第七章 四维世界

上面我们得到了这样的结论：说所有对象都参与的空间变形是毫无意义的。针对这种论点，可以提出反驳说：虽然这种变形不一定会造成量值上可感知的变化，但却有可能造成物理行为的变化，只要这种变化不被那些有关变形前后自然常量值的特殊假定所排斥。可是只要追究一下这些常量是如何发现的，我们就看到这是由建立各种重合之间联系而实现的——这种联系牵涉到重合的同时发生。（例如，当温度计的水银柱升到标尺上某一定刻度的同时，电流计的指针也必须指向某一确定的读数。）因此，我们只需要再加上这样一条：各相邻重合之间的同时关系不受变形的影响。这样增加之后我们就能够十分肯定地说，观察不能产生另外的常量或自然律，而且所假定的变化并不是实际的变化，只是改变了一种说法而已。因此，其结论是自然的描述只是一个时空性的重合关系问题。这一命题的意义和范围，可以用一种在三度空间坐标之外引入时间作为第四坐标的图示法——闵可夫斯基的方法，最清楚地表示出来。

这样描述出来的世界是一个由世界线（World-lines）所贯串的四维连续域，其中每条线都是某个点（质点或能包）的运动的象。由于世界线代表运动，四维模型的一个变形就意味着各个运动状态的变化，例如，一个粒子从静止或匀速直线运动状态变为某种曲线的不规则运动状态。现在，正象我们已经看到的那样，由于变形根本不表示一种真正的变化，而仅仅只是表示了一种说法的改变，那么其结果就是，无论我们说一个粒子处于静止位置还是说它在作某种运动，也都只不过是说法不同而已。实际上，粒子的运动类型完全取决于参考系的选择。

用世界线所作的描述只限于那些能满足“原始同一性”①条件的对象，或者说，只限于那些可以有实义他说在有限的时间内一直保持“同一”的对象。在这个模型里，重合关系由世界线的截点或切线来表示。一个这种型式的模型可以经受完全任意的畸变，而且只要世界线的拓扑关系没有弄乱，它可以同样适当地代表实在。

世界线描述粒子的运动；但决不能误认为世界线就是粒子的径迹。例如， 我们不能说一个点通过它的世界线，也不能说代表实际现实瞬时状态的三维截面在四维世界中沿着时间轴漫游。因为这样的一种漫游一定发生在时间中，而时间已经被表示在模型之中，不能再从外面引人。因此，下述论据—

—即对世界的四维描述证明了时间的非实在栓，而且还把世界描绘成僵化的静止的存在——就都是荒谬的了。另一方面，对比于附加时间说明的三维表示法，有很多理由把四维世界看作是绝对的，因为前者含有较多的任意性， 从而与描述方法有关。三维表示法与四维描述相比就象是物体的透视像与塑造的复制品之间的比较。相对论（它更有理由被称为绝对论）的研究方法不 允许观察者有任何程度的主观性或任意性。相反，相对论比以前的任何描述方法都表现出更多的客观性。

我们把“运动”一词的运动学意义和动力学意义区别开来。按前一种解释，运动定义为位置在时间中的变化，而由于关于位置的数据只能相对于某

① ”原始同一性”概念是由库特·菜温在他的《物理学、生物学和进化史之起源的概念——科学原理之比较研究》（柏林，施普林格 1922 年版）一书中引入的。

个参考架给出，因此，根据定义，运动就是相对的。另一方面，按动力学的解释，运动是根据该运动出现于自然律中的方式来定义的。在此意义上，很有可能的是，与某一确定物体（诺伊曼的 a 物体）的重合关系在所有运动定律中都发生着作用。在这种情况下，这些物体将不得不被描述为“处于静止状态”，而与之有关的运动则被描述为“绝对的”运动，因为它们将能根据自然律而被区分开来。这样，当广义相对论主张说，一切运动即使是在动力学的意义上说来也都是相对的，那么这并不是一种同语反复的、分析的命题， 而是对于下列事实的一个陈述：对任一任意运动，没有哪个参考架占有优先的地位。

另一方面，在牛顿的物理学中，虽然并没有选择单个的构架或物体，但却选了其中某一群，即所有相对于恒星处在静止位置的或处于匀速直线运动状态的东西。我们把后一群参考系称作伽利略系或惯性系；相对于这群参考系，伽利略形式的惯性原理同牛顿物理学的所有其他定律一样均为真。之后， “空间以太”变成了唯一优先的参考架。但当人们发现一切伽利略参考系对所有力学过程和所有电磁过程（光的传播）同样有效时（爱因斯坦的狭义相对论。1905），“空间以太”又失去了其特殊地位。由于不可能谈什么与以太粒子的重合关系，并从而谈不到以大的“原始同一性”，于是就说明，实体概念不能应用于真空——这是一个具有巨大哲学重要性的结论。

在牛顿体系及 1905 年的“狭义相对论”中，加速运动与曲线运。动都具

有绝对的性质。只是 1915 年的“广义相对论”才取消了这一绝对的性质并随同取消了特殊物体群的优先地位，这样就为更满意地满足因果性的要求开辟了道路。无论是牛顿体系还是狭义相对论都没有为惯性系的特殊区别给出任何理由。

为做到这一点，爱因斯坦不得不试图这样来构写惯性定律：不参照于特殊的物体群（惯性系），而只参照于现存的物体的实际位形。这样做之所以可能，乃是在于下列这一为当时物理学所忽视的极端惊人的事实，这一事实是，某一物体惯性的度量（它的惯性质量）恰好等于这样一个量，该量被用于量度唯一地依赖于物体位形的那种效应（即所谓引力效应）。借助于这一事实，爱因斯坦成功地发现了一条把引力现象与惯性现象都包括进去的定律

（并表明这二者根本上是同一样东西）。其结果，不但取消了一切特殊的参考架，废除了限定的参考系，而且实现了世界图象的极大简化。