时间和空间本质是什么(科学解读什么是时间)(1)

本文将从相对论和量子论的角度,去解读时间和空间的本质所在。

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了。

试想,如果人类不再衰老,季节不再更迭,地球不再公转自转,那么时间还会存在吗?我们还能感知到时间吗?时间还有意义吗?那时,你手表上转动的指针和跳动的字符,到底是在记录什么呢?

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。地球的自转变化产生了一天,公转变化产生了一年,(在地球上观察)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——,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(铯133原子辐射电磁波的周期倍数)。

可见,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了。

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——无法同时精确的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,这就违反了不确定性原理,所以粒子无法静止不动。

这个不确定性原理,在量子论中,是指粒子内在的秉性,既波粒二象性。我们可以有两种方式来理解:第一种,确定就需要观测,而观测本身会影响观测结果,导致不确定。第二种,粒子的状态呈现一种概率(由波函数描述),是粒子固有的秉性,其精确性受到了更为深刻和本质的限制。(微观世界:不确定性、波粒二象性、量子纠缠与观测的本质)

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。

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(计量或表示)

量子力学中,量子态——是由一组量子数所确定的微观状态;量子数——是表征微观粒子运动状态和性质的一些特定数字;而量子——是最小化不可分割的基本个体;量子化——就是存在非连续,呈现离散数值的量子个体。

量子态的作用,就是确定并描述了,微观粒子的运动状态,其中有一系列的量子数,包括了主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数四种,而每种量子数又都是一组,描述粒子非连续运动状态下,不同性质的数值。

值得注意的是,泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)指出,在费米子组成的系统中,不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的量子态。其中,费米子是自旋为半整数(也是半奇数)的粒子,比如夸克和轻子,但不包括光子(自旋为1)。

这意味着,有些粒子的量子态是不能重复的,那么由这些粒子构成的物质,其量子态叠加的变化就是可计数的——也就是存在时间;还有些粒子——比如光子,其量子态是可以重复的,那么由这些粒子构成的物质,其量子态叠加的变化是不可计数的——也就是不存在时间

就如光子,速度为光速,有动量、能量和动质量,但没有静质量,其时间被认为是静止的——也可以理解为它的时间不存在。因为光子的量子态计数不存在,从而没有了某种“变化”,表现出的就是时间静止——始终不变。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

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。(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。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。)

所以,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。

而从宏观来看,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。从某种角度来说,时间是依附在物质变化上的,必然不能独立存在。

可见,是微观粒子的变化,积累形成了宏观物质的变化,最终让时间从微观到宏观,连续而统一的存在。

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,会让时间也一起变的非连续,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 1E-43秒(10-43秒)。

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。

另外,在宏观上统计上,物质的变化是有方向的,即是宇宙熵增无序的方向,也就是质量转变成能量的方向(质能方程)。这也就意味着,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。

由此也可见,光子没有静质量,代表着时间变化的终点,所以光子的时间静止,不再变化。

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

试想,在宇宙大爆炸之初的奇点处,物质还没有开始变化,时间是不存在的,同样空间也是不存在的,甚至连我们已知的一切物理定律都是失效的。所以,我们没办法讨论在大爆炸的奇点处,或是之前,都是什么或是发生了什么。(宇宙的奥秘:递归、分形、循环)

但由此可见,时间和空间都依附于物质的变化,并构成了紧密联系不可分割的时空。那么,物质变化所产生的互相作用,和所形成的特性,也最终会体现在时间和空间——也就是时空之上。

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。

其中,场是一种存在于时空之中,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。并且,场就是物质变化的范围,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。

那么,真空中的场,其实是处在了能量最低的状态,也就处在了绝对零度。这时,场中的虚粒子,其能量为零、动量为零,但又因为不确定性原理——动量为零,位置就会不确定,所以虚粒子就会表现出随机的振动,从而无法获得其精确位置。这时候虚粒子的振动,就是零点振动,获得能量就是真空零点能,而零点能就是量子真空的能量——也就是真空的能量。(微观世界:不确定性、波粒二象性、量子纠缠与观测的本质)

虚粒子,可以用来描述承载力的粒子,包括引力子(承载引力)、胶子(承载强力)、光子(承载电磁力)、和玻色子(承载弱力)。相对于实粒子,其无法直接观测到,但存在可观测效应,即卡西米尔效应

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。

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。

可见,真空的确并不是空的,里面充满了场和能量。而事实上,宇宙中没有什么地方是“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,物质变化的呈现就是空间。

而时空与物质是不能够分割开来看待的,它们就像是一个统一的整体,是一个共同事物的本质,所呈现的不同表象。

由此可以想象,如果物质可以弯曲,那么时空也就可以弯曲

广义相对论中,爱因斯坦认为时空与物质不可分割,接着光必须在时空中传播,并且光子没有静质量,就不会受到引力的作用,那么如果光弯曲了,就必定是其路径弯曲了——也就是时空弯曲了。

事实上,光在通过强引力场附近时会发生弯曲,这就是广义相对论的重要预言之一。其原理就是,引力场让时空弯曲,从而让光的路径弯曲。

那么最终,光路径的“弯曲效应”早已经被实验所证实。

场与以太

曾经人们认为宇宙空间中,充满了一种称之为,以太的物质——看不见摸不着。后来,爱因斯坦在狭义相对论中否定的了以太的存在,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。

可在此,我们发现场与以太,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,而在场中——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,物质所形成的空间模型,必然是充满了“物质”的,而场就是一种虚以太所形成的“浓汤”

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