物质和时空

物质与时空华中科技大学马克思主义学院熊文娴自然辩证法专题讲座目录•一、物质是什么？•二、物质运动•三、物质运动和时空未来世代的人们有一天会问：“20世纪的失误是什么呢？”对这个问题他们会回答说：“在20世纪，一方面唯物主义哲学不仅在世界许多国家成为现行官方世界观的组成部分，而且即使在西方哲学中，譬如在所谓身-心讨论的范围内，也常常处于支配地位。但是另一方面，恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。”——施太格缪勒（德国）一、物质是什么？古代朴素唯物主义的物质观人类思想史上物质概念的演化近代机械唯物主义的物质观辨证唯物主义的物质观物质即质料（不确定的基质）物质即实体（客观存在）物质非实体化（20世纪科学）*古代朴素唯物主义*中国五行说元气说印度四大说凡物之精，比则为生。下生五谷，上列为星；流于天体之间，谓之鬼神；藏于胸中，谓之圣人；是故名气。杲〔gao〕乎如登于天，杳〔yao〕乎如入于渊，淖〔nao〕乎如在大海，卒乎如在于屺〔qi〕。《管子·内业》泰勒斯万物的始基是水。古希腊阿那克西曼德万物的始基是无限定。亚里士多德四因说“近代机械论唯物主义”世界是不以人的意志为转移的客观存在，人的知识（认识）只有通过感性经验从客观外界获得。“人是自然界的仆役和解释者，因此他所能做的和所能了解的，就是他在事实上和思想上，对于自然过程所见到的那么多”。认识的真实性和存在的真实性是一致的，“其间的差别不过是直接的光线和反射的光线而已”。弗兰西斯·培根世界是由物质构成的。物质的主性质包括了形状、运动或静止、数目等和物质不可分离的那些性质，而次性质则包括了颜色、声音、气味等其他各种性质。主性质在物体里，次性质在知觉者中。约翰·洛克托马斯·霍布斯物体时不依赖于我们思想的东西。宇宙是所有机械地运动着的广延物体的总和。运动就是失掉一个位置，而获得另一个位置。人的心脏像钟表上的发条，神经和关节是轴丝和齿轮。近代机械唯物主义“辨证唯物主义”1.世界本质上是物质的。“世界的真正的统一性是在于它的物质性。”——恩格斯2.物质世界是按照它本身所固有的规律运动、变化和发展的。3.意识是物质高度发展的产物，是高度组织起来的物质──人脑的反映特性，劳动实践在其中起关键的作用。4.统一的物质世界中的万事万物都处在相互作用的普遍联系之中，都处在不断产生、不断消亡的运动、变化和发展的永恒的过程之中。“20世纪科学中的物质之谜”1.量子化之谜玻尔的氢原子模型：氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的。氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的。电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能量之差2.微观粒子的波粒二象性1905年-1921年：普朗克、爱因斯坦提出光的波粒二象性1923年-1924年：德布罗意提出物质的波粒二象性电子衍射实验及实验现象弦理论：基本粒子实际上都是一些很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。所有粒子都可由闭弦的不同振动和运动来得到，从本质上讲，所有的粒子都是质地相同的弦。3.基本粒子的概率分布之谜为了描述原子系统的运动规律，1926年，薛定谔提出了波函数所遵循的运动方程——薛定谔方程。随后，玻恩对波函数的物理意义作出了统计解释，即波函数的二次方代表粒子出现的几率。关于概论的一种很有名的解释：概率是主观的可信度。结论：我们作为观察者本身必须包括到科学理论的探讨范围内。4.粒子构成结构之谜中子衰变：质子+电子+反中微子质子衰变：中子+正电子+中微子杯子：杯盖+杯身+杯底杯盖：杯子+反杯身+反杯底？5.其他物质之谜量子纠缠态质能转换：核裂变，宇宙大爆炸二、物质运动1.运动悖论芝诺悖论：二分法悖论阿喀琉斯悖论飞矢不动悖论游行队伍悖论阿客琉斯和乌龟赛跑2.运动的定义运动是标志宇宙间所有事物、现象和过程变化的哲学范畴，是物质所固有的根本属性和存在方式，是各种运动形式中最普遍的共同本质，包括宇宙中所发生的一切变化和过程。“运动，就它被理解为存在方式，被理解为物质的固有属性这一最一般的意义来说，囊括宇宙中发生的一切变化和过程，从单纯的位置变动起直到思维。”——恩格斯3、物质运动的分类运动是物质的根本属性。物理运动化学运动生物运动社会运动天体演化…机械运动（经典力学）热运动（热力学）电磁运动（电磁学）高速运动（相对论）微观物质运动（量子力学）三、物质运动和时空1.时空观的演进⑴中国古代的时空观①时空的直观“往来古今谓之宙，四方上下谓之宇。”——《文子·自然》“夫天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客。”——李白《春夜宴桃李园序》②时间的流逝性及不可逆性“子在川上曰：逝者如斯夫，不舍昼夜。”——《论语》“时不可及，日不可留。”——《文选》③时间流逝的连续性、均匀性和客观性“时之反侧，间不容息，先之则太过，后之则不逮。夫日回而月周，时不与人游。故圣人不贵尺之璧，而重寸之阴，时难得而易失也。”——《淮南子·原训道》④时间有限与时间无限之争“天下有始，以为天下母。”——《老子》“道始于虚霩，虚霩生宇宙。”——《淮南子·天文训》“阖天谓之宇，辟宇谓之宙。”——汉·扬雄《太玄》“至大无外，谓之大一。至小无内。”“有始也者，有未始有有始也者，有未始有夫未始有有始也者。”——《庄子》“宇之表无极，宙之端无穷。”——张衡《灵宪》古希腊对时空的直觉和反思“整个宇宙之外再没有别物存在，所以它没有什么外边，因此它也没有终点。…………就是时间也还不是自己独立存在，从事物中产生一种感觉；什么是许久以前发生的；什么是现在存在着；什么是将跟着来；应该承认，离开了事物的动静，人们就不能感到时间本身。”——卢克莱修《物性论》⑵亚里士多德的朴素时空观①亚里士多德的时间观★时间是事物持续性的量度。“时间不是运动，而是使运动成为可以计数的东西。”“时间是运动和运动存在的尺度。”“运动是有前有后的，而前和后作为可数的事物就是时间。”“时间是关于前和后的运动的数，并且是连续的数（因为运动是连续的）。”“运动和时间一样，都是连续的，时间或者同于运动，或者是运动的一种规定。”“既然时间是运动的尺度，附带地它也应是静止的尺度。”“时间计量的是作为运动着的事物和作为静止着的事物。”★时间独立于事物而存在，但离不开事物的运动变化。“时间同等地出现于一切地方，和一切事物同在。”“可以认为时间比一切在时间里的事物都长久。”“时间既不是运动，也不能脱离运动。”“只有当我们已经感觉到了运动中的前和后时，我们才说有时间过去了。”“可见时间是不能脱离运动和变化的。”★时间均匀地流逝着。“变化总是或快或慢，而是时间没有快慢。”“时间本省不能说快慢，而是说‘多少’或‘长短’。”②亚里士多德的空间观★空间独立于事物而存在，是不能移动的容器。“离开空间别的任何事物都不能存在，另一方面它却可以离开别的事物而存在；当其内容物灭亡时，空间并不灭亡。”“空间可以在内容事物离开以后留下来，因而是可分离的。”“恰如容器是能移动的空间那样，空间是不能移动的容器。”★虚空不存在，宇宙间充满了物质。“既然虚空必然是失去了物体的空间…那么显然，这样的虚空是不存在的。”③亚里士多德的宇宙模型地球在宇宙的中心，是球形的。地球外围嵌套着一些以地球为中心旋转的透明水晶球，依次分布着月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星。恒星镶嵌在最外围水晶球上。月上空间的物质和月下空间的物质是完全不一样的，月上空间中的星体是由以太构成，以太构成的星体具有灵魂，由一种动力之源指引它们进行完美的圆周运动；月下空间中的事物，即地球上的事物则由土、水、气、火四种元素构成。备注：亚里士多德宇宙模型中的目的论⑶牛顿的绝对时空观牛顿的时间观★时间是事物的延续性，独立于事物而存在，并均匀流逝着。★时间作为事物的延续性本身，是绝对的；但对时间的量度是相对的。“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着，它又可以名之为‘延续性’；相对的、表观的和通常的时间是延续性的一种可感觉的、外部的（无论是精确的或者是不相等的）、通过运动来进行的量度，我们通常就用小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间。”“所有的运动都可能是加速的或减速的，但绝对时间的流逝却不会有所改变，不管其运动是快是慢，或者根本不运动，一切存在的事物的延续性或持久性总是一样的。因此，应该把这种延续性与其只能感知的量度区别开来。”——牛顿牛顿的空间观★绝对空间是独立物体而存在的、均匀的、不动的。我们通过物体运动而感知和量度的具体空间是相对空间。“绝对的空间，就其本性而言，与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的；相对空间是绝对空间的可动部分或者量度，我们的感官通过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间来看待。”★自然界存在虚空，宇宙万物由原子和虚空构成。“如果没有别的东西能够跻身于两个最小的粒子之间，就能够有真空。”⑷爱因斯坦相对论的时空观狭义相对论的两条基本原理★物理定律对所有的惯性坐标系都是一样的。（物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。）★光速不变。（任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的，还是运动的物体发射出来的。）同时的相对性在上图所示的同一惯性系中，可以利用电台信号把A、B两处的钟对好。但是，假如观察者站在一个以速度V向左运动的惯性系上：那么，电台、A和B都相对观察者向右以速度v运动。在观察者看来，信号的速度仍然是c，A和信号之间的相对速度是c+v；B和信号之间的相对速度是c-v。所以，在观察者看来，信号到达A的时间tA=L’/(c+v)＜信号到达B的时间tB=L’/(c-v)；信号到达A和B的时间不再具有同时性。事件发生的先后顺序的相对性长10米的公交车以速度0.6c前行，车尾站着乘客A，车头站着乘客B，车厢正中间坐着乘客C，t时刻C正对着车厢外的一位路人D。接着发生了一起枪击案，C看见B先开枪，10毫微秒后A开枪。可是，D看见A先开枪之后，20毫微秒后B开枪。到底谁先动手呢？因果事件发生的先后顺序的绝对性石头击到湖面散开的波纹沿时间轴累积形成的圆锥形。类比于左图，我们可以得到事件发生的时间光锥。在时间光锥内，事件发生的过去、现在、将来的先后顺序是绝对的。例子：太阳光的熄灭不会立即影响地球，八分钟之后，才会影响地球。处于时间光锥之内的事件不会影响处于时间光锥之外的事件，只有处在时间光锥之内的事件才会相互影响。经典力学与相对论比较“绝对的”代表不随参考系变化而变化；“相对的”代表随着参考系变化而变化相对论中的“钟慢尺缩”效应★运动中的钟会变慢雷达钟的构造甲和乙各自携带一个雷达钟，甲朝左运动，乙朝右运动，那么，在甲看来在甲看来，甲是静止的，他所携带的钟和时间也没有变化；但是，乙是向右运动的，乙钟发射-反射-接受雷达信号的过程中，由于天线和反射板都在不断地运动，因此，信号走的是斜线，乙钟信号一个来回走的距离大于2d。由于信号速度（光速）不变，因此，在甲看来，乙钟变慢了。同样地，在乙看来，甲钟也变慢了。双生子佯谬：孪生兄弟两个，哥哥乘坐太空飞船去地外旅游，弟弟留在地球上。当飞船再度回到地球时，谁更年轻些？从弟弟来看，哥哥做高速运动，时间变慢，哥哥变得年轻些了；从哥哥来看，弟弟做高速运动，时间变慢，弟弟年轻些。到底谁更年轻？运动中的尺子会变短我们如何测量长度？我们在自己的坐标系中，同时记录下尺子前端的坐标和尺子末端的坐标，两个坐标差就是尺子的长度。一个相对于坐标系s以速度v做运动的尺子，相对于以速度v做运动的坐标系s’是静止的。显然，在s中“同时”的概念与在s’中“同时”的概