對相對論時(shí)空觀的批判和改造

1、對相對論時(shí)空觀的批判和改造 一、時(shí)空概念的危機(jī)學(xué)是研究物質(zhì)的最簡單運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，其最終目的是：找到物質(zhì)運(yùn)動、變化與相互作用的內(nèi)在聯(lián)系，以最少的假設(shè)，通過分析、推理解釋所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，預(yù)言新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在各自領(lǐng)域內(nèi)都分別取得極大成功的量子力學(xué)和相對論，是20世紀(jì)物乃至整個(gè)自然科學(xué)的兩大支柱，但是，在人們企圖把它們結(jié)合的時(shí)候卻遇到了難以克服的困難。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，非定域性是量子力學(xué)的一個(gè)基本屬性，但是，非定域性將意味著超光速，這與狹義相對論的基本假設(shè)矛盾。當(dāng)前，量子引力理論中的超弦理論的時(shí)空背景相關(guān)性，與圈量子引力理論中的時(shí)空背景無關(guān)性同時(shí)存在，是物理學(xué)中潛在的對于時(shí)空本質(zhì)不同態(tài)度的一次大碰撞，

2、這種困難預(yù)示著物理學(xué)需要一次概念的變革，首當(dāng)其沖的就是時(shí)空。時(shí)空觀念是物理學(xué)中最基本的也是最重要的概念，不同的時(shí)空觀念將導(dǎo)致不同的理論研究方向，任何對于時(shí)空概念的更新和深化，勢必對整個(gè)物理學(xué)產(chǎn)生巨大的革命性的影響?！皭垡蛩固箷r(shí)間膨脹”和“洛侖茲長度收縮”，是支撐相對論時(shí)空變換和相對論整個(gè)演繹推理的基礎(chǔ)。為了比較物質(zhì)運(yùn)動的快慢程度，人們用“速度”這一概念來描述物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)，而為了定義“速度”這一導(dǎo)出概念，又必須引進(jìn)兩個(gè)更基本的概念：“時(shí)間”和“空間”。比如，一個(gè)人在時(shí)間t內(nèi)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(gè)人，甲在時(shí)間12秒內(nèi)內(nèi)跑過的路程是120米， 則甲的

3、速度是: v甲=120米/12秒=10米/秒乙在時(shí)間10秒內(nèi)內(nèi)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？這個(gè)好辦，只要大家統(tǒng)一約定一米有多長就行了，制作這個(gè)一米長的標(biāo)準(zhǔn)尺之后，就可以復(fù)制許多把與標(biāo)準(zhǔn)尺一樣長的尺子，如果把一米分成100份，則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(shí)間又是如何定義的呢？時(shí)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(zhuǎn)一周作為時(shí)間“年”的單位、月球圍繞地球公轉(zhuǎn)一周作為“月”的單位、地球自轉(zhuǎn)一

4、周作為“天”的單位。在科學(xué)上，1967年第十三屆國際計(jì)量大會，采用以原子內(nèi)部輻射頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，按新規(guī)定，“秒是銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間的躍遷所對應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”?？梢钥吹剑徽撛谏钪羞€是在科學(xué)中，我們對時(shí)間的定義都是采用“物體運(yùn)動變化”的某種周期作為時(shí)間定義的方案。這種“周期”必須是穩(wěn)定的，人們對“周期”的測量必須是準(zhǔn)確的，由此而得到的“時(shí)間”概念才能夠具有客觀性、可操作性。由此看出，我們?yōu)榱嗣枋觥拔矬w的運(yùn)動變化”，必須定義“時(shí)間”這一概念，但為了定義“時(shí)間”這一概念，又必須借助“物體運(yùn)動變化”的某種周期。這種做法顯然已經(jīng)陷入了循環(huán)這一

5、“泥潭”。這也充分說明，雖然“時(shí)間”的概念對人們來說有些模糊因而不十分準(zhǔn)確，但人們定義的“時(shí)間”概念必定與“物體的運(yùn)動變化”密切相關(guān)，不可分割。由此可見，“時(shí)間”和“空間” 這兩個(gè)概念的地位是不平等、不對稱的。“空間” 的概念較形象、客觀、準(zhǔn)確，“時(shí)間” 的概念較抽象、主觀、模糊。我們必須牢記這一點(diǎn)。但是，有一點(diǎn)是可以肯定的，那就是：“時(shí)間”和“空間” 的概念，都是人們?yōu)榱嗣枋鑫镔|(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)而建立起來的。雖然用空間尺寸可以描述物質(zhì)的形狀和大小，但空間不是物質(zhì)；雖然我們可以同時(shí)使用“時(shí)間”和“空間” 概念來描述“物體的運(yùn)動變化”，但時(shí)間也不是物質(zhì)。物理學(xué)所指的物質(zhì)脫離不了時(shí)間，因?yàn)槿绻麤]有物質(zhì)及

6、其運(yùn)動變化也就沒有“鐘”，就無法定義時(shí)間。但“空間”卻是一種固有的存在，它可以脫離物質(zhì)及其運(yùn)動而獨(dú)立存在。雖然，沒有物質(zhì)就沒有“尺”，因而無法測量空間的大小，但空間依然客觀存在。物質(zhì)總是存在于某一空間之中，它依賴空間，而空間的存在并不依賴物質(zhì)。比如，一塊冰必須占據(jù)一定的空間，但當(dāng)這塊冰不存在時(shí)（溶化或蒸發(fā)），它原來所占據(jù)的空間依然存在，并且，此空間的大小和形狀不會因?yàn)橛^測者的運(yùn)動而改變。二、相對論 “時(shí)空”的矛盾愛因斯坦建立狹義相對論基于兩個(gè)基本原理：“光速不變原理”和“相對性原理”。由這兩個(gè)基本原理，很自然得到在不同慣性坐標(biāo)系關(guān)于時(shí)間和空間的變換關(guān)系洛淪茲變換，在此基礎(chǔ)上，物體在不同慣性坐標(biāo)系中的速度、質(zhì)量、動量、能量的變換式都因此而可求出。如果慣性坐標(biāo)系s相對于固定在地球上靜止的坐標(biāo)系s，以速度u沿x軸方向運(yùn)動，x與x在同一軸上， 且當(dāng)t=0時(shí)，o與o重合(如下圖)：洛淪茲時(shí)空變換為：x=(x-ut)1-(u2/c)-1/2         （1）t=t-