狹義與廣義相對論淺說 · 附錄 五、　相對論與空間問題。（二）

這裡關於空間－時間－ 事件 諸概念（我們將把這些概念螽稱為「類空」概念，以有別於心理學方面的要領的心理起源方面，我們還要作一些必要的補充。我們曾經利用箱子以及在箱子裡面排列物質客體的例子把空間概念與經驗聯繫起來。因此，此種概念的形成就已經以物質客體（例如「箱子」）的概念為前提。同樣，對於客觀的時間要領的形成人也起著物質客體的作用。所以，依我看來，物質客體概念的形成必須先於我們的時差空概念。 所有這些類空概念，與心理學方面的痛若、目標和目的等一類的概念一樣，同屬於現代科學興起以前的思想。目前物理思想的特點，和整個自然科學思想的特點一樣，是在原則上力求完全用「類空」概念來說明問題，力求藉助於這些概念來表述一切具有定律形式的關係。物理學家設法把顏色和音調歸之于振動；生理學家設法把思想和痙歸之於神經作用。這樣就從事件存在的因果關係中消除了心理因素，這種心理因素從而在任何情況下都不構成因果關係中的一個獨立環節。目前「唯物主義」一詞無疑正是指的這種觀點，亦即認為完全用「類空」要領來理解一切關係在原則上是可能的。（因為「物質」已失去了作為基本概念的地位。） 為什麼必須把自然科學思想中的基本觀念從柏拉圖的奧林巴斯天界上［希臘神話傳說奧林巴斯山（在希臘北部）是太古時代希臘諸神居住之處，這裡指很大的架勢而言。——譯者注］拖下來並設法把它們的世俗血統揭發出來呢？答曰為了使這些觀念擺脫與世隔絕的禁令，從而能夠在構成觀念或要領方面獲得更大的自由。休謨和馬赫首先提出這種中肯的想法，他們在這方面具有不配的功勞。 科學從科學發展前的思想中將空間、時間和物質客體（其中重要的特例是「固體」）的概念接收過來，加以修正，使之更加確切。在這方面第一個重要的成就是歐幾里得幾何學的發展。我們決不應該只看到歐幾里得幾何學的公理體系而看不到它的經驗起源（把固體鋪展開來或拼靠在一起的可能性）。具體說來三維性和歐幾里得特性都是起源於經驗的（空間可以完全用結構相同的「立方體」充滿）。 由於發現了剛性的物體是不存在的，使得空間概念更加微秒了。一切物體都彈性形變，它們的體積隨著溫度的變化而改變。因此，幾何結構（其全等的可能性由歐幾里得幾何學來描述）的表示不能脫離物理概念。但是由於物理學畢竟還須假手於幾何學始能建立其中的一些概念，因而幾何學的經驗性內容只能就整個物理學的體制來陳述和檢驗。 關於這個空間概念還不能忘卻原子論及其對物質的有限的可分割性的概念；因為比原子還小的空間是無法量度的。原子論還迫使我們在原則上放棄認為可以清楚地和靜止地劃定固體界面的這種觀念。嚴格說來，甚至在宏觀領域中，對於相互接觸的固體的可能位形而言，精確的定律也是不可能有的。 儘管如此，還是沒有人想放棄空間概念。因為在自然科學的最圓滿的整個體系，中，空間概念看來是不可缺少的，在十九世紀，惟有馬赫曾經認真地考慮過捨棄空間概念，而用所有質點之間的瞬時距離的總和的要領來代替它。（他這樣做是為了試圖求得對慣性的滿意的理解。 （１）場。 在牛頓力學中，空間和時間起著雙重作用。第一，空間和時間起著所發生的物理事件的載體或框架的作用，相對於此載體或框架，事件是由其空間坐標和時間來描述的。原則上物質被看作是由「質點」所組成，質點的運動構成物理事件。倘若我們要把物質看作是連續的，我們只能在人們不願意或不能夠描述物質的分立結構的情況下暫時作這樣的假定，在這種情況下，物質的微小部分（體積元）同樣可以當作質點來處理；至少我們可以在只考運動而不考慮此刻不可能或者沒有必要歸之於運動的那些事件（例如溫度變化、化學過程）的範圍內照這樣來處理。空間和時間的第二個作用是當作一種「慣性系」。在可以設想的所有參考系中，慣性系被認為具有這樣的好處，就是慣性定律對於慣性系是有效的。 這裡，主要之點是：人們曾設想，不依賴於主觀認識的「物理實在」是由空時（為一方）以及與空時作相對運動的永遠存在的質點（為另一方）所構成（至少在原則上是這樣）。這個關於空時獨立存在的觀點，可以用這種斷然的說法來表達，如果物質消失了，空時本身（作為表演物理事件的一種舞台）仍將依然存在。 理論的發展打破了這種觀點。這個發展最初似乎與空時問題毫下相干。這個發展就是再現了場的概念以及最後在原則上要用這個概念來取代粒子（質點）觀念的趨勢。在經典的體制中，場的概念是在物質被看作連續體的情況中作為一種輔助性的概念而出來的。命名如，在考慮固體的熱傳導時，物體的狀態是由物體每一點在每一個確定時刻的溫度來描述的。在數學方法上，這就是意味著將溫度Ｔ表示為溫度場，亦即表示為空間坐標的時間ｔ的一個數學表示式（或函數）。熱傳導定律被表述為一種局部關係（微分方程），基中包括熱傳導的所有特殊情況。這裡，溫度就是場的概念的一個簡單的例子。這是一個量（或量的複合），是坐標和時間的函數。另一個例子就是對液體運動的描述。在每一個點上每一時刻都有一個速度，其值即由該速度對於一個坐標系的軸的三個「分量」來加以描述（矢量）。這裡，在每一個點的速度的各個分量（場分量）也是坐標（ｘ，ｙ，ｚ）和時間（ｔ）的函數。 上面所提到的場的特性是它們只存在於有質之中；它們僅僅用來描述這種物質的狀態。按照場概念的歷史發展看來，沒有物質的地方就不可能有場存在。但是，在十九世紀的頭二十五年中，人們證明，如果把光看作一種波動場——與彈性固件的機械振動場完全相似，那麼光的士涉和運動現象就能夠解釋得極為清楚。因此人們就感到有必要引進一種在沒有有質物質的情況下也能存在於「一無所有的空間」中的場。 這一情況產生了一個自相矛盾的局面。因為，按照其起源，場概念似乎僅限於描述有質全內部的狀態。由於人們確信每一種場都應看作此場概念只應限於描述有質體內部的狀態這一點就顯得更加確切了。因此人們感到不得不假定，甚至在一向被認為是一無所有的空間中也到處存在著某種形式的物質，這種物質稱為「以太」。 將場概念從場必須有一個機械載體與之相聯繫的假定中解放出來，這在物理思想發展中是在心理方面最令人感到興趣的事件之一。十九世紀下半葉，從法拉第和麥克斯韋的研究成果中越來越清楚地看到，用場描述電磁過程大大勝過了以質點的力學概念為基礎的處理方法。由於在電動力學中引進場的概念，麥克斯韋成功地預言了電磁波的存在，由於電磁波與光波在傳播速度方面是相等的，它們在本質上的同一性也是無可懷疑的了。因此、光學在原則上就成為電動力學的一部分，這個巨大成就的一個心理效果是，與經典物理學的機械唯物論體制相對立的場概念逐漸贏得了更大的獨立性。 但是最初人們還是認為理所當然地必須把電磁場解釋為以大的狀態，並且極力設法把這種狀態解釋為機械性的狀態。由於這種努力總是遭到失敗，科學界才逐漸接受了放棄此種機械解釋的主張。然而人們仍然確信電磁場必然是以大的狀態，十九世紀和二十世紀之交，情況就是這樣。 以太學說帶來了一個問題：相對於有質體而言，以大的行為從力學觀點看來是怎樣的呢？以太參與物體的運動呢、還是以太各個部分彼此相對地保持靜止狀態呢？為了解決這個問題，人們曾經做了許多巧妙的實驗，這方面應提到下列兩個重要事實：由於地球周年運動而產生的恆星的「光行差」和「都卜勒效應」——即恆星相對運動對其發射到地球上的光的頻率上的影響、（對已知的發射頻率而言）。對於所有這些事實和實驗的結果，除了邁克耳孫上莫雷實驗以外，洛淪茲根據下述假定都作出了解釋。這個假定就是以太不參與有質體的運動，以太各個部分相互之間完全沒有相對運動。這樣，以大看來好象就體現一個絕對靜止的空間。但是洛倫茲的研究工作還取得了更多的成就。洛倫茲根據下述假定解釋了當時所知道的在有質體內部發生的所有電磁和光學過程。這就是，有質物質對於電場的影響一以及電場對於有質物質的影響一完全是由於：物質的組成粒子帶有電荷，而這些電荷也參與了粒子的運動，洛倫茲證明了，邁克耳孫－莫雷實驗所得出的結果至少與以太處於靜止狀態的學說並不矛盾。