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时空是什么(上)

(2017-07-26 18:38:14)
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学术讨论

时空概念

易学宇宙学

从今以后,空间本身和时间本身都已成为阴影,只有两者的结合才能独立存在。

——闵可夫斯基

1907年,醉心于电动力学的数学家闵科夫斯基(Minkowski)体悟到,可以用“非欧空间”的想法来理解洛仑兹和爱因斯坦的工作。他认为,过去一直被认为独立的时间和空间可以结合在一起,,给出了一个惯性坐标系虚体元素ict的四维时空结构框架,后来被称为闵科夫斯基空间。

 

 时空是什么(上)

闵可夫斯基给出四维时空方程后,又把方程翻译成物理语言。他对当时的科学革命先驱说:“从今以后,空间本身和时间本身都已成为阴影,只有两者的结合才能独立存在。”这一名言深刻阐明了四维时空方程所代表的物理本义。

这是顶级数学大师先验的天才断言,实际是给当时的科学革命勇士送来了一个非欧空间的时空元素——超微子以太。遗憾的是,他的断言没有引起人们足够重视,一直延续到今天,人们对闵氏四维时空方程本义仍然未能彻底领悟。

闵氏四维时空观刚提出时,爱因斯坦认为对他的研究没有太大用处。随着广义相对论建立,才恍然大悟,意识到四维时空方程对他建立广义相对论的重要性。方程告诉人们,时间和空间是不可分割的整体,独立的时间和独立的空间是不存在的,动体加速运动决定于引力场的时空间隔。

在近代自然科学发展史上,第一个把黎曼空间一个最基本元素作为独立本体推荐给物理学的人,是数学家闵科夫斯基。他从“上帝”那里引来了一个虚体元素ict——超微子以太这个元素非常了不起,一出现就向人们展示了它的神奇功能,操控着现代物理学的走势。

超微子以太来到自然科学后,已为我们做了许多事情,大家没有太在意。可惜闵氏不幸早逝,100多年来没有人能说清楚他引进这个虚体元素的真实意图,也不知道这个元素的真实身份。对于这个元素在相对论和量子论中的贡献,在本公众号“相对论的修正”和“量子论的裂隙”中已有介绍,本文重点探讨“时空”究竟是什么?可否对它作出明确定义?

时空观三个发展阶段

在人们传统的感性意识中,万物生存的空间就像一个“无界永在”的容器,时间像是一个“无尽永前”的神钟。在无界的空间中,任何一点都可以当作任意方位的出发点,事物在移动、拉伸或扭曲时,立刻就可以显示出变化的位形;在时间流逝过程中,虽然看不到它的模样,也听不到它前行的秒针滴答声,但能测量到它流逝的时间。于是,人们就认为空间是无界的永在,时间是没有起点和终点的神钟,永远向前,不会倒流。

数千年来,人们一直用这一传统概念丈量土地,建造房屋,约定期限,计算时效等日常事务。认为时空是一种用于表达事物存在形态的概念,两者独立存在,和事物本身没有什么内在联系。

物理学和哲学分离后,时空概念进入了物理定律,并成为物理学基本量纲的核心成员。在长达五百多年近代科学发展史中,人们对时空概念的认识从感性到理性,由浅入深,已历经了三个重要阶段,目前正在越过最后一道障碍,为科学时空观建立做理论准备。

第一阶段:经典物理学时空观

自然科学体系初创时,人们就开始用时空概念来描述动体的运动规律,这是对时空进行科学认识的第一阶段,也就是经典物理时期的时空观。

那个时期的时空观,在哲学上依然沿用了传统的无界永在、无尽永前的感性概念。经典物理学创始人之一牛顿认为,时间和空间是一种各自独立,和事物运动状态不相关的客观存在。空间好像一个容器,时间在均匀流逝,万物就在这无界容器中随时间流逝而生存。这就是统治自然科学长达四百多年的绝对时空观。

然而,尽管牛顿的哲学认识是绝对时空观,但在处理具体科学问题时,却又不得不把貌似不相关的时间、空间和动体的质量同构在一个方程中。伽利略根据牛顿的绝对时空不可变异性,发现了不同位置和不同速度的参照系具有相对性,于是,就把伽利略相对性原理引入物理定律,使经典力学在处理低速宏观动体时非常得心应手,极大地推动了技术进步。

在伽利略相对性原理中,物体的位置和速度是相对的;路程、时间间隔、动体质量是绝对的,同时性也是绝对的。然而,牛顿力学中路程是空间,而速度则是空间和时间的比值。速度是用来描述空间和时间之间关系的物理量,速度高,空时之比大,速度低,空时之比小。也就是说,伽利略相对性中速度不是独立参量,而是一个依赖于时间和空间的可变的参量。我们可以把这种依赖关系称“动态时空”或“惯性时空”。这样,速度就成了一个用来描述动态时空或惯性时空的物理量。

根据速度定义,既然在伽利略参照系中速度是相对的,那么,速度的依赖对象“动态时空”或“惯性时空”也一定是相对的,不是绝对的。因此,伽利略相对性原理中的速度相对性实际就是动态时空相对性。这就很容易看到,伽利略相对性原理和牛顿自然哲学的绝对时空观是矛盾的。

由于经典力学创始人牛顿和伽利略等人只注重动体的能动量属性,把隐含在速度概念中的“动态时空”属性给疏忽了,无意中就把这个矛盾掩盖了起来。

其实,这种有关物理本质的矛盾是掩盖不住的,尽管绝对时空观统治物理学整整有四百多年,但隐藏在速度中的“动态时空”相对性是不以人们意志为转移的。随着麦克斯韦电磁方程组建立和黑体辐射紫外灾变难题出现,在经典物理学上空飘起了两朵乌云,预示着科学时空观和哲学时空观的冲突即将爆发。

就在十九世纪最后一天,英国著名物理学家汤姆逊发表了新年祝词,他说:在物理学“晴朗的天空远处,还有两朵令人不安的乌云,它们的存在使得物理学的优美性和明晰性黯然失色!”汤姆逊说的一朵乌云是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说矛盾,直接揭开了伽利略相对性原理中被速度掩盖的时空相对性盖子。另一朵乌云是指热力学中能量均分定则在气体比热和辐射能谱理论与实验不符,尤以“紫外灾变”最突出。

科学家为吹散这两朵乌云,在汤姆逊新年祝词感召下,二十世纪初,发起一场对经典物理学的革命,引领人们对时空概念的认识进入到第二个重要阶段。

第二阶段:现代物理学时空观

第二个阶段是现代物理学的时空观。面对经典理论上空飘来的两朵乌云挑战,当时的物理学家分兵两路,一支队伍用量子论应对“紫外灾变”挑战,把没有时空结构的连续能量“量子化”,为能量的存在方式找到了时空——量子的周期和波长。量子论告诉人们,能量不是连续的,它储存在单个量子的时空(频率)中,然后捆绑在一起,按照份额对外传输能量。量子的时空(频率)概念一出现,很快就把“紫外灾变”乌云吹散了。

但很遗憾,由于量子论科学家只注重量子的份额能量,忽视了量子的时空结构,虽然量子论很快把“紫外灾变”乌云吹散了,却引来了重重迷雾。

另一支队伍直接用时空相对性来应对电磁运动和伽利略速度相对性矛盾,刚开始时有许多科学家参与,后来爱因斯坦单枪匹马,用“相对论”去应对。他用洛仑兹相对性取代伽利略相对性,对宇宙大时空背景和动体本身的小时空进行革新。在相对论诞生初期,狭义相对论在处理电磁方程组和质点运动学时取得惊人成就;此后,广义相对论又利用闵科夫斯基四维时空新概念,揭示了引力场的时空变异性和时空与天体质量的关联性。

但也很遗憾,当狭义相对论把洛仑兹变换当作惯性系,把质点运动学推广到刚体运动学时,就出现了刚体的“时、空、质”也有相对性效应的错误。再加上广义相对论没有找到引力场的时空元素,相对论虽然把以太漂移说和电磁方程组矛盾的乌云吹散了,但也错误地把构造引力场时空的主人“以太”一起吹跑了,导致后人对动体的“时、空、质”伪相对性错误很难纠正。广义相对论塑造的“时空”也就成了没有本体元素(量子)支撑的幻境。

尽管如此,自从闵科夫斯基给出四维时空方程后,现代物理学对时空概念认识进入了第二阶段,过去一直认为独立的时间和空间已不再分离。在量子力学中,物理学家虽然没有意识到这一点,但量子化本身就是把量子的时空关联在一起了,周期是量子的时间,波长是量子的空间,只有两者结合在一起,才能成为一个独立的能量子。

在广义相对论中,爱因斯坦用“时空间隔”取代了经典理论中的“空间间隔”,引力场的时空也不再孤独,场方程把引力时空和天体质量联系在一起,体现了宇宙结构的整体性。狭义相对论不仅用新时空观完美处理了电磁参照系的相对性问题,还意外得到了动体总能公式;并为中国古代哲学家老子定义的宇宙本原“大道”(夷弦)找到了时空常数C,这是相对论在应对“以太漂移说”乌云中取得的最伟大成就。

对于伽利略速度相对性掩盖的时空相对性问题,洛仑兹在爱因斯坦创立相对论之前,就已经给出了一个和动体惯性速度关联的空间胀缩系数,表明如果站在某一速度的参照系上观察光子,光子的速度不会改变,但光子和参照系的空间距离(量杆)会改变。

这原本是一个概念非常清晰的论断,但因狭义相对论用洛伦兹变换把电磁定律和伽利略相对性矛盾处理得很好,消除了洛仑兹的困惑;加上当时人们对光子和刚体的结构差别也不清楚,后来也就没有把“空间收缩”观念坚持下去。

洛仑兹空间胀缩系数和广义相对论场方程的时空是科学的时空观,突破了自人类诞生以来的感性认识。虽然狭义相对论在对刚体运动学应用上有错误,广义相对论也因没有找到时空本体元素而存在不足,但为科学时空观确立奠定了坚实的基础。

广义相对论新时空观诞生后,极大地冲击了经验唯物论。场方程计算的“时空间隔”证明,宇宙中确实有一种“超验实在”驻守在真空场,监护着万物运行。由于相对论把“以太”从时空场中开除了,第二阶段现代物理学对时空概念的认知工作最终没有完成。

第三阶段:弦论、虚时间、时间箭头的启示

相对论诞生已过百岁寿辰,它没有完成的工作后人一直在继续探索。期间,最有成就的新发现,莫过于上世纪七十年代以后提出的弦论、虚时间和时间箭头。

弦论起源于六十年代一个不恰当的实验,后来加州理工学院物理学家史瓦兹把“弦”当作量子的引力载体,为宇宙最小单元提供了一个可以武装时空的本体元素,改变了传统理论把“点粒子”作为最小单元的错误观念。

“虚时间”和“时间箭头”新观念分别由物理化学家伊利亚·普利高津,理论物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯提出,他们在整合统计力学、量子论和相对论过程中,发现了“虚时间”和“时间箭头”对于物态形成和统一引力与量子力学的重要性,把现代物理学对时空概念的认识提升到接近本来面目的崭新阶段。

弦论思想和老子《道德经》中定义的“大道”有相似性,我们已把它定义为夷弦。用正负夷弦作为宇宙本原,就可以对宇宙最小单元的时空做出科学定义。

时间箭头概念较早提出者是化学家普利高津;物理学界权威人士不是太认可。普利高津在研究物态生成过程时发现,熵流的时间指向和熵产生的时间指向相反;由此他确立了定态系统的总熵状态公式,得出“时间之箭在非平衡态结构的形成之中,扮演着最重要的角色”这一新的科学论断。

从物理学视角提出“虚时间”和“时间箭头”的代表人物,是物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯,他们在整合量子论和相对论过程中,发现了“虚时间”和“时间箭头”对于引力和量子力学统一的重要性。霍金说:“无序度或熵随时间增加是所谓时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来,使时间有了方向。……;然而,假定上帝决定不管宇宙从何状态开始,它都必须结束于一个高度有序的状态,则早期这宇宙有可能处于无序状态;这意味着无序度将随时间而减少,你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。”

这是霍金坚定认为当人们试图统一引力和量子力学时,必须引入“虚时间”概念的重要机制,没有虚时间,就无法完成量子论和相对论的统一。霍金的合作者彭罗斯更是直接地说:“真正的量子引力应当是时间不对称的,也就是说,它应当明显地含有时间箭头。”

霍金和彭罗斯认为,欲想弥合量子论和相对论不协调,唯有引入“虚时间”概念和量子的“时间箭头”。这一新发现和普利高津在处理统计力学物态形成时必须引入“熵流”的思想完全一致。

熵流和时间之箭都是虚空负能量子的本质属性,把这两个新概念引入物理定律后,就会从根本上改变人们只能在热力学时间箭头下记住过去,而不是记住将来的心理学时间箭头;才有可能引领人们的心理学时间箭头倒溯,用熵流和虚时间从将来逆向演绎过去事物的来历和创生机制。

虚时间和时间之箭的提出,为时空概念科学化定义提供了非常宝贵的哲学思想。站在先验逻辑易学认知宇宙秩序的视角看,闵可夫斯基时空方程中的时间维ict实际就是引力场以太元素的虚时间,相对论的成功得益于这个虚时间。

科学进步需要一个过程,相对论用“虚时间”得到引力场的“时空间隔”后,把虚时间的载体以太丢弃了,导致霍金提出的虚时间失去了本体元素,他所设想的虚时间和实时间互相垂直也就成了数学技巧。薛定锷方程中那个神奇的算子ih,实际就是单周期量子“虚时间”拥有的负势能。由于量子论物理学家缺少弦量子时空结构支持,导致对这个作用量子的真面目一直没有搞清楚。

虚时间和空间结合,就是虚时空。虚时空代表负弦量子拥有的负势能,在三维坐标中是一个下凹的“空穴”,这是一个看不见的“空”世界。与此相对应,实时空代表正弦量子拥有的正势能,在三维坐标中是一个凸起的实体,这是一个看得见的“实”世界。宇宙中所有定态事物,都是由负弦量子虚时空包络正弦量子的实时空构造,中国古代哲学家老子称虚空是“盅”,物质元素进入“盅”内后,虚空元素的负势能(精气)对它造型,“盅”是什么形状,物质元素就是什么形状;老子把这种结构称“万物负阴而抱阳,冲气以为和”。

可见,人们只要能够突破唯物论不承认宇宙中有非物质实在这一思想障碍,就能对时空概念做出清晰的科学定义。关于普利高津、霍金等科学家提出虚时间和时间之箭的物理机制和价值,在本公众号“统计论的禅境”中有简略介绍。

以上是根据闵可夫斯基四维时空方程,结合相对论和量子论成果,尝试性给出了宇宙虚空中时空元素的结构和功能。若要进一步揭示宇宙时空的整体结构,须用先验逻辑易学结合现代物理学进行演绎推理,初步结论就是大家熟知阴阳鱼太极图。太极图中阴鱼应当是罗氏空间的时空模型,阳鱼内部从鱼眼到恒星、行星等天体之间,应当是黎曼空间的时空流形,时空元素都是以太。

我们日常感知的欧氏空间那只是一个骨架,其空间装的都是罗氏时空元素和黎曼时空元素以太。万物以租用宇宙时空的方式来显示自己的存在时空,租用期间,必须向提供时空的主人交纳租金。缴纳租金的方式在本公众号《上帝的黑匣子——正态分布》中有介绍。

明确了宇宙虚空中的时空元素,如果有读者感兴趣,准备在下一篇文章中进一步探索万物存在的时空结构方式和时空的科学定义。

(待续)

 

 

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