绝对时空观、相对时空观和物质空间时空观绝对时空观、相对时空观和物质空间时空观.docVIP

绝对时空观、相对时空观和物质空间时空观 殷 业 上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234 E-mail: yinye@188.com 摘 要：时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但答案最终答案。时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但他们的答案最终答案。以上四位伟人对时空的答案，有一个共同点，就是时间和空间只有一种，但以笛卡尔的为基础的时空观中，分，一是中的时间和空间即牛顿的绝对时间和空间，另一种是物质空间中的时间和空间即爱因斯坦的相对时间和空间，时间空间无关，一种时间空间相关，下面我们。亚里士多德 图2 笛卡尔宇宙模型（空间物质充满真空和整个宇宙） 图中S表示太阳所在的位置，真空中充满了空间物质，它们围绕太阳形成漩涡，这种漩涡导致了太阳系的形成，宇宙中所有恒星都是一个个漩涡中心。笛卡尔的宇宙模型有一个最大的优点，它可以说明太阳系的历史演化，这是牛顿力学做不到的，牛顿能做的只能是假设“上帝的第一次推动”。 如果用现代科学来回答物质到底是否无限可分，最佳答案是：物质只能是相对无限可分。即：物质是分层次的，层次越高，越难分离，就化学反应而言原子是不可分的，但就核反应而言原子是可分的，任何层次的物质都是可分的，但越往后越难分离。 有了以上的铺垫，就可给“理想物质空间”下一个定义：充满无限小连续物质的空间为“理想物质空间”。 真实的物质空间是：连续的物质占据的空间，如：空气、水、真空等，它们是“理想物质空间”的近似，就像理想气体和真实气体的关系一样。 定义中的真实物质空间中的连续是相对的，真实的自然不存在“无限小连续的物质”，所有的物质都有微观结构，也就是任何层次的物质都是可分的，但存在“相对的连续物质”，例如：对鱼而言，水就是它们生存其中的“物质空间”，对人而言，空气就是人生存其中的“物质空间”，对恒星而言，真空就是它们运动其中的“物质空间”，物质空间思想强调所有空间中都存在物质，任何物体都在物质空间中运动。 物质空间具有层次结构（注：笛卡尔哲学思想中没有这个概念，物质空间的层次思想是根据现代科学证据提出的一个假设），“空间物质”由稠密到稀薄，从低级到高级递进。最稠密的空间是宇宙爆炸时（或黑洞内的）的“奇点”，最稀薄的空间是一无所有的空间，即“无空间”（虚空），“奇点”和“无空间”为极限空间，一般稀薄的空间物质包围稠密的空间物质，物质空间层次结构如图2所示。 图2 物质空间层次结构模型 简单地讲，“虚空”就是一无所有的空间，它作为极限空间而存在，“物质空间”就是含有物质的空间，它包含我们周围可感知的空间。 历史上曾流行过“以太”概念，后来被狭义相对论否定了，那么“物质空间”概念和“以太”概念的区别是什么？ “物质空间”来源于笛卡尔“一无所有的空间”不存在的哲学思想，爱因斯坦也认为笛卡尔是正确的[6]。广义相对论的推理是：物质决定空间的弯曲，空间决定物质的运动。爱因斯坦曾表示：相对论转了一大圈只是证明笛卡尔的思想是正确的，即“一无所有的空间不存在”。如果将“一无所有的空间不存在，存在的空间中都存在物质”作为公理，那么这一公理可称为：笛卡尔-爱因斯坦公理。这个公理的正确性依据之一是“物质空间层次模型和高维空间模型在数学上等价”[10]，所以“物质空间层次模型”可以作为“高维空间”的物理模型，物质空间层次模型的最大优点是可以直观想象。 “以太”的概念是为了说明某些物理现象（如光或电磁波）的性质而引入的假想物质，“以太”概念的关键是它的性质，至于它到底是什么，一直没有搞清楚，真空中的物质很多，现在知道的有：宇宙背景辐射、引力场、宇宙射线、电磁波、星际物质、暗物质、暗能量等等，“以太”到底是什么物质组成的没有明确的概念。“物质空间”概念则强调空间中的物质存在，强调物质和空间不可分离，强调所有的物体运动均在一定的“物质空间”中进行。没有空间中的物质存在，就不可能发生运动物体和空间的相互作用，相对论就不可能成立，所以“物质空间”概念是明确的，可感知的，可物理测量的。海洋、大气、真空都是具体的物质空间，鱼在水中可感知水的存在，人在空气中行走可感知空气的存在，同理当物体在真空中以接近光速运动时，同样可感受到真空中的物质存在。可以得出这样的一条规律：“在越稀薄的物质空间中越需要高速运动才能感受到物质和空间的相互作用”。蜗牛的运动是不需要考虑空气的存在的，所以在低速情况下，牛顿力学可以很好地说明天体的运动，但高速时，真空的物质性就体现出来了，必须用相对论才