相对论时空观问题

一、时空概念的危机物理学是研究物质的最简单运动规律的科学，其最终目的是：找到物质运动、变化与相互作用的内在联系，以最少的假设，通过分析、推理解释所有相关实验结果，预言新的实验现象。

在各自领域内都分别取得极大成功的量子力学和相对论，是20世纪物理学乃至整个自然科学的两大支柱，但是，在人们企图把它们结合的时候却遇到了难以克服的困难。

大量实验证实，非定域性是量子力学的一个基本属性，但是，非定域性将意味着超光速传播，这与狭义相对论的基本假设矛盾。

当前，量子引力理论中的超弦理论的时空背景相关性，与圈量子引力理论中的时空背景无关性同时存在，是物理学中潜在的对于时空本质不同态度的一次大碰撞，这种困难预示着物理学需要一次概念的变革，首当其冲的就是时空。

时空观念是物理学中最基本的也是最重要的概念，不同的时空观念将导致不同的理论研究方向，任何对于时空概念的更新和深化，势必对整个物理学产生巨大的革命性的影响。

“爱因斯坦时间膨胀”和“洛仑兹长度收缩”，是支撑相对论时空变换和相对论整个演绎推理的基础。

为了比较物质运动的快慢程度，人们用“速度”这一概念来描述物质的运动状态，而为了定义“速度”这一导出概念，又必须引进两个更基本的概念：“时间”和“空间”。

比如，一个人在时间t内跑过的路程是s，则他的速度是:v=s/t更具体些，比如，有甲和乙两个人，甲在时间12秒内内跑过的路程是120米，则甲的速度是:V甲=120米/12秒=10米/秒乙在时间10秒内内跑过的路程是110米，则乙的速度是:V乙=110米/10秒=11米/秒由此我们可知：乙跑得比甲快。

在这里，描述空间的路程是如何定义的呢？这个好办，只要大家统一约定一米有多长就行了，制作这个一米长的标准尺之后，就可以复制许多把与标准尺一样长的尺子，如果把一米分成100份，则每一份的长度成为厘米；如果再把一厘米分成10份，则每一份的长度成为毫米……那么，时间又是如何定义的呢？时间自古就作为最基本的概念引入到人们的日常生活中。

在日常生活中，我们是采用地球围绕太阳公转一周作为时间“年”的单位、月球围绕地球公转一周作为“月”的单位、地球自转一周作为“天”的单位。

在科学上，1967年第十三届国际计量大会，采用以原子内部辐射频率为基准的时间计量系统，按新规定，“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间”。

可以看到，不论在生活中还是在科学中，我们对时间的定义都是采用“物体运动变化”的某种周期作为时间定义的方案。

这种“周期”必须是稳定的，人们对“周期”的测量必须是准确的，由此而得到的“时间”概念才能够具有客观性、可操作性。

由此看出，我们为了描述“物体的运动变化”，必须定义“时间”这一概念，但为了定义“时间”这一概念，又必须借助“物体运动变化”的某种周期。

这种做法显然已经陷入了循环逻辑这一“泥潭”。

这也充分说明，虽然“时间”的概念对人们来说有些模糊因而不十分准确，但人们定义的“时间”概念必定与“物体的运动变化”密切相关，不可分割。

由此可见，“时间”和“空间” 这两个概念的地位是不平等、不对称的。

“空间” 的概念较形象、客观、准确，“时间” 的概念较抽象、主观、模糊。

我们必须牢记这一点。

但是，有一点是可以肯定的，那就是：“时间”和“空间” 的概念，都是人们为了描述物质的运动状态而建立起来的。

虽然用空间尺寸可以描述物质的形状和大小，但空间不是物质；虽然我们可以同时使用“时间”和“空间” 概念来描述“物体的运动变化”，但时间也不是物质。

物理学所指的物质脱离不了时间，因为如果没有物质及其运动变化也就没有“钟”，就无法定义时间。

但“空间”却是一种固有的存在，它可以脱离物质及其运动而独立存在。

虽然，没有物质就没有“尺”，因而无法测量空间的大小，但空间依然客观存在。

物质总是存在于某一空间之中，它依赖空间，而空间的存在并不依赖物质。

比如，一块冰必须占据一定的空间，但当这块冰不存在时（溶化或蒸发），它原来所占据的空间依然存在，并且，此空间的大小和形状不会因为观测者的运动而改变。

二、相对论“时空”的矛盾爱因斯坦建立狭义相对论基于两个基本原理：“光速不变原理”和“相对性原理”。

由这两个基本原理，很自然得到在不同惯性坐标系关于时间和空间的变换关系——洛沦兹变换，在此基础上，物体在不同惯性坐标系中的速度、质量、动量、能量的变换式都因此而可求出。

洛沦兹时空变换为：x’=(x-ut)[1-(u2/c)]-1/2 (1)t’=[t-(ux/c2)][1-(u2/c)]-1/2 (2)洛沦兹时空逆变换为：x=(x’+ut)[1-(u2/c)]-1/2 (3)t=[t’+(ux’/c2)][1-(u2/c)]-1/2 (4)设k= [1-(u2/c)] -1/2 ,在运动坐标系S’内的某一时刻（△t’=0），有一观测者A静止在S’系内,他测量一条沿x’轴放置的棒，测得该棒的长度为L0，由（1）得到：L0=△x’=k(△x+u△t) (5)在静止坐标系S内的某一时刻（△t=0，表示“同时”观测），有另一观测者B静止在S系内,他测得该棒的长度为△x =L，则（5）式可以写为: L0=kL,或者L=L0[1-(u2/c)]1/2 (6)因为[1-(u2/c)]1/2≤1，所以L≤L0，即运动的尺子缩短，此即尺缩效应。

另外，在运动坐标系S’内的某一地点（△x’=0），发生一个事件（如两次闪光），观测者A测得事件发生的时间间隔为△t’，则由（2）式得△t’=[△t-(u△x/c2)][1-(u2/c)]-1/2在静止坐标系S的观测者B，测得事件发生的时间间隔为△t，则由（4）式得：△t=△t’[1-(u2/c)]-1/2 (6)因为[1-(u2/c)]1/2≤1，所以△t≥△t’，即运动的钟走时慢，此即钟慢效应，也称“时间膨胀”。

关于“钟慢尺缩效应”，虽然听起来是非常荒唐的，但由于根据狭义相对论所作的一切推论，理论与实践相符得非常好，因而狭义相对论的相对时空观念完全被人们接受，牛顿的绝对时空观念完全被人们抛弃。

为了将“相对性原理”推广到非惯性系，爱因斯坦利用黎曼几何这一数学工具，建立了引力场方程，得出“时空”依赖于其周围的质量分布，而具有“弯曲”的性质。

我认为，黎曼空间的存在，在几何上仍然存在严格的逻辑前提，然而，广义相对论的整个理论体系非常缺乏形式表达与物质对象之间的严格对应。

一系列实验上的巧合给了我们“空间大小可以变化”，甚至可以“弯曲”的假象，实际上，这种看法是十分荒唐的，我们不能仅仅因为广义相对论的理论与实验相符，就认为它是正确的。

由于狭义相对论的时空概念只具有相对意义，则“钟慢尺缩效应”也是相对而言的。

也就是说，在静止坐标系S的观测者B，通过观测得到运动坐标系S’的“钟慢尺缩”；在运动坐标系S’的观测者A则认为自己是静止的，A看到坐标系S的运动速度为-u，A通过观测得到坐标系S的“钟慢尺缩”。

观测者A和B都认为对方的钟走慢了，尺子缩短了。

这一结论显然是矛盾的，因而是不能令人满意的。

显然，依据狭义相对论，在不同坐标系观测我们得到了互相矛盾的结果。

但是，这种矛盾是不允许的，是被禁止的，因为事件的结果是唯一的——灯泡要么发光，要么不发光，二者必居其一。

一个正确的物理理论必须对此进行选择并进行令人满意的解释。

这充分暴露了狭义相对论时空观念的深刻矛盾。

在前面我们已经发现，人类关于“时间” 的概念是抽象、主观和模糊的，关于“空间” 的概念则是形象、客观、和准确的。

因而，我们有理由相信：铜棒C’D’的客观长度L0=1.1米，CD的客观距离为LCD =1米。

事件的结果应该是：灯泡能发光！三、对“时空”概念的重新审查也许，如果没有迈克尔孙—莫雷的光速实验，人们永远不会接受“相对时间”的观念，但是，这个实验是无可挑剔的，“光速不变”（光速是一个恒量，与光源的运动、观测者的运动无关）是铁的事实，因此，“相对时间”是不可避免的。

在惯性坐标系S’观测，光速是c，x’=ct’；在惯性坐标系S观测，光速也是c，x=ct。

因为x＞x’，所以，t＞t’，即“时间膨胀”是客观、真实、必然的。

“光速不变”正是由于时间的这一神秘原因引起的。

但是，时间是一维的，它具有绝对的不可逆性，时间顺序的绝对因果律，在本质上不同于量子力学中的因果律，更不同于录象倒放的逆过程。

用于描述微观粒子行为的“几率”概念，违反了宏观物体行为的因果律，那是允许的，它违反“常识”但不违反逻辑。

而录象倒放使我们能够观看复制的历史资料，但我们却一点也不能干预、改变历史事实。

因而，录象倒放这种“时间倒流”不具有真实的意义。

只要是一个心智健康的人，决不会相信“时间倒流”。

如果对“时间倒流不可能”这一基本逻辑不具有坚定的信念，我们就无法建立任何科学定律。

企图制造“时间机器”的人，我奉劝他们连想都不要想，因为这比企图制造“永动机”的人愚蠢万倍。

时间是连续的，它无始无终；宇宙是固有的存在，没有开始，也没有结束。

就算“宇宙大爆炸”是真的，那么，大爆炸前也是宇宙存在的另一种形态。

但是，“长度收缩”这一空间性质是主观、虚假的，是由于人们在测量过程中的不慎引起的假象，通过适当的数学处理即可校正。

惯性坐标系S’相对惯性坐标系S的速度为u（向右）。

在S’系观测直尺的长度为L’=L0，当u不同时，在坐标系S中观测到无穷多个直尺长度L1，L2，L3……在这些所有的直尺长度的数值中,只有L’=L0是唯一正确的，其余的值都是错误的，因而必须修正。

错误的原因是：当我们位于一个相对直尺运动的参照系时，测量其长度不能“同时”测量直尺的两端。

正确的测量方法是（分为两步）：第一次测量：“同时”测量直尺的两端；测得铜棒C’D’的长度为L1=L0[1-(u/c)2]1/2 (7)第二次测量：“延时”测量直尺的右端。

“延时”的时间为：△T=△t{1-[1-(u/c)2]1/2} (8)校正长度为△L=X2-X1由（1）、（3）两式得L0=X2’-X1’=[△L-u△T][1-(u/c)2]-1/2校正长度△L= L0{1-[1-(u/c)2]1/2} (9)由（7）、（9）两式得到经过两次测量后，得到校正后铜棒C’D’的长度为L=L1+△L=L0 既然我们通过“同时”测量铜棒两端的坐标，而得到铜棒长度偏短的错误结论，说明我们在测量D’点的坐标时，已经“提前”进行了，这种“提前”是客观真实的，而用“同时”的方法反而成了主观、错误的了。

出现这种错误的根本原因是人们在定义“时间”的概念时的主观性、模糊性、抽象性所带来的，是因为人类目前的语言缺陷造成的。

这有点象目前我们用语言来描述微观粒子的量子行为一样，用的是主观、模糊、抽象语言，甚至于已经破坏了我们在日常生活中所建立起来的因果律，但是，量子力学并不因此而失去它的价值，反而更加闪耀着人类智慧的光芒。