素,不受物质和空间的影响依其自性均匀稳定一去不复返的向前流逝。而我这里表达的绝对同一的时钟时间体系,却不是构成宇宙的基础性元素,只是运动速度最高可以达到无限的宇宙物质体系的运动的存在形式,只有物质和虚空才是构造宇宙的基础性元素。
论时间与物质和空间的相互关系
在这时,我们还需要继续分析物质、空间和时间三者的相互关系。
宇宙空间体系的存在并不依赖于物质与时间的存在,其自身的存在是其存在的唯有原因,因而空间是一个独立的客观存在。
物质的存在以宇宙空间体系的存在为背景,但物质的存在和如何存在并不受宇宙空间体系的影响,其自身的存在是其存在的唯有原因,因而宇宙物质体系也是独立的客观存在。
但时间不是独立的客观存在,它的存在完全产生和决定于宇宙物质体系的运动,是宇宙物质体系的运动的存在形式,它不是构成宇宙的基础性元素。
只有物质和空间才是构成宇宙的基础性元素,一切因它们而产生和存在。
唯有如此,我们才能解决时间的一维性和相对性之间的矛盾。
宇宙不是在空间和时间构成的时空体系中运动发展,而是宇宙物质体系以空间为背景在运动,其运动表现出时间性。
时间在宇宙中的地位同数字和客观规律一样,只是宇宙的存在形式而非基础性元素。
宇宙物质体系的运动表现出时间性,犹如物质体系的存在表现为一定的数量,但不能说宇宙物质体系的运动存在于时间之中,犹如不能说物质体系存在于数量或数字之中。
数字,我们可以把它从客观现实中抽象出来用于研究计算客观存在的物质与空间,但在客观现实中它不是独立的客观存在;客观事物的运动规律,我们可以把它从客观现实中抽象出来用来研究世界的存在与发展并指导实践,但在客观现实中它也不是独立的客观存在;同它们一样,时间,我们可以从客观现实中把它抽象出来用来阐释世界的发展变化,但在客观现实中它也不是一个独立的客观存在,没有人能把时间从客观物质的运动中分离出来让它单独的存在,这也是我们为什么感觉到时间是一个真实的存在而它又看不见摸不着的根本原因所在。
客观事物的存在必然表现为一定的数字,具有物质基础质的不变性的物质体系的运动必然表现出严格的规律性,而宇宙物质体系的运动也必然表现出时间性。
有人在研究物质在运动中如何形成时间,事实上物质的运动是时间产生的唯有原因,而物质的运动也必然表现出时间性,不在于它是什么形式的物质或者做什么形式的运动。(所有的运动的最终本质都是相同的:相对位移关系的变化。)
有的朋友认为时间是由时间粒子形成的时间场,事实上时间并不是由特定的“时间粒子”形成的,而是所有的物质粒子的运动都表现出时间性。
而且正如前面我们所描述,除了宇宙空间体系是宇宙物质体系的运动的存在的背景因而也是时间产生的背景外,时间的存在和空间的存在并不互相干涉,时间的存在不会影响空间的本质与存在形式,空间的存在也不会影响时间的本质和存在形式。
我们要完整的描述宇宙物质体系的运动和准确的描述宇宙空间体系的存在离不开时间描述。
物质体系的运动必然表现出时间性。正如我们不能完全独立的各自描述数字与客观事物的存在,描述客观事物的存在形式必然要用到数字,而数字的本质又必须从客观事物的存在形式来揭示一样,我们不可能完全独立的各自描述物质的运动与时间,完整的描述物质的运动过程必须要用到时间,而时间的本质又必须从宇宙物质体系的运动的存在来揭示。
我们不能完全独立的各自描述客观事物的存在与数字的本质,并不证明客观事物与数字是同等层次的客观存在,客观事物的存在仍然是数字存在的本源,数字是客观事物的存在形式,客观事物的存在产生和决定了数字的存在,二者是层次分明的。
同样,我们不能完全独立的各自描述物质的运动与时间,并不能证明物质的运动和时间是同等层次的客观存在,物质的运动仍然是时间产生的本源,时间是物质运动的存在形式,物质的运动的存在决定了时间的存在,二者是层次分明的。
没有时间标度作配合的空间方向三维坐标无法完整的描述物质体系的运动,完整的描述物质体系的运动必须用空间方向坐标和时间方向坐标共同构成的四维描述。
比如说,一个人在火车上从火车头部走到火车尾部是用了十分钟还是十个小时其运动过程是大不相同的。如果只用了十分钟,可能火车一直停在北京西客站,如果用了十个小时,则人可能已经随着火车从北京运动到了上海。而人在火车上以什么样的速度走动,在什么时刻走到火车上的什么位置,对其运动轨迹也很重要。
对宇宙的四维描述,不仅完整的表达了宇宙各物质构成部分的相对运动,也准确的表达了每一个物质点的空间运动过程,即完整的表达了它们经历了哪一些空间点,每一个四维坐标(xyzt)都必将对应一个确定的空间点。
准确的描述反映宇宙空间体系的存在必须用到时间描述。
由于空间的虚空本性,它不具备力的实在性,我们无法直接对它的存在状态作出准确的把握,而必须借助于宇宙物质体系的运动,借助于物质坐标系的建立间接反映它的存在。
而且由于空间体系的虚空本性,我们无法判定它相对于任意一个物质体系或者说物质坐标系作何种形式的运动,因而要准确确定的描述一个空间点,要准确的描述空间体系的存在的态,仅仅依靠物质坐标系的空间方向三维坐标是不够的,还必须借助于时间描述。
比如说在地球表面东经120度北纬30度的交界处,这对应着一个特定的空间点吗?无法判定,因为地球在不断自转,又绕着太阳公转,还随着太阳系绕着银河系的中心转动,我们无法判定地球相对于空间体系作何种形式的运动,也因此无法判定此标度是不是对应着一个确定的空间点或者说空间位置,只有再加上时间坐标,比如说地球表面东经120度北纬30度交界处在2009126日中午12点整对应的空间点,那才是一个准确的确定的空间位置。
准确的描述空间的存在离不开时间坐标并不是因为离开了时间空间就不存在,而是因为离开了物质体系的运动空间的存在就不能得到反映,用时间描述世界本质上就是用物质体系的运动反映世界。
如果宇宙物质体系是无限的并且处于普遍联系的运动中,那么宇宙的存在与运动形式是不可逆的无限向前发展的,宇宙的时间体系也因而是一维单向无限向前发展的,在此种情形下特定参照系的空间方向坐标与时间方向坐标的结合(xyzt)可以确定一个确定的空间点。
如果宇宙物质体系是有限闭合的因而宇宙的运动是绝对周期性重复的因而宇宙的时间体系也是周期性重复的,因为我们无法判定宇宙物质体系相对于空间作何种形式的运动,在宇宙的一个特定运动周期内特定物质参考系的一个特定的时空坐标(xyzt)可以确定一个空间点,但是在两个或多个周期内相同的物质参考系的相同的时空坐标却无法判定是不是标定了同一个空间点,但是因为空间的虚空本性决定了它处处相同,这便不影响我们的世界如何存在。
为什么物理学规律不随着时间的发展而变化
时间影响世界的本质是宇宙物质体系的运动对世界的影响,是宇宙物质体系的运动形成了时间而不是物质体系在时间中运动。
宇宙发展的基本规律并不随着时间的发展而变化,是因为时间不是宇宙存在的基础因素因而也不是其存在与发展的决定性因素,只有物质和空间是构成宇宙的基础性因素因而也才是宇宙如何存在如何发展的决定性因素,空间体系的虚空本性决定了它不对宇宙物质体系的存在与发展形式产生任何形式的影响,因而宇宙物质体系的存在与发展规律只由宇宙物质体系自身的本质决定,而构成宇宙物质体系的物质基础具有质的不变性,这决定了宇宙发展的基本规律不会随着时间的发展而变化。
在物理学中有物理规律的时间平移不变性:“如果今天在一定内在因素和一定环境条件下发生了遵循某种规律的物理现象,那么可以预言,明天在完全相同的内在因素和完全相同的环境条件下,必然也会发生同一规律的物理现象。这种对称性叫做物理规律的时间平移不变性。”(《物质探微  从电子到夸克》76~77页)(2)
物理规律的时间平移不变性产生的原因就是因为时间不是构成宇宙的基础性因素因而不是宇宙存在和发展的决定性因素,只有物质和空间才是构成宇宙的基础性因素因而也才是宇宙如何存在如何发展的决定性因素,而又由于空间的本性是虚空,它不会影响物质如何存在,所以只有物质是宇宙运动规律的决定者,当物质条件具备时,一切条件就都具备了。
我们寻求时间条件,本质上是寻求合适的物质存在条件。
注:
(1),类空间隔事件:如果宇宙中存在两个事件(x1,1,1,1)、(x2,2,2,2,且从这两个事件中任意一个事件发出的低于或者等于光速的信号均不能到达对方,那么此两事件为类空间隔关系。
(2),《物质探微 从电子到夸克》,陆埮 罗辽复 著 2005年7月第一版 科学出版社出版
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论时间的诸种性质的产生
时间是普遍联系的宇宙物质体系的运动在运动的普遍联系中表现出的存在形式,因而时间是什么和如何存在最终决定于宇宙物质体系是什么和如何存在,现在我们要探究一下时间的诸种性质——相对性、一维性、流逝性、连续性、不灭性、单向性、无限性、均匀性——是如何产生的。
时间的相对性与一维性
爱因斯坦的相对论改变了人类的时间观念,人类观测宇宙所得的时间答案不再被认为是完全相同的,客观的宇宙物质体系的运动表现出的时间性会因观测者的运动状态的不同而不同,同一个物质点的同一段运动过程被运动状态不同的观测者测量会得到不同的时间长度,在一个观测者看来同时发生的两个不同的类空间隔事件在另一个运动状态不同的观测者看来却是不同时的,而且宇宙中各处物质的密度和引力场的强度会影响该处的时间流逝速度,在物质密度越大引力场越强的地方时间流逝愈慢,这就是时间的相对性,时间的相对性的产生,是因为它是物质运动的存在形式。
同时性的相对性和被测量所得时间长度的相对性的产生,是因为客观物质的运动所表现出的时间性,不仅决定于客观物质的运动自身如何存在,也决定于它被谁所反映如何被反映,决定于宇宙物质体系存在与发展的一般规律(在这里是爱因斯坦揭示的相对性原理)。而不同运动状态的观测者观测宇宙物质体系的客观运动所得的各种时间答案,最终依照物质的运动规律绝对的统一于唯一确定的宇宙物质体系的客观运动自身,这个唯一确定的宇宙物质体系的客观运动要用四维坐标完全准确的描述。不同的观测者对宇宙的四维描述是完全等价的,它们都完整的描述了宇宙的存在与发展。
而时间“曲率”的产生,即一个地方的物质的密度分布和引力场的强度会影响该处的时间流逝速度,则是因为引力场也是一种物质体系,会给别的物质体系以力的作用从而影响它们的存在形式,因而同样构造的物质体系,其运动形式会因为其所处的引力场环境的不同而有所变化,在外在观测者看来,其时间性便发生了变化,犹如产生了“曲率”,这本质上是物质改变了物质的存在形式。
时间的相对性和时间的一维性表面看来产生了严重的冲突:如果时间是一维单向发展的一根线,不能逆转,没有分枝,那么时刻就应该是绝对的,同时性也应该是绝对的,由于时刻的绝对性,时刻的积累形成的时间长度也应该是绝对的不变的,如此一来,便和相对论中时间的相对性和时间曲率的产生产生了巨大的矛盾。
如果我们认为时间在宇宙中是和物质与空间同等地位的基础性客观存在,那么此种矛盾是不可调和的。
当我们揭示出时间是普遍联系的宇宙物质体系的运动在运动的普遍联系中表现出的存在形式这一本质时,这个矛盾就可以迎刃而解了。时间是物质运动的存在形式,因而宇宙物质体系的运动表现出的时间性,既决定于宇宙物质体系自身的客观运动是怎样的,也决定于它被谁所反映如何被反映,不同的时间答案是不同运动状态的物质体系对客观的宇宙运动的反映,它们不是对立的,而是统一的,绝对的统一于唯一确定的宇宙物质体系的客观运动自身。这犹如我们从不同的角度观察同一个物体,发现它呈现出种种不同的形状,但这种种不同的形状不是对立的,而是统一的,绝对的统一于唯一确定的此物体的客观存在形态。
我们需要进一步认识时间的一维性是如何产生的。
在客观现实中,物质既不可被创生也不可被消灭,因而每一个物质点的存在与发展形式都表现出绝对的因果性,而宇宙物质体系的无限性与运动中的普遍联系决定了它的存在形式是不可重复的,这就决定了每一个物质点的存在与发展过程是一维单向发展的一条线,从任何一个物质点上来看世界,也就是将无限的宇宙物质体系的运动通过运动的规律性与过程性投射到任何一个物质点的发展史上,都只能得到一个一维单向不可逆的存在图像,这是时间的一维性产生的深刻本质。
在生活中,我们有两种类型的时钟,它们都形成了一维单向的时钟时间体系。
一种类型是古老的水漏、燃香类型的,它们以物质的均匀运动作为时间反映体系,此类时钟的运动具有一维单向不可逆性:水越来越少或者香越来越短。我们把宇宙物质体系的运动过程依据运动的规律性与过程性投影到此种类型的时钟的运动过程中,得到一维单向发展的时间图像。
另一种类型的时钟是以作稳定的周期性运动的物质体系的运动为反映手段,如日月星辰的轮转、摆钟、原子钟等,此种类型的时钟作比较均匀稳定的周期性运动,但是作周期性运动的物质体系自身无法区分过去和未来,我们就通过和宇宙存在形式的比较鉴别把整个宇宙的存在形式的不可逆性赋予此种类型的时钟,使它的一个又一个的运动周期有了先后次序,这样我们便有了一个一维单向发展的时钟时间体系,我们再把无限的宇宙物质体系的运动过程投影到这类时钟的运动过程上,便得到了一维单向的时间图像。
一维的时间图像是普遍的而又是特殊的。说它是普遍的是因为宇宙物质体系的运动被任何一个物质体系反映其时间性总是表现出一维性,而说它是特殊的则是指每一幅特定结果的宇宙时间图像总是同特定存在形式的时钟(物质)反映体系相对应。
时间是物质运动的存在形式,我们说宇宙物质体系的客观运动是唯一确定的在于,从不同的参照系观测宇宙的运动其所得形式可能有所不同,但各自所得的答案却是唯一确定的,而且这些不同的答案最终严格规律性的绝对统一。
时间的流逝性
为什么时间是永恒的流逝的?因为宇宙物质体系的运动遵循动量与能量守恒定律,而宇宙物质体系又是无限的,这决定了整个宇宙物质体系处于无止的普遍联系的运动之中,其表现形式便是宇宙物质体系的存在形式不断发生变化,时间永恒流逝。
从反面来说,一切存在只有在物质体系的相对运动中才能被直接或者间接的反映,如果宇宙物质体系存在各物质点相对位移不变的静止态,那么作为其物质构成部分的人是无法反映此态的存在的,或者说此种状态无法在人体中留下其存在的印迹从而被人体所反映,因而人眼中的世界只能是运动的,因为人只能看到运动的世界,也因而,人眼中的时间将是永恒流逝的。
而动量能量守恒定律也决定了宇宙物质体系的运动不可能无原因的停止下来。
宇宙物质体系处于无止的普遍联系的运动之中,没有不同其它物体作相对运动的物体,因而时间对于宇宙中的一切物体都具有现实意义,而此种意义本质上又是宇宙物质体系的运动产生的意义。
时间的连续性
时间的存在之所以表现出连续性,时刻与时刻之所以能够相连续形成时间长度,其根本原因就是构成宇宙物质体系的各物质点之间的相对位移变化是连续的,时间的连续性本质上就是物质点同物质点的相对位移变化的连续性。如果物质点同物质点的相对位移变化是非连续性的,那么作为其存在形式,时刻只会有存在次序性,而不会相互连接形成时间长度。
时间长度的可测度性产生于物质体系的广延性的客观性、物质运动的规律性产生的物质体系的广延性与运动过程的可测度性。
依据量子力学,我们无法测量小于普朗克时间长度(约10-43秒)的时间,但是小于普朗克时间长度的时间仍然是确定的客观存在,小于普朗克尺度的物质体系的运动仍然保持着严格的规律性与时间性,这是更大尺度的物质体系的运动的规律性与时间性建立的基础,否则更大尺度上的物质体系的运动的规律性与时间性会因为没有存在的基础而无从建立,世界不会是我们看到的这个样子。
时间的不灭性
时间的不灭性产生于物质的不灭性与动量能量守恒定律决定的宇宙物质体系的运动的不灭性。
“依据广义相对论方程和现代微分几何证明的奇性定理表明,存在时空曲率发散的奇点,那是世界线、因果线和时间线中断的地方,因此要理解为时间的起始和终结……”(《思辨的宇宙——霍金量子宇宙学思想的哲学分析》(1)39页)这是霍金和彭罗斯的杰出贡献。
但是我认为广义相对论并不是物理学的终极理论,只是对更高层次的物理理论比如量子引力理论的近似,因此这个推论并不正确,在《宇宙不会以时空奇点的形式起始和终结》(2)中我将阐释,量子化的物质粒子构成的宇宙物质体系不可能自己毁灭掉自己的一切结构而成为物质奇点,因而物质的运动不可能被毁灭,作为其存在形式,时间也具有不灭性。
时间的无限性
时间的不灭性并不等价于时间的无限性,二者是不同的概念。时间的不灭性因为物质的不灭性与动量能量守恒定律决定的宇宙物质体系的运动的不灭性而存在,但如果宇宙物质体系的运动是不灭的但其变化形式是有限的,那么时间在本质上也是有限的,只有宇宙物质体系的存在形式是无限变化的,时间才是无限的。
物质有限的宇宙其存在形式的变化是有限的,因而其时间长度也是在有限范围内发展变化的:
如果宇宙物质体系是有限闭合的,依据庞加来回归论,那么整个宇宙物质体系将作一个又一个的周期性运动,其变化形式是有限的,因而其时间性也是有限的,如果我们选择其中的任意一个小物质体系作为时钟,那么它将周期性的显示一系列的数值,其最大值不超过整个宇宙物质体系的最小运动周期,时间是有限的。
如果宇宙物质体系是有限开放的,那么这个物质体系一开始以相互孤立的不相互发生力的作用的有限多个互相远离的更小的物质体系的形式存在,它们各自作周期式的运动,然后它们相向运动相互聚合形成一个相互联系的大的物质体系,这个大的物质体系经过一段有限的运动过程后又会分裂为许多个相互孤立的不发生力的相互作用的小物质体系,它们又各自作周期性的运动,我们任意取其中的一小块物体作时钟,假设在整个宇宙运动过程中此时钟不会被分裂,那么在宇宙物质体系聚合前它会周期性的显示一系列的数字,然后在宇宙物质体系聚合阶段它显示的数字线性的向前发展,但因为此运动过程是有限的,所以其时间数值的发展也是有限的,在经过这段有限的时间发展之后,宇宙物质体系分裂为许多个作周期性运动的小物质体系,时钟又开始周期性的显示一系列的数值,这意味着在整个宇宙发展过程中,时间的变化形式是有限的,即时间是有限的。
无限的宇宙物质体系的普遍联系的运动正是时间的无限性产生的根本原因,时间的无限性意味着宇宙的存在形式无限的发展变化,这是它的本质,而宇宙物质体系的无限性与普遍联系的运动决定了它的存在形式必然无限的发展变化。
如果宇宙物质体系是无限的但却不是处于普遍联系之中,而是由无限多个相互孤立的物质有限的小物质体系构成,那么宇宙的存在形式也不会无限的发展变化,时间也不会是无限的。
我们有时会产生这样一种幻想:时间是一个永恒的独立的无限的存在,即使宇宙有其产生和结束,也还会有宇宙产生之前和结束之后,即使宇宙中一无所有,也还有一个时间在冥冥运行。这种幻想之所以能够产生并显得很合理的原因,是因为它的背后有一个运动着的客观物体——正在思考的我们,而我们正在作一种特殊运动——智慧性的思考,而我们的智慧性的思考产生于这个现实的物质无限的作普遍联系的运动的宇宙中,所以它也带来了这个宇宙固有的无限的时间体系。
时间的单向性
时间的单向性是和时间的无限性相联系的,它们都是无限的宇宙物质体系普遍联系的运动的必然结果。
构成宇宙的量子化的物质粒子的运动表现出的基本规律相对论力学规律和量子力学规律具有时间对称性,它们既允许我们的宇宙向时间的正方向发展,也允许我们的宇宙向时间的负方向发展,它们既允许我们从出生的婴儿发展成垂暮的老人越活越老,也允许我们从垂暮的老人渐渐变成初生的婴儿越活越年轻,它们既允许盛开的鲜花随风飘零凋谢,也允许飘零凋谢的鲜花重聚枝头再展笑颜,可是现实宇宙中的时间是单向发展的,人只能越活越老,花儿只能随风凋谢,相反的过程从来不曾发生过,其根本性的原因便是我们的宇宙是物质无限的并且处于普遍联系的运动之中,虽然构成宇宙的物质粒子的运动规律具有时间对称性,可是无限的宇宙物质体系的普遍联系的运动使得宇宙物质体系的存在形式永不重复,时间的发展便表现出了单向性,有了确定的过去和未来。
热力学第二定律所表现出的时间单向性,其产生的根源也在于无限的宇宙物质体系的普遍联系的运动。(这在《为什么时间是单向的——宇宙物质世界无限性的第二个结果与不完全证明》中将继续论述(3))
如果宇宙物质体系是有限闭合的,它将作一个又一个的周期性运动,其时间的发展也将表现出周期性,一切终将回归到与过去完全相同的态并重新再来,但此种时间的发展无法区分过去与未来,犹如一个沿着地球赤道的一个方向一直走的人无法判定他去的地方究竟在他的身前还是背后,时间在此是可逆的。
如果宇宙物质体系是有限开放的,那么在这个宇宙物质体系聚合之前和分离之后,它以有限多个互相孤立的小物质体系的形式存在,每个小物质体系相当于一个闭合的小宇宙,作周期性的运动,其时间是周期式发展的,具有可逆性,无法区分过去和未来;但是在整个宇宙物质体系相互聚合能够互相联系互相改变的阶段,宇宙物质体系的存在形式可能是不可重复出现的,其时间发展将表现出单向性,有确定的过去和未来,但我们的宇宙不是此种形式的存在,因为此种形式的宇宙中的物质体系不能稳定的保持其引力场的存在,不可能是我们现实的宇宙。
在客观现实中我们用作反映世界的工具的一维单向无限的时钟时间体系是如此建立的:我们选定一个作稳定的周期性运动的物质体系作为时钟,用它的稳定的周期性运动来反映整个宇宙运动的时间性,但是作周期性运动的物质体系无法区分过去与未来,我们就再在宇宙物质体系的无限发展中考查此时钟一个又一个的运动周期,它们便分出了先后次序,如此一个又一个运动周期的有序的无限叠合,一维单向无限发展的时钟时间体系便形成了,我们把宇宙中任意一事件同此时钟时间体系的运动过程相比较,便得出了它的测量所得时刻和测量所得时间长度。
时间的均匀性
但是绝对的永恒的均匀稳定的运动的物质体系在客观宇宙中是不存在的,因而也并不存在绝对均匀的时间。
时间的均匀性只不过是时钟时间的理想状态,它产生于如此一种符合客观规律的理想状态:一个不受外力作用的闭合有限的物质体系,它的运动形式是稳定的,因而几个不受外力的惯性物质体系,它们之间的相对位移变化将保持稳定的比例性,如果它们各自存在内在的周期性运动,那么其运动周期也将保持稳定的比例性,其时间性便表现出绝对的均匀性,如果我们用这样的物质体系作时钟,将宇宙中所有的事件都投射到这种时钟的运动过程上,整个宇宙的时间性便显得均匀了。
“能量守恒定理是科学界公认的最普遍的科学规律,在量子力学中能量守恒定理等价于时间均匀性。”(《思辨的宇宙——霍金量子宇宙学思想的哲学分析》(1)21页)量子化粒子的能量守恒,必然表现为其运动形式的稳定性,而运动形式的稳定性则是时间的均匀性的本质,时间的均匀性和量子力学的能量守恒定律就是如此统一的。
而空间的虚空本性决定的其性质的绝对均匀性则是此理想化可以理想化的存在的原因,空间的虚空本性使得它不影响物质的存在形式,因而均匀稳定的物质的运动可以理想化的存在。
但是科学中受控实验的可重复性,即同一个实验由同一个或者不同的科学家在不同的时间重复进行所得的结果是一样的,并不是因为时间是均匀的,而是因为时间不是构成宇宙的基础因素,因而也不是其发展的动因,只是其存在形式,物质体系自身是其自身存在与发展的唯有决定性因素。
在我们的客观宇宙中,由于无限的物质体系的普遍联系的运动,使得任何一个物体不可能不受到外在物质环境的力的作用,绝对均匀稳定不变的运动形式不可能存在,也就不可能存在绝对均匀的时间体系,但这并不能否定任何一个物质体系对整个宇宙运动的时间性反映的客观性,整个宇宙的运动依然是严格规律性的,其相互之间的反映也是可靠的。
在物质无限的宇宙中,绝对均匀的时间体系不可能建立的原因还在于,假设存在不同外界发生力的作用的作稳定运动的孤立物质体系,一旦它被用来反映整个宇宙的运动,就必须同外界发生物质信息交换,这种物质信息交换会对此物质体系产生力的作用破坏其运动形式的稳定性,它便不能作为一个绝对均匀的时间体系而存在。
时间仿佛以不可抵挡的魔力创生着一切也毁灭着一切,因而岁月的流逝往往给我们以巨大的压力,但当我们能够理解时间不过是宇宙物质体系包括我们的肉体的运动表现出的存在形式,是宇宙物体系包括我们的肉体的运动决定了时间的存在与如何存在,而不是时间决定了宇宙物质体系包括我们的肉体如何存在,时间不是宇宙如何存在如何发展的决定性因素,只是其存在形式,决定物质世界和我们的命运的,只是我们的物质环境和我们的肉体如何存在如何运动,我们就能以洒脱的心态应对岁月的流逝,这对我们获得生命的自由与光明至关重要。
(本文节选自笔者的《宇宙的构造与智慧生命的形成》,由于篇幅的限制,对于一些相关的问题, 比如物质和空间、相对论、时间的不可逆性、时间旅行、时空奇点,论述不能展开,感兴趣的朋友请到笔者的博客中观看其它相关的论述:http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1720076011_1_1.html。(百度搜索“公维鹏”,选择“公维鹏 新浪博客”,打开博客界面,然后选择“博文目录”,选择左面的“宇宙的构造与智慧生命的形成”系列文章即可))
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(1),《思辨的宇宙——霍金量子宇宙学思想的哲学分析》,周祝红著,2006年1月第一版,科学出版社出版
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