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1、漫谈现代物理学时空观的症结与展望漫谈现代物理学时空观的症结与展望 2011年10月03日漫谈现代物理学时空观的症结与展望 投稿时间：2011-08-24 13:09:46 投稿人：董靖峰 【字号： 】 20世纪以来，以相对论与量子力学的创立为标志的现代物理学研究工作，对人类认识和社会发展起到了难以估量的作用,量子力学和相对论无疑是现代物理学的两块基石，遗憾的是，从20世纪初它们诞生之日起，两者就一直处于不协调的状态之中。笔者认为，要想谈二者的协调，应首先从二者最基本的时空观谈起。 一、相对论和量子力学存在深层次矛盾 物理学的发展历史告诉我们：科学的发展离不开时空观的革命。从某种意义上讲，时空观
2、的变革是物理学大变革的前兆和标志。 相对论和量子力学是现代物理学的两大台柱，它给科学技术发展带来的影响是无与伦比的，二者的协调是现代物理学的一个主题。在协调广义相对论同量子力学方面，还没有一个成功的先例，涉及的问题比协调狭义相对论同量子力学更多，最重要的一点是：广义相对论是非线性局域的，而量子力学是线性非局域的。所谓“量子宇宙论”，它涉及“量子力学的多世界解释”，与广义相对论在哲学上在物理上存在更大的冲突，因此在目前阶段，可以免谈它们之间的协调。即便狭义相对论和量子力学协调，也存在许多问题。例如“空间”问题就是二者无法协调的，狭义相对论是描述真实的物理空间中的理论，而量子力学则是定义于抽象的组
3、态空间或位形空间中的理论。这两类空间只有在单体问题中才能勉强统一，而在其余大多数问题中总是不能混为一谈的。还有光速作为光子在时空中的运动速度，就被测不准关系所限制，而且光即是光子又是波，也应符合粒子和波的测不准关系，所以光速作为光子的速度也将是测不准的，在小时空范围和高能时光速应有统计涨落。这一结果和真空中光速恒定原理是不相容的。因此，我们认为量子力学和相对论不能够简单统一，它们必须进一步发展后才能统一。 二、相对论时空观的新认识 人们从爱因斯坦的相对时空理论中可以导出形形色色、层出不穷的时空佯谬，如双生子佯谬、潜水艇悖论、滑落块佯谬、柔绳佯谬、直角杠杆佯谬、静止长度上限佯谬、运动物体视觉形象
4、佯谬、长度缩短应力佯谬等一系列佯谬和悖论，这些佯谬和悖论自狭义相对论提出之日起，就引起人们激烈的争论，至今尤甚。人们对狭义相对论的结论“尺缩钟慢”效应理解也存在诸多分歧：不是真实的、不是物理的但是真实的、是表观上的、是数学的、是视觉效应、是由测量决定的等等，不一而足。这些问题现在主流学者一般不再进行讨论，认为早已经研究清楚，但事实真的如此吗?我摘抄国内一些学者的看法加以讨论: 1、中国科技大学物理学教授沈惠川认为：“在讨论狭义相对论问题时，不能有加速度，否则就要用广义相对论来处理。de Broglie早在1924年他的博士论文中就已说过，在相对论问题中犯傻的人中，有许多就是将广义相对论中的问题
5、与狭义相对论问题搅合在一起，而浑然不觉的。例如，双生子悖论问题中，就涉及到加速度(吴大猷等前辈早就讨论过这个问题)。再如，有人老是说在地球的这个地方测得的光速，与在地球的那个地方测得的光速不同，诸如此类;殊不知，建立在地球上的所有坐标系都不是惯性系，都是有加速度的，都不在狭义相对论讨论的范围之内!”( 2、已故著名物理学家、中国科学院理论物理研究所郭汉英研究员认为：“不过，有几个问题不妨探讨一下。一提到双生子佯谬，一定涉及加速运动。有人问我，爱因斯坦认为惯性力与引力等效。于是，一有加速运动，就有惯性力，后者就等效于引力。那么，狭义相对论能不能描述加速运动?留给人们思考吧”(这段话是大意，详细参
6、阅： 沈惠川教授和郭汉英研究员都是国内著名学者，他们对相对论这一看法代表了主流学者的看法：狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律，广义相对论推广到具有加速度的参照系中(非惯性系)，并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。那么我们就要问：狭义相对论能够被验证吗?两个参照系中的实验仪器、观测者均在相互运动，要想对其验证，必须把仪器或被测物质经加速或减速运动由一个参照系移至另外一个参照系才能比较，经过加速或减速这个过程，按照正统看法，其中的物理学效应就不能用狭义相对论来解释。例如：不少人企图用环球航行、圆盘旋转以及子衰变等实验来说明所谓双生子佯谬，这是错误的。因为所谓双
7、生子佯谬是用时间膨胀公式计算出来的，而时间膨胀公式是在两个相对匀速运动的惯性系中推导出来的，因此它只适用于两个惯性系相对匀速运动的情形。而环球航行等实验不是在两个惯性系(因速度方向变化)中，故这些实验不能验证所谓双生子佯谬。有人认为环球航行的飞船虽然不是惯性系，但可把环球航行轨道分解成无限段，认为在每一段上的飞船是惯性系，然后把飞船在每段上的飞行时间积分便可得出双生子佯谬。这种认识也不对，因为积分的结果只是各段惯性系中飞行时间之和，而不包括从一个惯性系到另一个惯性系由速度变化而引起的时间标准的变化，故积分结果不正确。 狭义相对论能不能描述加速运动?狭义相对论成立的条件是什么?原子钟环绕飞行实验
8、、子衰变、质量增加等实验结果能认为一定是验证狭义相对论结论吗?这些问题的思考是有趣的，笔者相信随着这些问题的讨论，相对论之谜一定能够揭开，人类科学的发展也会迈上一个新的台阶。 三、量子力学不完备性的分析 量子力学是研究微观客体运动规律的理论，概括的说，其理论体系是自治的，数学工具是优美的，物理内容和实验事实是符合的，但量子力学不考虑粒子在空间时间中运动图象，它仅教给我们一套计算和整理实验数据的规则。在这套规则面前，我们完全丧失了对单个体系物理过程想象力。在统计意义上，物理学家对量子力学解释没有大的分歧，但当联系到单个微观客体进一步分析量子力学的基础时，一系列困难便涌现而出，如：1、波粒二象性问
9、题; 2、测不准关系物理解释;3、波函数物理意义;4、EPR悖论和隐参量解释问题等。其中一些困难在量子力学创立时便被提出，争论至今仍得不到令人满意的解释，因此对量子力学的物理解释其规模、广度和深度是物理学史上前所未有的。 笔者认为量子力学实际上是基于二象性，推导用的数学工具是统计、概率论再结合物理学普适原理(如对应原理)，就可以得到整个量子力学的物理和数学结果。Dirac ,D Bohm等建立量子力学的基本原理都只是中间导出的物理或数学结果。 但单个粒子波粒二象性一直未能得到彻底解决，对其解释一直是物理学家们关心的一个问题，解决这一问题是量子力学最根本的问题。 四、时空观发展的展望 每当年轻的
10、学子问起“尺缩钟慢”该如何理解时，耐心教师们的解释是五花八门：不是真实的;不是物理的但是真实的;是表观上的;是数学上的;是视觉效应;是由测量决定的;是同时性的相对性的结果不一而足。性急的教师会说：相对论是经过严格实验检验的，你问是哲学问题，而研究这些问题毫无意义。每当学子问起双缝干涉中粒子是如何通过双缝，耐心的教师引导说：先问一下你测量的是什么，测粒子波动性呢还是测它的粒子性。见学生若有所思便会点点头说：这才是量子力学。性急的教师会说：已经说过量子力学中不能提这类经典观念的问题，再提就是概念性错误，就算不及格。其实关于相对论和量子力学中的一些基本问题，正统解释是不能让人信服的。测量一个物体的运动，究竟会不会影响它的长度和时间，影响它的位置和动量，这是一个哲学问题，更是一个物理学问题。在传统哲学看来，主体和客体的区分是十分明确，但量子力学的哥本哈根诠释出现后，这种清晰可见的主客体关系几乎成了问题。因为人们受认识能力的局限，只能认识人、仪器和客观物理现象相互作用的结果，不能认识客观物理现象的本身。但我们认为，物理学不但要告诉客观世界“是什么”，还要告诉我们“为什么”。 要想真正建立起相对论和量子力学统一后的时空观，尚需很长的路可走，但现代物理学时空观如何发展，首要克服上述相对论和量子力学存在的一些问题，其次肯定要包含相对论和量子力学的精华。
