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(摘自《系统相对论》第二版第十章第4节)
4.2
公元前3世纪,古希腊数学家欧几里得把人们公认的一些几何知识作为定义和公理,在此基础上研究了图形的性质,推导出一系列定理,组成一个演绎体系,写出《几何原本》,形成了欧氏几何。在其公理体系中,最重要的是平行公理,即空间几何是三维平直的。一直到19世纪初的两千多年里,欧氏几何是唯一的几何学。
进入19世纪,罗巴切夫斯基和黎曼分别将平行公理推广到负曲率和正曲率的曲面,建立了罗氏几何和黎曼几何。显然,由平面卷成的柱面、锥面,它们都是二维的欧氏曲面,球面和鞍面则不能由平面卷成。黎曼第一个指出了几何空间是有限广延的可能性。
爱因斯坦在广义相对论中大胆使用了非欧几何。他首先求得加速参照系里的空间几何是非欧的,时间的流逝也不再到处均匀,即加速系的时间和空间不再是平直空间,而是“弯曲”时空。然后通过等效原理,说明引力场里的时空也是“弯曲”的,并进一步建立引力场方程,以确定场源物质所产生的引力场及其时空结构。
系统相对论认为,基于空间是由流体态物质构成的观念,非欧几何可以用空间密度分布来理解;同样,弯曲时空可以用空间和时间的等密度线的概念来理解。当然,将引力系等效为加速系是存在问题的(参见第五章)。因此,引入非欧几何和空间弯曲的概念都是没有必要的,因为空间是物质的、时间是空间的属性、空间是存在能量密度分布的。
4.3
经典物理学上的空间是三维空间。自爱因斯坦狭义相对论以来,基于时间与空间相互纠缠的认识,将时间与空间统称为时空,时空有四个维度,其中三维为经验空间,一维为时间。
我们知道,物质具有体积的性质,没有体积的物质是不存在的,体积性质表现在空间上就是空间具有三维性质。在三维空间系下,我们看到的宇宙(即子宇宙)是动态的,存在各种物体与天体的运动和演化过程。当然,对任何天体的观察都是以整个宇宙为观察背景的,如果我们试图将整个子宇宙作为观察对象,那么我们只能站在黑空间中观察,如3.1节所述,这时我们已经处于时间岛之外,子宇宙已经消失。
17世纪初,笛卡尔和伽利略做出了最奇异的发现:以空间为横轴、以时间为纵轴作一张图,于是穿过空间的运动成为图上的一条曲线(如图10-5所示)。在这种方式下,时间仿佛成了另一维空间,运动被冻结了,运动和变化的整个历史呈现在我们面前就像是静止不变的。对此L·斯莫林认为,不应将时间转化为空间来表示[6]。
系统相对论认为,观测一个物体的运动必须具备两个要件,即参照物和时间标尺。参照物是观测背景中的一个特定物体,基于这个特定物体我们建立了一个三维的位置参照系,又称三维空间系,简称空间系;而时间标尺源于整个背景,基于这个背景我们建立了一个一维的时间参照系,又称一维时间系,简称时间系。空间系和时间系相结合,我们称作观测参照系,又称含时参照系,这就是所谓四维时空系。
实际上,在观测过程中,相对于被观测对象,观察者本身也是背景的一部分。从背景的实在性上看,观测背景是指观察者平生所见所闻的集合;从本质上看,观测背景就是根植于人的大脑的经验意识。从这个意义上讲,时间是观察者在对自然界认识的过程中在大脑中形成的一个抽象概念,正是通过这个概念,观察者才感知了自身和自然界的存在。换言之,观察者如果没有时间的概念,也就没有所谓“存在”的概念,自然也就没有所谓“客观实在”可言。
由此可见,时间维度并非另外一维空间,它根植于观察者自身内部。因此观察者无法在四维时空系下观察一个物体的运动,而只能在三维空间系下观测。换言之,三维空间系下存在观察者和时间,四维时空系下没有观察者、也就没有了时间。因此,对于一个观察者来讲,四维时空系是不存在的。
4.4
在弦论的不同版本中,有7、10、11等多种空间维度版本,除了三维的经验空间维度和一维的时间维度外,其余的维度都是蜷缩在内空间中。
从4.3节可知,在四维时空系下,时间消失了,运动也就被冻结了,因此整个宇宙失去了运动和演化过程,这就是爱因斯坦所说的静态宇宙----一种永恒的存在。然而,没有时间意味着观察者处于黑空间中,这种永恒的存在因为不可见而成为不存在。因此,所谓永恒的存在不具有观测效应,而只是一种思维的产物。
系统相对论认为,在包括M理论在内的弦论各版本中,内空间是为解决所面临的问题而特设的,空间维度的多少在于我们的选择。既然四维时空都不存在,那么更高维度空间也就更不存在了。
因此,系统相对论认为,空间有且只有三维。
4.2
空间几何
公元前3世纪,古希腊数学家欧几里得把人们公认的一些几何知识作为定义和公理,在此基础上研究了图形的性质,推导出一系列定理,组成一个演绎体系,写出《几何原本》,形成了欧氏几何。在其公理体系中,最重要的是平行公理,即空间几何是三维平直的。一直到19世纪初的两千多年里,欧氏几何是唯一的几何学。进入19世纪,罗巴切夫斯基和黎曼分别将平行公理推广到负曲率和正曲率的曲面,建立了罗氏几何和黎曼几何。显然,由平面卷成的柱面、锥面,它们都是二维的欧氏曲面,球面和鞍面则不能由平面卷成。黎曼第一个指出了几何空间是有限广延的可能性。
爱因斯坦在广义相对论中大胆使用了非欧几何。他首先求得加速参照系里的空间几何是非欧的,时间的流逝也不再到处均匀,即加速系的时间和空间不再是平直空间,而是“弯曲”时空。然后通过等效原理,说明引力场里的时空也是“弯曲”的,并进一步建立引力场方程,以确定场源物质所产生的引力场及其时空结构。
系统相对论认为,基于空间是由流体态物质构成的观念,非欧几何可以用空间密度分布来理解;同样,弯曲时空可以用空间和时间的等密度线的概念来理解。当然,将引力系等效为加速系是存在问题的(参见第五章)。因此,引入非欧几何和空间弯曲的概念都是没有必要的,因为空间是物质的、时间是空间的属性、空间是存在能量密度分布的。
4.3 时间与存在的关系及对四维时空概念的考查
经典物理学上的空间是三维空间。自爱因斯坦狭义相对论以来,基于时间与空间相互纠缠的认识,将时间与空间统称为时空,时空有四个维度,其中三维为经验空间,一维为时间。我们知道,物质具有体积的性质,没有体积的物质是不存在的,体积性质表现在空间上就是空间具有三维性质。在三维空间系下,我们看到的宇宙(即子宇宙)是动态的,存在各种物体与天体的运动和演化过程。当然,对任何天体的观察都是以整个宇宙为观察背景的,如果我们试图将整个子宇宙作为观察对象,那么我们只能站在黑空间中观察,如3.1节所述,这时我们已经处于时间岛之外,子宇宙已经消失。
17世纪初,笛卡尔和伽利略做出了最奇异的发现:以空间为横轴、以时间为纵轴作一张图,于是穿过空间的运动成为图上的一条曲线(如图10-5所示)。在这种方式下,时间仿佛成了另一维空间,运动被冻结了,运动和变化的整个历史呈现在我们面前就像是静止不变的。对此L·斯莫林认为,不应将时间转化为空间来表示[6]。
系统相对论认为,观测一个物体的运动必须具备两个要件,即参照物和时间标尺。参照物是观测背景中的一个特定物体,基于这个特定物体我们建立了一个三维的位置参照系,又称三维空间系,简称空间系;而时间标尺源于整个背景,基于这个背景我们建立了一个一维的时间参照系,又称一维时间系,简称时间系。空间系和时间系相结合,我们称作观测参照系,又称含时参照系,这就是所谓四维时空系。
实际上,在观测过程中,相对于被观测对象,观察者本身也是背景的一部分。从背景的实在性上看,观测背景是指观察者平生所见所闻的集合;从本质上看,观测背景就是根植于人的大脑的经验意识。从这个意义上讲,时间是观察者在对自然界认识的过程中在大脑中形成的一个抽象概念,正是通过这个概念,观察者才感知了自身和自然界的存在。换言之,观察者如果没有时间的概念,也就没有所谓“存在”的概念,自然也就没有所谓“客观实在”可言。
由此可见,时间维度并非另外一维空间,它根植于观察者自身内部。因此观察者无法在四维时空系下观察一个物体的运动,而只能在三维空间系下观测。换言之,三维空间系下存在观察者和时间,四维时空系下没有观察者、也就没有了时间。因此,对于一个观察者来讲,四维时空系是不存在的。
4.4 空间的维度
在弦论的不同版本中,有7、10、11等多种空间维度版本,除了三维的经验空间维度和一维的时间维度外,其余的维度都是蜷缩在内空间中。从4.3节可知,在四维时空系下,时间消失了,运动也就被冻结了,因此整个宇宙失去了运动和演化过程,这就是爱因斯坦所说的静态宇宙----一种永恒的存在。然而,没有时间意味着观察者处于黑空间中,这种永恒的存在因为不可见而成为不存在。因此,所谓永恒的存在不具有观测效应,而只是一种思维的产物。
系统相对论认为,在包括M理论在内的弦论各版本中,内空间是为解决所面临的问题而特设的,空间维度的多少在于我们的选择。既然四维时空都不存在,那么更高维度空间也就更不存在了。
因此,系统相对论认为,空间有且只有三维。
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