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关于2013-2014年度全国“讲理想、比贡献,奋力实现中国梦”活动先进集体、创新团队、创新标兵和优秀组织者入选名单公示的通知

 全“讲、比”组办发〔2014〕11号

   为深入贯彻党的十八大、十八届三中全会精神和习近平总书记系列重要讲话精神,服务实施创新驱动发展战略,进一步推动“讲理想、比贡献,奋力实现中国梦”活... >> 详细

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学术交流

2014/10/1时空概论

文/刘泰祥

  现代物理学认为,空间和时间不仅跟物质不可分,而且空间和时间是密切联系在一起的时空。直到今天,人们对时间和空间本性的认识,还处在初级探索阶段。
  1. 时间的本性
  对于时间的本性,当前科学界尚未形成一致的观点。在对某个特定现象的观察过程中,其外界周期性的现象(如日出或日落)自然成为一种观察背景,这些背景的周期也自然成为测量所观察现象的一种标尺。用这个标尺测量现象得到一个数值,这个数值的物理意义我们称作时间。可见,时间是从周期运动导出的概念。
  物体的运动是在空间中的运动,没有空间就没有运动,而时间又是从运动导出的,因此时间是从空间派生出的概念。换言之,时间是空间的一种性质。
  如同质量是从万有引力导出的概念、电荷(电量)是从库仑力导出的概念一样,时间是从运动导出的概念。 时间、质量、电荷都是一种物理量,是我们理解和描述事物的一种方法和工具,而不是事物本身。
  正如对于一个有质量的物体,我们不能说成物体与质量是一种并列关系,而应理解为质量是物体的一种性质;对于具有时间的空间,我们也不能说成空间和时间是并列关系,而应理解为时间是空间的一种性质。
  2. 空间的本性
  爱因斯坦认为,物理客体不是在空间之中,而是这些客体有着空间的广延[1];在这里空间本身只是实物存在的形式,没有实物之间的共存关系,就不会形成位置、形状、广延等空间概念。
  然而量子场论认为,量子场是物质存在的基本形式,量子场系统的基态(即能量最低的状态)就是真空,即空间。这一基态形成了自然界的某种背景,一切物理测量都相对于这一背景进行。可见,在量子场论中空间是充满物质的。
  笔者认为,空间是对流体态物质(爽子流体)几何属性的表述方式,爽子流体是空间的本体,不含爽子流体的绝对虚空是不存在的。空间具有能量属性(场)及与物体的依存性,因此用系统相对论的空间观可以将爱因斯坦相对论和量子场论的空间观统一起来。
  3. 对四维时空的判定
  我们知道,物质具有体积性质,没有体积的物质是不存在的,体积性质表现在空间上就是空间具有三个维度。在三维空间系下,我们看到的宇宙是动态的,存在各种物体与天体的运动和演化过程。
  既然时间是空间的一种性质,那么时间维度就不能作为独立于三维空间之外的另一维空间。观察者离不开时间,即观察者无法独立于四维时空系之外观察一个物体的状态。因此,对于一个观察者来讲,四维时空是不存在的。换言之,四维时空只是一种思维的产物,它没有任何物理意义。
  4.  对额外维空间的判定
  在弦论的不同版本中有多种空间维度版本,除了三维的经验空间维度和一维的时间维度外,其余的维度都是蜷缩在内空间中。
  在包括M理论在内的弦论各版本中,内空间是为解决当时所面临的问题而特设的,空间维度的多少在于我们的选择。既然四维时空都不存在,那么更高维度空间也就更不存在了。
  令人欣慰的是,2010年3月13日《新科学家》祝贺英国皇家学会会员、数学家彭罗斯八十华诞文章透露:“最近,弦论的创立者威藤已采用彭罗斯的扭量理论,试图将弦论的11维时空减为较易对付的4维。”威藤弃11维用4维时空,无疑是向正确的物理学道路靠近了一大步,但这还只是回归到爱因斯坦的4维时空,距离正确的道路还有一步之遥。
  总之,空间有且只有三维,时间是空间的一种性质。
参考文献:
[1] 爱因斯坦,许良英,赵中立,张宣三.爱因斯坦文集[M],1卷.许良英,范岱年,译.北京:商务印书馆,1976:560, 204.
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