经典力学的相对性原理

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇经典力学的相对性原理范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

经典力学的相对性原理范文第1篇

1.从爱因斯坦的狭义相对论来看，以下说法正确的是()

A.宇宙中存在着全宇宙普适的同时性概念，且时间是能绝对定义的

B.宇宙中不存在全宇宙普适的同时性概念，但时间是能绝对定义的

C.宇宙中存在全宇宙普适的同时性概念，但时间是不能绝对定义的

D.宇宙中不存在全宇宙普适的同时性概念，且时间是不能绝对定义的

2.关于经典力学和相对论，下列说法正确的是()

A.经典力学和相对论是各自独立的学说，互不相容

B.相对论是在否定了经典力学的基础上建立起来的

C.相对论和经典力学是两种不同的学说，二者没有联系

D.经典力学包含于相对论之中，经典力学是相对论的特例

3.经典力学适用于解决()

A.宏观高速问题

B.微观低速问题

C.宏观低速问题

D.微观高速问题

4.下列哪些是“相对论”的内容()

A.同时的绝对性

B.“尺缩效应”

C.时钟变慢

D.质量不变因为它是物体的固有属性，与运动状态无关

5.日常生活中，我们并没有发现物体的质量随着物体运动速度的变化而变化，其原因是()

A.运动中物体的质量无法称量

B.物体的速度远小于光速，质量变化极小

C.物体的质量太大

D.物体的质量不随速度的变化而变化

6.19世纪和20世纪之交，经典物理已达到了完整、成熟的阶段，但“在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云”，人们发现了经典物理学也有无法解释的实验事实.“两朵乌云”是指()

A.宏观问题

B.高速问题

C.微观问题

D.低速问题

7.爱因斯坦提出了狭义相对论，狭义相对论的出发点是以两条基本假设为前提的，这两条基本假设是()

A.同时的绝对性与同时的相对性

B.运动的时钟变慢与运动的尺子缩短

C.时间间隔的绝对性与空间距离的绝对性

D.相对性原理与光速不变原理

8.有关物体的质量与速度的关系的说法，正确的是()

A.物体的质量与物体的运动速度无关

B.物体的质量随物体的运动速度增大而增大

C.物体的质量随物体的运动速度增大而减小

D.当物体的运动速度接近光速时，质量趋于零

9.两相同的米尺，分别静止于两个相对运动的惯性参考系S和S′中，若米尺都沿运动方向放置，则()

A.S系的人认为S′系的米尺要短些

B.S′系的人认为S系的米尺要长些

C.两系的人认为两系的尺一样长

D.S系的人认为S′系的米尺要长些

10.世界上有各式各样的钟(如图2所示)：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟.既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢，这种说法()

A.正确

B.错误

C.若变慢，则变慢的程度相同

D.若变慢，则与钟的种类有关系

11.一根10 m长的梭镖以相对论速度穿过一根10 m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的.以下哪种叙述地描述了梭镖穿过管子的情况()

A.梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它

B.管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来

C.两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖

D.所有这些都与观察者的运动情况有关

二、非选择题

12.一列火车以速度v相对地面运动，如果地面上的人测得某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，那么按照火车上的人的测量，闪光先到达前壁还是后壁?火车上的人怎样解释自己的测量结果?

参考答案：

1.D　2.D　3.C　4.BC　5.B　6.BC　7.D　8.B　9.A　10.AC

11.D　[如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全处在管子内部.然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子.假如你在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半;那么梭镖和管子都相对你运动，且速度的大小一样.你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同.所以你看到的一切都是相对的——依赖于你所选的参考系.]

经典力学的相对性原理范文第2篇

相对论果真如此难教吗？笔者在教学实践中对此进行了深入思考和探索，大胆作出一些改革尝试，取得较好的效果.

1教材重组的设计思想

我们的做法主要是将原教材(普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4人民教育出版社)针对中学生进行量身改造，尽量贴近认知规律，以降低教学难度.

1.1单刀直入主题，弃“宾”而突出“主”

有一些众所周知的事实：婴幼儿学说话，没有人会从语言发展的历史教起；中国儿童学写汉字，没有老师会从甲骨文、篆、隶、楷文字发展历史讲起.基于这一道理，我觉得给中学生讲相对论时，从相对论如何产生的历史背景等讲起这种做法并不恰当.

纵观现有相对论教材，从大学到中学无一不是沿着理论发展的历史和背景、重大实验及相对论的两条基本假设这一线索，从伽利略经典相对性原理到麦克斯韦电磁理论，然后又是对光速问题的探索，最后爱因斯坦提出新理论，循序渐进，花费不少篇幅，相对论才终于开了场.接着才讲时空变换，时空的相对性…….

这样的教材编排系统性强，合乎逻辑.但是学生听得很陌生，尤其中学生如同云里雾里，一开头就产生不得要领的感觉.这是因为前面开始的一些内容都是“宾”，一开头“宾”暄闹得很，相对论的关键要害在哪里？按学生的心理他们急切想知道相对论究竟是怎么回事.可是这个“主”却迟迟不出场.另外，那些历史背景渊源也是中学生所不熟悉、不太理解的东西，徒然又增加了许多困难.

为此，本人对这部分教材的处理是暂时先撇开了课本开头(第一节)的许多内容，在针对新课题基本概念作必要的铺垫后立即单刀直入，让学生对狭义相对论核心思想从一开始就有一个具体的认识，从而激发进一步求知的欲望.尔后，逐步展开各节内容.至于物理学史上有关背景材料，可适当参插其间加以介绍.

1.2通过实例，设置情景，引出相对论两个基本原理

原教材是先托出两个基本原理，然后运用于实例；我们认为倒过来处理更有利.

1.3分散难点，将狭义相对论的两个基本假设分在两节课中教

原教材把狭义相对论的两个基本原理放在一起介绍，学生只能得到一个抽象模糊的认识.为使学生形成较深入具体的认识，可将两个原理分开安排在两堂课中进行.每堂课突出一个重点，通过具体实例情景，形成正确认识.而后一堂课又可对前堂课实行滚动教学.

1.4既不用洛伦兹变换公式，又尽量避免结论直接托出，力求自然而有逻辑地推理

原教材将“长度的相对性”放在“时间间隔的相对性”之前，两个公式是直接托出来的.我们将两者交换次序，两公式可从实例中自然导出.

详见下文.

2具体实施安排

2.1第一课时：光速不变原理和同时的相对性的引出

(1)简单引言，激发学生探究的欲望.

(2)复习旧知——惯性参考系、坐标系(一维)；

讲授新知——“事件”及其数学描述.

(3)提出实例：如图1，相对于地面以高速v(与光速c相差不太大)匀速直线运动的车厢.表达车厢参照系的坐标轴用沿车厢运动方向的x′轴，表达地面参照系的坐标轴用同方向的x轴.现在车厢中点处打开一个灯，此事件在x′系中记为(x0′，t0′)，在x系中记为(x0，t0).光传到车厢的后壁1和前壁2，这两个事件在x′系中记为(x1′，t1′)和(x2′，t2′)，在x系中记为(x1，t1)和(x2，t2).

对车厢中的观察者来说，中点x0′到前后两壁x2′、x1′距离相等，光的传播速度c相等，所以两个方向的光传播时间相同，即光同时到达后壁和前壁，t1′=t2′.

对于地面观察者来说，由于x0与x1、x2距离不等，对于光传到箱壁的两事件有着两种不同的看法：

看法1：认为光到达前、后壁的传播时间相等：

t1-t0=t2-t0=；

光沿前后方向传播速度不同，分别为c+v和c-v；传到前后壁的距离分别是

x0-x1=(c-v)，

x2-x0=(c+v).

看法2：前、后传播距离不等，光速相等，传播时间不等：

x0-x1=c1，

x2-x0=c2，

显见1＜2，光先到后壁.

这第一种看法认为时间不随参照系而变，是绝对的；不同参考系中光速不等.仅学过伽利略、牛顿所创立的经典力学的人会普遍持这样的观点.

第二种看法认为时间与所在参照系相关，是相对的；而光速是绝对的，不随参照系而变.这样的认识便是狭义相对论的观念了.

(4)归纳：狭义相对论的基本假设之一——光速不变原理

(5)巩固、强化：利用课本例题、思考讨论题、问题与练习中的题，引导学生运用狭义相对论光速不变原理去分析，反复练习形成相对论思惟习惯，与传统思惟习惯划清界线，从而建立“同时”的相对性观念.知道在一个惯性参照系中不同地点同时发生的两个事件，在与之相对运动的另一些惯性参照系中是不同时的.

本课最后可简要介绍有关光速不变的实验证据，迈克尔孙实验.机械波的传播速度是以介质为参照系的，光则不同，它可在真空中传播而无需介质，这就使光的传播速度无需参照物，即不随参照系改变.在历史上曾设想用一种虚拟的介质——以太来确定光速，或以光源为参照来确定光速，种种想法均为实验事实所否定.

2.2第二课时：狭义相对性原理(物理定律的绝对性)、测量的绝对性和相对性时间间隔的相对性

学生在掌握了光速不变原理后可以说已有一只脚跨进了狭义相对论之门了，学习积极性很高，有进一步求知的欲望.本节课要求学生另一个脚也跨进狭义相对论的门槛.

(1)复习回顾上一节知识要点：光速不变，是绝对的；“同时”是相对的.

(2)指导学生阅读课本上引用伽利略《关于两个世界的对话》中对船舱里观察到的现象的一段生动描述，经伽利略总结、爱因斯坦推广得狭义相对论的另一个基本假设——相对性原理：在一个惯性参照系内进行的任何力学的、热学的、电学的、光学的实验都不能显示出该惯性参照系相对于别的惯性参照系的运动情况.或可表述为：在不同惯性参照系中，一切物理定律都是相同的.亦即物理定律具有绝对性.

(3)讲授一个简单的新概念：把与物体相对静止的(或可认为与物体固连在一起的)参照系称为“本征参照系”，记为S0.

提出问题：在本征参照系S0内对该物体进行长度、质量、能量或该物所在处的时间进行测量时所得结果会与S0相对其它参照系(例如地面)的运动情况相关吗？

根据狭义相对性原理，在S0内对物体的诸多测量与S0相对其它惯性参照系运动情况无关，是不变量，或者说是绝对的.我们不妨称之为固有量或静止量.

向学生指出，狭义相对性原理决定了物体及过程的一些不变量，有了固有长度、固有时间、静质量、静能量等概念.如果没有这一条原理，即在S0中的测量与外界其它惯性系运动有关的话，那么本征参照系中测量的结果将“不知如何是好”，这显然不合理.

(4)再次提出新问题：上述物理量如果在与物体相对运动的惯性系(非本征参照系)中测量，所得结果又怎样呢？与固有量数值相同吗？

例：爱因斯坦思想实验.如图2-a，一车厢底部有静止光源竖直向上发射一个光脉冲信号到达顶部的水平平面镜上，反射后竖直向下回到原发光处.设车厢高度为h，从光信号发出到返回，其时间间隔记为.显然，=2hc.

①问：若车厢相对于其它惯性参照系(例如地面)静止或以某一速度作匀速直线运动，测得的时间间隔会有不同吗？

光源相对车厢静止，车厢参照系即为本征参照系；光信号发出和返回这是同一地点发生的两个事件，是固有时间，所以不随车厢与其它参照系的相对运动而改变.

②设此车厢相对于地面以高速v(与光速c相差不太大)水平匀速直线运动，从地面参照系看来，光信号从发出到返回时间间隔等于吗？

因光源相对地面运动，地面参照系不是本征参照系，在地面参照系中，两事件发生在不同地点，如图2-b所示，光的路径为折线.两事件的时间间隔记为，不妨称为相对时间.现在要计算.

比较以下两种计算结果：

a)光的路程2h2+(12v)2，光速c2+v2，由此可得=2hc，所以=.

b)光的路程2h2+(12v)2，光速c，由此可得=2hcc-v2c2，所以>.

让学生判断两种计算的正确与错误.显然a)违背光速不变原理，是错误的.

由b)不难得到：

=1-v2c2.

这一结果虽是从个例中得到，但却具有普遍意义.

(5)归纳：时间间隔的相对性

某惯性系中同地发生的两事件的时间间隔是个不变量，叫固有时间.在其它与之相对运动的惯性系中，该两事件的时间间隔总大于固有时间，并随v的增大而增大.

(6)安排例题、练习题.

在中学课本上，上述公式是直接托出的.这里用爱因斯坦思想实验进行推导笔者认为有两点好处：

①作为例题可让学生对狭义相对论的两条基本原理的具体运用有进一步的领会，也有利于对时间间隔的相对性的理解.后课对前课实现滚动式教学；

②先导出时间间隔相对性公式，然后长度的相对性公式也可推导，而不是直接托出.尽管这样做算不上是严格意义上的推导，但从中学教学实际出发这样处理还是合适的，从认知方法来看应当是允许的.而事事讲严密将使实际教学难以开展.

2.3第三课时：长度的相对性

本节课打算继续引导学生运用狭义相对论的基本原理和已有结论去导出长度相对性的公式，并能充分理解这一结果.

(1)复习：狭义相对论的基本原理、“同时”的相对性、时间间隔的相对性.

(2)提出问题1：在平直轨道上有一车厢，一水平直杆静止于车厢中.如图3-a，在车厢参照系S′系中杆两端坐标分别为x1′、x2′，则杆长l0=x2′-x1′.在车厢相对地面静止以及相对地面匀速直线运动两种情况下，车厢内测量结果l0会有所不同吗？

车厢参照系S′与杆相对静止，是本征参照系，所测得长度l0是固有长度，与外部其它参照系的相对运动无关，是不变量.

(3)提出问题2：若车厢相对地面以高速v匀速直线运动，在地面参照系中测量该直杆的长度，所得结果仍是l0吗？

设地面参照系S，其x轴与杆平行，在x轴上取定点P，其坐标为x0.考虑杆端2经过P点这一事件，在S系中记为(x0，t2)，在S′系中记为(x2′，t2′)，见图3-b.再考虑杆端1经过P点这一事件，在S系中记为(x0，t1)，在S′系中记为(x1′，t1′).见图3-c.

在S系中，两事件发生在同一地点P，时间间隔t1-t2=，为固有时间，杆子长度应为l=v；

在S′系中，两事件发生在杆两端，时间间隔t1′-t2′=，不是固有时间，但长度

v·=x2′-x1′=l0是固有长度，

比较l和l0，可知l=l0=l01-v2c2.

(4)长度相对性公式的意义

(5)练习

(6)时空相对性的验证、相对论的时空观

2.4〈第四课时〉〈第五课时〉：狭义相对论的其它结论广义相对论简介

3狭义相对论小结

(1)无论在本征参照系中还是在非本征参照系中进行物理测量和实验，①所得物理定律都相同；②光速不变.

(2)在本征参照系中进行物理测量和实验，所测得的长度、时间间隔、质量、运动速度、电场强度、磁感应强度、动量、能量等物理量是确定的值，与它相对别的参照系的运动情况无关.而在非本征参照系中测量所得值与它们相对运动情况有关.相对速度越大，长度越短，时间间隔越长，质量(从而动量、能量)越大.

4结束语

相对论是近代物理的基础理论，以往一直编排于大学物理教材中.2002年相对论第一次编入中学物理课本，当时作为选学内容而不作为高考要求.三年后江苏省高考大纲又首次将它列入选修科的考试范围内.这一方面体现了随时展中学教材与时俱进；另一方面相对论作为代表先进生产力的先进文化，也使中学物理教材体现了三个代表的重要思想.

经典力学的相对性原理范文第3篇

一、理论物的重要方法

探索性的演绎法是理论物理学的重要方法。在爱因斯坦看来，理论物理学的完整体系是由概念，被认为对这些概念是有效的基本原理(亦称基本假设、基本公设、基本定律等)，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的。因此，理论物理学家所运用的方法，就在于那些作为基础的基本原理，从而导出结论;于是，他的工作可分为两部分：他首先必须发现原理，然后从这些原理推导出结论。对于其中第二步工作，他在学生已得到很好的训练和准备。因此，如果在某一领域中或者某一组相互联系的现象中，他的第一个已经得到解决，他就一定能够成功。可是第一步工作，即建立一些可用来作为演绎的出发点的原理，却具有完全不同的性质。这里并没有可以的和可以系统地用来达到的的方法。科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可精密公式来表示的普遍特征，由此探求界的普遍原理。

爱因斯坦指出，一旦找到了作为逻辑推理前提的基本理，那么通过逻辑演绎，推理就一个接着一个地涌现出来它们往往显示出一些预料不到的关系，远远超出这些原理依据的实在的范围。但是，只要这些用来作为演绎出发点原理尚未得出，个别经验事实对理论家是毫无用处的。实际上，单靠一些从经验中抽象出来的孤立的普遍定律，他甚至么也做不出来。在他没有揭示出那些能作为演绎推理基础原理之前，他在经验的个别结果面前总是无能为力。

爱因斯坦把物理学理论分为两种不同的类型，其中之一是“原理理论”。建立这种理论使用的是方法，而不综合方法。形成它们的基础和出发点的元素，不是用假设造出来的，而是在经验中发现到的，它们是自然过程的普遍特征，即原理。这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判据。热力学就是这样力图用分析的方法，从永动机不可能这一普遍经验得到的事实出发，推导出一些为各个事件都必须满足的必然条件。用探索的演绎法建立起来的相对论，就属于“原理理论”。但是物理学理论大多数是构造性的。它们企图从比较简单的式体系出发，并以此为材料，对比较复杂的现象构造出一幅图像。气体分子运动论就是这样力图把机械的、热的和扩散的过程都归结为分子运动——即用分子假设来构造这些过程。当我们说，我们已经成功地了解一群自然过程，我们的思想必然是指，概括这些过程的构造性的理论已经建立起来了。爱因斯坦认为，构造性理论的优点是完备，有适应性和明确，原理理论的优点则是逻辑上完整和基础巩固。([1]，pp．109～110)

相对论就是爱因斯坦自觉地运用探索性演绎法的杰作。它不仅以其革命性的新观念和卓有成效的理论结果为人津津乐道，而且它所体现出的科学方法的新颖、精湛以及理论的逻辑结构的严谨，也令人叹为观止。爱因斯坦在创立狭义相对论(1905)时，他依据的仅仅是光行差现象和斐索实验这两个并不充分的实验材料，著名的二阶以太漂移实验即迈克耳孙-莫雷实验，对他并没有直接。他主要通过对16岁时想到的“追光”思想实验的沉思，对经典力学和经典电动力学基础的深入考察，发挥了思维的自由创造，提出了两个基本假设——相对性原理和光速不变原理(美国著名科学史家霍耳顿认为，在狭义相对论中，除了被提高为公设的两个基本原理外，爱因斯坦还作了另外四个假定：一是关于空间的各向同性和均匀性，另外三个是定义钟的同步的三个逻辑性质。霍耳顿的学生米勒后来指出，另外的四个假定也是两个基本原理的必然结果，他们不是独立的假设。参见[3]，p．196)。然后，他以此为逻辑前提，接二连三地推导出了关于运动学和电动力学的结论，著名的质能关系式是他先前根本没有料想到的，这些结论大大超出了两个原理所依据的实在的范围。广义相对论(1915)的建立也是这样。作为广义相对论的两个基本原理，即广义相对性原理和等效原理，前者是爱因斯坦基于把相对性原理贯彻到底的信念（从惯性系推广到加速系)提出的，后者是依据厄缶实验(惯性质量等于引力质量)和升降机思想实验提出的。

在1905年，由于爱因斯坦采用了探索性的演绎法，从而使他能够高屋建瓴、势如破竹，一举砍断了哥尔提阿斯死结(哥尔提阿斯是古代夫利基阿国王，相传他曾把自己的车乘的辕与轭用绳结系住，死得无法解开，声言能解开此死结者，得以结治亚细亚。这个死结后来被亚历山大大帝用剑砍断)，开拓了一个奇妙的新世界。那些恼人的以太漂移实验，那些使人迷惑不解的单极电机电动势的“位置”问题，在爱因斯坦的理论体系中已根本不成其为问题。但是，同时代的博大精深的科学大师，诸如洛伦兹、彭加勒，却热衷于同迈克耳孙-莫雷实验等以太漂移实验打交道，迷恋于做出种种构造性假设，建立他们的构造性理论——论和电子动力学。例如，洛伦兹1904年的著名论文尽管声称是以“基本假设”而不是以“特殊假设”为基础的论文，但事实上却包含有11个假设：假设有静止以太，假设静止电子是球形的，假设电子的电荷分布是均匀的，假设电子的全部质量都是电磁质量，假设运动电子收缩，假设电子之间的作用力与分子力相同等等。洛伦兹和彭加勒虽说走到了狭义相对论的大门口，但他们并没有打开这扇大门，其原因固然是多方面的。从方法论上讲，就在于他们运用的是传统的经验归纳法，而没有采用探索性的演绎法。在当时的科学的形势下，仅靠个别的经验事实进行归纳，是建立不起什么崭新的理论的。洛伦兹、彭加勒的电子论和电子动力学固然富丽堂皇，但毕竟只是经典物理学的最后的建筑物。它们虽然包罗万象，可是由于不适应科学发展的总趋势，最终还是被人们遗忘了，仅有的价值。

二、采用探索性的演绎法是科学发展的必然趋势

从文艺复兴到19世纪的经典科学，一般称为近代科学。在科学史上，这个漫长的时期主要是积累材料和归纳材料的时期。与这一科学发展状况相适应，产生了经典的科学哲学，它始于弗兰西斯•培根的归纳主义。培根认为，科学的发展是从个别上升到一般，从经验归纳出理论。他比喻说，只要及时采摘成熟的葡萄，科学的酒浆就会源源不断。到19世纪，整个科学一般说来还没有摆脱这种“原始”状态，因而经典科学哲学能够得以通过穆勒之手发展成为更完备的经验论形态，经验归纳法依然是正统的科学方法。

在物理学领域，这个时期的最大成就是牛顿力学和麦克斯韦的电动力学。牛顿力学虽则是超越了狭隘经验论的人类理智的伟大成就，但它又同人们的日常经验密切相关。力学中的许多概念都比较直观，可以直接在现实生活中找到某种原型。这种状况掩盖了基本概念和基本原理的思辨性质，甚至牛顿本人也深深陷入这一幻觉之中。他一再声称他“不作假设”，实际上却作了许多假设，他要求人们“必须把那些从各种现象中运用一般归纳法导出的命题看作是完全正确的”。19世纪的经典物理学也具有现象论和经验论的特征：它尽量使用那些接近经验的概念，因而在很大程度上必须放弃基础的统一性。热、电、光都用那些不同于力学量的各个状态的变数和物质常数来描述，至于要在它们的相互关系以及同时间的相互关系中去决定全部变数的任务，主要只能由经验来解决。麦克斯韦及其同代人，在这种表示方式中看到了物理学的终极目的，他们想像这个目的只能纯粹归纳地从经验得出，因为这样所使用的概念同经验比较接近。从认识论上看，穆勒和马赫大概就是根据这个理由来决定他们的立场的。总而言之，这个时期的科学家和科学哲学家大都以为，“理论应当用纯粹归纳法的方法来建立，而避免自由地创造性地创造概念;科学的状况愈原始，研究者要保留这种幻想就愈容易，因为他似乎是个经验论者。直至19世纪，许多人还相信牛顿的原则——“我不作假设''''——应当是任何健全的自然科学的基础。”([1]，p．309)

但是，在某些个别的科学部门，已经悄悄地透进了新时代的曙光;尤其是非欧几何学，它仿佛故意向经验论示威一样，以毋庸置辩的方式显示了理性思维的强大威力和奇妙作用。彭加勒正是在《科学与假设》中通过对非欧几何学的深入研究以及对经典力学和经典物理学的慎密考察揭示出，科学的基本概念和原理不是经验的直接归纳，而只能以经验事实为指导，通过精神的自由活动(其产品即约定)来创造。通过研读彭加勒的科学哲学著作，尤其是通过创立狭义和广义相对论的科学实践，使爱因斯坦清楚地看到，人们可以在完全不同于牛顿的基础上，以更加令人满意和更加完备的方式，来考虑范围更广泛的经验事实。但是，完全撇开这种理论还是那种理论优越的问题不谈，基本原理的虚构特征却是完全明显的，因为我们能够指出两条根本不同的原理，而两者在很大程度上都同经验相符合。这—点同时又证明，要在逻辑上从经验推出力学的基本概念和基本假设的任何企图，都是要失败的。爱因斯坦还清楚地看到，相对论是说明理论科学在发展的基本特征的一个良好的例子。初始假设变得愈来愈抽象，离经验愈来愈远。另一方面，它更接近一切科学的伟大目标，即要从尽可能少的假设或者公理出发，通过逻辑的演绎，概括尽可能多的事实。同时，从公理引向经验事实或者可证实的结论的思路也就愈来愈长，愈来愈微妙。理论科学家在他探索理论时，就不得不愈来愈听从纯粹数学的、形式的考虑，因为实验家的物理经验不能把他提高到最抽象的领域中去。正是科学发展的这种理论化趋势，使爱因斯坦认识到：“科学一旦从它的原始阶段脱胎出来以后，仅仅靠着排列的过程已不能使理论获得进展。由经验材料作为引导。研究者宁愿提出一种思想体系，它——般地是在逻辑上从少数几个所谓公理的基本假定建立起来的。”（[1]，p.115），他进而指出：“适用于科学幼年时代的以归纳为主的方法，正在让位给探索性的演绎法。”([1]，p.262)

三、爱因斯坦大胆运用探索性的演绎法的直接动因

只是在广义相对论建立之后，爱因斯坦才把探索性的演绎法作为一个论原则从上加以论述。可是，早在创立狭义相对论时，他就在中大胆运用这一方法了，并在思想上对它已有比较深刻的认识。促使爱因斯坦大胆运用探索性的演绎法的直接原因有两个：其一是赫兹、玻耳兹曼、彭加勒等人的思想，其二是当时的物现状使得他不能不那样做。

在联邦大学期间(1896~1900)，爱因斯坦自学了赫兹、玻耳兹曼等科学大师们的著作。赫兹在他的名著《力学原理》(1894)中试图重构力学，为此他仅利用空间、时间和质量三个原始概念。赫兹的力学体系建立在通过科学家个人的“内在直觉”从经验引出的公理之上，它能够导出经验预言。赫兹认为“内在直觉规律”的功能像“康德意义上的先验判断”一样，并且声称他的力学重构是演绎系统，与牛顿的《原理》(全称《的数学原理》)有许多相同的风格。在这个公理体系中，我们可以推演出与我们的观察记录相对照的可检验的结论，依据该结论与可观察的世界一致还是不一致，来决定这个体系是否正确。尽管爱因斯坦不赞同赫兹的隐质量概念和“把自然现象追溯到力学的主要定律”的长远目标，但是赫兹强调公理描述的威力却给他留下了深刻的印象。这种公理描述与其说在经验材料上预言理论结构，倒不如说在公理和直觉上预言理论结构。

爱因斯坦也自学了玻耳兹曼的《力学讲义》(1897)。在该书中，玻耳兹曼把力学作为物理学的核心，爱因斯坦当然不会同意这种看法的。但是，玻耳兹曼重构力学的方法的下述特点，一定会强烈地震撼爱因斯坦敏感的心弦：“恰恰是力学原理的不明晰性，在我看来不是同时以假设的智力图像为起点而得到的，而是从一开始就以与外部经验相联系的尝试而得到的。”([2]，p．127)玻耳兹曼的意思很清楚：力学原理的不明晰，在于经验归纳，而不在于智力图像。玻耳兹曼的“智力图像”概念比赫兹的“外部对象的图像或符号”更自由，爱因斯坦可能山此注意到，力学的已使原理凌驾于经验材料之上。

彭加勒在《科学与假设》(1902)中对约定主义的论述，对爱因斯坦的探索性的演绎法的形成必定大有裨益，爱因斯坦在“奥林比亚科学院”时期(1902~1904)曾和他的同伴索洛文、哈比希特一起研读过这本脍炙人口的畅销名著。彭加勒通过对数理科学的基础进行了敏锐的、批判性的审查和后得出：几何学的公理既非先验综合判断，亦非经验事实，它们原来都是约定。物理学尽管比较直接地以经验为基础，但它的一些基本原理也具有几何学公理那样的约定特征。例如惯性原理，它不是先验地支配我们的真理，否则希腊学者早就知道它了，它也不是经验的事实，因为人们从来也不能用不受外力的物体做实验，因而无法用实验证实或否证它。经过最终分析，它们化归为约定或隐蔽的定义。因此，彭加勒得出结论说：在数学及其相关的学科中，“可以看出自由约定的特征”;他进而指出：“约定是我们的精神的自由活动的产品”，“我们在所有可能的约定中进行选择时，要受实验事实的引导;但它仍是自由的，只是为了避免一切矛盾起见，才有所限制。”

彭加勒在考察了物理学的理论后认为，物理学有两类陈述——原理和定律。定律是实验的概括，它们相对于孤立的系统而言可以近似地被证实，原理是约定而成的公设，它们是十分普遍的、严格真实的，超越了实验所及的范围。彭加勒还阐述了约定主义的方法论意义。他说，当一个定律被认为由实验充分证实时，我们可以采取两种态度。我们可以把这个定律提交讨论，于是，它依然要受到持续不断的修正，毋庸置疑，这将仅仅以证明它是近似的而终结。或者，我们也可以通过选择这样一个约定使命题为真，从而把定律提升为原理。在彭加勒看来，经典力学和经典物理学的六大基本原理(迈尔原理即能量守恒原理、卡诺原理即能量退降原理、牛顿原理即作用与反作用原理、相对性原理、拉瓦锡原理即质量守恒原理、最小作用原理)就是这样形成的。

彭加勒提出约定主义并不是无缘无故的。在近代科学发展的早期，弗兰西斯•培根提出了经验归纳的新方法，这种方法对促进近代科学的发展起了巨大的作用，但后来却助长了狭隘经验事义的盛行。到19世纪，以惠威尔、穆勒为代表的“全归纳派”和以孔德、斯宾塞为代表的实证主义广为流行，把经验和归纳视为唯一可能的认识方法。到19世纪末，第二代的实证主义的代表人物马赫更是扬言要把一切“形而上学的东西”从科学中“排除掉”。另一方面，康德不满意经验论的归纳主义的阶梯，他把梯子颠倒过来，不是从经验上升到理论，而是以先天的“感性直观的纯形式”(时间和空间)和先天的“知性的纯粹概念或纯粹范畴(因果关系、必然性、可能性等十二个范畴)去组织后天经验，以构成绝对可靠的“先验综合知识”。彭加勒看到，无论是经验论还是先验论，都不能圆满地说明科学理论体系的特征。为了强调在从事实过渡到原理时，科学家应充分有发挥能动性的自由，他于是提出了约定主义。约定主义既要求摆脱狭隘的经验论，又要求摆脱经验论，它顺应了科学发展的潮流，反映了当时科学界自由创造、大胆假设的要求，在科学和哲学上都有其积极意义。

《科学与假设》一书对爱因斯坦的印象极深，他和同伴们花了好几个星期紧张地读完了它。爱因斯坦坦率地承认彭加勒对他的直接影响。他赞同“敏锐的深刻的思想家”彭加勒的约定主义观点，认为概念和公理是思维的自由创造，是理智的自由发明。他这样说过：“一切概念，甚至那些最接近经验韵概念，从逻辑观点看来，……都是一些自由选择的约定，……([1]，p．6)

一开始，爱因斯坦也对洛伦兹的论（是1895年的论文，而不是1904年的电子论的最终形式）发生过兴趣，这是一种构造性的理论。可是不久，他从普朗克的量子论中看到，辐射具有一种分子结构。这是同麦克斯韦理论相矛盾的，而且麦克斯韦理论也不能导致出正确的辐射压涨落。爱因斯坦在“自述”中谈到了他当时的转变：“早在1900年以后不久，即在普朗克的首创性工作以后不久，这类思考已使我清楚地看到：不论是力学还是热力学(除非在极限情况下)都不能要求严格有效。渐渐地我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我努力得愈久，就愈加绝望，也就愈加确信，只有发现一个普遍的形式原理，才能使我们得到可靠的结果。”([1]，p．23)从此时起，爱因斯坦就断然决定用探索性的演绎法来解决。

四、爱因斯坦的探索性的演绎法的特色

作为科学推理的演绎法，可以说是源远流长了。早在古希腊，著名的哲学家、形式逻辑的创始人亚里士多德就提出了归纳和演绎这两种逻辑方法，并认为演绎推理的价值高于归纳推理。而古希腊名声最大的数学家欧几里得，在《几何原本》中把几何学系统化了，这部流传千古的名著就是逻辑演绎法的典范。牛顿在建立他的力学理论体系时虽然运用了归纳法，但其集大成著作《原理》的叙述方法却采用的是演绎法。爱因斯坦的探索性的演绎法绝不是这种古老的演绎法的简单照搬。他根据自己的科学研究实践，顺应当时理论科学发展的潮流，对演绎法作了重大发展，赋予了新的。也许是为了强调他的演绎法与传统的演绎法的不同，他在“演绎法”前面加上了限制性的定语——“探索性的”，这个定语也恰当地表明了他的演绎法的主要特征。与传统的演绎法相比，爱因斯坦的探索性的演绎法是颇有特色的。这主要表现在以下三个方面。

第一，明确地阐述了科学理论体系的结构，恰当地指明了思维同经验的联系问题，充分肯定了约定在建造理论体系时的重要作用。爱因斯坦把科学理论体系分为两大部分，其一是作为理论的基础的基本概念和基本原理，其二是由此推导出的具体结论。在爱因斯坦看来，那些不能在逻辑上进一步简化的基本概念和基本假设，是理论体系的根本部分，是整个理论体系的公理基础或逻辑前提。它们实际上“都是一些自由选择的约定”;它们“不能从经验中抽取出米，而必须自由地发明出来”([1]，pp．6，315)。谈到思维同经验的联系问题时，爱因斯坦说：直接经验ε是已知的，A是假设或公理，由它们可以通过逻辑道路推导出各个个别的结论S;S然后可以同ε联系起来(用实验验明)。从心理状态方面来说，A是以ε为基础的。但是在A和ε之间不存在任何必然的逻辑联系，而只有通过非逻辑的方法——“思维的自由创造”(或约定)——才能找到理论体系的基础A。爱因斯坦明确指出：“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想的逻辑体系。它的基础可以说是不能用归纳法从经验中提取出来的。而只能靠自由发明来得到。这种体系的根据(真理内容)在于导出的命题可由感觉经验来证实，而感觉经验对这基础的关系，只能直觉地去领悟。进化是循着不断增加逻辑基础简单性的方向前进的。为了要进一步接近这个目标，我们必须听从这样的事实：逻辑基础愈来愈远离经验事实，而且我们从根本基础通向那些同感觉经验相联系的导出命题的思想路线，也不断地变得愈来愈艰难、愈来愈漫长了。”([1]，p．372)

第二，大胆地提出了“概念是思维的自由创造”、“范畴是自由的约定”([1]，pp．407，471)的命题，详细地阐述了从感觉经验到基本概念和基本原理的非逻辑途径。爱因斯坦指出，象马赫和奥斯特瓦尔德这样的具有勇敢精神和敏锐本能的学者，也因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实做出正确的解释(指他们反对原子论)。这种偏见——至今还没有灭绝——就在于相信毋须自由的构造概念，事实本身能够而且应该为我们提供科学知识。这种误解之所以可能，是因为人们不容易认识到，经过验证和长期使用而显得似乎同经验材料直接相联系的那些概念，其实都是自由选择出来的。爱因斯坦认为，物理学家的最高使命就是要得到那些普遍的基本定律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律，并没有逻辑的道路，只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。”([1]，p，102)

为了从经验材料中得到基本原理。除了通过“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”外，爱因斯坦还指出可以通过“假设”、“猜测”、“大胆思辨”、“创造性的想像”、“灵感”、“幻想”、“思维的自由创造”、“理智的自由发明”、“自由选择的约定”等等。不管方法如何变化，它们都有—个共同点，即基本概念和基本原理只能通过非逻辑的途径自由创造出来。这样一来，基本概念和基本原理对于感觉经验而言在逻辑上是独立的。爱因斯坦认为二者的关系并不像肉汤同肉的关系，而倒有点像衣帽间牌子上的号码同大衣的关系。也正由于如此，从感觉经验得到基本概念和原理就是一项十分艰巨的工作，这也是探索性的演绎法的关键一步。因此，爱因斯坦要求人们“对于承担这种劳动的理论家，不应当吹毛求疵地说他是‘异想天开'''';相反，应当允许他有权去自由发挥他的幻想，因为除此以外就没有别的道路可以达到目的。他的幻想并不是无聊的白日做梦，而是为求得逻辑上最简单的可能性及其结论的探索。”([1]，pp.262~263)

关于爱因斯坦所说的“概念是思维的自由创造”和“范畴是自由的约定”，其中的“自由”并非任意之谓，即不是随心所欲的杜撰.爱因斯坦认为，基本概念和基本原理的选择自由是一种特殊的自由。它完全不同作家写小说时的自由，它倒多少有点像一个人在猜一个设计得很巧妙的字谜时的那种自由。他固然可以猜想以无论什么字作为谜底，但是只有一个字才真正完全解决了这个字谜。显然，爱因斯坦所谓的“自由”，主要是指建立基本概念和基本原理时思维方式的自由、它们的表达方式的自由以及概括程度高低的自由，—般说来，它们包含的客观实在的内容则不能是任意的。这就是作为反映客观实在的人类理智结晶的科学之客观性和主观性的统一。诚如爱因斯坦所说：“科学作为一种现存的和完成的东西，是人们所知道的最客观的，同人无关的东西。但是，科学作为一种尚在制定中的东西，作为一种被迫求的目的，却同人类其他一切事业一样，是主观的，受心理状态制约的。”([1]，p．298)

第三，明确地把“内在的完备”作为评判理论体系的合法性和正确性的标准之一。在爱因斯坦看来，探索性的演绎法就是在实验事实的引导下，通过思维的自由创造，发明出公理基础，然后以此为出发点，通过逻辑演绎导出各个具体结论，从而构成完整的理论体系。但是，评判这个理论体系的合法性和正确性的标准是什么呢?爱因斯坦晚年在“自述”中对这个问题作了纲领性的回答([1]，pp．10～11)。他认为，第一个标准是“外部的证实”，也就是说，理论不应当同经验事实相矛盾。这个要求初看起来似乎十分明显，但起来却非常伤脑筋。因为人们常常，甚至总是可以用人为的补充假设来使理论同事实相适应，从而坚持一种普遍的理论基础。但是，无论如何，这种观点所涉及的是用现成的经验事实采证实理论基础。这个标准是众所周知的，也是经常运用的。有趣的是爱因斯坦提出的第二个标准——“内在的完备”。它涉及的不是理论同观察材料的关系问题，而是关于理论本身的前提，关于人们可以简单地、但比较含糊地称之为前提(基本概念和基本原理)的“自然性”或者“逻辑简单性”。也就是说，这些不能在逻辑上进一步简化的元素要尽可能简单，并且在数目上尽可能少，同时不至于放弃对任何经验内容的适当表示。这个观点从来都在选择和评价各种理论时起着重大的作用，但是确切地把它表达出来却有很大困难。这里的问题不单是一种列举逻辑上独立的前提问题(如果这种列举是毫不含糊地可能的话)，而是一种在不可通约的质之间作相互权衡的问题。其次，在几种基础同样“简单”的理论中，那种对理论体系的可能性质限制最严格的理论(即含有最确定论点的理论)被认为是比较优越的。理论的“内在的完备”还表现在：从逻辑的观点来看，如果一种理论并不是从那些等价的和以类似方式构造起来的理论中任意选出的，那么我们就给予这种理论以较高的评价。

爱因斯坦看到了“内在的完备”这一标准不容忽视、不可替代的特殊作用。他指出，当基本概念和基本原理距离直接可观察的东西愈来愈远，以致用事实来验证理论的含义就变得愈来愈困难和更费时日的时候，“内在的完备”标准对于理论的选择和评价就一定会起更大的作用。他还指出，只要数学上暂时还存在着难以克服的困难，而不能确立这个理论的经验内涵：逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的唯一准则，即使是一个当然还不充分的准则([1]，pp.12、501)。爱因斯坦的“内在完备”标准在某种程度上是不可言传的，但是它在像爱因斯坦这样的具有“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”的人的手中，却能够有效地加以运用，而且预言家们在判断理论的内在完备时，它们之间的意见往往是一致的。

在爱因斯坦创立狭义相对论和广义相对论的过程中，充分地体现了探索性的演绎法的这三个特色。前面我们已简单地涉及到这一点，这里我们只谈谈爱因斯坦从“内在的完备”这一标准的角度是如何对自己理论进行评价的。1906年，当德国实验物理学家宣称，他在1905年完成的关于高速电子(β射线)质量和速度关系的数据支持亚伯拉罕和布赫尔的“刚性球”电子论，而同洛伦兹-爱因斯坦的理论(电子在运动方向的直径会随速度的增加而收缩)不相容，彭加勒立即发生了动摇，认为相对性原理不再具有我们先前赋予它的那种重要的价值。洛伦兹表现得更是十分悲观，他在1906年3月8日致彭加勒的信中说：“不幸的是，我的电子扁缩假设同考夫曼的新结果发生了矛盾，因此我必须放弃它，我已到了山穷水尽的地步。在我看来，似乎不可能建立起一种要求平移对电学和光学现象完全不产生影响的理论。”([2]，p．334)爱因斯坦的态度则截然相反，他对自己的理论的“内在的完备”抱有信心。他在1907年发表的长篇论文中指出：考大曼的实验结果同狭义相对论的“这种系统的偏离，究竟是由于没有考虑到的误差，还是由于相对论的基础不符合事实，这个问题只有在有了多方面的观测资料以后，才能足够可靠地解决。”他认为“刚性球”电子论在“颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符，因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从了大量现象的理论体系得出来的。”正由于狭义相对论的理论前提的简单性大，它涉及的事物的种类多，它的应用范围广，它给人的印象深，所以爱因斯坦才对自己的理论坚信不疑，要知道当时还没有确凿的实验事实证实这种具有思辨性的理论。谈到广义相对论的“内在的完备”，爱因斯坦说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完整性。从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃，要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的。”([1]，p．113)他甚至说过这样的话：当1919年的日蚀观测证明了他关于光线弯曲的推论时，他一点也不惊奇。要是这件事没有发生，他倒会是非常惊讶的。

探索性的演绎法是爱因斯坦的主导哲学思想——唯物论的唯理论——的一个重要组成部分。可贵的是，爱因斯坦在这里并没有排斥或漠视经验归纳法在科学中的地位。一方面，他认为纯粹思维可以把握实在;另一方面，又认为从来也没有一种理论是靠纯粹思辨发现的，他对构造性的理论也给予了较高的评价。爱因斯坦敢于正视矛盾的两极，在唯理论和经验论之间保持了一种微妙的、恰如其分的平衡，这正是他的高明之处。他提出的探索性的演绎法，只是强调“要大胆思辨，不要经验堆积”罢了，这是理论科学在20世纪发展的必然趋势，爱因斯坦则是率先表达了这一时代要求。

《爱因斯坦文集》第一卷，许良英等编译，商务印书馆，1978年第1版，第75~76页。

ArthurI．Miller，AlbertEinstein''''sSpecisloryofRelativity：Emergence(1905)andEarlyInterpretation,(1905~1911)，Adison-WesleyPubiishingCompany，Inc.,1981,p.196.

H．S．塞耶编：《牛顿著作选》，上海人民出版社，1971年第1版，第6页。

H．Poincaré，TheFoundationsofScience,TranslationbyG．B．Halsted，TheScience,YorkandGarrison，N.Y.1913,pp.28,65.

经典力学的相对性原理范文第4篇

关键词：物理本体；物理实体；量子现象；主观；客观

基金项目：国家社会科学基金项目“量子概率的哲学研究”（16BZX022）

中图分类号：N03 文献标识码：A 文章编号：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

时间和空间是人类所有经验的背景。除去存在的事物，时间、空间什么也不是，不存在只有一件事物的时间、空间，时空是事物之间相互关系的一个方面。

人类通过感性经验认知的时空，称作经验时空；以科学原理和科学方法指导认知的时空是科学时空；牛顿时空、狭义相对论时空、广义相对论时空、量子力学时空，是经验时空的科学提升和科学发展，称作物理时空①。物理时空是科学时空。描述现象实体的时空是现象时空，经验时空、物理时空、科学时空均是现象时空。而未经观察的“自在实体（物理本体）”所在时空，称为“本体时空”。“本体时空”是复数的②，因此，人类实质生活在复数时空中 。作为自然人，观察者存在于“本体时空”，实时空是人类对时空认识的简化③。

主体、客体、观察信号是人类认知自然的三大基本要素④。一般“现象对观察者的主观依赖性”有其客观原因，体现观察信号的自然属性对观察者在认知中的影响。当把现象对观察者的主观依赖性转化为时空的属性后，就可以达到客观描述物质世界⑤。所谓客观描述就是理论计算与经验及科学实验结果相符。

考虑观察信号的客观作用并纳入时空理论的科学建构之中，客观描述物理现象，是物理学家的重要工作。一般，哲学认知中没有明晰“观察信号中介作用”的客观地位，不管“机械反映论”，还是“能动反映论”，都自动将其融入“反映论”理论体系，尤其是前者，往往容易导致主观唯心主义的滋生。

狭义相对论用光对时，考虑了光对建立时空的贡献；牛顿时空是对时信号速度c趋于无穷大的极限情态；考虑引力场对建立时空的影响，引力时空是弯曲的，狭义相对论的平直时空是它的局域特例。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但主体与描述对象的关系没有变，主体对客体的描述是客观的。那么是否主体对认知对象完全没有主观影响？如果有，它如何产生，又如何消解，实现客观描述物质世界？经典力学中，人类的处理方法是通过揭示“现象对观察者的主观依赖性”及其产生机理，在不同认知领域区分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍弃，不能忽略的转化成时空的属性，实现客观描述；而从牛顿力学（或相对论力学）到量子力学，时空没有变化，描述对象具有波粒二象性，“量子现象的主观依赖性”更为突出。如何消解“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现量子现象的客观描述，一直是量子力学基础讨论的热点。量子力学必须有自己的客观描述量子现象的时空⑥。

量子力学时空是闵氏时空的复数拓展和推广⑦，由此可以实现客观描述量子世界。它与相对论时空有交集，也有异域。有因必有果，反之亦然，时间与因果关系等价⑧。量子力学中的非定域性，与能量、动量量子化及量子态的突变性相关联。突变无须时间，导致因果链断裂，与因果关联的相互作用也被删除，由此引进了类空间隔。平行并存量子态的出现，是不遵从因果律的量子力学新表现；当能量、动量和相互作用变得连续，宏观时序得到恢复时，回到相对论时空，量子测量中“量子态和时空的坍缩”⑨ 是不同物理时空的转换，希尔伯特空间只是它们的共同数学应用空间⑩。

时空不是绝对的，相对时空有更广阔的含义，人类需要扩大对时空概念的认知，不同的认知层次有不同的时空对应，复数时空更为本质。人们不应该将所有领域的物理实体归于某一时空描述，或者用一种时空的性质去否定另一种时空的存在。还是爱因斯坦说得好：是理论告诉我们能够观察到什么。当然，新的实验事实又将告诉人们，理论及其对应的时空应该如何修改和发展。理论不同时空不同，时空具有建构特征。

二、时空的哲学认知与物理学描述

时空是哲学的基本概念，也是物理学的基本概念。哲学认为，时间和空间是物质的存在形式，既不存在没有时空的物质，也不存在没有物质的时空。笛卡尔指出，空间是事物的广延性，时间是事物的持续性；康德认为，时空是感性材料的先天直观形式；牛顿提出时间和空间是彼此分离，绝对不变的，强调数学的时间自我均匀流逝；莱布尼茨说，空间是现象的共存序列，时间与运动相联系；黑格尔认为，事物运动的本质是空间和时间的直接统一。休谟认为，时、空上的接近和先后关系与因果性直接相关。中国的“宇”和“宙”就是空间和时间概念，它是把三维空间和一维时间概念同宇宙密切联系在一起的最早应用{11}。

哲学具有启示作用，但时空概念如果不与人的社会实践、科学实验、科学理论及其数学物理方法相联系，就只能停留在形而上，无法上升为科学理论概念。

物理学中，空间从测量和描述物体及其运动的位置、形状、方向中抽象出来；时间则从描述物体运动的持续性、周期性，以及事件发生的顺序、因果性中抽象出来；空间和时间的性质，主要从物体运动及其相互作用的各种关系和度量中表现出来。描述物体的运动，先选定参照物，并在参照物上建立一个坐标系，一般参照物被抽象成点，它就是坐标系的原点；假定被描述物体的形体结构对讨论的问题（或对参照物的时空）没有影响，将物体抽象成质点，讨论质点在坐标系中的运动及其相关规律，这就是物理学。由此，“时空是物质的存在形式”的哲学认知也就转化为人类可操作的具体物理理论描述。

可见，时空的认知与人类的社会实践、科学实验、科学进步直接相关，离不开物理和数学方法的应用。笛卡尔平直空间、闵可夫斯基空间、黎曼空间都已作为物理学所依托的几何学，在牛顿力学、狭义相对论、广义相对论中得到了充分应用。由此，几何学被赋予了物理意义。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但描述对象与观察者之间的关系没有变，描述是客观的，并且描述对象都可抽象成经典的粒子，采用质点模型。量子力学不同，从牛顿力学（相对论力学）到量子力学，描述量子现象的时空没有变化{12}，物理模型没有变，但量子现象对观察者有明显的主观依赖性，难以客观描述微观量子现象。深入分析，解决的办法有两种，一是更换物理模型的同时也改变物理时空，消除“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现客观描述微观量子客体；二是改变时空的同时，保留“量子现象对观察者的主观依赖性”，将本体、认识、时空融为一体，主观纳入客观，模糊主客关系。双4维时空量子力学基础采用了第一种方法。通过场物质球模型，把点模型隐藏的空间自由度释放出来；在改变物理模型的同时，也改变了描述时空；将不是点的微观客体自身的空间分布特性，转化为描述空间的属性，客观描述量子客体。我们认为，第二种方法将主观认识不加区分地“融入时空”，有损客观性、科W性，量子力学时空必须是描述客观世界的时空。物理时空需要建构。

三、牛顿绝对时空中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

众所周知，物理学对物体运动状态的描述，理应包含参照物和被描述物体自身的时空特征，而参照物和物体自身的时空特征，必须通过观察发现。观察需要观测信号，物体运动状态及其时空特征必然带有观测信号的烙印{13}。

“物理本体”不可直接观察，我们观察到的是“物理实体”{14}。参照物与研究对象都有自己对应的物理时空，牛顿力学时空应该是两者的综合，而不应该只是参照物的时空。但是，牛顿力学中光速无穷大，在讨论物体运动时，又假设研究对象的时空结构对讨论的问题没有影响，忽略不计，于是，研究对象抽象成了质点，整个理论体系就只有与参照物联系的时空了。

任何具体物体都不会是质点。当用信号去观察它时，物体自身的时空特征与物体的运动状态与观察信号的性质、强弱和传播速度相关。质点模型忽略物体自身的几何形象及其变化，忽略运动及观察信号对物体自身时空特征的影响，参照物也不例外。在从参照物到坐标系的抽象中，抽掉运动及观察信号对参照物时空特性的影响，就是抽掉物体运动及观察信号对坐标系时空特性的影响，就是抽掉人的参与对时空认知的影响{15}。牛顿力学时空与物体运动及观察者无关，绝对不变，基于绝对不动的以太之上。所以，牛顿可以把时间和空间从物质运动中分离出来，时间和空间也彼此分割，空间绝对不变，数学的、永远流逝的时间绝对不变{16}。哲学的时空演变成了可操作的物理时空。这是宏观低速运动对时空的简化与抽象，理论与宏观经验及计算相符。

相互作用实在论认为，现实世界是人参与的世界，对一个研究对象的观察，离不开主体、客体、观察信号三个基本要素。参照物和观察对象的运动和变化及其时空属性，与观察信号的性质相关。牛顿力学中，不是没有现象对观察主体的依赖性，而是在理论的建立中认为影响很小，可以忽略不计。牛顿力学是“物理本体=物理实体”的力学{17}。这与宏观经验和科学实验相符，在宏观低速运动层次实现了主客二分，理论被看作是对客观实在的描述。牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建描述背景，时空告诉物质如何在背景中运动。二者构成背景相关。

牛顿时空是均匀平直时空，相对匀速运动坐标系间的变换是伽利略变换。物理定律在伽利略换下具有协变性，相对性原理成立。

四、狭义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

狭义相对论建立之前，洛伦兹就认为高速运动中物体长度在运动方向发生收缩{18}。这是他站在牛顿时空立场，承认以太及绝对坐标系的存在对洛伦兹变换所作的解释。描述时空没有变，“现象对观察者出现了主观依赖性”。自然现象失去了客观性，这是一次认识危机，属19世纪末20世纪初两朵乌云之一。

狭义相对论不同，它考虑宏观高速运动中观察信号对物体时空特征的影响。爱因斯坦在“火车对时”实验中，他用“光”作为观察、记录、认知物体时空特征的信号{19}；通过参照物到坐标系的抽象，论证静、动坐标系K与K′“同时性”不同，静、动坐标系运动方向时空测量单位发生了变化；将洛伦兹所称“运动物体自身运动方向上的长度收缩”演变成坐标系时空框架的属性，还原质点模型，建立相对论力学。实现了观察者对观察对象的客观描述。

狭义相对论中质点的动量、能量、位置和时间都有确定值，质点的运动具有确定的轨迹，这一点与牛顿力学相同。

狭义相对论时空的另一重要物理意义是揭示了“物理本体”的客观实在性。

牛顿力学缺少相对论不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，物理本体=物理实体，哲学上的抽象时空直接过渡到牛顿物理时空。

狭义相对论不一样，每一个物体都有一个不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，它在任何静止参考系中都是不变量，是物理实体背后的物理本体，物理本体不变，变的是mc2、mc对应的物理实体。“物理本体”既不是形而上的（物自体），也不是形而下的（物体），是形而中的（静能对应物）。它可以认知、可以理论建构，但又不可直接观察。相对于牛顿，爱因斯坦相对论揭示了“物理本体”的真实存在性。“客观物质世界”不是思维的产物。

狭义相对论中，物质告诉时空在运动方向如何修正测量单位，时空告诉物质如何长度收缩、时间减缓。时空具有相对性。

狭义相对论时空虽然也是均匀平直时空，但由于有上述“相对时空”的出现，时空度规与欧氏时空度规有明显区别，所以称为赝欧氏时空。

但狭义相对论仍然是只考虑光及光速的有限性对建立时空的影响，没有考虑引力作用对建立时空的影响。如果考虑引力对时空的影响又如何呢？

五、广义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

广义相对论中有水星近日点进动问题和光走曲线的讨论。站在牛顿平直时空的立场，观察结果与理论计算不符。这不是仪器的精度不够，也不是操作失误，而是理论本身的问题。因为，牛顿力学也好，狭义相对论也好，讨论引力问题，引力场对参照物和研究对象时空属性的影响都没有计入其中，而留在观察者对“现象”的观察、判断之中，出现宇观大尺度“现象对观察者的主观依赖性”。如果考虑引力场使时空发生弯曲，利用弯曲时空计算水星近日点进动和光走曲线现象，“现象对观察者的主观依赖性”就变成时空的属性。“现象对观察者的主观依赖性”就得到了“消解”，观察现象与理论结果就取得了一致。这里，物质使时空弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动。广义相对论实现了观察者对观察对象的客观描述。

广义相对论时空是弯曲的，时空度规是变化的。

六、量子力学中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

微观客体具有波粒二象性，同一个电子，通过双缝表现为波，而打在屏幕上又表现为粒子，电子集波和粒子于一身，“量子现象对观察者的主观依赖性”更为突出。经典力学中波动性和粒子性不能集物体于一身，量子力学与经典力学表现出深刻的矛盾。矛盾的产生，可能是描述微观现象的时空出了问题。量子力学的研究领域是微观世界，研究对象是微观客体，不是经典的粒子，用以观察的信号也不是连续的光，而是量子化了的光，通过光信号建立的时空应该与牛顿、相对论时空有所区别。而量子力学使用的还是牛顿时空、狭义相对论时空，时空没有变，物理模型没有变，而研究领域、观察信号和研究“对象”变了。量子力学必须有自己对应的时空，将“量子现象对观察者的主观依赖性”，转化为描述时空的属性，实现客观描述量子现象！ 双4维时空量子力学就是为实现这一目标应运而生的。

现有量子力学“量子现象对观察者的主观依赖性”之所以难以消解，与量子力学中的点模型相关。许多量子现象与点模型隐藏的空间自由度有直接联系，但点模型忽略了这些自由度对产生微观量子现象的作用和影响。我们必须将隐藏的空g自由度还原于时空，才可能正确地认识、客观描述量子现象。

可以公认，微观客体不是点{20}，是一个有形客体，有一定的空间分布，不存在确定于某点的空间位置，这是客观事实。理论上，牛顿时空几何点位置是确定的，量子力学使用的是质点模型，0 维，位置也是确定的，牛顿时空可以精确描述质点的运动。那么微观客体空间分布的不确定性如何处理？人们只好转而认为点粒子在其“空间分布”区域位置具有概率属性。微观客体自身空间分布的客观实在性在量子世界转化成了一种主观认知，赋予了微观客体“内禀”的概率属性，其运动产生概率分布，或称其为概率波。

这是一个认识上的困惑，似乎量子力学描述失去了客观实在性。这也是量子力学当今的困境。解决困难的方法是：（一）更换点模型，释放点模型隐藏的自由度，展示“这些自由度对产生微观现象的贡献”；（二）建立适合量子力学自身的时空，将释放的自由度植入其中，让“量子现象对观察者的主观依赖性”变成量子力学时空自身的属性。

双4维时空量子力学的办法是：（一）用“转动场物质球”模型取代“质点”模型，释放点模型隐藏的空间自由度；（二）将4维实时空M4（x）拓展到双4维复时空W（x，k），且将“释放的空间自由度――曲率k”作为双4维复时空的虚部坐标；（三）4维曲率坐标将量子力学赋予微观客体自身的概率属性变成量子力学复时空的几何属性，场物质球自身的旋转与运动产生物质波――物理波。

“场物质球”与“物质波”（类似对偶性假设）既是同一物理实在的两种不同描述方式，更是微观客体粒子性和波动性的统一，曲率的大小表示粒子性，曲率的变化表示波动性。场物质球的物质密度是曲率k的函数，因此，物质波既是场物质球的结构波又是场物质密度波。物质波不是传播能量，而是传播场物质球的结构或物质密度变化，可映射成实时空M4（x）的概率分布{21}，与实验结果相一致。

这样，点模型中“量子现象对观察者的主观依赖性”通过“释放的自由度”转变为时空W（x，k）的属性，物质波传播其中，量子现象是物质波所为。

研究表明，是量子测量引入的连续作用，使双4维时空W（x，k）全域转换到实时空M4（x），波动形态转变成粒子形态（“相变”），球模型转换成点模型，概率属性内在其中，物质波自动映射成概率波，数学处理类似表象变换{22}。

简言之，传统量子力学，微观客体简化成质点，描述时空不变，人的主观意识介入其中，将其空间分布特性――位置不确定性，变成点粒子的概率属性，实现描述对象从客观到主观认知的转变，具有位置不确定性的点粒子，其运动产生概率波；双4维时空量子力学，微观客体简化成场物质球，“空间分布具体化为几何曲率”，空间分布特性变成曲率坐标，仍然是从客观到客观，描述时空变成了复时空，曲率坐标在其虚部，场物质球的运动产生物质波――物理波。通过量子测量，物质波映射成概率波，球模型演变成点模型，显示概率属性，时空内在自动转换，量子现象对观察者的主观依赖性消解在建构的时空理论中。具体论证方法是：

将静态场物质球写成自旋波动形式：Ψ0=е■，描述在复空间。ω0是常数，它的变化只与自身坐标系时间t0相关，全空间分布（物理本体所在空间）。设建在“静态”场物质球上的坐标系为K0，观察微观客体从静止开始作蛩僭硕，由洛伦兹变换：

微观客体的运动速度不同，平面波相位不同。复相空间kμxμ即为物质波所在时空。物质波是物理波。

自由微观客体的速度就是建在其上惯性坐标系的速度，惯性系间的坐标变换，隐藏速度突变――“超光速”概念，因为，连续变化会引进引力场破坏线性空间。不同惯性系中平面波之间，相位不同，类似量子力学中的不同本征态。这是相对论中的情形{24}。

但是，量子力学建立其理论体系时，把上述不同惯性系中的平面波（不同本征态，每一本征态则对应一惯性系），通过本征态突变跃迁假设（量子分割），切断因果联系，形成同一时空中“同时”并存的本征态的叠加。态的跃迁不需要时间，“超光速”（非定域），将类空间隔引入量子力学时空，破坏了原有的因果关系。叠加量子态的存在，是“违背”因果律在量子力学中的新表现。

量子力学时空显然不是牛顿、狭义相对论时空，但量子力学却误认为量子跃迁引起的时空性质的变化是牛顿、狭义相对论时空中的特征，这当然会带来不可调和的认知矛盾。

同一微观客体，不同本征态“同时”并存的物理状态，从整体看，是洛伦兹协变性在量子力学中的新表现。突变区“超光速”，是类空空间，“不遵从”因果律；释放光子的运动在类光空间；而本征态自身在类时空间，微观客体运动速度不能超过光速，需保持因果律，物质波讨论的就是这一部分，就像相对论讨论类时空间物理一样。量子纠缠态将涉及到上述三种不同性质物理空间量子态的转换，有完全合理的物理机制，不需要思维的特殊作用。不过，相对论长度收缩效应，将以物质波波长在运动方向上的收缩来体现。有了双4维时空量子力学，量子力学与相对论就是相容的，光锥图分析一样适用。

相对论与量子力学的不同，关键在于认知层次发生了变化，光由连续场演变成了量子场。而我们用来观察世界的光信号直接与时空相关，光的物理性质的变化，必然带来物理空间性质的变化，带来物理模型的变化，带来量子力学时空W（x，k）与相对论时空M4（x）之间的区别，带来对物质波――物理波的全新认知。我们预言，物质波有通讯应用价值{25}，但与量子力学非定域性无关。

《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》的理论实践表明，我们的工作是可取的{26}。结论是，量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。量子现象对观察者的主观依赖性消解在对应的时空理论之中，实现了观察者对量子现象的客观描述。

双4维时空是描述量子现象的物理时空，时空度规，无论实数部分，还是虚数部分，都是平直的{27}。

近年来，由于量子通讯技术的飞速发展，量子纠缠的物理基础引起了人们的特别关注，波函数的物理本质，量子力学的非定域性讨论十分热烈。“量子现象对观察者的主观依赖性”更是讨论的核心。人们甚至被量子现象的奇异性迷惑了，特别是，有科学家甚至认为：“客观世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出来的？科学实在论者当然不能赞成！更加深入的探讨，我们将另文讨论。

按照曹天予的评论，《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》值得关注{28}。双4维复时空与弦论、圈论比较，最大优点是将时空拓展、推广到了复数空间，数学没有那么复杂，而物理学基础却更加坚实、清晰。

七、结论与讨论

1.“现象对观察者的主观依赖性”普遍存在于人与自然的关系之中，融入时空的只能是物理实体对时空有影响的部分，时空具有建构特征。

2. 物质运动与时空的关系：牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建运动背景，时空告诉物质如何在背景上运动；狭义相对论中，物质告诉时空如何修正测量单位，时空告诉物质如何在运动方向长度收缩、时间减缓；广义相对论中，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动；量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。

3. 量子力学时空是平直的，其方程是线性的，而广义相对论时空是弯曲的，其方程是非线性的{29}。量子力学与广义相对论的统一，不能机械地凑合，它们的统一，必须从改变时空的性质做起，建立相应的运动方程，并搭起非线性空间与线性空间的相互联络通道。

注释：

① 赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5页；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149页。

⑤ 主观与客观：“客观”，观察者外在于被观察事物；“主观”，观察者参与到被观察事物当中。 辩证唯物主义认为主观和客观是对立的统一，客观不依赖于主观而独立存在，主观能动地反映客观。

⑧ L・斯莫林：《通向量子引力的三条途径》，李新洲等译，上海科学技术出版社2003年版，第29―33页。

⑨ 张永德：《量子菜根谭》，清华大学出版社2012年版，第29页；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第178页。

{11} 冯契：《哲学大辞典》，上海辞书出版社2001年版，第1579―1582页。

{12} 参见L・斯莫林：《物理学的困惑》，李泳译，湖南科学技术出版社2008年版。

{14} 相互作用实在论中的基本概念：（1）物质：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，电磁、强、弱等力。（3）自在实体：指未经观察的“自然客体”（相互作用实在论中，自在实体作为物理研究对象时称物理本体）。（4）现象实体：经过观察，系统的、稳定的、深刻反映事物本质的理性认知物。现象则表现自在实体非本质的一面。（相互作用实在论中，现象实体作为物理研究对象时称物理实体）。（5）观测信号：人类认知世界使用的探测信号。

{16} 参见伊・牛顿：《自然哲学之数学原理宇宙体系》，武汉出版社1996年版。

{18} 参见倪光炯等：《近代物理学》，上海科学技术出版社1980年版。

{19} 参见A・爱因斯坦：《相对论的意义》，科学出版社1979年版；爱因斯坦等：《物理学的进化》，周肇威译，上海科学技术出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科学哲学论文集》，安度译，知识出版社2001年版，第140页。

{23} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第149页。

{26} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学描述》，

《现代物理》2013年第5期；赵国求、李康、吴国林：《量子力学曲率诠释论纲》，《武汉理工大学学报》（社会科学版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《当代科学哲学中的库恩挑战》，《中国社会科学报》2016年5月31日。