相对论时空观问题

1、、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

2、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

3、 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10 0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

4、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

5、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

6、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 一洛沦兹变换，在 此

7、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： TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 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(3=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：LQ=

8、Ax=k(Ax+uAt) (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=L01-(u2/c)1/2.(6)因为1-(u2/c)1/2M1，所以LSL0，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(Ax=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=A t-(uA 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，则由(4)式得：t=f1-(u2/c)-1/2.(6)因为1-(

9、u2/c)1/2M1，所以仑 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”，

10、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，贝卜钟慢尺缩效应”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

11、是唯一白一灯泡要么发光，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CD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，如果没有迈克尔孙一莫雷的光速实验，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

12、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xx，所以，tt，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

13、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

14、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CD的长度为L1=L01-（u/c）21/2. （7）第二次测量：“延时”测量直尺的右端。“延时”的时间为： T=At1-1-（u/c）21/2. （8）校正长度为 L=X2-X1由（1）、（3）两式得L0=X2-X1= L-u T1-（u/c）2-1/2校正长度L= L01-1-（u/c）21/2）.（9）由（7）、（9）两式得到经过两次测量后

15、，得到校正后铜棒CD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。在物理上，标尺的长度必须为大家公认，从

16、而能够为整个科学世界制定一个共同的标准， 根本无需也不可能对于实验中决定于不同操作所出现的不同“观测效果”作出同一化认定。“空间”从属于独立的抽象形式系统，它仅仅是表现物质运动的一个舞台，是完全抽象定 义的一种独立存在，它仅仅是对一切物质及其运动“空间尺度”所必须的量度，它与真实存在 着的物质世界完全无关，也与物质对象是否存在“质量”这样的逻辑前提无关。“空间”的这种 “共同量度基准”的存在，是一切科学陈述的必需。“空间”纯粹是用来表现物质世界的一个表 述工具，是一个为表述物质和物质运动所提供的、具有抽象意义的独立舞台。在“宇宙大爆炸”之前，宇宙当然是有“空间”的，“空间”提供了“宇宙大爆炸”

17、之后的一个 背景舞台，只不过，此时的“空间”无法用“尺”这一“物质”去量度，也没有具有智慧的“人”进 行操作罢了。因此，作为表观物质世界的自然科学中一个最简单和最原始的概念，根本无需对作为度 量标准的“空间”进行特别的讨论。“时间”和“空间”作为形式系统中两个必须的、最原始概念，比对于质量”的认定更为基 本，范围也更为广阔。由此可得到以下结论：在不同惯性坐标系中观测，物体的长度不变，即空间具有绝对性。黎曼几何所描述的弯曲空间并不是真实的空间，黎曼几何只是描述物理现象的一种数学 手段，但绝不是唯一手段，甚至可以认为它是一种错误的数学手段，因为它将科学引导到了 一条错误的道路。爱因斯坦将不同单位的

18、物理量构造一个抽象的几何“时空”，造成了科学史上从未出现过 的空前逻辑紊乱。光线真实存在的弯曲状况，是由大质量星体的万有引力（改造后）造成的， 不可能决定于“广义相对论”中那个未知量和方程数都不同一、处处需要补充新的人为假设、 演绎逻辑充满紊乱的“度量张量”场。因此，牛顿关于空间具有客观绝对性的观点是正确的：“绝对的空间，就其本性而言， 是与外界任何事物无关、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”。“空间”不是物体，它只是物体表演（运动）的一个舞台”，这个“舞台”是人们根据物质 的存在和运动而抽象出来的概念，“空间”既看不见，也摸不着。只有物体才有“大小”、“平直”、“

19、弯曲”之分，“空间”不是物体，故无“大小”、“平直”、“弯曲”之分。空间是绝对的、均匀、连续性的；宇宙空间并非“有限无边”，而是“无边无际”的。但是，牛顿关于时间具有绝对性的观点是错误的：“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、与任何其它外界事物无关的流逝着，相对的、表观 的和通常的时间是通过运动来进行的量度，我们通常就用诸如小时、月、年等这种量度 以代替真正的时间”。时间是一维的，即用一个参数就能够表明所有事件发生的先后顺序，时间标架方向的选 择是确定的，不带有观察者的随意性。为了给出在空间不同点的事件的先后顺序和时间间隔， 需选取时间标架，即在已定空间标架的固

20、定点选择标准钟，并使空间所有相对静止点上的钟 与标准钟同步。选择不同的标准钟记录同一事件的时刻可能不同，但是两事件发生的先后顺 序和时间间隔不会因钟的不同而改变。但是，当我们考察空间非相对静止点上的钟的时候， 两事件发生的先后顺序仍然不会因钟的不同而改变，时间间隔却是不同的了！四、绝对静止参照系和惯性参照系狭义相对论认为，所有物体的运动都是相对的，所有惯性坐标系中都是平等的，绝对静 止参照系是不存在的。在所有惯性坐标系中，一切物理定律相同，在反映物理规律的数学形 式上保持不变。因而，你无法通过物理实验证明你所在的参照系与别的参照系有何区别。我认为，物体的运动既有相对性，也有绝对性，所有惯性坐标

21、系中不是平等的，绝对静 止参照系是存在的，“相对性原理”不具有普遍性，可以通过物理实验证明你所在的参照系与 别的参照系有何区别。首先，运动的相对性大家都清楚，不必多说。关于运动的绝对性，我们来看一个简单的 例子：在地球上有一个正在旋转的陀螺，最大半径为5cm，相对太阳的转速为4圈/秒，陀螺作 圆周运动的线速度为：v=rsW.3 （米/秒）。但是，如果以旋转的陀螺为参照系，太阳作圆周 运动的线速度为：V,=R=1.5x10118n3.80 x1012 （米/秒）这一速度远大于光速。显然，我们不能把以上两种相对运动看成是等价的。其次，所有惯性坐标系中都不是平等的。例如：在远离一切力场的地方，有两个

22、以相对 速度u运动的惯性坐标系S和S，对于固连在其上的观测者A和人而言，到底是谁的，钟” 走时更快呢？虽然这是一个理想实验，但我们必须回答以上问题而不可借故回避，就象伽利 略的斜面惯性实验和爱因斯坦的电梯实验一样，不能因为他们是理想实验而否定其重大意 义。要回答以上问题就必需要确定“绝对静止参照系”：在地上观测，地球是一个精确度较高的“静止参照系”；在太阳系观测，太阳的中心是一个比地球精确度更高的静止参照系”；在银河系观测，银河系质心是一个比太阳中心精确度更高的静止参照系”；总星系的质心是一个比银河系质心精确度更高的静止参照系”；随着时间的推移,人类的智慧不断提高，人们可以不断地继续寻找下去，

23、得到越来越精确 的“静止参照系”。也许，宇宙大爆炸的起点才是真正意义上的“绝对静止参照系”一一这是 宇宙间唯一优越的惯性参照系。也许，凭着人类的智慧永远无法找到真正意义上的绝对静 止参照系”，但是，我们确信人类可以不断逼近绝对静止参照系”，就象“绝对零度”和“理想 气体，不可能达到一样，但我们可以不断逼近它。确定，绝对静止参照系，的意义在于，它有 利于我们对物体的运动进行精确的描述。一旦确定了“绝对静止参照系”，我们就可以定义惯性坐标系了：凡是相对绝对静止参照 系作匀速直线运动的参照系，就是惯性坐标系。在牛顿力学和相对论中，定义惯性坐标系时都存在循环逻辑的矛盾。有了近似的“绝对静止参照系”，我

24、们就可以比较惯性坐标系S和S的速度，比较两者 中哪一个相对“绝对静止参照系”的速度教大，则这个坐标系的“钟”走时较快。例如，从宇宙中高速飞向地球的g子，比静止在地球上的g子寿命更长；相对地球被 加速（作高速匀速圆周运动）的g子比静止在地球上的g子寿命更长。五、“相对性原理”不具有普适性大自然既具有简单、和谐、统一的一面，也具有复杂、混乱、形式多样的一面。要求所 有物理定律在一切坐标系中具有相同的形式（协变性），是人们美好的愿望，这是人类的主 观要求，这种主观愿望必须服从于大自然的客观实际。因此，对于“相对性原理”不具有普适 性的事实无须大惊小怪。我们知道，在不同惯性坐标系中观测，天空中飞鸟的运

25、动轨迹，结果是不一样的，“飞 鸟的运动轨迹”算不算是一种“物理规律”呢？在不同惯性坐标系中观测，物体的坐标、长度、 速度不同，同一事件所经历的时间间隔不同。下面我们将看到，在不同惯性坐标系中观测， 物体的质量不同，物体所受的万有引力也不同。相比之下，一种真实的存在，比一种人们主观上要求的协变性”更为重要。科学的任务 正是使得我们建立的理论与“真实的存在”之间取得尽量小的误差。“自然、简单、和谐、统 一”的科学美绝非大自然的客观真实，它属于意识范畴。六、关于光速不变原理从理论上看，麦克斯韦电磁理论要求光速不变；从实践上看，迈克尔-莫雷的光速实验 说明光速不变。因而，从表面上看，狭义相对论的时空观

26、就是“光速不变原理”的必然推论， 其实应该倒过来说：正是“时间膨胀”这一原因，导致“光速不变”这一结果。因为，我们只有 定义了“时空”概念，才能得到“速度”的概念。所以，只要我们承认“时间膨胀”，对“光速不 变”就不会感觉到奇怪。当然，我们还可以从以下角度对“光速不变”进行更深入的理解：（1）静止质量为0的物体，其在真空中的速度必为c。c为物质运动的“极限” 速度，它充当了“无穷大”的角色，因此静止质量为0的光子，它从静止加速到c是瞬间完成 的（不需要时间）。当光子的运动速度达到c后，就不能再加速了，因为作用力的传播速度 也被限制在c之内，这样就没有一个力能够从光子的背后作用于它。但是，力能够

27、从光子的 前面和侧面作用于它，故光子可以减速，也可以弯曲。（2）在真空中速度为c的物体，其静止质量必为0。物体的运动质量与静止质量的关系满足下式：m=m0/1-（u2/c）1/2如果物体静止质量不为0，当它在真空中速度为c时，其运动质量无穷大，而这是不可能的， 所以在真空中速度为c的物体，其静止质量必为0。（3）静止质量为0的物体，惯性为零，保持原来运动状态的属性为零；例如，光子静止质量为0，当光源的运动速度为v时，光子并不能保留原来运动状态v。 光子的运动与光源不运动时的情况一模一样。另一方面，从运动学的角度看，运动具有相对 性，即“观察者静止而光源的运动速度为v”，与“光源静止而观察者的运

28、动速度为v”是等价 的，因此，“光在真空中的速度恒为c,与光源的运动无关，与观察者的运动无关”。光是波，当波源靠近观察者时，波长入变小，频率v变大，但波长与频率的乘积机不变，等于c,即W=c；当波源远离观察者时，波长入变大，频率v变小，但 波长与频率的乘积Xv不变，等于c,即Xv=c0 如果有一天人类发现宇宙中存在运动速度大于c的粒子，我们可以肯定它不是从静止加速而 来的，而是它本来的运动速度就大于c，而且，它的运动速度永远无法降低到Co 如果光源远离观测者，观测者检测到的光源所发出的光子的频率将变小(频率“红移”) 这是多普勒效应，但是，广义相对论认为，太阳光谱线引力“红移”的原因是：太阳表

29、面的引力场比地球 表面的引力场强，因而太阳表面的钟走得较慢，当用某种物质从太阳发出的光谱线的频率， 与同一物质从地球发出的光谱线的频率进行比较时，结果是，从太阳发出的光谱线的频率较 小(“红移”)。新理论认为，太阳光谱线“红移”的原因是：从太阳表面的光子运动到地球时，由于其受 到的力主要是来自于太阳的引力，而该引力对光子做负功，引起光子能量的减少，但光速大 小不变，只能是光子频率减少了(E=hv)。当用某种物质从太阳发出的光谱线的频率，与同 一物质从地球发出的光谱线的频率进行比较时，结果是，从太阳发出的光谱线的频率较小 (“红移”)。从太阳发出的光谱线到达地球的观测者，将同时产生多普勒蓝移”效

30、应。钟的快慢与固定在它之上的坐标系的速度和加速度有关，与观测者的坐标系有关，与它 所处在的引力场强弱无关。2、地球光谱线“蓝移”1959年庞德等人在哈佛大学首次在地面上直接验证了引力频移。利用在塔顶发射射 线，在塔底接收。塔高H为。此实验在地面上，故可忽略太阳对光子的作用。地球的爱因斯坦引力F1对光子作正功, 地球附加力(F2)对光子不作功。F1引起光子的能量变化为：E1=jF1dr=GMmJ(1/r2)dr=-(GMm/r) +C，将 r 从(H+R)到 R 积分，E1= (GMm) (1/R) -1/ (R+H) 在地面上，(GMm/R2)=mg, GM=gR2,AE1=hAvAv=gHm

31、/h1+ (H/R) gHm/h(H/R)1，而 E= hv0，v0=E /h=mc2/ hAv/v0=gH/c2=2.46x10-15这就是光谱线“蓝移”的理论值，表示光从塔高H为22.6状射到地球表面，光频率变大。 实际观测结果为2.46x10-15。我们必须注意，虽然新理论的结论与广义相对论一样，但原因却不相同。广义相对论认为，尸射线“蓝移”的原因是：塔高H为22.6幽处的引力场比塔底的引力场弱，因而塔高H为226酬处的钟走得较快，故在塔底接收来自射线的光谱线频率较大。新理论认为，F射线“蓝移”的原因是：从塔高H为彩6幽处的尸射线运动到塔底时, 由于其受到的力主要是来自于地球的引力，而该引力对光子做正功，引起光子能量的增加， 其相应的频率增大（E=hv）。新理论认为，如果从塔底将F射线射向塔高H为226落处，由于其受到的力主要是来自于地球的引力，而该引力对光子做负功，引起光子能量的减少，其相应的频率减少（E=hv），出现“红 移”现象。为了检验关于尸射线“蓝移”的正确与否，我们可以做