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    對相對論時空觀的批判和改造

    來源:網絡  時間:2017-07-01 01:07:00

      

      一、時空概念的危機


      物理學是研究物質的最簡單運動規律的科學,其最終目的是:找到物質運動、變化與相互作用的內在聯系,以最少的假設,通過分析、推理解釋所有相關實驗結果,預言新的實驗現象。

      在各自領域內都分別取得極大成功的量子力学和相對論,是20世紀物理學乃至整個自然科学的兩大支柱,但是,在人們企圖把它們結合的時候卻遇到了難以克服的困難。

      大量實驗證实,非定域性是量子力學的一個基本屬性,但是,非定域性將意味著超光速傳播,這與狹義相對論的基本假設矛盾。

      當前,量子引力理論中的超弦理論的時空背景相關性,與圈量子引力理論中的時空背景無關性同時存在,是物理學中潛在的對于時空本質不同態度的一次大碰撞,这種困難預示著物理學需要一次概念的變革,首當其沖的就是時空。時空觀念是物理學中最基本的也是最重要的概念,不同的时空觀念將導致不同的理論研究方向,任何對于時空概念的更新和深化,势必對整個物理學產生巨大的革命性的影響。

      “愛因斯坦時間膨胀”和“洛侖茲長度收縮”,是支撐相對論時空變換和相對論整個演繹推理的基礎。

      為了比較物質運動的快慢程度,人們用“速度”這一概念來描述物質的運動狀態,而为了定義“速度”這一導出概念,又必須引進兩個更基本的概念:“時間”和“空間”。

      比如,一個人在時間t內跑過的路程是s, 則他的速度是:v=s/t

      更具體些,比如,有甲和乙兩個人,甲在時間12秒內內跑過的路程是120米, 則甲的速度是:

      V甲=120米/12秒=10米/秒

      乙在時間10秒內內跑過的路程是110米, 則乙的速度是:

      V乙=110米/10秒=11米/秒

      由此我們可知:乙跑得比甲快。

      在這里,描述空間的路程是如何定義的呢?這个好辦,只要大家統一約定一米有多長就行了,制作這個一米長的標準尺之后,就可以復制許多把與標準尺一樣長的尺子,如果把一米分成100份,则每一份的長度成為厘米;如果再把一厘米分成10份,則每一份的長度成為毫米……

      那么,時間又是如何定義的呢?

      時間自古就作為最基本的概念引入到人們的日常生活中。在日常生活中,我們是采用地球圍繞太陽公轉一周作為時間“年”的單位、月球圍繞地球公轉一周作為“月”的單位、地球自轉一周作為“天”的單位。在科學上,1967年第十三屆國際計量大會,采用以原子內部辐射頻率為基準的時間計量系统,按新規定,“秒是銫-133原子基態的兩個超精細能級之間的躍迁所對應輻射的9192631770個周期的持續時間”。

      可以看到,不論在生活中還是在科學中,我們對时間的定義都是采用“物體運動变化”的某種周期作為時間定義的方案。這種“周期”必須是穩定的,人們對“周期”的測量必須是準確的,由此而得到的“時間”概念才能夠具有客觀性、可操作性。

      由此看出,我們為了描述“物體的運動變化”,必須定義“時間”這一概念,但為了定義“時間”这一概念,又必須借助“物體運动變化”的某種周期。這種做法显然已經陷入了循環邏輯這一“泥潭”。這也充分說明,雖然“時間”的概念對人們来說有些模糊因而不十分準確,但人們定義的“時間”概念必定與“物體的運動變化”密切相關,不可分割。

      由此可见,“時間”和“空間” 這兩個概念的地位是不平等、不對稱的。“空間” 的概念较形象、客觀、準確,“时間” 的概念較抽象、主觀、模糊。我們必须牢記這一點。

      但是,有一點是可以肯定的,那就是:“時間”和“空間” 的概念,都是人們為了描述物質的運動狀态而建立起來的。雖然用空間尺寸可以描述物質的形狀和大小,但空間不是物質;雖然我們可以同時使用“時間”和“空間” 概念来描述“物體的運動變化”,但時間也不是物質。

      物理學所指的物質脫離不了時間,因為如果沒有物質及其運動變化也就沒有“鐘”,就無法定義時間。但“空間”卻是一種固有的存在,它可以脫離物質及其運動而獨立存在。雖然,沒有物質就沒有“尺”,因而無法測量空間的大小,但空間依然客觀存在。物质總是存在于某一空间之中,它依賴空間,而空間的存在并不依賴物質。比如,一塊冰必须占據一定的空間,但当這塊冰不存在時(溶化或蒸發),它原來所占据的空間依然存在,并且,此空間的大小和形狀不會因為觀測者的運動而改變。


      二、相對論 “時空”的矛盾


      愛因斯坦建立狹義相對論基于兩個基本原理:“光速不變原理”和“相對性原理”。由這兩個基本原理,很自然得到在不同慣性坐標系關于時間和空间的變換關系——洛淪茲變換,在此基礎上,物體在不同惯性坐標系中的速度、質量、動量、能量的變換式都因此而可求出。

      如果慣性坐標系S'相對于固定在地球上靜止的坐標系S,以速度u沿x軸方向運動,x'與x在同一軸上, 且當t=0時,O'與O重合(如下圖):


      洛淪茲時空變換為:

      x’=(x-ut)[1-(u2/c)]-1/2     ……(1)

      t’=[t-(ux/c2)][1-(u2/c)]-1/2……(2)

      洛沦茲時空逆變換為:

      x=(x’+ut)[1-(u2/c)]-1/2     ……(3)

      t=[t’+(ux’/c2)][1-(u2/c)]-1/2……(4)

      設k= [1-(u2/c)] -1/2 ,在運動坐標系S’內的某一時刻(△t’=0),有一觀測者A靜止在S’系內,他測量一條沿x’軸放置的棒,測得該棒的長度為L0,由(1)得到:

      L0=△x’=k(△x+u△t) ……(5)

      在靜止坐標系S內的某一时刻(△t=0,表示“同時”觀測),有另一觀測者B靜止在S系內,他測得該棒的長度為△x =L,則(5)式可以寫為: L0=kL,或者

      L=L0[1-(u2/c)]1/2……(6)

      因為[1-(u2/c)]1/2≤1,所以L≤L0,即運動的尺子縮短,此即尺縮效應。

      另外,在運動坐標系S’內的某一地點(△x’=0),發生一個事件(如兩次閃光),觀测者A測得事件發生的時间間隔為△t’,則由(2)式得

      △t’=[△t-(u△x/c2)][1-(u2/c)]-1/2

      在靜止坐標系S的觀测者B,測得事件發生的時間間隔为△t,則由(4)式得:

      △t=△t’[1-(u2/c)]-1/2……(6)

      因為[1-(u2/c)]1/2≤1,所以△t≥△t’,即運动的鐘走時慢,此即鐘慢效應,也稱“時間膨脹”。

      关于“鐘慢尺縮效應”,虽然聽起來是非常荒唐的,但由于根據狹義相對論所作的一切推論,理論與實踐相符得非常好,因而狹義相對論的相對時空观念完全被人們接受,牛頓的絕對時空觀念完全被人们拋棄。

      為了将“相對性原理”推廣到非慣性系,爱因斯坦利用黎曼幾何這一數學工具,建立了引力場方程,得出“時空”依賴于其周圍的質量分布,而具有“彎曲”的性質。我認為,黎曼空間的存在,在幾何上仍然存在嚴格的邏輯前提,然而,廣義相對論的整個理論體系非常缺乏形式表達與物質對象之間的严格對應。一系列實驗上的巧合給了我們“空間大小可以變化”,甚至可以“彎曲”的假象,實際上,這种看法是十分荒唐的,我們不能僅僅因為廣義相對論的理論與實驗相符,就認為它是正確的。

      由于狭義相對論的時空概念只具有相对意義,則“鐘慢尺縮效應”也是相對而言的。也就是說,在静止坐標系S的觀測者B,通過觀测得到運動坐標系S’的“钟慢尺縮”; 在運動坐標系S’的觀測者A則認為自己是静止的,A看到坐標系S的運動速度為-u,A通過觀測得到坐標系S的“鐘慢尺縮”。 觀測者A和B都認為對方的鐘走慢了,尺子縮短了。這一結論顯然是矛盾的,因而是不能令人滿意的。

      為了進一步揭露以上時空概念的矛盾,我們再來看一個例子(請看下圖):

      

      ABCDE為较粗的、裸露的理想銅導線,按圖中連接則回路中有電流I通過。现將上圖作些改動:

      (1)     該理想實驗在遠離一切力場的地方进行;

      (2)     電路静止在慣性坐標系S內;

      (3)     將A點斷開,然后在該處串接一個燈泡;

      (4)     将C、D斷開,在S系內測得C、D的距離為1米;

    (5) 有一條靜止在惯性坐標系S’內的銅棒,在S&#

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