八、时空的相对性与绝对性原理

摘要: 文章首先提出了时空的相对绝对性原理，相对时空构成绝对时空，绝对时空是平直时空，相对时空是弯曲时空。

关键词：绝对时空、相对时空、 时空的相对性与绝对性原理、宇宙背景辐射

(一) 时空的相对性

19世纪末的爆发的第三次数学危机，导致了后起之秀——操作主义思潮在欧洲横行。对于物理学的直接作用就是物理量的可测量性问题。如今人们已经明白，不能要求所有基本物理量都具有所谓的测量性。但是基本定律所给出的物理量的解，原则上必须具有可测性。放宽地讲，不要求基本原理本身的每一个物理量均具有可测量性。个别物理量数学上能够满足伽利略的思想实验即可。

Einstein在其《论运动物体的电动力学》一文中有这样的一个假设：“设有一个坐标系，在此系统中Newton力学方程有效。为了更确切表达我们的思想，并和以后的其它系统在字面上有所区别，我们称这个系统为“静止系统”。如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，它的位置应可以用刚尺测量与欧几里德几何学的方法相对地来确定，并可用笛卡尔坐标来表示。”在Einstein的思维中这纯粹是运动学的问题，为了讨论这个问题他假定了一个理想的刚杆测量系统和一个基于理想时钟的时间测量系统，他没有假定这两个测量系统会随着观测者的不同运动状态而有所改变。经过对空间测量系统以及物体的运动对于空间测量系统的改变的分析发现正是此假设隐含着绝对空间的假设。在高速运动状态或者宇观世界里，物质的引力质量比较大，影响了空间与时间的结构，此时以相对空间为主。【3】（笔者注：后面将要说明相对空间即物体激发的引力场，绝对空间是宇宙中所有引力质量激发的引力场）在广义相对论中，空间和时间不再是与物理学的其它方面无关的了，物体的几何特性和钟的运动依赖于引力场，这些场本身又是物质产生的。在广义相对论中，过程持续性、空间尺度、粒子引力质量以及有限与无限的观念也是依赖于参考系的。

下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的 ， 这两条原理我们定义如下：

1、物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

2、 任何光线在“ 静止的” 坐标系中都是以确定的速度 V 运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。由此 ，得：

这里的 “ 时间间隔” 是依照§1 中所定义的意义来理解的。

设有一静止的刚性杆；用一根也是静止的量杆量得它的长度是L 。我们现在设想这杆的轴是放在静止坐标系的X 轴上，然后使这根杆沿着 X 轴向 x 增加的方向做匀速的平行移动 ( 速度是 ν) 。我们现在来考查这根运动着的杆的长度，并且设想它的长度是由下面两种操作来确定的：

a) 观察者同前面所给的量杆以及那根要量度的杆一道运动，并且直接用量杆同杆相叠合来量出杆的长度 ，正像要量的杆、观察者和量杆都处于静止时一样。

b) 观察者借助于一些安置在静系中的、并且根据§1 做同步运行的静止的钟，在某一特定时刻 t ，求出那根要量的杆的始末两端处于静系中的哪两个点上。用那根已经使用过的在这种情况下是静止的量杆所量得的这两点之间的距离，也是一种长度，我们可以称它为“ 杆的长度”。

由操作 a) 求得的长度，我们可称之为“动系中杆的长度”。根据相对性原理，它必定等于静止杆的长度L 。

由操作 b) 求得的长度，我们可称之为“静系中 ( 运动着的 ) 杆的长度”。这 种长度我们要根据我们的两条原理来加以确定，并且将会发现，它是不同于L 的。

通常所用的运动学心照不宣地假定了：用上述这两种操作所测得的长度彼此是完全相等的，或者换句话说，一个运动着的刚体，于时期 t，在几何学关系上完全可以用静止在一定位置上的同一物体来代替。

此外，我们设想，在杆的两端 (A 和 B)，都放着一只同静系的钟同步了的钟 ，也就是说 ，这些钟在任何瞬间所报的时刻，都同它们所在地方的“ 静系时间”相一 致； 因此，这些钟也是“在静系中同步的”。

我们进一步设想，在每一只钟那里都有一位运动着的观察者同它在一起，而且他们把§1中确立起来的关于两只钟同步运行的判据应用到这两只钟上。设有一道光线在时间①（ 注：① 这里的“时间”表示“静系的时间”，同时也表示“运动着的钟经过所讨论的地点时的指针位置”）。 从 A 处发出，在时间 于B处被反射回，并在时间 返回到 A 处。考虑到光速不变原理，我们得到：

和

此处 表示运动着的杆的长度——在静系中量得的。因此，同动杆一起运动着的观察者会发现这两只钟不是同步运行的，可是处在静系中的观察者却会宣称这两只钟是同步的。

由此可见，我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了。

微观领域中，当一个粒子轰击另一个粒子时，分离后的粒子的空间尺度不一定比原来的小，此时指的是相对空间。相对时间是宇宙中一切具体物质系统的时间方向性，是由它本身的内在矛盾及其与环境的相互作用而决定的。

（二）时空的绝对性

物理学的每一重大进展都更进一步地揭示了绝对空间与有质量的粒子发生相互作用时所产生的丰富的物理效应，即所谓狭义相对论效应、广义相对论效应、真空效应等，因而物理学的每一重大进展都事实上向绝对空间存在的证明更近了一步，Einstein晚年明确宣布放弃马赫原理，并承认他未战胜牛顿的绝对空间概念。

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space-time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。”

第一个物理的宇宙模型是Einstein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。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space-time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。【5】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Newton空间的复活【1】。

从原理上看，广义相对论的引力理论同Newton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Newton的绝对space-time观不完全一致，在这里时间与空间有联系，而且space-time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space-time）。【4】

1976～1977年美国加州大学劳伦斯.伯克利实验室利用飞机在15000 m以上高空中完成的宇宙背景辐射实验揭示出：“在任一背景辐射完全是各向同性的空间区域里，只能有一个惯性参考系。在其它任何参考系中，观察者的运动将表现为辐射在温度上的变化，这个变化既与观测者的速度成正比，也与它的运动方向和观测方向间夹角的余弦成正比。物理学家 >【7】

（三）时空的绝对性与相对性原理

在时间观念上，作为现代物理学两大支柱的相对论和量子力学一直存在着抵触。量子力学在绝对意义上使用时间的概念，而相对论认为这是不允许的。正如狄拉克所说：“这里我们就碰到了巨大困难的开头。……这个抵触是最近四十年来物理学的主要问题。” 【6】按照Einstein的想法，不能说相对论提供了详尽的世界图景，它只是提供了这幅图景所应当服从的某些要求，而且没有指明空间与时间的本质及区别。因此相对论本身并不是一个理论，而是对物理学理论的一个要求，空间与时间应当是绝对性与相对性的统一。

相对空间、相对时间、相对space-time是绝对空间、绝对时间、绝对space-time的表现形式【1】。绝对space-time由相对space-time组成，无穷个相对space-time组成绝对space-time，在研究两个物体的相互作用时，可以把第三个物体激发的相对space-time作为绝对space-time（此时绝对空间并不均匀，绝对时间流速也不均匀）。这一点类似于地理学中的高度都是相对的，但是若以海平面为基准，则可以成为绝对高度。地方时是相对的，但是倘若规定一个标准，则可以认为是绝对的，例如中国的北京时间。

在宇宙的展现过程中，相对空间与绝对空间各司其职，两者对事物的作用以绝对空间为主，以相对空间为辅，尤其在低速世界中是这样。因为物质对space-time结构的影响极其微弱（整个宇宙的正引力质量为无穷大），只有在具有大引力质量的天体的周围才能找到。由于整个宇宙的正引力质量为无穷大，因此宇宙应当是封闭的球形区域，射影几何的观点是正确的。

弯曲space-time中的space-time流形坐标的意义，是长期困扰相对论理论的最基本的问题之一。如果区分两类space-time坐标，一类不能与直接测量相联系，纯属数学描述引入的space-time坐标，另一类能与直接测量相联系的space-time坐标。【2】笔者认为前者应当是绝对space-time坐标，后者应当为相对space-time坐标。

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】Einstein 著 方在庆 韩文博 何维国 译.《Einstein晚年文集》 海南出版社 2000年3月第1版

【3】（英） Newton 原著 王克迪 译 袁江洋 核.《自然哲学之数学原理》陕西人民出版社

【4】（英）Roger Penrose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】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

【6】狄拉克．《现代物理学参考资料》第3集[C]．科学出版社,1978．38

【7】 Scicntific American 1978 年238卷5期