从相对论到可定论（第1讲，空间密度和时间节律）

本文摘自美国学术出版社出版的《Theory of zizai》（自在论）中的第二章第四节时空间关系。本次增加了空间密度和时间节律等概念的说明，对相对论理论基础的洛伦兹变换推导中的问题作了进一步的分析，并删除了原文关于相对论时空观分析的部分内容。

1. 惯性系定义

惯性参照系（以下简称惯性系）的定义为：牛顿运动定律在其中有效的参考系，且a=0，称为惯性坐标系。如果S为一惯性系，则任何对于S作等速直线运动的参照系S’都是惯性系；而对于S作加速运动的参照系则是非惯性系。

以上的惯性系定义是不明确的。牛顿第一运动定律认为物体不受外力或所受外力之和为零时将保持匀速直线运动状态或静止状态，第二运动定律是关于物体加速度与所受的外力和物体质量三者之间的关系的，第三运动定律认为物体相互间的作用力大小相等、方向相反。其中第三运动定律是关于物体间的相互作用力和反用力之间的关系的，它与参照系的选择无关，这条定律可排除在定义之外；第二运动定律描述速度的改变量（加速度）与力和质量之间的关系，它是牛顿在一定的参照系里研究出的物体的受力和质量、加速度之间的关系。我们现在要明确的就是这个参照系应该如何确定，确定的标准是什么，定义却把研究的结果当作判断的标准，这是不符合形式逻辑要求的自循环定义。

如果定义中的牛顿运动定律仅指第一运动定律 ，那么定义中的加速度a和外力的作用对象就不是指被研究的物体，而是定义中的惯性参照系本身。如果要确定参照系不受外力作用，那么就必须先确定其不与其它物体发生相互作用。对于因接触而产生的作用力，这种相互作用力就较容易确定，但对于看不见的力（如万有引力、电磁力等）的确认就有一定的难度。

一般情况下，以环境中其它物体作为参照就可确定参照系是否受其它外力的作用。在惯性系内也可用一般的动力学方法确定其是否受外力作用，只要外力对惯性系内的各质点的作用力存在差异，那么从理论上讲，就可在惯性系内观察外力作用所产生的动力学效应。但如果外力（假设存在绝对平行的万有引力）绝对一致地对惯性系内所有质点发生相同的作用，那么就无法在研究的惯性系内通过动力学效应观察外力的作用效果，这时把它作为惯性系也不会对研究结果产生任何影响。因此，现在的惯性系的定义是：牛顿第一运动定律成立的参照系就叫惯性系 ，这个定义把惯性系不受外力作用的标准剔除，人们只需通过观察惯性系内外物体相对空间位置，确定其是否相对静止或作匀速直线运动，就可判定其是否为惯性系。

2. 空间密度

本知论哲学认为，“所是属所知”，空间是意识感知机能作用的结果，不存在意识之外的实在性空间。虚空的空间本身是不可定义的，只可从感知实物的反面属性去理解它。意识可从三个方向感知对象位置的不同，所以人们认为空间有三个维度。意识能感知到对象每个维度的位置的差异，所以人就有距离的感知。潜意识通过三维空间感知机能，将感知到的具体观念组成一个相互间由距离关联的空间系统，这是人的潜意识形成的空间系统。为了达到各意识之间沟通和交流信息的目的，人们必须将感知到的空间信息根据逻辑同一律表示出来，使他人能理解和明白。数学理论建立的三维坐标系有三个维度方向，可用来表示意识感知到的具体观念的三维空间关系，因此数学上的三维坐标系可用来表示物理学上的惯性坐标系。人们可将感知到的各种实物的空间位置及其空间关系通过三维坐标系表示出来，再结合时间维度就可用三维坐标系表示物理定律，物理学就可以此研究实物类观念运动的规律。认识过程就如同康德所言，意识让对象围绕理性转动，或如本知论哲学所说的思维根据逻辑分解和组合显相。

在人们设定的数学坐标系内，相同单位的空间距离在空间各处的长度在逻辑上都是相等的，同样地，也就要求设定在惯性系内做惯性运动的物体，不论在何处和何时测得的空间特征值也应一致。因为空间概念是以测量的物体之间的距离为基础的，换个说法就是设定惯性系空间是均匀的，即设定惯性参照系的空间密度一致。

3. 时间节律

本知论哲学认为，时间是实在化的空间再系统化和序列化的结果。意识将感知到的空间显相系统化再按顺序排列组合，时间就是排序的维度。人们选择空间中相对稳定的周期性运动的实物作为时间序列参照物，所以时间只是一种空间现象。以参照物的空间运动作为参照，人们就可将时间作为三维空间的另一个维度。时间维度与空间的三个维度不同，空间的三个维度是可以通过感觉器官实时感知的，而时间维度是不可通过感官感知的，是想象中的一个维度。时间是三维空间整体的一个维度，而不是在空间三个维度的基础上再增加一个第四维度。有了时间维度，意识不仅可感知实物的空间位置的不同，而且还可感知其位置变化的系列特征。

为了表示感知到的同一实物在不同时间维度的不同空间位置，人们同样可将数学三维坐标系作为整体增加一个时间维度。根据逻辑同一律，建立的坐标系的时间维度在单位时间长度上都是相等的，因此，也就要求设定时间参照物的运动周期是稳定的。因为时间维度是整个三维坐标系的一个维度，所以应设定在同一空间坐标系的任意空间内对同一事件所测的时间值相同。时间测量值不因测量事件空间位置的不同而不同以及时间参照物运动周期稳定的特性，称之为时间节律统一性。

增加了时间维度的三维坐标系可为物理学研究提供基础逻辑工具，在空间密度一致和时间节律统一的惯性系内，人们对各种空间现象进行观察和总结，通过逻辑分析得到初步的规律性结论，经过实验和实践的进一步检验，就可得到相对的、具有概率可靠性的物理学定律。

因为物体运动速度不同，人们就根据不同的速度建立各种速度不同的惯性系。相对性原理认为所有的物理定律都适用于惯性系，惯性系空间密度的一致和时间节律的统一是惯性系坐标系成立的逻辑前提条件，也是物理定律适用于惯性系的前提条件。

4. 光速的启示

在伽利略的不同惯性系间的速度变换公式中，是以设定各种速度不同的惯性系的空间密度和时间节律分别相等为前提条件的，只有设定两者各自相等，不同的惯性系之间的速度才能通过伽利略换算公式相互转换。然而，不论在高速运动状态还是相对静止状态，人们所观测到的从同一光源中发射出的光的速度均一致，这一特殊的现象用伽利略变换无法解释。因此，就必须对不同速度的惯性系的空间密度和时间节律进行研究。

根据本知论哲学原理，时间是实在化空间的系统化和序列化的结果。序列标记物一般选取运动周期相对稳定的参照物，所以时间只是一种空间现象，应以空间来解释时间而不能将时间绝对化或实在化。时间基本单位是以铯原子两个超精细能阶间跃迁辐射振荡9,192,631,770个周期的持续时间作为1秒；空间长度基本单位，是将光在真空中1/299,792,458秒的时间内所通过的距离作为一米。如果确认光子运动一样遵循牛顿第一运动定律，光子做恒定的运动，这样看起来似乎空间单位还是以时间单位为基础的，这不是以时间决定空间吗？其实不然，虽然目前人们对铯原子振荡周期的决定因素还没有确切的研究结果，但我们起码可以肯定的是，这个振荡周期仍然是一种空间现象，只是它表现出比其他参照物运动特别稳定的周期性，所以被人们作为标准时间序列标记参照物。这种空间现象仍然可继续进行深入的探究，我们还可以发问，铯原子的两个超细能阶间的跃迁辐射振荡周期又是由什么决定的？这个振荡周期是不是就是永恒的？现在的科学研究显示，这种表现稳定的序列参照物却并不能保持永恒一致的特性，精确的原子钟在太空旅行一段时间后，人们发现其时间变慢了，而且旅行时间越长变慢得越多，这说明其表现为振荡周期的时间节律并不是绝对恒定的。

人们从运动物体上测量各种光速所得到的结果均为一致，当然这是利用目前最为精确的原子钟测得的结果。不论速度测量采用什么方法，人们都是根据距离除时间而计算得出速度值的，光速也是这样测量和计算得出的结果。既然作为序列参照物原子钟的时间在运动中会变慢，那么我们在运动时测光速的时间段就会相应变小，而目前测得的光速不变这个事实就可以说明，在运动物体中测光速时测得的光走行距离也应同比例地缩小，这样才能确保实测的光速一致。虽然目前还没有在运动物体上测量空间关系变化的数据，但从原子钟变慢和光速不变这两个测量事实中，根据速度计算公式我们就可得出有相对运动的惯性系中的物体空间距离即空间密度变小的结论。因空间密度变小，测量仪器所测得光走行距离变小，原子钟振荡周期变慢即时间节律变小，而且两者同比例变化，所以两者相除后得到光速不变的计算结果。