对相对论时空观的批判和改造
作者:佚名; 更新时间:2014-12-10

  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。

  如果惯性坐标系S'相对于固定在地球上静止的坐标系S,以速度u沿x轴方向运动,x'与x在同一轴上, 且当t=0时,O'与O重合(如下图):

坐标系中的洛仑兹变换

 

  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)

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