三、space-time平权的绝对性与相对性

摘要: 本文分析了space-time平权理论的背景，依据相对论的理论基础，发展了space-time平权问题，把时间单位与空间单位统一起来，提出了时空转化的问题，使国际7个基本物理量减少为6个。

关键词：space-time平权、狭义相对论 、国际基本物理量、宇宙量、多普勒效应

（一）、space-time平权理论的背景

1967年的国际计量大会(CGPM)议定，用铯133原子内部电子在基态的两个超精细能级间发生跃迁辐射发出的电磁波震荡9192631770周所用时间为1秒作为世界时间标准【5】；也称为原子时。之所以选择铯133原子的这个能级跃迁辐射电磁波是因为它的频率非常稳定，用它来做时间标准可以使计时的误差达到30万年不超过一秒。

从逻辑的、分析的角度看，时间的确具有与空间相似和相同的特性，这使得哲学史上大多数哲学家都把空间和时间放在一起讨论。空间和时间是事物之间的一种次序，空间用以描述物体的位形；时间用以描述事件之间的先后顺序。柏格森第一次从哲学上对时间和空间进行区分，并把时间置于比空间更优越的地位，这具有划时代意义。时间本体从空间化的时间中突现出来。后来的时间哲学不论是现象学、存在主义还是怀特海，都继承了时间优于空间的思想，这导致时间无论在作为物的存在方式，还是作为人的存在方式，都获得比空间更为根本的意义。空间和时间的物理性质主要通过它们与物体运动的各种联系而表现出来。在自然科学中，时间已不仅作为一个度规量而与空间一起接受几何学、逻辑学考究，时间的不可逆性和方向性本来就是一个重要的科学哲学问题，赖兴巴赫和格鲁巴姆为解释时间的方向性作出了重要的贡献。

Engles认为，从宇宙总体上来看，物质运动是一个永远循环的过程，在这个循环过程中，物质的任何一个属性都不会丢失。宇宙的每一循环过程都按照物质固有的规律运行，是物质属性的有秩序的展现过程，循环过程中的物质运动规律是永恒不变的。世界的某些特征永远保持不变。自然定律在空间的每一个方向上以及在任何时刻都相同，这分别等价于在任何物理过程中的总旋转量——角动量——守恒和总能量守恒。这两个量与电磁质量的总体绝对守恒，它们作为守恒量已与整个物理学的上层建筑深深缠结在一起了。因此“无限时间内宇宙的永远重复的连续更替，不过是无限空间内无数宇宙并存的逻辑的补充【3】”，即时间内的宇宙是空间内的宇宙的纵向展开。所以，“物质在它的一切变化中永远是同一的，它的任何一个属性都永远不会丧失。因此，它虽然在某个时候以铁的必然性毁灭自己在地球 上的最美的花朵——思维着的精神，而在另外的某个时候一定又以同样的铁的必然性把它重新产生出来。【3】”物质的每一个循环过程都是其前一循环过程的重复，各个循环过程所包含的信息展现的程序也是相同的，时间是空间的变化，时间经常是用事物变化的方式来定义的。

Galileo相对论指出，不存在“静止状态的”绝对意义，所以“在不同时间的空间的同一点”是没有任何意义的。在18世纪末年，达兰贝尔（J.L.d^,Alembert）和拉格朗日(J.-L.Lagrange)等在他们的著作中，提出了把时间想象为第四个纬度的建议。例如拉格朗日写到：“这样以来，我们就可以把力学看成是一种四维几何学，而把分析力学难看成是解析几何的一种推广。” 从时空角度上看，“实数是空间的数量关系，纯虚数是时间的数量关系，复数则是时空的数量关系”。 在普利高津看来，在近代科学的经典——牛顿力学中，时间作为一个描述运动的参数，是反演对称的，把时间换为空间有相同的结果，这意味未来和过去看来没有实质性的区别。

Einstein在狭义相对论中的论断：“将自然界定律表示成四维时空连续区域里的定律，则采取的形式是逻辑上最满意的。” 【1】 1908年，德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基在科隆的演讲中说：“我想展现在你们面前的关于空间和时间的看法是从实验物理学土壤中萌芽的，而这就是他们力量之所在。他们是彻底的。从今以后，单独的空间和单独的时间都注定如同阴影般消失，只有他们的某种联合能维持一种独立的实在。” 【4】这一新见解为狭义相对论的形成和广义相对论的发展提供了场地和线索，米是通过秒来定义的。Einstein广义相对论把三维的空间和一维的时间合并到一起，在笛卡儿坐标基础上，四维时空坐标创立了。狭义相对论揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，space-time不能截然分开而是统一的整体，但是没有指明时间与空间的本质。不同时刻的三维Euclid空间被分开，把这些空间合并在一起构成了完整的四维space-time图。在狭义或广义相对论的情形下，时间应当是同时性空间或类空表面。在空间——时间中进行匀速直线运动的粒子历史是一条直线——世界线。不变的不是时间间隔和空间间隔，而是space-time线元长度，即△s=△s`,其中△s<sup>2</sup>=△l<sup>2</sup>—△c<sup>2</sup>△t<sup>2</sup>,△s`²=△l`<sup>2</sup>—△c<sup>2</sup>△t`²。Minkowsk指出：“我要向你们提出的空间时间观念是在实验物理学的土壤上产生出来的……从此，单独的空间和单独的时间注定要消退得只剩下一些影子，只有两者的一种联合才会保持为一项独立的实在。Minkowsk空间里时间纬度取虚值，反映了时间和空间的本质差别，因此洛伦兹变换的不变量不是“椭圆型”（空间坐标的平方和时间坐标的平方符号相同）而是“双曲型”（空间坐标的平方和时间坐标的平方符号不同）的，由此产生了光锥内外及光锥前后几个互相不能靠洛伦兹变换到达的区域。Einstein的狭义相对论虽然把空间和时间统一起来，但是没有抹杀空间和时间的差别。对于四维space-time，尽管space-time间隔的度规方程是按照空间度规为标准的，但符号的正负不定，是可变的，所以叫做符号不定的度规。狭义相对论的space-time就是符号不定的度规的space-time。史蒂芬·霍金在《果壳中的宇宙》中说道：“我应该说，对于相信额外的维，我本人一直犹豫不决。但是，对于我这样的一名实证主义者而言，‘额外维的确存在吗？’的问题是没有意义的。人们最多只能问：具有额外维的数学模型能很好地描述宇宙吗？我们还没有不用额外维便无法解释的观测。然而，我们在日内瓦的大型强子对撞机存在观察到它们的可能性。但是，使包括我在内的许多人信服的，必须认真地接受具有额外维的理由是，在这些模型之间存在一种所谓对偶性的意外的关系之网。”（引自吴忠超译〈果壳中的宇宙〉湖南科学技术出版社2002年8月版54页）

广义相对论具有宇宙因子项重力场方程的普遍形式R_uv—0.5g_uvR+g_uv= - kT_uv，式中R_uv是二阶曲率张量；g_uv是度规张量；而T_uv是物质的能量—动量张量；k为常数，可由泊松方程求得，λ为宇宙因子，等式的左边是描述空间几何性质的几何量，而右边是物质张量。该式把物质和space-time紧密联系在一起，表明空间——时间的几何性质与物质的分布及其运动密切相关，物质的分布和运动决定四维空间的曲率，而这个弯曲空间又决定物质的运动状态。广义相对论进一步揭示空间与时间的统一性，指出空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构与性质取决于物质的分布，因此时间与空间相结合的space-time才是物理实在，时间与空间分别是space-time的投影。空间是时间的沉淀（绝对的时间），时间是空间的流动（绝对的空间），二者无法真正分开。时间不过是纵向的空间，空间则是横向的时间；空间是静止的时间，时间是运动着的空间，二者实为一体的东西。在物理学中，在任何惯性参考系中观察任意两个事件，其时间的先后次序都具有绝对的意义，space-time中任意两点间的内禀距离只能是一个旅行者从一点到另一点所花费的固有时间。对于绝对时间与绝对空间而言，事物在空间上的分布规律是其在时间上分布规律的反映，例如宇宙间天体系统的空间分布是其时间演化层次的横向分布，现在空间上的宇宙是历史上宇宙的一个缩影。时间和空间的结合形成space-time连续统，绝对space-time连续统的表现形式是相对space-time连续统。

量子论的时间观：量子力学建立在统计学基础之上，时间似乎可以向前也可以向后，时间是可逆的。量子世界到处都是佯谬。量子论的核心不区分时间的两个方向。高速运动的K粒子的寿命延长。没有时刻的概念，是一个给定的足够长的时间，对一个孤立系统的波函数。这样一来，量子力学并没有提供一个令人满意的基本原则，来解释时间的客观流逝，或者至少能把时间有意义地区分为过去、现在和将来。显然，它与时间就是空间及运动的天文学本质相去甚远。

热力学的时间观：认为系统的熵总是不断地增大，进而给出了事件发生的时间箭头。尽管也认为时间是单向不可逆的，但是，却以系统熵的增加而等于时间的本质。显然，与时间就是空间及运动的天文学本质毫不相关。

弦论的时间观：同相对论的时间观基本等同，并且进一步地认为时间可以卷曲或舒展，甚至认为不能给时间一个准确的定义。显然，这就与时间是空间及运动的天文学本质也不相关。

（二）、space-time平权的绝对性

人们对科学大师们景仰和崇拜的同时却忘了最该向科学大师们学习的一点：以真正科学的精神对待已有的理论体系。 狄拉克于1937年提出了著名的大数假说，其内容是：“自然界出现的任何两个很大的无量纲数是彼此相关的，他们都由一个简单的数学关系相联系”. “年、月、日、时、分、秒”之时间单位的天文物理意义，是对地球自转及公转运动过程（趋势）的描述或记录方式。可见，地球时间的本质，实际上就是地球在太阳系空间中的运动进程。时间就是天体在轨道空间中的位置及其连续不断地改变的过程，时间的流逝就是天体在太空空间中的运动及其变化和勇往直前地推进过程。进一步地，时间的天体运动本性，必然表现为单向不可逆并持续不断的特性。因此，时间的概念是对天体运动规律及特性的一种描述方式。结论：时间就是天体的空间位置及运动。人们根据相对论认为空间与时间等价把国际基本物理量减少1个，这早在20世纪中就这样规定了，是用稳定铯原子波长来定义长度的，世界各地的各种非铯和铯原子钟都要和巴黎的铯原子种来校对时间长度（即=完成空间长度校对）。因为在相对论时空下,空间是时间的函数,从物理学讲它们的自由度是一，其中一个变量完全可以替代另一个变量。

空间是相对时间的空间；时间是相对空间的时间统一在速度这个概念上，光速不变掩盖了空间与时间关系：假定一个参数不变来研究两个参数的变化。v=t·l，实质上三个参数者在变化，没有一个参数是静止的。）3．1，建立广义场空间模型：

1)，假设广义场空间由静止(静态)场空间和运动(动态)场空间组成。

它的几何模型：

Z

=0

静止

(静态) 运动(动态)场空间

场空间

X

Y

图（2） 广义场空间模型

它的数学描述：Ω = + =【x, y, z】+【】

=【】=【x, y, z, 】………①

其中: Ω-----表示广义场空间;

-----表示静止(静态)场空间; -----表示运动(动态)场空间;

X, Y, Z -----表示X, Y, Z轴系; ----- ;

-----表示速度与时间的动态路程。

3．2，广义场空间模型的数学推导：

….四是在Einstein相对论的公式中，虽然提及到了“运动速度”对长度与时间的影响，但遗憾的是未能及时的将“引力”对长度与时间的影响(引力使空间弯曲)一同加入而将公式进一步深化,致使人们还长期停留在“笛卡儿空间”时代的边沿摸索….。

有人认为尽管相对论中空间和时间是密不可分的，然而space-time的类时性或类空性还是绝对的，但是事件具有虚值时间坐标的空间——时间称为Euclid型的，在Euclid space-time图中，时间方向与空间方向没有不同之处，空间与时间是一个问题的两个方面。Minkowski方程反映了space-time平权问题，他认为：“这种对称性在数学上可以用意义很深刻的神秘形式反映相对论的本质（Minkowski称为绝对世界的标准）。”设光速c=bm/s，由于光从A点到B点走1s与走bm是一样的，因此若令光速为1，则得1s=bm ，场的运动速度为1。时间用空间的变化来测量，空间用时间的变化来测量。光年既是时间单位，也是长度单位。在经典广义相对论的实时space-time中，因为时间只沿着一位观察者的历史增加，不象空间那样可以沿着历史增加或减少，时间和空间方向可以区分开来；但是在量子力学虚时间方向和空间方向一样，可以增加或减少，经常使用“将时间变为空间”的问题，在任何情况下，我们利用虚的时间和Euclid空间——时间可以认为仅仅是一个计算实空间——时间的答案的数学手段（或技巧），在计算机技术中也存在这个问题。对于我们的量子边界，我们需要四维空间——而不是四维space-time——中的一个三维表面。因而Stephen Hawking和James Hartle提出：在量子宇宙学格局中，通常的时间概念不再适用，它变成了又一维的空间。空间的几何学可以用来作为时间的量度。在量子宇宙学中，时间是宇宙中的物质成分及其位形的构成物。宏观世界里物体的运动速度很小，仍可用m/s表示。这样便将国际基本物理量缩减为6个。若将光速定为1，则物体的速度称为物体的相对速度，速度是物体在相对space-time中空间与时间的比值。我们称之为space-time的平权理论，它是space-time对称的绝对性的表现形式 。在微观理论中，特别是基本粒子理论中常取自然单位制，其中把时间与空间的量纲取得相同，并把质量量纲取为space-time量纲的倒数，从而只剩下一个量纲，至于单位的大小，则取得使c=1和约化普朗克常数等于1，至于具体取什么单位，则无统一规定，在基本粒子理论中通常是取得使μ介子的质量数值为1。在【2】中王仁川先生也把光速定义为1，笔者认为它进一步表明Minkowski方程的正确性，相对论与量子力学以及基本粒子理论都说明了space-time平权理论的正确。空间和时间本身就是一个数学定义的问题，将两者合并为一个量，整个物理学描述体系将发生改变。

根据space-time平权理论，四维space-time也可以称为四维空间或者四维时间。唯物辩证法认为时间是指物质运动和发展过程中先后的顺序和持续性，空间是指物质存在的广延性、伸张性，是物体之间的排列角度与排列顺序，分别是一维、三维的，具有一定的时代局限性。

由space-time量的差别产生的效应，总可以通过时间量的差别来完成。反之由时间量的差别产生的效应，总可以通过空间量的差别来达到。比如，光的干涉实验，当只允许单个光子通过时（此space-time间量小），短时间暴光，则在底片上只产生几个光斑，不能形成干涉图样。若长时间暴光（时间量存在了差别），则在底片上可产生干涉图样。如果不增加时间，只是允许大量光子（空间量存在差别）同时通过小空，那么短时间暴光，也得到了光的干涉图样。天气预报主要是通过对大尺度空间（水平和垂直）气象条件的探测，来预报未来的天气情况。如果预报未来的时间越长 ，就要求对空间探测的尺度越大。可以说：对时间尺度的预报，依赖于对空间尺度的了解。考古学家就是通过对地层的研究来推断以前的历史情况。地层越深，可推断出该年代就越久远。上述是space-time平权理论的实际应用，用公式表示：

上式的物理意义是：对某一物质而言，若其空间量有了变化（如体积变化），那么该物质必然会产生某一过程；反之，若某一物质产生了某一过程，其结果必然存在空间量的变化。时和空在变换中它们之积是个不变量。时空是不均匀的，但时空却应该是连续的，物体的运动速度、质量、动量和能量也应该是连续的。

笔者认为“多普勒效应”的本质就是时空平权的表现形式（距离的增加相当于时间的延长）：静止的观察者所接收到的发自运动光源的光频率γ与该光的固有频率γ₀的关系如下：①当光源的速度与观察方向之间的夹角为90度时（横向多普勒效应）：，“狭义相对论”理论认为此效应起因于运动光源的振动周期比静止光源增大。②当光源的速度与观察方向之间的夹角为0度（相互远离）或180度（相互接近）时：第一种情况（红移）： 第二种情况（紫移）：。

（三）、space-time平权的相对性

根据对称的相对性与绝对性原理，时间与空间既是对称的，又是不对称的，空间量子具有isotropy，时间量子具有anisotropy，这是space-time对称性的相对性的表现形式 。遗传和变异分别是space-time对称的绝对性与相对性的表现形式。构成我们世界的4维不是完全对称的。我们都知道时间维和空间维是不一样的，时间只能不断向前，而空间上我们可以向任何一个方向运动。如果它们是完全对称的，我们就可以马上写下我们世界的距离公式：d²=x₁²+x₂²+x₃²+x₄²。但因为这种不对称性，我们好象不能这么写。考察所有已知的物理实验的结论和事实，似乎暗示我们正确的距离公式应该是：d²=x₁²+x₂²+x₃²-x₄²。在理性上完全无法解释为什么我们必须生活在一个4维不完全对称的世界中。在现实物理学中，时间与空间是两个完全不同概念的物理度量。如果我们用其中一个量替代另一个量，则从数学角度讲函数关系没有了，函数也就不存在了，从物理学角度讲没有了时间也就不存在空间的概念，同样，没有空间也无所谓时间了，所以它们是不能相互替代的。《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：９．为什么时间具有方向性？１０．宇宙时是不均匀时间流吗？

参考文献：

【1】林为民编译《图说相对论》，内蒙古人民出版社2003年3月版218页

【2】王仁川 著.《广义相对论引论》 中国科学技术大学出版社 1996年版

【3】Engels 著.《自然辩证法 》第23-24页人民出版社1971年版

【4】 [英]约翰·格里宾著、黄磷译《大宇宙百科全书》，海南出版社2001年8月版276页）。

【5】John Gribbin, COMPANION TO THE COSMOS, Item atomictime