《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第8节

作者: 浅论物理
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  根据广义相对论中空间与时间维度能够相互转换的理论,时间可以转换成空间米,这个空间米被定义为以铂原子钟测量的0.000000003335640952秒走过的距离;它实际上也就是历史上米的定义——保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离。
  广义相对论还预言了当大质量恒星耗尽了它的核燃料后会向自身塌缩。霍金进一步证明了它们会继续塌缩直至达到无限密度的奇点。霍金指出,至少对于该恒星来说这个奇点即是时间的终点。而奇点的引力场太强了,甚至连光线都无法逃逸。光都不能从那里逃逸的区域就叫做黑洞,黑洞的边界叫做事件视界。任何掉进黑洞事件视界的人或物体都在奇点处达到时间的终点。在经典广义相对论中预言奇点将会发生,说奇点是空间与时间的具有无限曲率的一点,空间与时间在该处完结。霍金与彭罗斯的一些定理也曾指出,时空向它自身弯曲的事实表明,必须存在奇性,也就是时空具有一个开端或终结的地方。

  霍金在1974年以后转向研究量子引力论,提出过空间与时间在普朗克尺度(10 -33厘米)下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态,并且由于在量子引力中因果性受到破坏,因而不存在纯态而具有量子引力论中的统计性。1980以后他兴趣转向了量子宇宙论。
  在量子引力论中空间与时间可以看成一个有限无界的四维面,也就是说空间与时间可以形成一个没有边界的封闭曲面,无论时间还是空间在范围上都是有限的,却又是没有任何边界,就类似于地球的表面只不过多了两维。而同时由量子力学测不准原理所允许的最小起伏,决定了宇宙中的所有结构。霍金的量子宇宙论是一个自足的理论,在原则上单凭定律就可以将宇宙中的一切都预言出来。

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日期:2009-10-14 08:58:10

  霍金理论中曾提出过一种叫做虚时间的概念,在虚时间里粒子是可以超光速运动,甚至还可以向后倒退运动,在虚时间里没有任何形成宇宙开端或终点的奇点。虚时间的概念不很容易理解,其实大家也没有必要准确地理解何为虚时间,只须知道它和我们通常的时间不是一个相同的概念就行了。
  爱因斯坦的相对论,主要是针对宏观宇宙空间极大范围内的解释。他在狭义相对论中提出了“尺缩”及“钟慢”的解释。他提出了质能方程式:E=MC^2,说明极小的物质可以变作巨大的能量。在广义相对论中他对四种基本力中最弱的一种——引力作出了解释:引力就是空间的扭曲。打破了人类千百年来一直固守的三维空间的那种不变的概念。他提出了新的四维空间——时间的概念,认为空间、时间本身是一种物质,它们随时间的诞生而诞生、随宇宙的灭亡而终止。在整个物理世界的变化过程中,四维空间——时间也始终处于不断变化中,只是由于人类凭直觉感知的空间范围太小了,而不易观察到空间的曲折变化,同时由于人类难以获得可与光速比拟的高速度运动,因而也很难感知反映时间变化的钟慢现象。

  对超光速表示质疑的观点中,其中最典型的例子为提出“双生子佯谬”,说得是一对双胞胎,哥哥坐上光速火箭到太空中去旅游了,而弟弟仍然滞留在地球上生活。二百年以后哥哥乘光子火箭回到地球上时,还很年青,而弟弟却早已作古了。
  另外在阐明光速是一切运动物体的最大极限时,有人举证反驳超光速说到:如果有人坐上超光速火箭的话,他就可以回到过去的时代去杀死自己的祖父。这就是著名的“祖父悖论”,它是对超光速持有不同见解者,对超光速所做出的强有力驳斥;意思是说如果超光速存在,这样就难以解释有可能会发生的许多荒唐的甚至有违因果顺序关系之事。爱因斯坦所建立的四维空间——时间,可以曲折,并且随着运动速度的提高而出现的“尺短、钟慢”现象会加剧。这与以往人们不变的空间、永恒的时间观念大相径庭。然而,曲折的空间在当时,用以解释了困扰物理界千百年,一直未能解释的引力现象本质。“尺短、钟慢”在当时是用以解释了光速在真空中30万千米/秒的恒速问题,以及光速是一切运动物体的最大极限速度问题。

  物理学希望能以简洁、通俗的语言,清晰、准确地表达其内容。爱因斯坦的传人,当代杰出的物理学家霍金在其名著《时间简史——从大爆炸到黑洞》中亦追寻用最通俗的物理学表达语言,以使得能让没有什么科学背景的广大群众,都能看懂似乎高深莫测的物理学的基本内容。
  科学巨人爱因斯坦在经典物理陷入困境时,力挽狂澜,拨开迷雾,引导人们进入了物理学的新时代——量子物理时代,为人类做出重大贡献。他寻求及创造的四维空间——时间,精辟地为开拓宇宙的宏大领域为人们指出了新的道路。正如他自己所述,如果1905他不提出狭义相对论,那么在五年之内一定会有人提出类似的见解。他又说如果1915年他不提出广义相对论的话,也许在以后五十年内亦未必会有人提出相近见解。确实如此,已经过去80多年了,还没有人在这方面提出过能替代他的理论。这足以可见该理论之深奥。据记载,20世纪20年代初,有一位记者对著名天文学家爱丁顿说过,他听说世界上只有三个人能理解广义相对论。

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日期:2009-10-15 01:49:12

  那么,我们是否能找到一种更通俗些的办法来浅易地作类似相近的论述呢?譬方说,空间、时间能否寻求按照千百年来人们均已经习以为常的时空观念在此基础上来解析物理学中的问题呢?因为空间、时间并非是刚刚新发现的东西,也并没有发现它们又出现了某些新的特征,只是在相对论中重新赋予它们新的概念、重新定义予它们新的特点,使得人们只有在此的新框框下才能理解相对论。既然它们自身并不存在实质性的变化,也并没有什么新的内涵发现。那么应该说完全可以在人们对空间、时间旧有的直观概念下,寻求一条通俗解释物理学的浅易些的途径,从而能使更多的人能简易的理解它、接近它。

  这并不同于人类不断地在宏观世界越来越深远的空间发现了新的天体,或者是发现了天体的新的运行规律,而对此视而不见。也不同于人类在微观世界从分子到原子的发现,继而又击破了原以为不可再分的原子找到了电子和原子核;接着原子核被分成质子、中子,甚至找到了组成它们的轻子、夸克、各种粒子……,等等客观存在的物质的新的发现。

  赋予空间弯曲的概念后,确实发现了一直困扰人们的引力的某些规律与新弯曲空间极其相符。但尚有待于进一步揭示引力的实质以及它到底是如何传递的。华裔美籍科学家王利军发现了超过光速310倍的运行速度,实际上向相对论提出了某种挑战。爱因斯坦是伟大的,他为人类做出了划时代的贡献,但是,科学永远无顶峰。一代物理巨匠牛顿所奠基的经典物理大厦历经几百年风风雨雨,几乎大家都认为已经发展到了尽善尽美的程度了,不也被一把紫外大火烧了个千疮百孔吗。不过这科学发展的熊熊烈火决不至于抵毁该经典大厦在物理学中所起的辉煌的奠基石作用,反而会更加光辉夺目地照亮这块记载有人类物理史中艰难奋斗经历的里程碑。

  人们通常讲殊途同归,是指通过不同的道路往往可以达到同一个目标。那么我们能否用一个人们易于理解的理论来探讨空间与时间的问题呢?相对论的时间观念与牛顿力学的时间观念两者并没有区别,完全具有等效性。
  牛顿力学中的“绝对空间”、“绝对时间”是比较通俗易懂得,空间与时间是不以人们的意志为转移客观存在的。
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