时间与空间的本质

 

时间与空间是无处不在的,但时间与空间到底是什么呢?

对于如此底层的事物,我们很难用生活中的具体概念直观感受,去理解和描述。因为认知一个事物,往往是从底层了解其组成部分,而时间与空间显然在底层,我们的生活在上层,通过上层难以了解底层。

但科学视角,却提供了一套绕过“直观”的逻辑路径,让我们可以看到甚至了解到,时间与空间的本质与底层构建。

本文,将会从相对论量子力学的角度,去推演并解读,时间空间的本质所在。

 

时间的本质

 

最简单的理解,时间是用来描述变化的计量,没有变化就没有时间——这个理解在宏观没有问题,但在微观不够准确,因为光子就有变化没时间,不过我们先从简单开始,再慢慢展开复杂准确的理解。

那么试想,如果一切都不再变化了,还会有时间吗?

就算有时间,也没有“变化之物”用来计时,就算例外一只时钟可以变化,这个时钟上转动的指针或是跳动的字符,到底是在记录什么呢?它描述的时间流逝还有意义吗?

事实上,时间的发明和存在,就是为了——记录或是描述某种变化的,例如:

  • 地球的自转变化产生了一天。
  • 地球的公转变化产生了一年。
  • 太阳的周期变化产生了阳历。
  • 月亮的周期变化产生了阴历。
  • 人体的衰老变化产生了年龄。

而时间的基础单位——秒:

  • 最初是由秒摆的运动变化来计量的。
  • 后来是地球的自转变化来计量的。
  • 然后是地球公转变化来计量的。
  • 最后是原子结构的辐射周期变化来计量的,即:铯133原子辐射电磁波的周期倍数。

可见,是变化产生了时间,而不是时间导致了变化,变化是物理客观,时间是人为定义,即:物理变化(地球自转一圈)定义了时间(一天),时间(一天)计量了物理变化(地球自转一圈)。

因此,如果宇宙全部的一切(包括从微观到宏观),都静止不动了,那么变化就不存在了,随之时间也就不存在了,同时也失去了计时的手段和意义。

而如果想要一切都静止不动,就需要微观粒子停止运动,但又因为“海森堡不确定性原理”指出——无法同时精确地获得粒子的位置和动量。

那么,粒子绝对静止,动量为零,位置确定,这就会与不确定性原理相矛盾,所以粒子无法静止不动。

这个不确定性原理,在量子力学中,是指粒子内在的禀性(即波粒二象性),其代表了粒子状态的客观现实。

  • 在数学上,粒子的状态,由波函数描述,呈现一种概率。
  • 在物理上,粒子的状态,其精确性受到了更为深刻和本质的限制。

 

波函数——是量子力学中,定量描述微观粒子状态的函数,其代表的是粒子空间位置与动量的一种概率分布,呈现了波动性,可以形象化成“概率云”,而云的形状,就可以理解为粒子的“轨道”。

 

需要指出的是,如果没有发现不确定性原理,我们就不能确定粒子无法静止,是科技水平的限制——暂时无法做到,还是存在根本性的现实制约——永远无法做到

而从另一个角度来看,物质的温度取决于其内部原子、分子等粒子的动能。如果粒子停止运动,其动能就低到了量子力学的最低点,此时物质即达到绝对零度。然而,根据热力学第三定律,绝对零度永远无法达到,只可无限逼近,所以粒子无法静止不动。

 

热力学第三定律——这是一个实验结果归纳出的结论,来自普朗克的表述是:当绝对温度趋于零时,固体和液体的熵值也趋于零。后来,能斯特又将这一规律表述为:绝对零度不可能达到原理,即不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。

绝对零度——是热力学的最低温度,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度,不能再低。除非构成物质的实粒子,完全没有振动且体积为零。所以,绝对零度是仅存于理论的下限值。

 

那么,如果微观粒子无法停止变化,就表明时间是必须存在的,而微观粒子的变化,就可以用量子态来计数,即:计算不同量子态个数的变化——它是一个统计量

量子态的作用,就是描述了微观粒子的状态,而量子态如何计数,这涉及到了——泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle),即:在费米子组成的系统中,不能有两个或两个以上的粒子,处在相同的量子态,而玻色子组成的系统则不受此限制。

 

费米子——是指自旋为半奇数的粒子,如电子。
玻色子——是指自旋为整数的粒子,如光子。

 

这意味着,费米子系统——不能有全同粒子,量子态可以计数;玻色子系统——可以有全同粒子,量子态不可计数。

也就是说,由费米子构成的物质,其量子态计数的变化,就是在最微观处,描述时间所需要的变化,即存在时间;而由玻色子构成的物质,没有不同的量子态可以计数,或说没有“有序”可以区分变化,即不存在时间。

需要指出的是,量子态相同,就没有办法计数的原因在于,粒子没有明确的轨道,由于不确定性原理,它可以出现的位置是“概率云”,所以就没有办法追踪多个相同量子态中的一个,即不能给相同的量子态“编号”,这样多个相同的量子态就没办法区分,只能算一个,同时测量还会改变全同粒子的量子态,使其变得不同。

那么,如果费米子玻色子,不构成系统,仅独立存在(也就是基本粒子),它们本身量子态变化,就会有时间,否则就没有。而通常有质量,理论上就会衰变,衰变就会改变量子态计数,产生时间。

  • 例如,光子是玻色子,它无论是组成系统(即一束光),还是单独一个,其量子态计数都不存在变化,并且光子没有质量,也不会衰变——说明光子没有时间,或说时间静止。
  • 例如,电子是费米子,它在原子系统中,遵循不相容原理,两个电子量子态无法相同——说明原子系统有时间;而单独的两个电子,它们的量子态是相同的——说明仅有两个电子(没有相互作用)的系统没有时间。
  • 例如,同一类夸克(如上夸克)是全同的基本粒子——说明单独的夸克没有时间,但由于“夸克禁闭”,夸克不能单独存在,而由夸克组成的系统(如质子、中子)会由于弱力而衰变——说明夸克系统有时间,即:质子和中子组成的原子核有时间。
  • 例如,正反粒子相遇湮灭(质量消失),或高能光子碰撞产生正反粒子(质量产生),其系统的量子态计数都会变化——说明这个系统有时间。

可见,时间所对应的变化,并不一定就是速度或是位置的变化,而是量子态计数的变化。那么如果量子态计数不变,则意味着量子态全同系统,没有历史与未来,只有静止的现在。

需要深入说明的是,变化可以是相对的(即需要参考系的),相对变化对应了相对时间(如相对速度有相对时间),那么绝对变化(与参考系无关)就对应了绝对时间(如加速度有绝对时间),而量子态计数的变化就是一种绝对变化,因为其过程存在状态的“跳变”(与参考系无关),宏观表现就是(出现过)加速度——这可以看成是物质的绝对变化,而不是相对变化

从这个角度来看,量子纠缠的超距作用,之所以不需要时间,就是因为处在纠缠态的粒子们,无论相距多远,作为一个“整体系统”,其整体的量子态计数,在叠加态坍缩前后是不变的,从而这个过程也就没有可计数的时间了。

例如,简化模型,两个纠缠态的粒子,每个粒子都处在正负自旋的叠加态(如50%正、50%负,正负代表不同的自旋方向),而自旋不同量子态就不同,那么两个粒子整体的量子态计数,就是一正一负,只不过不确定谁正谁负(如50%正负、50%负正),而在超距作用之后,两个粒子的自旋就会确定谁正谁负,但整体的量子态计数不变,即:始终为有一个正、有一个负。

那么,叠加态的坍缩,即波函数的坍缩,这个过程前后的量子态计数是不变的,所以量子态坍缩也是不需要时间的,即可以瞬间完成坍缩。

因此,我们可以得出,任何不需要时间的相互作用,其过程前后,量子态计数都不会发生变化,即:变化不需要时间,是因为量子态计数没有变化。

不过,这里有两点需要注意:

  • 第一,量子态计数不变,就没有信息(不是传递信息),所以量子纠缠现象,其过程没有信息。
  • 第二,光子传递的信息,不是其自身的量子态变化,而是反应了费米子量子态的变化。

可见,信息与时间,在微观的来源是共同的,即量子态的计数变化,或说是量子数自由度的排列组合,即量子比特

 

时间的方向

 

理论上,费米子构成了——物质结构,而玻色子则传递了——相互作用,那么除了光子,另外还有三种玻色子

  • 胶子——没有质量,无法抵达光速,由于夸克禁闭被束缚在原子核内部,相当于暂停时间
  • W和Z玻色子——有质量,无法抵达光速,通过相互作用减少费米子的质量,相当于消耗时间
  • 希格斯粒子——有质量,无法抵达光速,由希格斯场产生(场是粒子的集合,粒子是场的振动),而希格斯场还负责赋予其它粒子质量,相当于产生时间

至于,超越光速产生时间倒流(时间变成虚数,在数轴旋转了180度),这只是数学上的对称性(有正就有负),所形成的方程求解,并不一定对应着物理上的客观存在。而在现实中,也没有任何有质量的物体,可以抵达或是超越光速。

 

在狭义相对论下,观察者参考系时间(静系时间) = 运动者参考系时间(动系时间) * 洛伦兹因子——1 / sqrt(1 - (v/c)^2),当v > c即速度超光速时,洛伦兹因子开根号出现负数,因此时间变为虚数。

 

但,如果仅从数学上来看,由于虚数的平方是实数,所以虚数世界与我们的实数世界,其实相差了一个平方。

因此,超光速的平方,就对应了虚时间的平方(为负数),同时也对应了虚能量的平方(为负数)——这代表了物质抵达光速,就变成了“纯能量”(没有静质量),继续超光速,这个能量就会从这个宇宙消失,变成虚能量(其平方在这个宇宙是负数),即:可能去了另一个平行宇宙。

 

虚时间——时间平方为负时的时间。
虚能量——能量平方为负时的能量。
虚质量——质量平方为负时的质量。

 

不过,有一种假想中的粒子,一直处在超光速运动的状态,称之为——快子(质量平方为负,即拥有虚质量,对应了虚时间)。快子的存在,并不违背狭义相对论的设定,只是目前并没有发现其存在的证据。

然而,还有观点认为,时间并不是连续的,而是量子化的。因为微观粒子能量变化的非连续性,会让时间也一起变得非连续,即存在一个最小的时间单位——就是普朗克时间(h / c,普朗克长度 / 光速),为 10^-43秒。

 

大爆炸过后10^-43秒,即所谓的普朗克时间,计算的宇宙温度大约是10^32K,比太阳内部的温度还高10亿亿亿(10^25)倍,然后,宇宙随时间膨胀、冷却……

 

但这不重要,所有对时间不同角度的描述,最终都会落实到变化上——时间是用来描述变化的计量,没有变化就没有时间了。

那么,从微观角度来看,量子态计数所描述的微观变化,就是变化的终极本质,也就是时间的终极本质——代表着时间计数器“滴答滴答”的最终来源。

那么,从宏观角度来看,广义相对论认为时间、空间、物质三者不能分开解释,它们是宇宙的基本结构。因此,物质变化就一定会带来时间的变化。这可以理解为,是微观粒子的变化,积累形成了宏观物质的变化,最终使得时间从微观到宏观,连续而统一的存在。

在宏观统计上,物质的变化是有方向的,即是宇宙熵增无序的方向——这对应了现实中,四种等价的变化:

  • 第一,质量(有序结构,势能)转变成能量(无序运动,动能)。
  • 第二,对称性破缺(低温,低对称性)转变成对称性(高温,高对称性)。
  • 第三,物质粒子(费米子)转变成光子(玻色子)。
  • 第四,量子态(不同)可计数,转变成量子态(全同)不可计数。

 

能量——通常是指可利用的能量,即存在有序结构的质量,当有序结构(势能)转化为无序运动(动能)之后,就只剩下了不可利用的能量。宏观上,可利用能量也被称为自由能,其代表了,将内能转化为对外做功的能力。

 

例如,人体的衰老时间,宏观上是质量减少的变化,微观上是基因从有序到无序的变化,最本质是费米子量子态计数的变化。其过程是,费米子代表的轻子和夸克,其变化影响了上层原子,原子变化影响了分子,分子变化影响了基因表达,基因表达影响了细胞运作,细胞运作影响了组织器官,最终影响了人体衰老变化,即衰老时间。

由此可见,时间也是存在方向的,即时间的变化指向了——熵增无序和质能转换。而光子没有质量,仅有能量,量子态不可计数——则代表着时间变化的终点,所以光子的时间静止,不再变化。

最后,如果物质变化代表了时间,那么这个变化的快慢,就会代表不同的时间流逝速度,这对应了两种相对论的结论:

  • 狭义相对论指出——相对速度越快,时间就越慢,即:相对时间膨胀。
  • 广义相对论指出——越靠近引力场,时间就越慢,即:绝对时间膨胀。

需要注意的是,根据广义相对论,在超强引力场中(如黑洞中),时间可以慢到静止,但这与光子的时间静止,却是两种本质不同的静止:

  • 光子的时间静止——是因为没有质量,从而没有了物质变化。
  • 黑洞的时间静止——是因为质量极大,引力将物质极端紧密的挤压在一起,导致没有运动、温度几乎抵达绝对零度,从而没有了物质变化。

例如,霍金(Stephen Hawking)通过结合部分的广义相对论与量子力学,证明黑洞也拥有温度,通过计算发现,质量约为3个太阳质量(即3M)的黑洞,其温度大约只比绝对零度高一亿分之一度(约1.8 * 10^-9K),这几乎就没有任何微观运动了。

事实上,黑洞越大越冷,我们银河系中心的质量约4 * 10^6M的黑洞,温度只有1.5 * 10^-14K——这意味着,黑洞越大物质变化越慢,即时间越慢。

 

有关黑洞和大爆炸的数据,取自《宇宙的轮回》(罗杰·彭罗斯)和《宇宙的琴弦》(布赖恩·格林)。
有关时间的快与慢,具体参看主题相关文章[1]。

 

空间的本质

 

因为有了物质,物质变化的呈现就是空间,比如长宽高、位置差、大小方向等,都是随着物质变化所展现出来的——结构属性

而通常,我们所谓的空间感,最主要来源就是空,并且曾经人们觉得真空是没有任何物质的。但没有物质,又怎么会有空间呢?后来,量子场论认为真空——并不是没有任何物质,而是充满了场和能量的。

场,是一种存在于空间之中,看不见摸不着但确实存在的物质,比如引力场、电磁场、夸克场、电子场、中微子场、光子场、希格斯场,量子场等等,都具有客观存在的可观测效应。

可见,场就是物质变化的范围——它能够被量子化激发,产生能量和动量,以及与微观粒子发生互相作用。

于是,场就可以看成是,同类型粒子的集合,而场中的微小振动(即量子化激发),就产生了一类粒子,就如:光子是电磁场的微小振动,电子是电子场的微小振动,希子是希格斯场的微小振动。

这可以形象的理解成,向平静的湖面,扔下一个小石子,结果湖面波纹涟漪,于是平静的湖面从能量最低态(即基态)中被激发了。

那么,真空中的场——其实是充满了虚粒子的,并且虚粒子,会持续地随机生成或湮灭于空间的任意位置,产生可观测效应。而如果所有位置的虚粒子,都处在了最低能量态,那么空间就抵达了最低能量态,即量子真空态

 

虚粒子——相对于实粒子,其无质量、无法直接观测到,但存在可观测效应,如卡西米尔效应。注意,只要能够观测到的粒子,就是实粒子,而不是虚粒子。

卡西米尔效应——是指真空中两片中性(不带电)的金属箔,在距离非常非常小的时候,会出现互相的吸力,也就是卡什米尔力,这在经典理论中是不会出现的现象。而产生这种吸力的原因,就是在金属箔之间的距离,小于真空中虚粒子的波长时(波粒二象性),虚粒子就无法存在于金属箔之间,从而金属箔外的虚粒子就会迫使金属箔相互靠拢。

 

由此可见,真空并不是空的,里面充满了场和能量。而在宇宙中,也没有什么地方是“空”的,因为物质无处不在,并且也只有物质存在,才会有空间的存在,即:物质变化的呈现就是空间。

从另一个角度来看,如果真的存在“空无一物”之处,那么此处也应该不存在物理定律才对。但我们知道,物理定律在宇宙中是普适的,即无处不在的。

而如前文所述,时间也是源于物质的变化,于是时间与空间,就(通过物质变化)一起构成了——紧密联系不可分割的时空。并且,时空与物质,就像是一个统一的整体,是一个共同的本质,所呈现的不同表象。

 

时空区域——是在一段时间内的空间区域,它拥有这段时间内空间区域中,所有发生事件的记录,即所有物质变化的记录。

 

例如,在宇宙大爆炸的奇点,物质还没有开始变化,所以时间与空间都是不存在的,同时一切物理定律也是不存在的,因为物理定律,就是描述物质变化的规律。

既然如此,那么物质变化所产生的互相作用,以及所形成的特性,也就会体现在时间与空间所构成的时空之上。

所以,如果物质可以弯曲,那么时空也就可以弯曲

广义相对论中,爱因斯坦认为,质量会让时空弯曲,如果时空弯曲,光的路径就会弯曲,因此光就会弯曲。于是,光在通过强引力场附近时会发生弯曲,这就是广相的重要预言之一。而光路径的“弯曲效应”早已经被实验所证实。

例如,遥远恒星的光线,经过太阳时会产生偏折。

在此需要注意的是,从广相的视角来看,时空弯曲产生了“引力效应”,同时改变了光的路径,所以并不是引力的吸引让光弯曲。并且光没有质量,这意味着光本身不会弯曲(影响)时空,但仍然会受到(其它质量)弯曲时空的影响。

 

通过实际观测,发现光路径弯曲的角度,与广相的计算结果一致,而广相认为没有引力,只有时空弯曲。

如果用狭相把光子的能量等效质量,再用万有引力计算,那么光的弯曲角度,只有广相计算的一半,即:(万有引力 + 狭相)产生的弯曲角度 * 2 = 广相弯曲角度。

 

由此可见,物质变化——就是时空、质量与能量,三者地联动变化,即:质量弯曲时空,时空指引运动,运动产生能量,能量改变质量。

最后,如果时间与空间是一个时空整体,那么我们就可以说,空间结构时间结构是存在映射关系的,即:空间形状一定对应了一种时间形状。

那么,时空弯曲就对应了空间弯曲时间弯曲,其中空间弯曲,即是如马鞍或球面那样的空间结构,但对于时间弯曲,具体是什么意思呢?

这说明了——时间在不同的(空间)位置上有不同的(流逝)速度,我们就说时间是弯曲的,即:时间的流逝速度,对应了空间结构的曲率,也就是不同的加速度,对应了不同的时间速度。

所以,光在弯曲时空中,沿着最短路径“测地线”运动,就是沿着时间流逝最慢的方向传播,因为“测地线”是在流形上加速度为0的曲线。

 

时空曲率——意味着几何结构无法在二维平面展开,如球面、马鞍等,而像圆柱则可以在二维平面展开。

 

于是,更进一步,那些奇异的空间结构(形状)——如乌比斯环(带)克莱因瓶这种回环递归结构,也就存在对应的时间结构,即:时间的回路循环结构,也就是穿越时间的旅行。

有趣的是,哥德尔从(广相)引力场方程中,解出了一个时空循环的宇宙,即:宇宙中存在一种世界线是“封闭”的自我循环结构,这被称为——封闭式类时间曲线(Closed Time Like Curves, CTCs),并且根据哥德尔的计算,这类宇宙的尺寸应该是极大的——可能达到数十亿光年。

而这种宇宙,没有入口也没有出口,从起点可以回到终点——这不仅说明,宇宙将会周而复始的循环,还隐含着穿越时间回到过去的可能——但回到过去,并不能改变历史(因为一旦改变就会形成一个新的平行宇宙)。

 

为了庆祝爱因斯坦70岁的生日,哥德尔送给他一个令人惊讶的计算结果,作为礼物,即:引力场方程中——存在时空循环的宇宙。

 

四维时空

 

在狭义相对论中,宇宙模型是一个四维时空,即:三维空间加上一个一维时间。在此我们可看到,空间有三个自由度,而时间只有一个自由度。

而爱因斯坦思维的飞跃性就在于:他认为在四维时空里,宇宙的一切事物都以一个固定的速度在运动,即光速。因此,他把这个想法称之为——光速不变性,即反映光速不变的特性。

 

爱因斯坦曾今,一度想把相对论命名为——“不变论”。

 

那么,要理解四维时空的光速不变性,就要从时间空间两个角度分别来看,然后再合起来看两者的关联,最后才能感知光速不变性的意义。

首先看空间

在空间中有速度,并且任何一个方向上的速度,都可以分解成三个空间维度上的分速度。也就说,在空间里,速度可以在三个维度之间分解与合成,不同的形式是等价的。

例如,在三维空间中,任意方向的速度,都可以分解成,XYZ轴方向的三个速度。而空间速度的意义,其实就是在三个轴上的运动快慢。

然后看时间

那么,在时间维度中有速度吗?

显然是有的,这就是时间流逝的快慢,这对应了空间里运动的快慢,即:流逝快慢对应运动快慢。

而不同之处就在于,空间速度有三个维度,时间速度只有一个维度。

接着看时空

既然时空是一个整体,且三维中的速度可以分解与合成,而时间维度也有一个速度,那么在四维时空里,空间速度时间速度,可以互相分解与合成吗?

爱因斯坦认为,是可以的,并且在四维时空里,合速度的上限,就是光速——这就是光速在四维时空里的不变性。

这也就是说,当一个物体,在空间中(相对)静止的时候,此时它的空间速度就是0,时间速度就是光速;那么,如果物体的空间速度越来越快,它的时间速度就会越来越慢,但合速度始终保持是光速;最后,如果物体的空间速度抵达光速,它的时间速度就是0。

由此得出的,就是狭相的结论,即:相对速度越快(空间速度越快),时间越慢(时间速度越慢),如果相对速度抵达光速(空间速度抵达光速),那么时间静止(时间速度为0),相反如果相对静止(空间速度为0),那么时间速度就会是光速。

例如,光子就是空间速度为光速,时间速度为0,而相对静止的物体,就是空间速度为0,时间速度为光速。

可见,这个模型建立的前提,就是光速是速度的极限。

理解时间速度

时间速度为0,很好理解,就是时间不再变化,结合前文论述,也就是物质不再变化。

那么,时间速度为光速是什么意思呢?

从具象的想象来看,就是钟表指针旋转的速度是光速,或有个物体的运动(如钟摆、光子)计量了时间,而这个物体的运动速度是光速。

物质变化角度来看,如果时间速度为光速,其实就是物质变化为光速,即:物质内部存在一个变化量为光速(这里光速代表的是一个数值),而这可以有两种形式:

  • 第一,变化量从0到光速。
  • 第二,变化量从光速到0。

那么对应到现实,我们看到物质(衰变)辐射出光子的过程,就会在物质内部存在「空间速度从0到光速」且「时间速度从光速到0」的变化。

因为,物质内部减少的质量转变成了光子,于是质量的空间速度——就从0跳变成了光子(空间速度)的光速,而空间速度时间速度是对应的(即合速度是光速),所以质量的时间速度——必然就是从光速跳变成了光子(时间速度)的0。

由此可见,质量转变成光子的过程——就可以理解为相对静止的时间速度,即:时间速度为光速,也就是物质存在光速变化量。而时间速度,其实也是一种运动,这就像空间速度是一种运动一样。

最后,我们发现物质变化,其实就是「质量到光子」即「质量到能量」的转化。而光子没有质量,只有能量,且时间静止,这说明了——质量拥有时间,能量没有时间,质量到能量的转化,即是时间的方向。

 

场与以太

 

曾经,人们认为宇宙空间中,充满了一种看不见摸不着的空间介质,称之为以太

后来,爱因斯坦在狭义相对论中,否定了以太的存在,当然科学实验也一直未能找到以太存在的证据。

再后来,爱因斯坦的广义相对论不断地被验证正确,可以解释越来越多的实验现象,此时爱因斯坦坦言:广义相对论更像是一种场论

而与此同时,量子场论在微观,已经逐渐构建出了自己的各种场,并试图兼容引力场,形成一个可以解释万物的——大统一理论(Grand Unified Theories,GUTs),但目前量子场论兼容引力场仍未有结果。

 

量子场论——是狭义相对论(质能转换)、量子力学(概率和不确定性)、以及经典场论(相互作用的场模型),三者相结合的产物,又称相对论量子场论

 

事实上,关于量子力学中的——,理论上它是充满了整个宇宙的量,可以用数学上的一个函数描述——可见它并不是时空,而是定义在时空上的函数。

而这个,是一个宏观模型,它有不可观测的时候,但由于量子涨落,它又会出现可以观测的时候即通过相互作用来呈现。所以,充满了宇宙,其实是充满了,可观测和不可观测状态的叠加状态,并会随机的展现出一个状态。

 

量子涨落——是指在空间任意位置,能量的暂时变化,也称量子真空涨落。从海森堡的不确定性原理可以推导出这结论。

 

可在此,我们发现以太,两者模型中所描述的——都是空间中充满一种“不可见”的物质。只不过以太受制于时代的局限性——认为这种不可见物质是实粒子,而在中——这种不可见的物质被证明是虚粒子

那么,我们是否可以认为,物质所形成的时空模型,必然是充满了“物质”的——就是能量与质量、不可观测与可观测的混合随机态,而就是一种“虚以太”所形成的“浓汤”

由此可见,光的传播必然是在中的,而就是光的“介质”,因此光速就是相对于,而不是相对于光源的,所以光速相对于光源运动,具有不变性。

最后,在弦理论领域,就有这样一句名言——“Nothing is Something!”

 

后记

或许,我们永远也无法拥有,任意操控时间与空间的能力,但深刻地理解时间与空间,会使用我们拥有洞见自己与生活的力量。

显然,在所有可能的层面上——体验生活、感知宇宙,要比仅仅停留在符合人类感知能力的层面上,更加能够——感悟自己、洞察世界

而我们对时间和空间本质的理解,不仅是人类智能的证明与追逐,也最终会令我们了解——宇宙对人类感知范围的限定,并从中看清人类自身的局限与无限

那么,一个人对时间的独特理解,就代表着一个人与宇宙之间的独特关系。

 

番外篇

 

番外1:为什么光子没有静质量

静质量(Rest Mass)——也可以译作剩余质量,又称不变质量(Invariant Mass),它通常是指物体静止时,所拥有的质量,属于物体内在的属性,不随参考系变化,在性质上与惯性质量一致。

首先,从理论上来说,光子没有静质量是一个假设,并且很多其它物理理论依赖于它。

例如,如果光子具有静质量,那么真空光速将不再是常数,量子电动力学将不再具有规范不变性,电荷守恒也无法自动保证,甚至还会影响到麦克斯韦方程组的成立。

 

规范不变性(Gauge Invariance)——是拉格朗日函数和运动方程,在规范变换下保持不变的性质,即:变换后所有物理量和物理规律保持不变。而规范不变性要求规范玻色子(如光子、胶子)的静质量为0。
拉格朗日函数(Lagrangian Function)——是粒子系统的动能减去其势能的运算。
规范变换(Gauge Transformation)——是对称操作,具体是指场的相位变换。
相位(Phase)——就是一个波,其循环中的位置,如:波峰、波谷、或是峰谷之间某个点的标度。

 

事实上,假设是可以修改的,如果非要假设光子有静质量也行,只不过受其影响的理论都要做出相应的修订。而这些理论,目前在光子没有静质量的假设之上工作的很好,也得到了大量实验的验证。

那么,为什么最开始会假设光子没有静质量呢?这是源于狭义相对论的推理,可以从两个方面来说:

第一,狭义相对论假设光速不变原理,也就会说光子在任意惯性系中都是光速运动,且不存在光速参考系的存在。

因此,光子就不存在静止参考系(Rest Frame),即:不存在光子在其中静止的参考系。所以,光子就不会静止,进而假设光子没有静质量(Rest Mass),就是一种比较自然的选择。

而静质量,又称为不变质量(Invariant Mass),是因为运动是相对的,那么运动对应的动质量就是随参考系变化的,于是不随参考系变化的,自然就是不变质量了。

所以,相对论质量 = 变动质量(依赖参考系) + 不变质量(不依赖参考系),即:动质量 + 静质量。

第二,狭义相对论的质能方程指出,E = mc^2(m是相对论质量)或等价于 E^2 = p^2c^2 + m^2c^4(p是相对论质量的动量,m是静质量)。也就是说,总能量 = 势能 + 动能,其中势能来源静质量(宏观是内能,微观是场能),动能来源动质量

显然,如果微观光子静质量为0,那么上述方程得到:E = pc,而在经典电动力学中,宏观光的能量和动量刚好满足:E = pc,于是这样假设刚好就统一了光在宏观与微观的方程。

其次,我们从实验角度来看,并没有证据表明,光子的静质量为0。

实验原理是,如果光子有静质量,静磁场的行为会有所变化,那么通过测量星球的磁场,就可以推算出光子静止质量的上限。

目前的实验结果是,光子的静质量上限在10^-51kg到10^-62kg之间,要知道已知最轻的有静质量粒子——中微子,其质量是10^-36kg,光子比中微子要轻几十个数量级。

那么可以想象,光子的静质量如果存在,是该有多么多么的渺小,以至于我们甚至都会怀疑——我们的实验精度,是否真的能够计算出光子的静质量。

另外,实验给出的是光子静质量的上限(即不会超过的数值),而没有给出下限(即不会低于的数值)——换言之,光子静质量的下限就是不确定的,可能等于0。

最后,综上可见,虽然光子没有静质量是一个假设,但在目前人类知识的范围内,是极其确定的一个结论。

 

番外2:光子与静频率

首先,质能方程(E = mc^2)给出了静质量(m)对应的静能量(E),光子是没有这个静能量的,因为光子没有静质量,只有动质量。

换个角度理解,静能量是粒子在静止坐标系中的能量,而光速没有静止参考系,所以光子没有静能量

其次,光子是有能量的,由普朗克公式(E = hv)得出,这里的能量(E)不是静质量,v是光子的频率。

然后,我们会发现这两个公式,都有一个能量E,如果是同一个类型的E,就可以形成一个新的等式即:mc^2 = hv。

我们知道,普朗克公式中的能量E,并没有限定是什么类型的能量,所以若要新等式成立,就要限定普朗克公式中的能量为静能量

那么,如果E = hv中的E是静能量,频率v会变成什么呢?

试想,原公式中,频率v是运动,其带来了能量,而静能量对应的是静质量静质量代表的是“不运动”,因此我们可以把静能量对应的频率v,称之为——“静频率”,它代表着静止的周期,即“不运动”的周期。

事实上,“不运动”会产生运动的趋势,即势能,这就是静质量的微观来源,于是静频率带来对应静质量静能量,就是一个很“合理”的假设。

接着,新等式就可以推出一个新公式,即:v = m * (c^2 / h),其中c和h都是常数,所以 (c^2 / h)就可以看成是一个系数,而静频率静质量,就是成正比的,即:静质量越大,其静止的周期越多,静质量越小,其静止的周期越少。

而这个静频率,可以看出它反比于时间“滴答”的周期,即:反比于时间流逝的速度。也就是说,静止的周期越多,时间“滴答”的越少,时间流逝的就越慢,反之静止的周期越少,时间“滴答”的越多,时间流逝的就越快

这对应了,广义相对论中的绝对时间膨胀,即:静质量越大(静频率越高),引力场越强,时间越慢。

最后,我们可以看到,光子没有静质量,也就没有静能量,所以新等式无法存在,即没有静频率,所以光子没有静止的周期,即:没有时间的流逝,也就没有时间,或说时间静止。

由此洞见,当静质量全部转化为光子,时间就不再流逝,而没有时间就没有办法度量距离,因为距离依赖时间才能测量,那么没有距离的宇宙,就如同一个质点(所有全同光子可视为一个),这就为一个“新宇宙”的诞生,做好了准备。

 

整理自:@scottcgi

 

作者:阿古
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来源:方舟(ark.ooo)
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