摘要 本文以物质系统质能场作用规律代替光的传播，对时空效应进行了阐述，继而形成一个新的时空理论假说——质能场时空论。这一假说不仅合理解决了相对论中的理论不自恰性，而且还发展了相对论的成果，推导出了一系列新的时空效应，揭示了时间和空间的本质。

关键词：质能场交换，时空效应，时空本质

时间是什么？从古至今，有多少哲人和学者为之探索着、争论不休。两千多年前，中国的孔老夫子望着滔滔而去的江水兴叹到：逝者如斯夫! 牛顿说：绝对的、真实的，或数学的时间，它的本身，而且就其本质而言，总是与任何外界事物无关地均匀地流逝着。在一般人的思维观念中，所谓的时间是指能用时钟度量的，用以描述事物发展变化的一种空间存在的延续。时间是绝对抽象的，人们只能凭感觉体会它的存在。

由此不难看出，在经典理论中，时间的流逝与自然界中其他任何事物无关，其中包括自然界存在本身，时间独立于自然界之外而存在。

一、 时空变换效应

二十世纪初，爱因斯坦发表了狭义相对论，认为自然界中的时间和空间不是绝对不变的，在高速运动的参考系内，时空将发生相对性效应。至于参考系在高速运动状态下为什么会发生时空变换效应，爱因斯坦也没有作出解答。实际上，这一问题涉及到了时间的本质，时间并不是一个抽象的概念，它拥有着具体的物理内涵。

狭义相对论的理论出发点基于两个假设：（1）相对性原理；（2）光速不变原理。其中光速不变原理是说：任一条光线在“静止”坐标系中总是以确定的速度c运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。因为一个光源的运动速度在两个相互作匀速运动的惯性系中看起来是不同的，所以光速不变原理又可表述为：光在真空中的传播速度总是各向同性的，与光源的运动速度无关。

光速与光源的运动速度无关，这在经典理论中是无法理解的，因为任何物质的运动速度，都包含着物质的初始速度。如果说光速与光源的运动速度无关，那么只有一种情况就是光速为无限大，而这又与实际情况不符。因此上说，光速不变原理在经典理论中是不成立的。

在相对论中，为了阐述自然界物质的运动规律，采用了参考系，参考系是一个与物质质量无关的假想时空坐标。在这一坐标系中，爱因斯坦根据光速不变原理和洛仑兹变换，推导出了时空的相对性效应。然而，自然界中的参考系是不能脱离物质而存在的，因此我们有必要把物质的质量代人时空坐标系中，用物质质量场的作用代替光的传播，以此来推演运动参考系内的时空变换。

在自然界中普遍存在着两种形式的能量场，这就是物体质量间的万有引力场和荷电粒子间的库仑场，在此，把这两种场合称为物质的质能场。质能场的传播特点是：以各自的质能载体（物体或荷电粒子）为核心，场与场之间彼此以光速 c 进行能量交换，发生作用。

如果把这一质能载体视为各自独立的物质系统A、B、C ……，那么，各系统间都在以质能场的形式发生着联系。系统间的信息传递，可以通过光讯号来完成。

设有A、B 两个物质系统，相对静止时，在 A、B 系统的质心连线的 O 点上，垂直于 AB 发出一束光讯号到达 P 点。如图示（1）:

（1）

令 A、B 两系统以速度 v 进行质心距离缩小的相近运动。假设发射光讯号的点 O 在A系统质能场的作用范围之内， B 只作为一个观测者，暂不考虑 B 系统质能场的作用。那么，在 B 系统观测A系统内的这束光讯号：由于质能场与系统A同步运动，所以光讯号的传播途经将由垂线OP变为一条斜线OP^'。如图（2）所示。

日常生活中也会遇同样的现象，如果雨天乘车就会发现，外面本来垂直下落的雨丝，在运动的车里观察却是倾斜的，其道理是一样的。

由于 A、B 系统的相近运动，使光讯号的传播途径在二维空间内发生了变化，数学表示如下：

OP^'2 = OP² + (vt^') ²

( ct^') ²=(ct₀) ² +( vt^') ² ；

其中 t^' 指系统发生运动后的时间测量值，这一结论首先是在 B 系统内得出的。

须要强调的是， A、B 两系统是完全平权的，没有谁处在比较优越的地位。假如在A系统内观测，如若这束光讯号依赖于 B 系统质能场的运动，那么A系统的观察者会得出相同的结论。就是说，由于 A、B 两系统的相对运动，将导致系统内的时间节律发生变化。

在狭义相对论中光速不变原理强调：光的传播速度与光源的运动无关。而我们也无任何实验证明，光的传播必须与系统质能场保持同步，有什么理由认定光的传播途径必须由 OP 变为 OP^'呢？

其实，我们在这里是借助光传播的可视性，来演示质能场交换的变化特征。如果在物质系统 A、B 的质心连线 O 点上，放置的不是一个光源，而是一物质质点，那么这一质点的质能场将受到运动系统质能场的作用，所发射出去的质能波与运动系统的质能场保持同步。因此在 B 系统内观测由 O 点发射出去的质能波，其传播途径将由 OP 变为 OP^'，与前面假设的光的传播途径相同，二维时空数学表达式仍然成立。

因此上说，光讯号在物质系统的相互作用过程中，不具有特殊意义，它只代表了物质系统间质能场的交换速度。如果说系统间质能场的交换速度不是光速，那么在二维时空数学表达式上，光速 c 将被质能场的传播速度所取代，因为真正决定一个系统内时间节律的是物质系统间质能场的交换率。

整理二维时空数学表达式，即得运动系统与静止系统间的时间关系式：

t₀= t^'(1- v²/c²)^1/2 ；或 t^'=t₀/（ 1- v²/c²）^1/2 ( 1 )

可见，做相近运动的 A、B 两系统，由于质能波的传播与运动系统的质能场保持同步，因此运动系统内的时间比静止时加快了t^'>t₀；这里首先需要假设一个前提，系统间的相对运动速度在光速 c 以内。

如果令 A、B 两系统做质心距离增大的相离运动，同样利用质能波的二维空间变换推理，就可以得到另一组时间效应变换式：

t₀= t^'(1- v²/c²)^1/2 或 t^'=t₀/（ 1- v²/c²）^1/2； (2)

公式（2）告诉我们，做相离运动的物质系统内，其时间要比静止时慢。

根据动量守恒定律，由（1）、（2）式又可以相应推导出质量效应变换式：

相近运动状态下： m^'= m_。/(1- v²/c²)^1/2 (3)

相离运动状态下： m^'= m_。(1- v²/c²)^1/2 (4)

在相对论中，空间几何长度的相对性效应，是通过洛仑兹变换推导出来的，其中光速不变原理起了决定性作用。在质能场时空理论中，虽然否定了光速不变原理，但是仍然承认质能场所具有的光的传播特性，即任何系统的质能场始终相对于系统本身以光速 c 向外传递场的作用。因此可利用这一性质，通过时间效应变换式，推导出空间几何长度效应变换式。

如图示（3），上图表示系统在静止状态下，质能波的传递情况；下图为相近运动状态下，质能波在运动方向上的传递情况。其中T _O为质能波的周期，λ_O为质能波的波长。

如果用T_O代表静止系统内的时间单位，T^'代表运动系统内的时间单位，那么，通过图示可以得出结论：相近运动状态下，系统内时间单位缩小，时间节律加快， T^'< T_O；

T^'=T₀/（1- v²/c²）^1/2

由上式推得运动系统内的质能波波长：

λ^’= T'c = T_O c （1-v²/c²）^1/2 =λ_O（1- v²/c²）^1/2

而质能波波长实际上就是物质系统内的单位空间长度，所以相近运动状态下空间长度的变换式为：

L^’=L_O•（1-v²/c²）^1/2 ; (5)

相应地可以得出两系统在相离运动下空间长度的变换式：

L^’=L_O/（1-v²/c²）^1/2 (6)

公式（5）表示物质系统间发生相近运动时，系统内的空间几何长度将发生收缩效应；公式（6）则表示物质系统间发生相离运动时，系统内的空间几何长度将发生舒张效应。就是说，物质系统在不同的运动状态下，将发生不同性质的空间变换效应。

虽然物质系统内的空间变换效应是在运动方向上推导出来的，但是，这种变换效应并不只局限于运动方向，因为物质系统的质能场是均匀的，在一定范围内，它保证了系统内空间性质的各向同性。所以，物质系统在运动过程中发生空间变换时，也是各向同性的，不会因为空间方向变化而出现圆球变扁球的奇怪现象。

在质能场时空理论中，除了系统内物质的质量、空间长度和时间要发生变换效应外，还有第四个因素将同步发生变换效应，这就是荷电粒子的电量。须要说明的是，若使带电物质的电量发生变换效应，其前提条件必须是带电粒子间彼此发生相对运动，或带电粒子在电场中运动。

根据质能场时空理论的观点，在电场中运动的荷电粒子，将类比于物质系统的质量效应，发生电量变换效应。

两带电体发生相近运动时：

Q^’=Q_O/（1-v²/c²）^1/2； ( 7 )

两带电体发生相离运动时：

Q^’=Q_O•（1-v²/c²）^1/2； ( 8 )

综上所述，（ 1 ）—（ 8 ）式就是在质能场时空理论条件下，推导出来的时、空、质、电的运动变化效应。即在相近运动状态下，物质系统内将发生时间加快、空间长度收缩、物体质量增大、荷电粒子电量增大四种效应；与之相反，在相离运动状态下，物质系统内将发生时间延缓、空间长度舒张、物体质量减小、荷电粒子电量减小四种效应。

二、关于时空本质的讨论

为什么在不同的运动状态下，物质系统将发生不同性质的时空变化效应呢？系统内物体质量增减，难道不违反质能守恒定律吗？

在此，我们有必要通过质量效应的展开式来回答这一问题。相近运动状态下：

m^'= m_。/(1- v²/c²)^1/2 ；

展开即得：

M^’= m_O (1+v^²/2c^²+……)

M^’c^²= m_Oc^² + 1/2 m_Ov^² +……

相离运动状态下：

M^’c^²= m_Oc^² - 1/2 m_Ov^² -……

这一展开式告诉我们，所谓的质量增加，实际上是物质系统在运动过程中，将对方的动能通过质能场的能量交换，转化为本系统内物体静能的结果。同理，相离运动状态下，物体质量的减少，是由于运动系统将自身的一部分静质量在质能场的交换中，以动能形式转化出去的结果。所以说，质能守恒定律在质能场时空理论中仍然成立，并没有因为系统内物体质量的增减而发生变化，理论本身是自恰的。

在相离运动状态下，如果令 v=c ，还可以得到一种有趣的结果，即 m^'=0, 同时 t^'=0 。它说明若两系统彼此以光速 c 相分离，在没有质能场交换的前提下，物体质量归零，系统时间停止。这意味着什么呢？

这实际上涉及到的是时空质的本质问题。质能场时空理论认为：所谓时间，就是自然界物质之间，进行质能场交换频率大小的尺度，时间值与质能场的交换频率成正比，它决定着物质系统内诸事物发展变化的节律。而物质质量则是指该物体在单位时间内与周围其他物体进行质能场交换量的多少，交换量越多，质量越大，反之亦然。而空间则是这种交换范围，它以时间为单位，质能场的传播速度（光速 c ）为尺度，衡量自然界的范畴，它决定了物体几何长度的收缩或舒张。三者之间密不可分，缺一不可，共同统一于质能场的交换之中。因此，质能场时空理论又可称之为质能场交换论。

物质以及其赖以存在的空间和时间，是自然界的最基本构成要素。空间具有描述物质存在的三维属性，如果把时间视为自然界的第四维坐标，那么，物质系统的质量就是自然界的第五维坐标。

在质能场交换论中，物体质量效应展开式告诉我们，质量的转化来源于对方的动能。而在mc^²= m_Oc^² +1/2.m_Ov^² + ……式中， m_O是系统处在静止时的质量，确切地说是自身的静止质量；所以，这一质量效应变换式表示的只是两个质量完全相等的物质系统，发生相对运动时的质能转换关系。当相对运动的两物质系统质量不同时，质量转换效应需要进行参量变换：

m = m_O (1– f v^²/c^²)^+1/2 ； ( f = m^’/m_O)

其中 f 为参量系数， m^'是指对方物质系统所能提供的有效物质参考质量。当两个物质系统间不能进行完全的、充分的质能场交换时，由参量系数 f 进行相应调整。

如来自太空的宇宙射线粒子和地球之间，对于宇宙射线粒子系统来说，虽然地球质量巨大，但它只能与地球极小的一部分质能场发生作用，亦即相当于与等体积空间范围内的物质进行质能场交换，因此，m^'的有效参考质量近似地相当于粒子的质量 m_。， f≈1 。说明宇宙射线粒子系统将要发生的是相近运动状态下，等质量物质系统间的时空质效应，即宇宙射线粒子的质量增大、寿命缩短。请注意，这一结论与狭义相对论所推测的时间延缓、粒子的寿命延长的时间效应正好相反。

然而，反过来对地球来说，宇宙射线粒子质量与地球质量相比，m_地 » m_粒 ， f = m_粒/m_地 ，所以 f≈0，即得 t≈t_O ,m ≈ m_O；说明宇宙射线粒子所提供的参考质量，在其运动过程中使地球发生的时空效应，简直太微乎其微了。

质能场交换论区别于狭义相对论的关键是，它强调发生时空效应的物质系统之间必须存在着质能场的联系，是彼此间质能场交换量的变化，导致了时空效应的发生。如果离开这一前提( f=0)，那么，无论两系统间发生怎样的相对高速运动，都不能使物质系统发生时空变换效应。

宇宙中有许多相对于太阳系高速运动的天体，根据多普勒效应计算，有些天体的运动已接近光速或超过光速。如果按着狭义相对论的观点，在这些天体上观测地球，一定会得出这样结论：地球上的时间节律是缓慢的、物体质量无限增大。而实际情况又是怎样的呢？难道说仅仅因为它们的运动，地球上的时钟就变慢了吗？

至此，让我们重新回顾一下“双生子佯谬问题”。何谓双生子佯谬问题呢？这是爱因斯坦建立相对论以来，争论最久的一个时间效应问题。设想有两个同时诞生的孪生兄弟甲和乙，让他们分别处于相对高速运动的两个参考系中；试问：过一阶段后，甲乙两兄弟谁比较年青些呢？ 按照狭义相对论的观点，在高速运动的参考系内，将发生时间变慢的相对性效应。对兄弟乙来说，甲在做高速运动，所以甲所在的参考系要相对于乙所在的参考系发生相对性效应，即甲参考系内的时钟要慢于乙所在参考系内的时钟。因而，乙必然得出这样的结论：甲要比自己年青。但是，反过来在甲的眼光中，甲也可以认为自己静止不动，相对地来说，乙相对于自己同样也是在做高速运动，那么，甲也可以得出结论：乙要比自己年青。显然上述两种结论是相互矛盾的，哪一种结论正确呢？这就是所谓的“双生子佯谬问题”。 为了解决这一问题，法国物理学家郎之万引用了广义相对论。他首先假设兄弟甲处在一个高速运动的宇宙飞船之中，而乙则处在地球这样的物质参考系中。由于宇宙飞船从地球出发，在宇空遨游到返回地球，是一个变速运动的过程，因而甲本身实际上是处在一个相对于地球加速的非惯性系中。那么，按照等效原理，其结果必然是兄弟甲要比兄弟乙年青。问题至此，矛盾似乎得以解决，然而一经分析就会发现，用广义相对论解决双生子佯谬问题，实际上是避开了矛盾的实质。如果让甲乙两人分别处在两个完全平权的参考系中，其结果又会怎样呢？ 在两个完全平权的参考系中，相对做高速运动的甲乙两人，既不能说甲比乙年青，也不能说乙比甲年青，难道说甲乙两人将同样年青，这岂不又回到经典理论中去了吗？又有何相对性效应而言呢？ 因此上说，在相对论体系内，双生子佯谬问题无论如何是无法自圆其说的，它反映出狭义相对论理论的不自恰性。 按照质能场时空论的观点，在两个完全平权的参考系中，即两个质量相等的物质系统之中，无论发生怎样的相对高速运动，甲、乙两兄弟都将同样年青。但不同的是，在相近运动状态下，甲、乙两人都将相对于二系统相对静止时的两人显得衰老；相反，在相离运动状态下，甲、乙两人又都将相对于二系统相对静止时的两人显得年青；因为标准时间定义在相对静止时的物质系统之中。

十九世纪，人们为了寻找以太做了大量实验，其中最著名的莫过于迈克尔逊—莫雷实验，该实验证明了地球上不存在以太风。

人们为什么要寻找以太风呢？那是因为当时的人们认为，光媒质像声波的媒介质——空气一样，是一种弥漫于整个宇宙的流体，为此，要确定一个相对于以太静止的参考系。在天文观测中，光行差现象似乎告诉我们，太阳系就是这样一个特殊的参考系；而实验证明，地球上又没有以太风。在如此矛盾的前提下，人们被迫放弃了以太的概念。也正是基于此，爱因斯坦提出了光速不变原理，通过洛仑兹变换，推导出了一组相对性时空效应，这就是狭义相对论。但是，由于相对论建立的基础抛开了“物质”这一基本前提，所以必然导致其理论的局限性，对时空变换效应知其然，而不知其所以然，这也是“光测效应”的必然结果。

质能场交换论则是在物质系统与场的结合基础上，阐述了质能波的传播特性，剖析了质能场的交换规律，进而推导出了一组新的时空效应。这一时空理论不仅合理地解决了过去理论与实验中的矛盾，而且还进一步阐明时空的本质，解释了自然界中的各种超时空现象。同时，对光速在时空变换中所起的作用，予以了重新评价。

参考文献：

[1] 倪光炯，李洪芳.《近代物理》.上海科技出版社， 1979.