時空錐理論研究

馮廣京

（中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035）

時空錐理論研究

馮廣京

（中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035）

研究目的：研究提出時空錐理論并驗證其理論的科學(xué)性。研究方法：根據(jù)廣義相對論、系統(tǒng)論、量子力學(xué)和量子引力學(xué)的有關(guān)理論和方法，在總結(jié)完善筆者2014年提出的土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究提出時空錐理論。研究結(jié)果：（1）補(bǔ)充完善了土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論的4項內(nèi)容。（2）提出了時空錐理論，其主要內(nèi)容可以概括為：任何一種事物都存在于一個時空系統(tǒng)之中，具有其相對應(yīng)的時空位置，并沿著時間箭頭的方向而變化。人們對其發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的認(rèn)知域，存在著漸進(jìn)性和增長性，從而使人們對其的認(rèn)知域在時空系統(tǒng)中形成了一個敞口與時間箭頭方向相一致的時空錐，反映了這一事物發(fā)生和發(fā)展的客觀規(guī)律性及其人們對其發(fā)生和發(fā)展規(guī)律性的認(rèn)知過程。（3）應(yīng)用時空錐理論，成功完成了多項土地科學(xué)基礎(chǔ)理論的研究工作，不僅取得了多項突破性的研究成果，而且也驗證了時空錐理論的科學(xué)性。研究結(jié)論：時空錐理論是人們認(rèn)識和研究事物發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的一種科學(xué)的認(rèn)識論和方法論。

土地科學(xué)；基礎(chǔ)理論；時空錐理論；時空系統(tǒng)；時間箭頭；系統(tǒng)論

1 引言

筆者在2014年開展土地科學(xué)基礎(chǔ)理論的研究中，首次提出并應(yīng)用土地科學(xué)發(fā)展時空錐模型及其理論[1]，成功完成了多項開拓性的首創(chuàng)研究，比如提出了“人地權(quán)”三位一體理論和人地關(guān)系權(quán)籍時空系統(tǒng)理論；建立了土地科學(xué)三維空間研究域模型；論證了土地權(quán)籍理論是土地科學(xué)不可被替代的核心理論；構(gòu)建了土地科學(xué)核心理論軸模型及其理論體系和邏輯框架；證明了土地科學(xué)的學(xué)科獨(dú)立性；揭示了土地科學(xué)的演進(jìn)規(guī)律和學(xué)科交叉的驅(qū)動力等[1-4]。爾后，筆者先后在十多所大學(xué)和多次全國性學(xué)術(shù)會議上，介紹并討論了土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論及其應(yīng)用的研究進(jìn)展和成果。這一理論也被同行成功地應(yīng)用于相關(guān)方面的研究中[5-6]。經(jīng)過兩年多的時間，筆者完成了土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論的完善工作，并進(jìn)一步提出了具有普適性的時空錐理論。本文將在介紹土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論補(bǔ)充完善內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重點研究提出時空錐理論并介紹將其應(yīng)用于規(guī)劃機(jī)理、多規(guī)沖突與多規(guī)融合機(jī)理、土地科學(xué)產(chǎn)生及演進(jìn)方面的研究成果。

2 時空錐理論的基礎(chǔ)

2.1 時間箭頭

人們將時間及其方向性稱為時間箭頭。為什么研究時間箭頭呢？這是因為廣義相對論的出現(xiàn)，使人們認(rèn)識到，“時間不能完全脫離和獨(dú)立于空間，而必須和空間結(jié)合在一起形成所謂的時空的客體?！盵7]現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)證明，時間不是絕對的，而是相對的，因此時間也就具有了方向性，并把時間分成了過去、現(xiàn)在和未來。時間箭頭的方向就是時間的方向，因而也決定了時空的方向性。這就決定了人類研究事物的發(fā)展規(guī)律，一方面要從時空的角度開展系統(tǒng)的研究，另一方面又要沿著時間箭頭的方向開展研究。因次，時間箭頭是人們研究事物客觀發(fā)展規(guī)律的一個十分關(guān)鍵和重要的因素，也是時空錐理論的重要基礎(chǔ)。

時空對于人類的意義在于，空間定義了事物發(fā)生、存在和發(fā)展的相對位置，而時間及其方向則指出了事物發(fā)展的方向及其發(fā)展變化的刻度。很顯然，時間箭頭的方向應(yīng)當(dāng)和事物發(fā)展的客觀方向相一致。

現(xiàn)代科學(xué)研究已證明，在人類可知的時空中，至少存在三種決定事物發(fā)展方向的時間箭頭[8]，第一個是熱力學(xué)的時間箭頭。按照熱力學(xué)第二定律的定義，一個孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，并且將兩個系統(tǒng)連接在一起時，其合并系統(tǒng)的熵大于所有單獨(dú)系統(tǒng)熵的總和。簡單理解，就是在任何閉合系統(tǒng)中的無序度或熵總是隨著時間而增加的，這意味著事情總是隨著時間的方向，向著更復(fù)雜的方向變化而不是相反。第二個是心理學(xué)的時間箭頭。心理學(xué)的時間箭頭總是讓人們能夠感覺到時間流逝的方向，即總是讓人們能夠記憶過去的事情而不能記憶未來的事情。這就使心理學(xué)的時間箭頭總是從現(xiàn)在指向未來的方向，而不是相反的方向，從而使事情總是沿著時間箭頭的方向發(fā)展，導(dǎo)致事情的發(fā)展總是趨于復(fù)雜性和不確定性。由此可以看出，心理學(xué)的時間箭頭與熱力學(xué)的時間箭頭的方向也是一致的，都是時間箭頭的方向。第三個是宇宙學(xué)的時間箭頭。宇宙學(xué)的研究證明，沿著宇宙學(xué)時間箭頭的方向，宇宙是由膨脹走向收縮的方向，而不是相反。而這一方向既與熱力學(xué)箭頭的方向相一致，也與心理學(xué)箭頭的方向相一致。這三個時間箭頭的存在，使得事物的發(fā)展也存在著客觀的方向性，即：事物發(fā)展的方向總是從現(xiàn)在到未來，而人們卻只能記憶過去而不能記憶未來，由此決定了事物未來的發(fā)展具有方向不可逆、狀態(tài)趨復(fù)雜、結(jié)果不確定的特點，從而深刻影響了人類的生存和發(fā)展、思維和行動。

2.2 時空系統(tǒng)

世界是一個時空系統(tǒng)，任何事物都存在于這一時空系統(tǒng)之中，并隨著時間箭頭走向未來。在當(dāng)代科學(xué)認(rèn)知水平的條件下，可見、可利用的時空系統(tǒng)是一個由一維時間和三維空間構(gòu)成的四維時空（圖1）。為什么是是四維而不是更多或更少維的時空以及四維時空是如何形成的？筆者已在《土地科學(xué)發(fā)展時空錐及土地科學(xué)學(xué)科演進(jìn)研究》[4]一文中做了解釋，本文不再贅述。

圖1 四維時空Fig.1 Four-dimensional spacetime

時空系統(tǒng)，對于時空錐理論的研究是非常重要的?；跁r間箭頭的作用，筆者將任意時空系統(tǒng)內(nèi)的部分分為三種時間態(tài)：“過去”的時空系統(tǒng)、“現(xiàn)在”的時空系統(tǒng)和“未來”的時空系統(tǒng)。不同時間態(tài)階段的時空系統(tǒng)具有不同的特殊性，需要特別重視：

第一，“過去”的時空系統(tǒng)是一個有序的系統(tǒng)。在“過去”的時空系統(tǒng)中，人們可以將任何一個曾經(jīng)發(fā)生過的事物，通過時空系統(tǒng)的四維坐標(biāo)表達(dá)出來，從而使它們在時空系統(tǒng)中發(fā)生的位置具有了相對確定性，進(jìn)而使人們能夠在時空系統(tǒng)中研究任何一個事物的出現(xiàn)和存在的相對確定性，以及它們與其他事物間的關(guān)系和影響。

第二，時空系統(tǒng)是一個動態(tài)的系統(tǒng)。這一點非常容易理解。時空系統(tǒng)中的每一個事物都是時間的函數(shù)，除了第一點中指出的具有出現(xiàn)和存在的位置的相對確定性外，還具有在時空系統(tǒng)中變化的方向性和動態(tài)性，導(dǎo)致人們對事物的研究、認(rèn)知和利用程度都存在著時間方向上的漸進(jìn)性和困難性。

第三，時空系統(tǒng)是一個復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)。系統(tǒng)論和廣義相對論告訴我們，世界既是一個整體的時空系統(tǒng)，也是一個由無數(shù)個時空子系統(tǒng)共生共存的復(fù)合系統(tǒng)。在整個時空系統(tǒng)中，各個時空子系統(tǒng)間都存在著相互影響、相互作用的關(guān)系。這導(dǎo)致了研究時空系統(tǒng)關(guān)系的復(fù)雜性：（1）單個子系統(tǒng)的優(yōu)化，不僅受其系統(tǒng)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和因素變化的直接影響，而且還會受到其他子系統(tǒng)變化的間接影響，同時還在同樣影響著其他子系統(tǒng)；（2）單個子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和因素的變化，不僅會直接影響其系統(tǒng)自身的發(fā)展，還會通過影響其他子系統(tǒng)變化的方式，反過來再影響其自身系統(tǒng)的發(fā)展；（3）單個子系統(tǒng)的最優(yōu)化，并不一定能夠?qū)е赂笙到y(tǒng)的最優(yōu)化，因此單個子系統(tǒng)的優(yōu)化需要以整體系統(tǒng)的優(yōu)化為前提。

第四，“未來”的時空系統(tǒng)是一個存在不確定性的系統(tǒng)。量子力學(xué)和量子引力學(xué)的發(fā)展，為人們認(rèn)識事物的發(fā)展提供了一個重要的認(rèn)識論：在事物發(fā)展的進(jìn)程中，存在著不可避免的非預(yù)見性或偶然性，即不確定性原理。在時空系統(tǒng)中，“空間和時間變成為動力量：當(dāng)一個物體運(yùn)動時，或一個力起作用時，它影響了空間和時間的曲率；反過來，時空的結(jié)構(gòu)影響了物體運(yùn)動和力作用的方式。”[9]這使得空間和時間不僅去影響時空系統(tǒng)中發(fā)生的每一件事情，而且反過來時空系統(tǒng)中發(fā)生的每一件事情還都會影響時空系統(tǒng)的變化。這種復(fù)雜性，導(dǎo)致了“未來”的時空系統(tǒng)及其中具體事物的發(fā)展，存在著可能的突變性和不確定性，而且由這種不確定性導(dǎo)致的結(jié)果，由于時間箭頭的作用是不可逆的。

綜上，時空系統(tǒng)是人們認(rèn)知事物發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的重要平臺和工具，時空系統(tǒng)具有的多項特殊重要性，也是筆者研究時空錐理論的基礎(chǔ)和根據(jù)。

3 土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論

土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論提出于2014年底[1]，完成于2016年[4]。由于主要內(nèi)容，筆者都已發(fā)表在《土地科學(xué)發(fā)展時空錐及土地科學(xué)學(xué)科演進(jìn)研究》一文中，本文將主要介紹土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論研究后續(xù)補(bǔ)充完善的內(nèi)容，其他有關(guān)的內(nèi)容請參考本文的文獻(xiàn)［4］。

3.1 模型

土地科學(xué)發(fā)展時空錐模型（圖2），是土地科學(xué)及其學(xué)科研究域發(fā)生和發(fā)展的事實和內(nèi)在規(guī)律的一種客觀反映和描述，能夠幫助人們深刻認(rèn)識和科學(xué)研究土地科學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征、內(nèi)涵和屬性以及學(xué)科演進(jìn)等方面的重要問題，也是筆者研究提出土地科學(xué)三維空間研究域的基礎(chǔ)[1-4]。

3.2 理論內(nèi)容

（1）在土地科學(xué)發(fā)展中，在其發(fā)展時空錐外部，始終存在著“不可見區(qū)”（圖2），受到科學(xué)認(rèn)知的局限，在每個時間點上的“不可見區(qū)”內(nèi)，都存在著未能被全部認(rèn)知和因此不能被解決的問題，需要逐漸認(rèn)知和解決；在其內(nèi)部，受科學(xué)技術(shù)發(fā)展的局限，在每個時間點上的可見區(qū)內(nèi)，也始終存在著一部分尚難以完全解決的問題，有待科學(xué)技術(shù)的突破或發(fā)展。

圖2 土地科學(xué)發(fā)展時空錐Fig.2 The spatiotemporal cone of land science development

（2）土地科學(xué)是一門不斷向上和向外擴(kuò)張發(fā)展的系統(tǒng)綜合性交叉科學(xué)，其向上擴(kuò)張的驅(qū)動力源自于其內(nèi)生的滿足人類的可持續(xù)發(fā)展要求，由其核心理論軸（由土地權(quán)籍、土地租價和土地可持續(xù)利用核心理論構(gòu)成）的時空發(fā)展邏輯和理論體系所決定；向外圍擴(kuò)張的驅(qū)動力主要源自于土地問題的日益復(fù)雜性和土地對人類可持續(xù)發(fā)展約束的日益嚴(yán)重性。

（3）土地科學(xué)始終存在著對未來發(fā)展的不確定性和確定性的矛盾，也一直存在對業(yè)已出現(xiàn)的疑難問題的認(rèn)知障礙和必須解決的要求，使得土地科學(xué)發(fā)展的主要方向是用著眼于未來的可持續(xù)發(fā)展，來校正當(dāng)前的研究和實踐；用著眼于以土地科學(xué)的邏輯框架和理論體系，來發(fā)現(xiàn)和研究并解決當(dāng)前認(rèn)知人地關(guān)系的局限和調(diào)整人地關(guān)系的困難。

（4）土地科學(xué)是一門復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)，內(nèi)部存在縱向的邏輯層級、橫向的邏輯分區(qū)，相互影響和制約。由于其內(nèi)生的擴(kuò)張性，也導(dǎo)致了在其外部存在日益增多的多領(lǐng)域多學(xué)科的交叉和擴(kuò)張；而這種交叉和擴(kuò)張，主要都是圍繞土地科學(xué)的核心研究域而展開的，客觀上又逐漸發(fā)展壯大了土地科學(xué)。

4 時空錐理論

4.1 研究背景

土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論對于土地科學(xué)學(xué)科建設(shè)研究而言是十分重要的。土地科學(xué)是一門客觀存在的知識體系[1-4]，通俗地說，土地科學(xué)就是一門客觀存在的科學(xué)。但是，它是因為什么重要到不可被人類忽視的客觀存在的問題而出現(xiàn)并發(fā)展的？它有沒有一套能夠有效解決這一客觀存在的問題且不能被其他科學(xué)所替代的完整的知識體系？土地科學(xué)的知識體系是如何形成的并將如何發(fā)展？等等諸如此類關(guān)系土地科學(xué)發(fā)展的重大而關(guān)鍵的問題，必須逐一回答和證明。而土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論不僅能夠，而且事實上也非常好地完成了這一任務(wù)[1-4]。

土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論能否更廣泛地應(yīng)用于其他方面的研究呢？為了提升其普適性，筆者做了大量的后續(xù)研究和完善，最終提出了時空錐理論，并成功地指導(dǎo)張衍毓副研究員將時空錐理論應(yīng)用于有關(guān)規(guī)劃橫向沖突機(jī)理的一部分研究之中[5]。爾后，筆者在后來一年的時間里，開展了將時空錐理論應(yīng)用于更多方面研究的驗證工作，都取得了成功。

4.2 原理

時空錐理論，既是認(rèn)識事物客觀發(fā)展規(guī)律性的一種認(rèn)識論，也是研究事物客觀發(fā)展規(guī)律性的一種方法論。

如果人們將事物看作是一種物質(zhì)存在的話，那么任何一種事物都存在于一個時空系統(tǒng)之中，且隨著時空系統(tǒng)中時間箭頭的方向而變化。人們對這種事物在時空系統(tǒng)中變化的認(rèn)識，也在時空系統(tǒng)中形成了一個對這種事物客觀發(fā)展的認(rèn)知域。人們對任何一種事物在時空系統(tǒng)中發(fā)生變化的認(rèn)知所形成的認(rèn)知域，呈現(xiàn)出一種普遍的規(guī)律性，即跟隨時空系統(tǒng)中時間箭頭的增長，人們對任何一種事物內(nèi)、外部矛盾性的認(rèn)知也會逐漸增多和擴(kuò)大，使得人們在時空系統(tǒng)中對這一事物的認(rèn)知域也會相應(yīng)擴(kuò)大，必然引起人們對這一事物發(fā)展的認(rèn)知域的邊界也隨之外擴(kuò)。人們對時空系統(tǒng)中，沿著時間箭頭方向發(fā)生變化的任何一種事物的認(rèn)知域的增長過程，就構(gòu)成了一個在時空系統(tǒng)中敞口與時間箭頭方向相一致的近似圓錐體（圖3），筆者稱其為時空錐，而反映這一時空錐形成、演進(jìn)機(jī)理及其特殊性的規(guī)律，就形成了時空錐理論。

圖3 時空錐的形成Fig.3 The formation of spatiotemporal cone

4.3 理論內(nèi)容

時空錐理論主要包括以下內(nèi)容：

（1）時空錐是人們在認(rèn)知時空系統(tǒng)中的事物發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的過程中形成的。由于時間箭頭的作用，人們對于任何一種事物的發(fā)生、存在和發(fā)展的認(rèn)知，都存在著一種漸進(jìn)增多和加深的過程，導(dǎo)致在時空系統(tǒng)中沿著時間箭頭的方向，形成了一個相對應(yīng)的敞口與時間箭頭方向相一致的近似圓錐體的認(rèn)知域（圖3），構(gòu)成了這一事物的認(rèn)知域時空錐。

（2）在沿著時間箭頭的方向上，任意時間點t上，相對于未來任意時間點t + 1而言，在時空錐的外部，存在著人類有待認(rèn)知的“不可見區(qū)”ΔAt，如圖4所示；在時空錐的上部，存在著人類不能準(zhǔn)確預(yù)測的“不可預(yù)見區(qū)”At+1，其大小為：At+1= At+ΔAt+1；在時空錐內(nèi)部的可見區(qū)中，也始終存在著人類尚難以完全認(rèn)知的“半可見區(qū)”A′t，存在于圖4中At的圓形區(qū)域中，其大小由t時的科學(xué)認(rèn)知和技術(shù)水平所決定。由此，導(dǎo)致了時空錐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，即其內(nèi)部不僅存在著縱向的邏輯層級，也存在著橫向的邏輯分區(qū)。

（3）在沿著時間箭頭的方向上，時空錐始終存在著增長性，其增長的驅(qū)動力主要來自于人們對時空錐內(nèi)、外部矛盾性的不斷求知。這種增長性，導(dǎo)致了時空錐在當(dāng)前時間點t上的一部分“不可見區(qū)”，將在下一時間點t + 1前，逐漸進(jìn)入時空錐的內(nèi)部；也導(dǎo)致了在時空錐當(dāng)前時間點t上的一部分“半可見區(qū)”將逐漸得到完全的認(rèn)知、“不可預(yù)見區(qū)”將逐漸進(jìn)入“可見區(qū)”。

（4）在時空錐的增長中，人們始終存在著對任何一種事物未來發(fā)展的認(rèn)知上的不確定性，導(dǎo)致在當(dāng)前時間點t上，人們無法確定性地指出任何一種事物在未來某一確定的時間點t + 1上的準(zhǔn)確變化。

圖4 時空錐分析Fig.4 Analysis of the spatiotemporal cone

為什么無法確定事物在未來時間點上的準(zhǔn)確變化呢？圖5給出了其原因。人們在時間點t上，以t時已有的認(rèn)知域（可見區(qū)At），預(yù)測未來時間點t + 1上的可見區(qū)（At+1），其大小應(yīng)為At+1= At+ΔAt+1。但是由于時間箭頭的原因，一方面人們既無法“知道”未來的ΔAt+1大小，另一方面人們又無法“預(yù)知”時空中由于各種因素變化導(dǎo)致的ΔAt+1的變化，因此人們在t時只能以其當(dāng)前的預(yù)測值ΔAt來代替ΔAt+1，即ΔAt+1=ΔAt，結(jié)果導(dǎo)致也只能以At+1代替At+1，而At+1= At+ΔAt+1= At+ΔAt。但是實際上，ΔAt+1=ΔAt+1+ ε =ΔAt+ ε，因此，At+1= At+ΔAt+1= At+ΔAt+1+ ε = At+ΔAt+1+ ε，所以At+1= At+1+ ε，這就使人們在時間點t上，很難準(zhǔn)確預(yù)測事物在時間點t + 1時的變化了。

上面的結(jié)論，也能得到相關(guān)科學(xué)理論的支持。量子引力論的研究指出，在時空中存在的引力，會引起物體運(yùn)動的軌跡改變。系統(tǒng)論告訴我們，系統(tǒng)中子系統(tǒng)的變化也會引起其他子系統(tǒng)的變化以及整體系統(tǒng)的變化。熱力學(xué)第二定律又使我們認(rèn)識到，事情總是隨著時間箭頭的方向，向著更復(fù)雜的方向變化。而量子力學(xué)證實了未來的發(fā)展存在著不確定性。這些因素都會引起時空錐增長的軌跡出現(xiàn)不規(guī)則的變化，從而也會引起圖5中的At+1≠At+1。

綜上討論，我們可以將時空錐理論概括為：時空中的每一種事物，都具有其相對應(yīng)的時空位置，并沿著時間箭頭的方向變化。人們對其發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的認(rèn)知域，存在著漸進(jìn)性和增長性，從而使人們對其的認(rèn)知域形成一個敞口與時間箭頭一致的時空錐。人們由此能夠回溯過去，也可以預(yù)期未來，但是對未來的預(yù)期并不一定等于未來。

圖5 未來的不確定性Fig.5 The uncertainty of the future

5 時空錐理論的應(yīng)用

筆者為驗證時空錐理論的科學(xué)性，將時空錐理論應(yīng)用于土地科學(xué)多方面的研究之中，目前已成功完成了采用時空錐理論開展規(guī)劃機(jī)理、多規(guī)沖突與多規(guī)融合機(jī)理、土地科學(xué)產(chǎn)生及演進(jìn)規(guī)律等多方面的研究。

5.1 有關(guān)規(guī)劃機(jī)理的研究

假設(shè)圖6中的圓柱體，表示人們在t時對規(guī)劃的認(rèn)知域，此時的“可見區(qū)”為At。如果在t時，人們計劃做t + 1時的規(guī)劃，則會產(chǎn)生一個“不可預(yù)見區(qū)”At+1。

筆者在圖6中建立一個t + 1時的時空錐，形成圖7。根據(jù)時空錐理論，人們會發(fā)現(xiàn)在t時研究t + 1的規(guī)劃時，在其認(rèn)知域時空錐上，存在著“不可見區(qū)”、“不可預(yù)見區(qū)”和“半可見區(qū)”，詳見圖5所示。由此，決定了規(guī)劃的本質(zhì)，就是針對確定的未來時間點t + 1上的事物不可預(yù)見性的變化，做出確定的引導(dǎo)性計劃或安排。但是由于時空錐理論已經(jīng)證明了從t時預(yù)測t + 1的未來變化時，人們對t + 1規(guī)劃的認(rèn)知域中存在著一個不可控的誤差變量ε，結(jié)果必然導(dǎo)致At+1≠At+1。這既是規(guī)劃始終存在著自身矛盾性（比如確定性與不確定性、剛性與彈性等）的根本原因，也是人們研究規(guī)劃的重要方向和內(nèi)容。即，人們開展規(guī)劃的目的和方向，都是試圖用對規(guī)劃的確定性認(rèn)知，去克服對規(guī)劃不確定性的認(rèn)知，從而引導(dǎo)事物向人們所期望的未來方向去發(fā)展。

圖6 時間點t時的規(guī)劃認(rèn)知域和不可預(yù)見區(qū)Fig.6 The cognitive domain and unpredictable area of planning in the time t

圖7 時間點t+1時的規(guī)劃時空錐Fig.7 The spatiotemporal cone of planning in the time t+1

5.2 多規(guī)沖突與多規(guī)融合機(jī)理研究

多規(guī)沖突與多規(guī)融合的機(jī)理是相同的。筆者先假設(shè)圖8中的時空錐是一個被人們認(rèn)為“正確”的規(guī)劃認(rèn)知時空錐。但是，由于存在多種規(guī)劃，人們基于各種原因，對各自研制的不同規(guī)劃的目標(biāo)與“正確”的規(guī)劃目標(biāo)，在時空系統(tǒng)中產(chǎn)生了認(rèn)知域的位移，從而導(dǎo)致多種規(guī)劃在同一時空系統(tǒng)中形成多個相對位置不同的時空錐，如圖9所示。而這種在時空系統(tǒng)中由多種規(guī)劃形成多個發(fā)生位移的時空錐的結(jié)果，必然表現(xiàn)出多種規(guī)劃間的沖突性。而多規(guī)融合的本質(zhì)，就是要通過多種規(guī)劃的協(xié)同調(diào)整，將各自規(guī)劃的時空錐，逐步靠近“正確”規(guī)劃的時空錐，消除人們對規(guī)劃認(rèn)知域的差異，形成多規(guī)相同或相近的認(rèn)知域，從而實現(xiàn)多規(guī)的相融。

圖8 “正確”規(guī)劃的時空錐Fig.8 The “correct” the spatiotemporal cone of planning

圖9 多種規(guī)劃沖突的本質(zhì)Fig.9 The nature of the multi-planning conficts

5.3 土地科學(xué)演進(jìn)研究

土地科學(xué)作為一門科學(xué)，它是一門研究解決什么問題的科學(xué)？它是如何產(chǎn)生的？未來它將如何發(fā)展？在已經(jīng)過去了的30多年的時間里，土地科學(xué)界仍然沒有能清楚的回答這些問題，導(dǎo)致直到今天土地科學(xué)界仍然不能將主要注意力集中于構(gòu)建其科學(xué)的理論體系、邏輯框架和話語體系上，“引致土地科學(xué)學(xué)科體系構(gòu)建的困難，導(dǎo)致目前有關(guān)土地科學(xué)學(xué)科發(fā)展方向的混亂和矛盾。”[10]造成這一窘境的主要原因就在于缺乏有效的認(rèn)識論和方法論。

時空錐理論給人們提供了一種能夠研究回答上述問題的認(rèn)識論和方法論。

很多學(xué)者的研究早已指出，人類有關(guān)土地的利用及其知識體系，包括兩大類。即，“土地利用包括土地生產(chǎn)性利用和非生產(chǎn)性利用。土地生產(chǎn)性利用，亦稱直接利用，是把土地作為主要生產(chǎn)資料、勞動對象，以生產(chǎn)生物產(chǎn)品或礦物為主要目的的利用。土地的非生產(chǎn)性利用，亦稱間接利用，主要利用土地空間和承載力，作為各種建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)、場所、不以生產(chǎn)生物物品為主要目的利用”[11]。與此對應(yīng)的，也就形成了兩類有關(guān)土地利用的知識體系，第一類是有關(guān)“怎么具體利用土地”（即生產(chǎn)性利用土地）的知識體系，第二類是有關(guān)“怎么保障開展具體利用土地活動”（即非生產(chǎn)性利用土地）的知識體系。土地科學(xué)屬于后者，即“怎么保障開展具體利用土地活動”的知識[1，12]。下面筆者給出具體的證明。

根據(jù)時空錐理論，人們很容易理解，在時空系統(tǒng)中，沿著時間箭頭的方向上，土地科學(xué)的發(fā)生和發(fā)展，與其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)生和發(fā)展，都是不同的，具有各自獨(dú)立的時空錐。這也是其作為一門獨(dú)立學(xué)科所具有的必然性和必須性的基礎(chǔ)與條件。因此，借助時空錐理論，筆者在圖10中建立了土地科學(xué)知識體系與其他生產(chǎn)性利用土地的科學(xué)知識體系的兩個時空錐。

圖10 土地科學(xué)演進(jìn)時空錐Fig.10 The spatiotemporal cone of land science evolution

在圖10中，時間箭頭由左向右，上面的時空錐表示的是生產(chǎn)性利用土地的科學(xué)知識體系時空錐的演進(jìn)，下面的時空錐表現(xiàn)的是土地科學(xué)知識體系時空錐的演進(jìn)。在時間箭頭方向上，從宏觀視野上看，有三個重要的人地關(guān)系時間點，筆者分別對應(yīng)選擇了三張能夠反映三個重要時間點差異的圖片，分別表達(dá)人地關(guān)系的三種特殊狀態(tài)：人少地多的狀態(tài)、人地關(guān)系平衡的狀態(tài)和人多地少矛盾突出的狀態(tài)。

在第一個時間點上（人地關(guān)系臨界點1），反映出人類最初登上土地之時，人少地多，土地予用予取，影響人們生存和發(fā)展的主要矛盾是把土地作為一種生產(chǎn)資料、勞動對象的前提下，如何開展生產(chǎn)性利用土地活動的問題。因此，從這一時刻起，人類就需要并開始出現(xiàn)了有關(guān)“生產(chǎn)性利用土地”的知識，其認(rèn)知時空錐開始出現(xiàn)并逐漸增長，最終逐步發(fā)展成為諸如農(nóng)學(xué)、林學(xué)、畜牧學(xué)、建筑學(xué)、采礦學(xué)等一系列生產(chǎn)性利用土地的科學(xué)。由于從這一時間點開始到第二個時間點（人地關(guān)系臨界點2）的區(qū)間中，人地關(guān)系長期都沒有成為阻礙人類開展各種土地利用活動的主要因素，因此一直沒有產(chǎn)生需要建立有關(guān)調(diào)整人地關(guān)系的非生產(chǎn)性利用土地知識體系的土壤。直到接近第二個時間點（人地關(guān)系臨界點2）時，隨著長期人口的增殖，在確定的局部區(qū)域內(nèi)，肥沃和適宜人類利用的土地數(shù)量，逐漸開始難以滿足越來越多的人們開展各種利用土地活動的需要，人們開始發(fā)現(xiàn)人地關(guān)系在確定的局部區(qū)域內(nèi)已成為影響人們開展生產(chǎn)性利用土地活動的一個主要因素，并逐漸成為鉗制人們開展各種土地利用活動的阻礙因素。而其中對確定的局部區(qū)域起著決定性制約作用的，是確定這一局部土地區(qū)域空間及其空間利用權(quán)利邊界的地籍，它不僅規(guī)定了確定局部區(qū)域土地空間的邊界，也規(guī)定了人們在這一特殊土地空間上開展各種土地利用活動的權(quán)利邊界，從而從根本上規(guī)范了人們開展各種土地利用活動的關(guān)系。在這樣的一個演進(jìn)過程中，人們逐漸認(rèn)識到化解人地關(guān)系的影響，需要建立一種能夠保證人們有序、有效地開展各類生產(chǎn)性土地利用活動及其他各類土地利用活動秩序和方法的知識體系。而地籍正是這樣一種具有特殊功能的獨(dú)特的知識體系和技術(shù)方法，為人類提供了一種能夠通過土地權(quán)籍而有效調(diào)整人們開展各類土地利用活動關(guān)系的知識體系和方法，由此才開始出現(xiàn)了以土地權(quán)籍為核心的能夠有效調(diào)整人地關(guān)系，實際上是調(diào)整人們開展土地利用活動關(guān)系的土地科學(xué)，有關(guān)土地科學(xué)知識體系的時空錐也才開始出現(xiàn)（圖10中人地關(guān)系臨界點2），并隨后開始沿著時間箭頭的方向不斷發(fā)展完善。

由上面的分析可以清楚確認(rèn)：（1）土地科學(xué)不屬于生產(chǎn)性利用土地的知識體系，而是一種非生產(chǎn)性利用土地的知識體系；（2）土地科學(xué)發(fā)生和出現(xiàn)的直接原因，是人多地少引出的人們開展土地利用活動的權(quán)利關(guān)系的各種矛盾；（3）土地科學(xué)的出現(xiàn)大大晚于其他生產(chǎn)性利用土地的科學(xué)和技術(shù)；（4）針對人地關(guān)系及其之上的人們開展土地利用活動的權(quán)利關(guān)系的矛盾而產(chǎn)生并逐漸完善起來的土地權(quán)籍理論，為化解人地關(guān)系矛盾、規(guī)范人們開展土地利用活動的關(guān)系，提供了唯一的一種有效的科學(xué)理論和技術(shù)，成為全面調(diào)整土地利用關(guān)系、組織土地利用生產(chǎn)活動的土地科學(xué)所獨(dú)有的核心理論和基礎(chǔ)，從而使土地科學(xué)成為人類不可或缺的一門不能被其他知識體系所替代的客觀存在的科學(xué)體系。因此，上面4條結(jié)論又進(jìn)一步證明了土地科學(xué)的邏輯起點是為解決這些矛盾而出現(xiàn)的地籍。

從第二個時間點（人地關(guān)系臨界點2）接近第三個時間點（人地關(guān)系臨界點3）時，意味著人地關(guān)系在局部區(qū)域內(nèi)已達(dá)到了十分嚴(yán)重的程度，成為阻礙人們實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。從直接生產(chǎn)性利用土地的方面看，在土地外延廣度開發(fā)受限的條件下，開始需要借助土地科學(xué)的相關(guān)理論和技術(shù)，提高土地利用強(qiáng)度和效率；從土地科學(xué)的角度看，也開始需要借助其他自然科學(xué)、工程技術(shù)等多種知識和方法，開展土地的深度開發(fā)，擴(kuò)大土地的有效供應(yīng)。在沿著時間箭頭的方向上，無論是土地科學(xué)，還是其他相關(guān)科學(xué)，在面臨變得越來越復(fù)雜的土地利用關(guān)系和越來越緊缺的土地資源條件下，一方面都面臨著理論深化和技術(shù)升級的要求，越來越多的問題已不能單純依靠原有的理論和技術(shù)來解決，需要相互學(xué)習(xí)和借鑒；另一方面，也面臨著越來越多的新問題、新困難，需要不斷研究和不斷解決，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了土地科學(xué)時空錐與其他相關(guān)學(xué)科時空錐的不斷增長和擴(kuò)張，使得土地科學(xué)時空錐與其他相關(guān)科學(xué)的時空錐出現(xiàn)了相互靠近和相互交叉的情況，不僅引起了大量科學(xué)的交叉現(xiàn)象，而且也大大提升了土地科學(xué)對于土地時空系統(tǒng)的認(rèn)識、開發(fā)和供應(yīng)的水平，發(fā)展壯大了土地科學(xué)。由于土地問題是人類生存和可持續(xù)發(fā)展不可或缺的核心要素，人類社會的存在又必然帶來有關(guān)人們在有限的土地之上，如何有序有效地開展各種土地利用活動的問題，而實現(xiàn)這一目標(biāo)又不可或缺土地科學(xué)這一客觀存在且不可被替代的知識體系，因此從宏觀角度看，土地科學(xué)未來的發(fā)展趨勢還將會變得更強(qiáng)。

6 研究結(jié)論

（1）時空錐理論，最初是筆者針對研究和解決土地科學(xué)多項重大基礎(chǔ)理論難題而提出的，后經(jīng)逐步研究深化和完善，最終形成的一個系統(tǒng)理論。其理論基礎(chǔ)是廣義相對論、系統(tǒng)論、量子力學(xué)和量子引力學(xué)等科學(xué)理論。其基本原理是，任何一種事物都存在于一個時空系統(tǒng)之中，具有其相對應(yīng)的時空位置，并沿著時間箭頭的方向而變化。人們對其發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的認(rèn)知域，存在著漸進(jìn)性和增長性，從而使人們對其認(rèn)知域在時空系統(tǒng)中形成了一個敞口與時間箭頭方向相一致的時空錐，反映了這一事物發(fā)生和發(fā)展及其人們對其發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的認(rèn)知過程。時空錐理論的主要內(nèi)容可以概括為：①人們對任何一種事物的發(fā)生、存在和發(fā)展的認(rèn)知，都存在著漸進(jìn)性和增長性；②時空錐始終存在著 “不可見區(qū)”、“不可預(yù)見區(qū)”和“半可見區(qū)”；③時空錐始終存在著時間箭頭方向上的增長性，導(dǎo)致“不可見區(qū)”逐漸進(jìn)入時空錐、“半可見區(qū)”逐漸得到完全認(rèn)知、“不可預(yù)見區(qū)”逐漸成為“可見區(qū)”；④在時空錐的增長中，人們始終不能確定性地指出任意事物在未來確定時點上的準(zhǔn)確變化。

（2）時空錐理論還是一種有關(guān)人們認(rèn)識和研究普遍事物發(fā)生、存在和發(fā)展規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識論和方法論。時空錐理論從提出到完善，其過程也驗證了時空錐理論的科學(xué)性。筆者從開展土地科學(xué)重大基礎(chǔ)理論研究之初，首先提出了土地科學(xué)學(xué)科發(fā)展時空錐模型和原理，在爾后歷經(jīng)兩年多的時間里，初步完成了土地科學(xué)發(fā)展時空錐模型和原理——土地科學(xué)發(fā)展時空錐理論——時空錐理論的系統(tǒng)研究工作，并進(jìn)行了時空錐理論的驗證工作，不僅驗證了時空錐理論的科學(xué)性，也成功完成了其他多方面的研究，獲得了多項突破性的研究成果。這些研究實踐，證明了時空錐理論既是客觀認(rèn)識事物發(fā)展的一種科學(xué)的認(rèn)識論，也是研究事物客觀發(fā)展規(guī)律的一種科學(xué)的方法論。

（References）:

［1］ 馮廣京：土地科學(xué)學(xué)科獨(dú)立性研究——兼論土地科學(xué)學(xué)科體系研究思路與框架［J］ . 中國土地科學(xué)，2015，29（1）：20 - 33.

［2］ 馮廣京. 土地科學(xué)學(xué)科獨(dú)立性及學(xué)科體系研究框架［M］ . 北京：中國社會科學(xué)出版社，2015.

［3］ 馮廣京等. 中國土地科學(xué)學(xué)科建設(shè)研究［M］ . 北京：中國社會科學(xué)出版社，2015.

［4］ 馮廣京. 土地科學(xué)發(fā)展時空錐及土地科學(xué)學(xué)科演進(jìn)研究［J］ . 中國土地科學(xué)，2016，30（1）：23-31.

［5］ 張衍毓，陳美景. 國土空間系統(tǒng)認(rèn)知理論與規(guī)劃改革構(gòu)想［J］ . 中國土地科學(xué)，2016，30（2）：1 - 21.

［6］ 張衍毓，郭旭東，陳美景. 土地系統(tǒng)多級綜合觀測研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)框架［J］ . 中國土地科學(xué)，2016，30（7）：4 - 13.

［7］ 史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）. 許明賢，吳忠超，譯. 時間簡史（插圖版）（The Illustrated a Brief History of Time a Brief History of Time）［M］ . 長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002：34.

［8］ 同上：184 - 185.

［9］ 同上：44.

［10］ 馮廣京. 關(guān)于土地科學(xué)學(xué)科視角下“土地 （系統(tǒng)）”定義的討論［J］ . 中國土地科學(xué)，2015，29（12）：1 - 10.

［11］ 馬克偉主編. 土地大辭典［M］ . 長春： 長春出版社，1991：846.

［12］ 馮廣京. 土地科學(xué)學(xué)科獨(dú)立性及學(xué)科體系研究框架［M］ . 北京：中國社會科學(xué)出版社，2015：2 - 4，111 - 113.

（本文責(zé)編：陳美景）

Study on the Spatiotemporal Cone Theory

FENG Guang-jing
（China Land Surveying and Planning Institute, Beijing100035, China）

The purpose of this paper is to propose the spatiotemporal cone theory and test its scientificity. The methods used are as follows: according to the relevant theories and methods i.e., the general relativity theory, the systematic theory and the quantum mechanics and quantum gravity theory, and based on the land science development spatiotemporal cone theory put forward by the author in 2014, the spatiotemporal cone theory was further proposed. The results show that: 1）the four contents of land science development spatiotemporal cone theory were improved. 2）the spatiotemporal cone theory were proposed with the key points containing that any kind of object exists in a time-spatial system with its corresponding position, and it changes along with the direction of the arrow of time. There is a progressive and growth in the cognitive domain about the occurrence, existence and development regularity of objects, so that the cognitive domain formed a spatiotemporal cone which is consistent with the direction of arrow of time in a specific time-spatial system, reflecting the law of occurrence and development of objects and humankinds’ cognitive process. 3）Due to the application of the spatiotemporal cone theory, a series of land science basic theory research has been accomplished. Notonly a number of breakthrough research results were obtained, but also the scientificity of spatiotemporal cone theory is ascertained. In conclusion, the spatiotemporal cone theory is a kind of scientific epistemology and methodology, which can be used to perceive the law of existence and development in nature.

land science; basic theory; spatiotemporal cone theory; spatiotemporal system; the arrow of time; systematic theory

F301，B802，C03，N03，C93-03

A

1001-8158（2017）04-0022-11

10.11994/zgtdkx.20170330.133725

2017-02-21；

2017-03-30

國土資源事業(yè)費(fèi)項目“土地學(xué)科進(jìn)展與土地科學(xué)前沿問題研究”（TD161602-01）；中國科協(xié)精品期刊工程項目學(xué)術(shù)質(zhì)量提升項目（2015K JQK003-1）。

馮廣京（1957-），男，山西陽泉人，研究員。主要研究方向為土地經(jīng)濟(jì)與政策、土地科學(xué)基礎(chǔ)理論。E-mail: fenggj@139.com