论量子力学和相对论的时空观（节选）

作者：mingcheng99

发表时间：2024-04-18 12:19

论量子力学和相对论的时空观（节选）

程明

在我们的日常生活中，时间是用于描述事件发生的时刻或间隔的一种尺度，用各种钟表测量。这是人们在长期的生活体验中对时间的认识和应用。这种通俗和朴素的认识揭示了时间的一种性质，时间与事件的次序和运动密切相关。牛顿第一次在科学的意义上定义了时间。牛顿强调了时间的均匀性和独立性。他把时间描述为一条均匀地流逝的连绵的长河，这与人们的自觉相符。在牛顿力学中，时间被视为一个绝对的、连续的、和单向的物理量，独立于物体和事件，甚至空间的存在。

在牛顿力学的范围内，这样的时空观工作的很好，没有遇到任何问题。因此，牛顿时代的人们对这样的时空观习以为常，形成一种根深蒂固的观念, 认为这就是时空的本质，或至少是时空的科学本质。直到相对论的时空观出现以后，人们才认识到，牛顿的时空观其实只不过是一种人为定义的概念。今天可能有人以为牛顿的思想比较简单，但把眼光放到过去来看，其实牛顿的时空观在当时也是一场非常有意义的革命，是科学时空观发展的必经之路，也给牛顿力学奠定了坚实的科学基础 [1]。有了牛顿的第一步，才有爱因斯坦的第二步。而相对论，也不会是人们探索时空奥秘的终结。实际上，牛顿力学和相对论走了两个极端，牛顿认为时空是完全于独立运动的，相对论认为时空决定了运动，两者都有一些问题，虽然相对论的观念更加先进。我们将在后面讨论。

但是，如果我们深入的思考一下，时间是一个非常不容易理解和确定的概念。它不但具有上面我们提到的在形而下的层面上的性质。而且有在形而上的层面上的性质，涉及更为抽象的概念，与存在、意识，变化、永恒，甚至生命有关。即使在形而下的层次，时间可能还与我们目前不了解的宇宙的基本的结构有关。从牛顿以来，许多大哲学家对时间都有过深刻的哲学思考，并提出过各种不同的观点。这些观点即使现在都还具有深刻和丰富的意义。简而言之，对时间一直存在着不同的认识。

这是因为，时间并没有传统意义上的本体，它不像其他物质实体一样可以对其本身进行测量，也不像像空间那样我们可以有直观的印象。它是一个看不见摸不着的概念，从而留下许多哲学思辨的空间。康德就认为时间是人类先验的直观形式，是我们内在感知世界的方式，而不是物理世界的属性，这是康德的先验唯心主义的核心概念之一 [1]. 柏格森更加重于时间的主观体验和哲学意义 [2]。海德格尔在他的哲学中则同时承认了时间的客观性和主观性[3]. 即海德格尔认为，有两种时间概念，一种是科学的，一种是哲学的。这些观点，在革命的意义上，对牛顿时空观的颠覆，都不亚于相对论的时空观，但或者由于缺乏对科学知识如麦克斯韦方程和光速不变的了解，或者由于不同的关注点，哲学家们都没有能走到相对论。

有意思的是，海德格尔是爱因斯坦的同代人。海德格尔在他的哲学思考中提到过爱因斯坦，尤其是在讨论时间和空间的时候。但他对现代科学的发展，包括爱因斯坦的相对论，进行了哲学上的反思和批判。批评了我们下面将谈到的科学将时间归结为空间的做法。海德格尔认为，这些科学理论在某种程度上忽略了对存在本身的思考，相对论在形而下的层面上的成功，掩盖了时间在形而上的层面上的本质，而他的哲学旨在探讨存在的问题 [4][5]。海德格尔有一个方面是对的，就是虽然相对论的时空观深化了我们对时空的理解，但依然是在形而下的层面上处理时间问题，并没有涉及时间的本质。比如相对论的时间是一种客观的存在，还是如同牛顿的时空观一样是一种人为的概念，人们依然可以作各种理解，并不影响相对论的结果。

我们在这里提到这些哲学家的观点，因为从哲学上看，时间明显有不同于科学的哲学本质，如同世界有物理无法研究的方面一样，理解时间无疑需要哲学思考。但是，海德格尔，和其他的哲学家一样，可能低估了用科学方法来探讨时间的本质的重要性，如同科学家们也一直把哲学的思辨排除在正式的科学论文之外，以至于现代科学和哲学渐行渐远。

我们回到自然科学。在自然科学中，任何理论必须和实验或观察一致。对于没有本体或不能直接观察的对象，比如量子，我们通过它与外部事物的相互作用，或者说与外部事物的关联来定义它的存在。实际上，这就是我们在另一篇关于科学哲学的科普文章中，对量子存在主义的定义[6]。量子存在主义在哲学上可以说来源于关系论。时间概念实际上甚至比量子更为抽象，量子也许没有本体，但是量子是客观的存在。但我们可以借助同样的方法研究时间。

在自然科学中，要对一个对象做有意义的研究，必须要能对它进行测量。我们来仔细看看我们是如何测量时间的。实际上，我们只能从物体的稳定的运动周期来给出时间的度量，不管是行星运动，摆钟或原子钟。我们必须指出，这些测量其实都不是在测量时间的本身，时间并不存在可以观察得到的本身。我们观察到的只是物体的运动。我们把它定义为时间的尺度。比如我们把地球绕太阳旋转一周定义为一年。这些周期性运动提供了一种度量时间流逝的方法。

牛顿的这个看似简单的时间定义在科学上带来深远的影响。对应于绝对时间的是绝对空间，牛顿假设一个绝对的时间在一个绝对的空间中流逝。虽然牛顿并没有建立这两者之间的逻辑关系。在牛顿的物理学体系中，绝对时间和绝对空间为描述物体的运动提供了一个固定的参照框架。就如同一间无比大的房子，你虽然永远走不到它的边沿，但每一处的时间都是相同的，具有相同的性质的空间同样地无限延展。在这个无限的绝对时空中，可以有处于不同运动状态，或者说处于不同的坐标系中的观察者。这样，我们对运动的处理就有一个坚实和清晰的背景[1]。这种时空我们称之为伽利略时空。伽利略时空可以被视为牛顿时空观的几何表达。在伽利略时空中，两个以匀速相对移动的坐标系称为惯性坐标系。所谓的伽利略相对性原理则认为物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式，它们之间的变换称为伽利略变换。这意味着在任何惯性参考系里进行的任何力学实验都不能确定这一参考系本身是处于静止状态还是在作匀速直线运动。注意这个看上去很显然的原理只是一个基于经验的假设，它并不能通过任何逻辑或数学推出。我们之所以需要伽利略相对性原理，因为牛顿的绝对空间只是一个理论上的概念。它不是一个可以具体定位的物理实体。在牛顿的理论中，绝对空间被认为是一个固定不变的参照系，它是所有运动的背景，但它本身并不与任何物质或感官体验直接相关。实际上，人类所有的活动以及可以观察到的自然现象，都是在某一具体的坐标系中实现的，并没有一个代表绝对空间的特别的坐标系。所有的坐标系都是等价的，它们只有相对的位置，没有绝对的位置。实际上，即使在相对性中也是一样，不管时空如何定义，人们只能在一个具体的坐标系里作物理观测。所以，相对论依然需要相对性原理，它是相对论的两个假设之一。

绝对时空不是从逻辑推出来的科学原理. 所以即使在科学界，科学家们也一直对绝对时空有所争议。比如绝对时空，是否真正有必要存在，一直是一个有争议的问题。比较有代表性的是莱布尼兹的观点，莱布尼兹提出了基于哲学关系论的时空观。在这个观点中，空间是物体之间相对位置的表达，而时间是事件发生顺序的表达。如果没有物体和事件，空间和时间都没有意义。这显然是相对论时空观的思想雏形。虽然现在看来，即使在牛顿力学中，绝地时空也许没有必要，但在牛顿建立他的力学的时代，他没有其他更合适的科学选择。他必须建立一个时空观作为力学的基础，牛顿力学需要一个严格的科学的时空定义。

虽然在时间的测量中我们只看见运动，没有看见时间。但我们必须理解，在物理学中，时间被视为一个独立的参数，它是描述和预测物体运动状态变化的基本量。尽管我们使用物体的周期性运动来度量时间，但这并不意味着时间的存在必须赖于物体的运动。时间可以是一个更为基础的概念。

数学上，伽利略变换可以表示为以下形式：

如果有两个参考系S和S’，其中S’相对于S以速度v沿x轴运动，那么一个事件在S和S’中的坐标之间的关系可以表示为：
$x'=x-vt$ $y'=y$ $z'=z$ $t'=t$

伽利略时空、牛顿三定律和伽利略相对性原理虽然都是独立的概念，而且不能互相推出，但它们之间存在者内在的相互关系，它们是互补的和互相认证的。伽利略时空为牛顿定律提供了几何背景，牛顿定律描述了物体的运动规律，而伽利略相对性原理保证了这些定律在所有惯性参考系中的一致性。这三者共同构成了经典力学的基础框架。只有首先深刻地理解了伽利略时空，才能理解相对论的时空的来源和意义。

我们看到，描述一个物体运动状态即需要空间，也需要时间。速度等于距离除于时间。相对论的基本假设是在任何坐标系中光速不变。就是说，有一束光在宇宙空间中运动，而在不同的观察者的坐标系中，这同一束光的运动的距离增量和时间增量的比是一个常数。这里的距离增量和时间增量都是在观察者的坐标中测量的。这就是所，在每一个坐标系中，时间坐标与空间坐标都是绑定的。所以，要描述光速不变，时间应该和空间坐标结合在一起。也就是说，我们应该以空间化的视角来看待时间，我们可以将时间视为一种类似于空间的维度，将时间作为一根坐标轴，与空间坐标轴有机的结合起来，形成一个新的统一的时空。这就是我们下面要介绍的闵可夫斯基空间。

闵可夫斯基空间

闵可夫斯基空间最初是为麦克斯韦方程而建立的。它将相对论可视化。

（待续）

参考文献：

[1] 艾萨克·牛顿《自然哲学的数学原理》，重庆出版社， 2015 ISBN 7229101220,

[2] 伊曼努尔·康德《纯粹理性批判》，人民出版社， 2004-10 ISBN: 9787010040592

[3] 亨利·柏格森《物质与记忆》，安徽人民出版社， 2013-7 ISBN: 9787212064785

[4] 马丁·海德格尔《存在与时间》，三联书店。 2006-4 ISBN: 9787108024558

[5] 海德格尔的著名演讲“时间与存在”（Zeit und Sein）1962年，弗赖堡大学

[6] 柯小刚：从《存在与时间》到“时间与存在”—— 对海德格尔“位置”思想的一个“探讨”，douban.com

[7] 程明《量子存在主义》，十万个为什么3.0丛书，2024-8， to be published.