8.时空的绝对性.docx

时空的绝对性

1954年爱因斯坦讲：我认为非常可能，物理学不能建立在场的概念上.如果是这样，那么，我的全部空中楼阁（包括引力理论在内），甚至连其他现代的物理理论也一样，将荡然无存^【8】.如果以场作为基本概念的客观描述是不可能的话，那么，就得找到一种完全避免连续统（连同空间和时间）的可能性.但是，这样一种理论中可以使用什么样的基本概念，我没有一丁点主见^【9】.在1953年的《Ｍ·雅梅的〈空间概念〉序》一文中，爱因斯坦说：“需要经历一场严酷的斗争，才得到了为理论发展所必需的独立的和绝对的空间概念.以后要克服这种概念，仍然也需要作同样顽强的努力——这一过程，大概远还没有完结.没有一个人会肯定地认为牛顿的伟大创造会真正地被这种或其他任何一种理论所代替.他的清晰和广阔的观念作为我们已经建立的现代物理学观念的基础将永远保持它们的意义.”

任何场都具有一定的时间和空间，所以说，场是由物质构成的，而场具有使物质运动的能力，只有一个原因就是构成场的物质分布不均匀.也就是说，场是由于构成场的物质在有的地方密度大即能量大，而有的地方密度小即能量小形成的.相对论时空观是一种物质依托性的时空观，它由真空所造就，要弄清它的实质，应从真空人手.绝对时空观是一种科学抽象性的时空观，，它不依托任何物质.在绝对时空观中，真空态的物质是存在于时空中的一种可压缩的超流体.绝对时空观是第一性的;相对论时空观是通过变换实现的，是第二性的.总的说来，相对论时空观有一定的局限性，但在人类现有的认识范围中，它是定量描述的基础.不过，它不能有效地描述真空，对此必须结合绝对时空观作定性描述.场论真空结构和性质的研究具有重要意义，真空具有许多效应，如反映真空具有零点能的Casimir效应、真空极化导致兰姆移动、激态原子与真空零点能作用导致原子自发辐射等.真空作为量子场的基态，具有普适的对称性.

第一个物理的宇宙模型是爱因斯坦在1917年提出的，当时人们对宇宙的整体面貌还完全没有了解，他主要凭直觉提出了宇宙学原理——宇宙物质在空间上是均匀的和各向同性的.爱因斯坦说：“战胜绝对空间概念，亦即战胜惯性系概念之所以成为可能，只是因为场的概念逐渐代替了物质实体的概念，而成为物理学的基本概念.在法拉第和麦克斯韦思想影响下，发展了这样的想法，认为整个物理实在大概能被表示为这样的一种场，它的分量取决于四个空间、时间参数.如果这种场的定律是广义协变的，也就是说，如果它们是同坐标系的特殊选择无关，那未，独立的（绝对的）空间的引用就不再是必要的了.构成实在的空间特征的，因而也就不过是场的四维性而已.因此，不存在什么‘空虚的’空间，也就是说，没有场的空间是不存在的.”因为根据广义相对论，不是物质存在于空间和时间之中，而是物质具有空间和时间的广延性，引力场可以使时空发生变化，但是运用光学或射电望远镜会发现，除了一些局部的聚集外，星系大体均匀分布于整个空间，宇宙在非常大的尺度下显得相当均匀.^【3】考虑直径为λ的球形区.把宇宙的不均匀性完全抹平后，这球区内质量为M.在不均匀的实际宇宙中，这区内的质量记为M+δM，δM反映它对均匀背景的偏离.显然不同地方有不同的偏离大小.对全宇宙讲，δM的平均值必定为0.因此我们应当把各处的δM平方后再做平均，得到〈δM²〉，它表示整个宇宙偏离均匀的程度，现在天文学观测证实〈δM²〉值随λ的增大而减小，这就是宇观地均匀的证据，它是实际宇宙的一个合理的近似描写.所以整个宇宙形成的绝对空间是平直的Galileo、Minkowski空间，绝对时间意味着中性时间（流速均匀），绝对空间对所有事物的作用是相同的，这表现了空间的绝对性，从某种意义上说，这是牛顿空间的复活^【1】.

从原理上看，广义相对论的引力理论同牛顿的理论全然不同.但其实际结果又如此接近，以致很难找到经验能及的标准来区别它们.、、、作为自然哲学领域中整个现代观念的结构的基础，其伟大而清晰的思想将始终保持其独特的意义.^【2】但是它与牛顿的绝对时空观不完全一致，在这里时间与空间有联系，而且时空与外界事物密切联系.现代物理学认为，如果质量——能量必须存在某处的话，那么应该处于这个平坦的空的空间中——一个完全没有任何种类的物质和场的区域（笔者注：绝对时空）.^【4】

很多学者相信，哥德尔所给出的广义相对论旋转宇宙模型表明时空的确具有绝对性，宇宙可以绕着自己的时空框架旋转不息，绝对空间和绝对时间的幽灵仍然萦绕于广义相对论的理论内核中.即使否定牛顿的全域静止的绝对时空会在广义相对论中出现，相对于一组定域惯性系的绝对加速和绝对转动的确存在.这里的绝对时空恰好是因为旋转宇宙在无限远处的度规不同于惯性时空度规的渐近平坦性而被识别出来的.哥德尔解需要非零的宇宙常数，具有空间均匀性而不具备各向同性，出现了封闭的类时线，物质在这些宇宙中相对于局部惯性框架旋转等特点.不少学者怀疑哥德尔解的物理真实性，爱因斯坦在怀疑的同时指出哥德尔解重视对时间概念的深入分析，并且注意到在哥德尔的新解中，对于按宇宙论意义隔得很远的世界点而言，早迟之分（过去，现在和未来的差别）被抛弃了.牛顿认为时空与外界事物、时间与空间无关的观点具有一定的局限性，而且它们相互之间是矛盾的，既然绝对空间是不动的，为何相对空间又是可动的部分？牛顿没有真正认识观测者的时空尺度的真正含义，他在观测其它物体变化的同时完全忽视了观测者自身物质变化.观测者的时空尺度就是其“自身”，其在对别的物质观测的同时会以自身作为直接或间接的参照系进行对.认为时空尺度是凌驾于物质运作之外的东西，无疑等同于将自身凌驾物质运作之外.在美国，以怀特海为先驱的过程哲学学派有着广泛的影响.过程哲学学派认为，世界即过程，过程由事件构成，事件表现出有秩序的连续性.怀特海的世界模式仍然服从相对论的光锥要求，即形成有秩序的连续序列的只是类时分离事件而不包括类空分离事件.远距关联实验（即贝尔不等式的实验检验）揭示了类空分离事件存在着因果联系，因此，它们也应当具有绝对的（与参考系无关的）先后次序.许仲平从四维对称标架中钟系的校准过程分析时间，指出相对论时间并不是唯一可能的，他提出了一种具有普适时间（t′=t）的理论.在现代物理学的最新实验事实和理论思维成果之中，我们应当选取哪些事实作为探索新时空理论的逻辑起点呢？

众所周知，狭义相对论确立了时间和同时性的相对性概念.但是宇宙背景辐射提供了一个优越的参考系，它可以用来确定时间的绝对次序.对此，哈肯指出：“在某种意义上来讲，这个新的绝对空间导致了一个有趣的时间概念.……在狭义相对论中，作任意运动的不同观察者不可能找到一个共同的时间，而宇宙漂泊的观察者却经历着一个宇宙的或者说普适的时间.”

我们对于物理学基本概念的分析表明：绝对空间这一最基本的物理概念不仅没有被物理学至今为止的发展所抛弃，相反，却越来越接近于被证明.由于绝对空间在物理学中起着至关重要的作用，具有丰富的物理性质，我们不得不将其视为一个独立的物理实在.任何将绝对空间等同于一无所有的虚空的观点在物理学上都是不可思议的.

我们对于物理学基本概念的分析表明：绝对空间这一最基本的物理概念不仅没有被物理学至今为止的发展所抛弃，相反，却越来越接近于被证明.由于绝对空间在物理学中起着至关重要的作用，具有丰富的物理性质，我们不得不将其视为一个独立的物理实在.任何将绝对空间等同于一无所有的虚空的观点在物理学上都是不可思议的.但是，至今为止我们对绝对空间这一实在到底是什么还没有确定的认识，对其物理性质我们通常是在真空的概念之下进行探讨，并且视真空为某种基态的量子场，但这种场又不能确定地认为是某种我们已经可以确定把握和描述的场.我们只是就其作为一个物理实在的意义上将其看作是场，它与所有已知的场在物理性质上没有什么共同之处.任何已知场（如电磁场、引力场等）都有明显的动力学效应，而真空场的基本物理效应是惯性；已知场是运动的，但真空场本身却没有明显可描述的运动特性.声名卓著的开尔芬就十分热衷于构造以太的力学模型.他在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型，我是永远也不会满足的.”1890年，他提出电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光是却是由以太波动式的振动引起的.

到20世纪中期以后，人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空，那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没).这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应.今天，理论物理学家进一步发现，真空具有更复杂的性质.真空态代表场的基态，它是简并的，实际的真空是这些简并态中的某一特定状态.目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏，就是真空的这种特殊的“取向”所引起的.在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功.这样看来，机械的以太论虽然死亡了，但以太概念的某些精神(不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着，并具有旺盛的生命力.

时空弯曲与引力场是等价的.在牛顿的理论中时空只是讨论问题的一个参数，但是在广义相对论中是客观存在的.而它的载体就是量子，量子的频率之倒数就是时间，波长就是空间，红移就是时空弯曲，红移率越大曲率越大，场越强.场的存在，或者说以太的真实存在，至少有以下四个依据：1、位移电流：与“电荷移动”无关的位移电流能够产生磁场，这对超距作用说是不可思议的，这就说明真空不空，真空具有极其复杂的物质，位移电流（电场）、磁场依据这一物质而存在.2、真空极化现象：1947年，物理学家发现，真空具有极化现象，即外界电荷会使真空物质的正负电荷偏离，兰姆的微粒氢原子光谱实验和日本的朝永振的计算都证实了这一点，这一现象说明真空具有物质属性.3、广义相对论：爱因斯坦在狭义相对论中否定以太的存在，但广义相对论的建立体现了爱因斯坦思想的明显改变.他指出：广义相对论“是一种场论”，“如果用常数代替那些描述广义相对论以太的函数，同时不考虑任何决定以太的原因，那末广义相对论以太就可以在想象中变为洛仑兹以太.”爱因斯坦甚至试图把各种场统一起来，形成一种完美无瑕的理论.他认为，这个理论将可以根源性地导出现在的所有物理定律，更加深刻地阐述自然奥秘.“以太─物质这种对立就会逐渐消失，整个物理学将通过类似几何学、运动学和引力理论那样的一种完备的思想体系.”4、量子力学：量子力学中的许多现象，例如测不准原理、粒子运动的波函数、几率性等，如果不借助真空的物质属性，人们很难理解.然而，所有这些，只要假定真空中存在着一种物理实在的东西──不管我们称它为“以太”还是“场”──便可能凭着数学推理及计算，对它们作出根源性的理解.甚至，我们可以由此试图建立一种人们梦寐以求的所谓“终极理论”.

研究表明：各种介子的最终衰变物包括正反粒子湮灭反应产物只是几种基本粒子：正负电子和正反中微子及光子中的某几种，而且正反中子、正反质子等强子也有迹象表明是由某些更基本的粒子组成.

爱因斯坦在晚年，力图想纠正自己理论中的偏见，他意识到，时空并非实体.他曾说——“物理客体有着空间的广延性”.这里所谓的“空间的广延性”，本质上就是用易学揭示的与物质世界共存的反物质世界.这是一个对物质世界进行平衡和自组的“形上”世界.^【7】相对论加强了场的概念在物理学中的重要性，使时间与空间联姻.二十世纪初，爱因斯坦面对所有一切探测“以太风”的实验都失败的事实，认为“引入光以太”本来就是“多余的”，这样空间就又回到了一无所有的“空虚”状态.可是这样的认定在当时就不能自圆其说.面对空间能够传播光波的事实，爱因斯坦又认为空间“具有一种发送光波的性能”，是“物理空间”；在后来的广义相对论中，他认为空间的性质应由“物质的分布”来决定，实物体可以“弯曲”周围的空间.这些都显然与前面的空虚空间的定义相矛盾.空间既然一无所有，那它就不可能具有象物质一样的性质.还有，如果空间中真的一无所有，那么各实物体就成了一个个的孤立个体，彼此间互相隔绝，互不相关.爱因斯坦讲：“可以假定有以太存在.只是必须不再认为它有确定的运动状态，也就是说，必须抽掉洛伦兹给它留下的那个最后的力学特征.”“狭义相对论不允许我们假定以太是由那些可以随时间追踪下去的粒子所组成的，但是以太假说本身同狭义相对论并不抵触.”^【5】因为没有中间物质相连接，所以物体间的相对位置变得没有意义且无法确定；因为没有连续的物质被跨越，所以物体间的相对运动也变得没有意义和无法确定；同时因为没有背景物质作参考，所以运动路径也就无所谓和测不出曲直多少.^【10】李政道教授指出：如果真空是粒子物理微观世界中一些奇妙现象的根本来源，那么它也会对宇宙中宏观的物质与能量的分布起着一定的作用，我们应当把真空、微观和宏观现象统一加以考虑，21世纪是真空的世纪.^【6】

“还有一种可能性更令人惊讶，这就是从能量为零的状态中创造物质.之所以会出现这种可能性，是因为能量既可以为正也可以为负.运动的能量和质量的能量总是正的，但引力的能量，如某些引力场和电磁场的引力是负的.有时会出现这样的情况，创造新生物质粒子质量的正能量正好被引力或电磁力的负能量抵消了.”“天文学家们能够测量诸星系的质量，星系间的平均距离，以及它们的退行速度.把这些数字代进一个公式，就能得出一个数字，物理学家们已经把这个数字解释成宇宙的总能量了.这个数字在可观测的精度里的确是零！为什么会有这个结果？宇宙学家们长久以来一直迷惑不解.有些宇宙学家提出，有一个深藏不露的宇宙原理在起着作用，根据这一原理，宇宙的能量就得恰好为零.”^【12】

“宇宙的总能量刚好是零.宇宙的物质是由正能量构成的.然而，所有的物质都因引力而吸引.两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开.这样，在一定意义上，引力场具有负能量.在空间上大致一致的宇宙情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙总能量为零.”^【13】

“爱因斯坦的广义相对论保证，宇宙中所有物质和运动具有的总的正能量精确地被宇宙中引力产生的负势能之和所平衡，总能量为零.”^【14】“一个孤立系的总能量E不可能改变”^【11】

参考文献

【1】王存臻、严春友著.《宇宙全息统一论》,山东人民出版社,1995年版.

【2】爱因斯坦著方在庆韩文博何维国译.《爱因斯坦晚年文集》海南出版社2000年3月第1版.

【3】史蒂芬.霍金著吴忠超译.《果壳中的宇宙》，湖南科学技术出版社，2002年2月.

【4】（英）RogerPenrose著许明贤吴忠超译.《皇帝新脑》——有关电脑、人脑及物理定律254页湖南科学技术出版社.

【5】许良英，范岱年  编译.《爱因斯坦文集》，第1卷，商务印书馆(1976)120.

【6】李政道——科学的发展：从古代中国到现在.朱长超主编.《世界著名科学家演讲精粹》百花洲文艺出版社1995年3月第1版第3次印刷.

【7】爱因斯坦著方在庆韩文博何维国译.《爱因斯坦晚年文集》海南出版社2000年3月第1版.

【8】许良英等编译.爱因斯坦文集第三卷.北京：商务印书馆，1979.504.

【9】1954年10月28日爱因斯坦致玻姆的信.大自然探索：1987年第一期.

【10】马国梁.经典相对论丁一宁网站

【11】哈里德物理学基础[M].北京：机械工业出版社2005.8

【12】保罗·戴维斯上帝与新物理学[M].湖南：湖南科学技术出版社，2003.10

【13】史蒂芬·霍金.时间简史[M].湖南：湖南科学技术出版社，2002.2.

【14】约翰·D·巴罗.无之书[M].上海：上海科技教育出版社，2003.6.