时空观念与科学革命

 

中国科学院 力学研究所  吴中祥

 

提          要

时空观念的革命性发展必然相应地引起科学的革命。这已得到第1、2次科学革命的实际证明。实践表明：现代科学尚未能解决许多时空关键问题。并导致现代科学诸多困难、错误。克服、弥补对时空特性和规律认识和处理已经发现的困难和不足，显示第3次科学革命已经到来！

 

时空可变系多线矢物理学对时空观念与相应运作的新发展已能解决现有理论存在的各有关问题，以及尚未、或不能、或错误的，诸如：统一场论、基本粒子、宇宙学，等等问题。

 

关键词：时空概念 物质运动 科学革命 统一场论 基本粒子 宇宙学

 

1．时空概念的发展决定科学的革命

一切事物均在时空运动。

任何学科都是研讨相应事物在时空的运动。

科学就是要正确认识客观事物的时空运动特性，才能按其特性，利用、改造客观世界，以满足人类的需要。

正确认识客观事物的时空运动特性，是科学发展的基础与关键。

对时空运动特性认识的革命性发展就必然相应地引起科学的革命。

 

2．第1次科学革命

由于天文望远镜对太阳系天体的系统观测和运动规律的总结，对热力学，分子运动论的总结，和对电子的发现及对电磁运动规律的总结，导致第1次科学革命。

第1次科学革命，实际上，是以“绝对时间”(即；认为观测系与时间无关，时间只是3维空间各长度的参量)观念的3维空间观测系研讨各种运动学、动力学,和相应的热学、电磁学等问题, 从而诞生了经典物理学。

由于运动的相对性和方向性，3维空间的演绎矢算和统计力学就成为必不可少的重要工具。

不同参考系间的相互变换就是 “伽利略变换”。

已能统一研讨从苹果落地、物体运动,到天体运行，热运动，以及电、磁运动等广泛领域的问题。

 

3．第2次科学革命

由于光学的精确测量和运用，对光波波长的精确测量，特别是，迈克尔逊光学实验所显示的，伽利略变换对于光的运动不成立，引起对时空认识的革命，和对光的性质认识的革命，而导致第2次科学革命。

第2次科学革命，实际上，是把受到绝对时间概念限制的3维空间观测系，突破为4维时空观测系，和非惯性，即：有力作用的，牵引系，须计及时空的相应弯曲，从而，发展了相对论。运用到电动力学，就使电磁理论更为系统性和美化，并更能揭示其实质。又由物体的所谓“波、粒2象性”和波函数的概念，发展出量子力学及其场论。

已能研讨速度可达真空中光速的物体的运动，和非惯性牵引运动系，扩展到广阔宇宙范围的一些引力等广泛得多的各种问题。

经典物理学仅是其“低速”（即：其速度与真空中光速相比，可以忽略）和非惯性牵引观测系，“较小时空范围内”（即：时空弯曲特性可以忽略），的近似。

量子力学和量子场论的基础都是所谓“波、粒2象性”观点，因而，粒子的完整信息用它的波函数(粒子的位置与动量的函数)表述，粒子的动量依赖于波函数对位置的微商。

通过波函数可以计算任意可观察量在空间给定体积内的平均值。在空间给定体积内找到粒子的概率正比于波函数幅值的平方。因此，粒子的位置分布在波函数所在的体积内。

量子力学是采用“波函数”表达各运动态，由算符建立运动方程, 再利用经典力学的3维空间的正则运动方程，建立和发展的。

量子场论是在发展了量子力学、量子电动力学的基础上，也是采用“波函数”表达各运动态，由所谓“2次量子化”，推广到4维时空的，正则运动方程而建立。并由各相互作用粒子的相应拉格朗日(Lagrange)量，及其对称性的特点，按规范场理论，研讨相互作用前、后各粒子的特性和变化规律。

 

4．现代科学尚未能解决的时空关键问题

实践表明,现代科学尚未能解决许多时空关键问题，例如：

相对论，虽然解决了从3维空间向4维时空观测系的重要转变，但是，尚未能解决由此而必然产生的，各种时空多线矢的具体表达与相应的矢算。

狭义相对论所给出的以牵引运动速度表达的洛仑兹变换，却只是适用于惯性的牵引运动，并且不能导出相应的加速度，不能与非惯性的牵引运动统一、联系。

广义相对论虽然解决了通常引力产生的时空弯曲问题，却不得不采用曲线坐标表达各点的位置，而放弃使用矢量这一有力工具。

未能建立能反映时空弯曲特性的矢量运算，不能演绎矢算地处理有关问题。以致与狭义相对论形成两套不同的方法，并产生许多困难。甚至作为广义相

对论基础的场方程也不能演绎推导求得，而只能由度规张量的特性推测得到。而且，还仅限于在通常引力这唯一领域里运用。

更未能把时空位置矢的概念，全面推广到建立时空引力场和时空电磁场，以及求得各高次、线的时空力。

因而，不能得出和区分，近程和远程的力，更不能得出统一4种自然力的统一场论。

量子力学及其场论，虽能定量的理解分子，流体、固体，导体、半导体，能解释诸如超流体和超导体等现象，和诸如中子星和Bose-Einstein凝聚态等物质聚集形式。为所有的科学分支和每一项高技术提供了关键的工具，但是，从它们创建，直到今天，仍然不能满意地阐释其基础和本质。

特别是，所谓“波、粒2象性”所认为的，“单个粒子既是粒子又是波”这种观点本身，就是自相矛盾的，不能自圆其说，

能量和质量集中于其内的单个粒子，怎能同时又是能量和质量在时空分布、传播的波呢？实际上，所有的波，都是大量粒子的集体表现（例如：水波、振动波）或时空统计结果（例如：光波）。

而且，认为单个粒子也有所谓“波、粒2象性”，和把由位置和动量矢量相应各分量“模长”的均方差不能同时为零的统计效应的所谓“测不准关系”，当作单个物质粒子具有“不确定性”，而产生诸如：“颠覆认知哲学”，“不确定的世界”等，否定“因果论”、“决定论”等的一系列引起争论的错误哲学观点。

虽然早有将微观粒子的波函数解释为：“在已知时间和地点找到该粒子的几率”，提出了应是对大量微观粒子作统计描述，解释微观粒子的波函数，的正确观点,但是，通常的统计力学只是从3维空间的位置1-线矢和动量1-线矢组成的“相宇”出发建立的，通常的量子统计力学也还是以通常量子力学解得的各量子态，在3维空间的统计，仍然不能对此給出具体的说明。

 

5．现代科学存在的诸多困难、错误

正因未能解决以上有关时空的关键问题，导致现代科学存在诸多困难、错误，例如：

将量子色动力学与电、弱统一理论合并形成的“标准模型”，在不断修改、加入所谓禁闭成团的夸克、对称性的自发破缺、重整化、希格斯机制等观念，和不断引进无实际意义的所谓量子数参量的条件下，虽似能与迄今几乎所有有关实验相符地，统一描述、研讨强力、弱力及电磁力这3种自然力，及在其作用下，各种基本粒子的特性、运动、演变的规律。甚至许多重要的预测也已得到实验证实。

但是，迄今既未观测到任何单个的“夸克”，也不能证明其能在时空中禁闭成团，因而，根本就不能肯定其实际存在性。

根据什么能引进那些无实际意义的所谓量子数参量？

按变分法就能证明：各种对称守恒量都必然守恒。因而，现有理论根本不能解释：为什么会有所谓弱作用下宇称不守恒？强作用下有对称守恒量的所谓“自发破缺”？

根据对光子特性的了解，所谓希格斯机制就根本不可能成立，更不可能有那个必须找到才能挽救所谓“标准模型”的所谓希格斯粒子那样的东西。

 

人们从以地球为中心，到以太阳为中心，进而看到太阳系也只是银河系中的一个小点子，再进而观察到更为广大的大量星系，应足以相信我国古代哲学家就认识到的：我们的宇宙是无边无际、无始无终。然而，现代的所谓宇宙学家却要以目前观测到的最远点来断定：宇宙诞生于137亿年前的一次“大爆炸”。

早已发现宇宙中，还有各种恒星、超新星、黑洞等存在、演变和发展，应该能了解：万物普遍演变、发展的宇宙运动规律。

然而，现代的所谓宇宙学家却要凭 仅适用于惯性牵引运动的光频红移与发光体速度成正比的公式来分析得到各星体错误的红移规律，并牵强附会地把偶然发现的低温(等效温度~2.73K) “背景辐射”当成所谓“宇宙年龄约为10万年时，由光子退耦而产生的”，就作为所谓“大爆炸宇宙论”的重要依据。事实上，它很可能是宇宙间（包括太阳系）广泛存在着大量的“黑洞”中，在一定条件下产生的强辐射光子，虽经引力的作用而能量衰减后，仍以一定的很低频率逃出其“事界”之外，而能被观测到的辐射。

现代的所谓宇宙学家甚至采用仅适用于惯性牵引运动公式，分析宇宙远处星体的红移，而得出宇宙加速膨胀的怪论，并导出根本不可能存在的所谓反引力的 “暗能量”。

 

中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子。

在基本粒子如下3种情况下，都分别发现了中微子，即：分别与电子、μ轻子、τ轻子同时出现中微子。因而，通常认为，中微子共有3种类型，即：电子中微子、μ中微子和τ中微子，并实验观测到认为3种中微子之间，有两两组合的，3种相互振荡模式。

其实，因为中微子分别与电子、μ轻子、τ轻子同时出现，就认定它们是不同的类型, 是没有理由的。中微子可能就只是惟一的一种，只是，与不同的基本粒子同时产生。而某些不同的基本粒子相互作用结合，而产生的，与中微子同时出现的基本粒子的交替变化，也并不是不同类型中微子的振荡。

 

按照相对论，任何物体的3维空间速度都不可能达到真空中的光速，而意大利“奥普拉”（OPERA）的“超光速中微子”事件，从2012年3月末开始，喧闹到了全世界竟然历时半年之久， 而且，还只是从实测数据错误肯定了中微子不超光速，并没有解决高速物体远程测速的问题，并未确切测得中微子的速度。

 

这些都是：须对时空和粒、波特性的现有认识进行革命性变革才能正确认识的事实，都具体表明了：第3次科学革命的必然和必要。

 

6．创建形成时空可变系多线矢物理学

按相对论反映时空的弯曲特性，创建以牵引位置1线矢各方向余弦表达的变换矩阵表达的可变系基矢，并将3维空间各种1-线矢物理量扩展为4维时空的各相应1-线矢物理量，由扩展定义的叉、点乘积以及旋度、散度，使各种4维时空1-线矢物理量形成各种更高次、线的n维多线矢物理量。

对于非惯性牵引运动系，具体导出黎曼弯曲时空的各次、线多线矢的表达式，和它们的微分、时间导数、偏微分，和相应各种积分，度规张量、曲率张量等表达式。以及各矢量场的梯度、散度、旋度等等物理量。并具体证明、判定：牵引运动系是惯性(欧几里德平直时空) 的 或非惯性(黎曼弯曲时空) 的。

将力学和电动力学扩展到能演绎矢算地研讨包括非惯性的黎曼弯曲时空各种物体（包括带电物体）的运动。

而经典的物理学只是其低速(其3维空间速度，与真空中光速相比，可以忽略)，和在非惯性系3维空间的时空小范围(其弯曲特性的影响可以忽略)的近似。

由此，不仅导出4维的引力和电磁力1线矢，还有现有理论，因没有4维时空矢算，而不能正确给出的，12维的自旋力和电磁力22, 1线矢，等高次、线力多线矢。

就能具体表明：各种高次、线矢量的客观实际地形成，而无需引进那些无实际意义的所谓量子数参量。而所谓禁闭成团的“夸克”可很好地解释为相应的高维矢量的各复合分量。

 

而当4维时空的位置矢的“时轴”分量远小于3维空间分量，就是远程；当4维时空的位置矢的“时轴”分量远大于3维空间分量，就是近程。

于是，以上各力就依远程和近程的不同，而分别表现为4种自然力。例如：

远程引力(吸力)1-线矢就是通常的引力。

远程电磁力(同性为吸力；异性为斥力)就是通常的电磁力。

近程引力(斥力)1-线矢以及电荷符号相同粒子的近程电磁力(斥力)22,1-线矢, 近程自旋力(斥力)(22,22)2,1-线矢,…,等都相当于通常所谓“弱力”。

近程自旋力(吸力)22,1-线矢以及电荷符号相反粒子的近程电磁力(吸力)22,1-,(22,22)1-线矢,…,等都相当于通常所谓“强力”。

现有理论也给不出这样的统一场论。

 

所谓弱作用下宇称不守恒和强作用下有对称守恒量的所谓“自发破缺”也可解释为：它们都是高维条件下的对称性，若当作4维条件下的对称量处理,当然就不能守恒。

 

所谓“哈勃定理”的观测结果，实际上，只能是在一定范围内，星体发光频率的红移量是与观测的距离成正比的。

但是，星体发光频率的红移量与星体运动速度成正比的通常“都普勒公式”，却只适用于惯性的星体运动。

因而，星体运动的速度与距离成正比的结论，就只能适用于惯性的星体运动。

但是宇宙中各星体并非都彼此惯性运动，因而，所谓宇宙大爆炸的基本根据就不能成立。

更得不出宇宙加速膨胀，乃至设想存在所谓“反引力”的“暗能量”。

而且，也不至于因如此所得对周围星体运动状态的错误结果，而不能正确求得其中心黑洞质量，而仍不能完全弥补所谓宇宙“质量缺失。

 

而基本粒子的转化和演变是决定于近程作用力。

在相应的各近程高次、线强力多线矢作用下，非激发态的粒子结合为激发态的新粒子，又会在相应的各近程高次、线弱力多线矢作用下，辐射出光子，成为非激发态的粒子，或分裂为另两个非激发态的新粒子

 因而，都能符合各基本粒子在乳胶照片上的“径迹”的分析结果，具体分析它们的产生、转化、演变。

由此就可以逐次研討得出：

由電子、正電子到形成中微子，到形成各種介子，到形成各種超子，到形成

質子，到形成中子，到形成各種原子，… … …，等等各種基本粒子的轉化變換規律，都能與實際觀測結果相符。

電子、正電子就是现有能量条件下最基本的粒子。

 

许多能产生正和反粒子的作用中，产生正粒子的作用半径大于产生反粒子的因而，产生正粒子的几率大于产生反粒子的，正、反粒子作用并不彼此湮灭或仅成为光子，而是结合为新的激发态粒子，然后辐射出相应的光子，成为非或低激发态粒子。

激发态负缪 轻子，可能是非激发态负缪 轻子吸收相应的光子，或激发态负派 介子在相应弱力作用下，放出 中微子而形成，并在相应弱力作用下就会出现：反中微子再加电子。

激发态正缪 轻子，可能是非激发态正缪 轻子吸收相应的光子，

或激发态正派 介子在相应弱力作用下，放出 中微子而形成，并在相应弱力作用下就会出现：中微子再加正电子。

这就是所谓的电子型中微子。

激发态正派介子 ，可能是非激发态正派 介子吸收相应的光子，

或激发态正派 介子在相应弱力作用下，放出正缪 轻子和反中微子而形成，并在相应弱力作用下就会出现：正缪 轻子和反中微子。

激发态负派介子 ，可能是非激发态正派 轻子吸收相应的光子，

或激发态负派 介子在相应弱力作用下，放出负缪 轻子和中微子而形成，并在相应弱力作用下就会出现：负缪 轻子和中微子。

这就是所谓的缪轻子型中微子。

激发态电中性派介子 ，可能是非激发态中性派 介子吸收相应的光

子，或激发态负派 介子在相应弱力作用下，放出陶轻子 和中微子而形成，并在相应弱力作用下就会出现：陶轻子 与中微子，或反陶轻子 与反中微子。

激发态电中性反派介子 ，可能是非激发态中性派 轻子吸收相应的光

子，或激发态负派 介子在相应弱力作用下，放出反陶轻子 和中微子而形成，在相应弱力作用下就会出现：反陶轻子 与中微子，或陶轻子 与反中微子。

这就是所谓的陶轻子型中微子。

而在现有理论的量子色动力学中，就实际上是把如上各激发态，例如12维

的多线矢所表达的粒子误解为几个所谓具有“味”的夸克禁闭成团。

可见，所谓3种类型的中微子，实际上，就都是唯一的一种！

 

当时称作所谓“太阳中微子之谜”的“电子中微子与μ中微子组合振荡的迹象”，是因为太阳发出的大量粒子中在太空分布着一定密度的电子和中微子，会以一定的几率，结合成缪轻子。而缪轻子又与中微子结合成派介子。而派介子又会以一定的几率，转变为缪轻子和中微子。形成似乎是电子中微子与μ中微子的振荡。

当时称作所谓“大气中微子之谜”的“μ中微子和τ中微子振荡的迹象”，是因为大气中也分布着一定密度的电子和中微子，它们既会以一定的几率，形成缪轻子和中微子，也可交替地以一定的几率，形成陶轻子与中微子。形成似乎是陶轻子中微子与缪轻子中微子的振荡。

在大亚湾核反应堆附近，也分布着一定密度的电子和中微子，既会以一定的几率，形成电子和中微子，也可交替地以一定的几率，形成陶轻子与中微子。形成似乎是陶轻子中微子与电子中微子的振荡。

可见，它们都是唯一的一种中微子，在不同的情况下，交替地与相应的其它

粒子同时出现，并非3种类型的两两间振荡。

这样，就非常清楚地解释了，现有理论的误判：所谓“中微子有3种类型，

且两两间振荡"的实质。

 

由时空多线矢“相宇”进行的统计求得的相应最可几分布函数，就是相应的明显含时的，时空几率分布，即相当于相应的波函数。可直接用作波函数，而排除本身就不能自圆其说的，单个粒子有所谓：“波、粒2 象性”的观点，对通常量子力学、量子场论进行改造和发展。

具体证明：一切“波”都只是大量微观粒子集体或统计的表现；并非单个粒子的特性。

干涉、绕射、衍射等“波”的特性，都只是大量粒子集体或统计的表现。

量子力学、量子场论，实际上，就确实都是大量粒子的时空统计力学，是大量粒子的统计结果，并非单个粒子的特性。从而使由此产生的一些错误的哲学观点不攻自破。

 

综合以上：适用于任意牵引运动的，时空可变系“多线矢”，及其代数和解析“矢算”的，连续演绎运算建立的广义协变力学，和由时空多线矢“相宇”建立的统计力学，就形成时空可变系多线矢物理学。

因而，已克服、弥补了已经发现的认识和处理时空特性的困难和不足，能解决现有理论存在的以上各种问题，以及尚未、或不能、或错误的诸如：统一场论、基本粒子、宇宙学，等等问题。

时空概念与运作的新发展显示第3次科学革命已经到来！

 

7．参考文献：

[1]《时空可变系多线矢世界》吴中祥 博士菀出版社 2004年11月

[2]http://www.sciencenet.cn/u/可变系时空多线矢主人/