对相对论时空观的批判和改造

　　一、时空概念的危机

　　学是研究物质的最简单运动规律的科学，其最终目的是：找到物质运动、变化与相互作用的内在联系，以最少的假设，通过分析、推理解释所有相关实验结果，预言新的实验现象。

　　在各自领域内都分别取得极大成功的量子力学和相对论，是20世纪物乃至整个自然科学的两大支柱，但是，在人们企图把它们结合的时候却遇到了难以克服的困难。

　　大量实验证实，非定域性是量子力学的一个基本属性，但是，非定域性将意味着超光速，这与狭义相对论的基本假设矛盾。

　　当前，量子引力理论中的超弦理论的时空背景相关性，与圈量子引力理论中的时空背景无关性同时存在，是物理学中潜在的对于时空本质不同态度的一次大碰撞，这种困难预示着物理学需要一次概念的变革，首当其冲的就是时空。时空观念是物理学中最基本的也是最重要的概念，不同的时空观念将导致不同的理论研究方向，任何对于时空概念的更新和深化，势必对整个物理学产生巨大的革命性的影响。

　　“爱因斯坦时间膨胀”和“洛仑兹长度收缩”，是支撑相对论时空变换和相对论整个演绎推理的基础。

　　为了比较物质运动的快慢程度，人们用“速度”这一概念来描述物质的运动状态，而为了定义“速度”这一导出概念，又必须引进两个更基本的概念：“时间”和“空间”。

　　比如，一个人在时间t内跑过的路程是s， 则他的速度是:v=s/t

　　更具体些，比如，有甲和乙两个人，甲在时间12秒内内跑过的路程是120米， 则甲的速度是:

　　V甲=120米/12秒=10米/秒

　　乙在时间10秒内内跑过的路程是110米， 则乙的速度是:

　　V乙=110米/10秒=11米/秒

　　由此我们可知：乙跑得比甲快。

　　在这里，描述空间的路程是如何定义的呢？这个好办，只要大家统一约定一米有多长就行了，制作这个一米长的标准尺之后，就可以复制许多把与标准尺一样长的尺子，如果把一米分成100份，则每一份的长度成为厘米；如果再把一厘米分成10份，则每一份的长度成为毫米……

　　那么，时间又是如何定义的呢？

　　时间自古就作为最基本的概念引入到人们的日常生活中。在日常生活中，我们是采用地球围绕太阳公转一周作为时间“年”的单位、月球围绕地球公转一周作为“月”的单位、地球自转一周作为“天”的单位。在科学上，1967年第十三届国际计量大会，采用以原子内部辐射频率为基准的时间计量系统，按新规定，“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间”。

　　可以看到，不论在生活中还是在科学中，我们对时间的定义都是采用“物体运动变化”的某种周期作为时间定义的方案。这种“周期”必须是稳定的，人们对“周期”的测量必须是准确的，由此而得到的“时间”概念才能够具有客观性、可操作性。

　　由此看出，我们为了描述“物体的运动变化”，必须定义“时间”这一概念，但为了定义“时间”这一概念，又必须借助“物体运动变化”的某种周期。这种做法显然已经陷入了循环这一“泥潭”。这也充分说明，虽然“时间”的概念对人们来说有些模糊因而不十分准确，但人们定义的“时间”概念必定与“物体的运动变化”密切相关，不可分割。

　　由此可见，“时间”和“空间” 这两个概念的地位是不平等、不对称的。“空间” 的概念较形象、客观、准确，“时间” 的概念较抽象、主观、模糊。我们必须牢记这一点。

　　但是，有一点是可以肯定的，那就是：“时间”和“空间” 的概念，都是人们为了描述物质的运动状态而建立起来的。虽然用空间尺寸可以描述物质的形状和大小，但空间不是物质；虽然我们可以同时使用“时间”和“空间” 概念来描述“物体的运动变化”，但时间也不是物质。

　　物理学所指的物质脱离不了时间，因为如果没有物质及其运动变化也就没有“钟”，就无法定义时间。但“空间”却是一种固有的存在，它可以脱离物质及其运动而独立存在。虽然，没有物质就没有“尺”，因而无法测量空间的大小，但空间依然客观存在。物质总是存在于某一空间之中，它依赖空间，而空间的存在并不依赖物质。比如，一块冰必须占据一定的空间，但当这块冰不存在时（溶化或蒸发），它原来所占据的空间依然存在，并且，此空间的大小和形状不会因为观测者的运动而改变。

　　二、相对论 “时空”的矛盾

　　爱因斯坦建立狭义相对论基于两个基本原理：“光速不变原理”和“相对性原理”。由这两个基本原理，很自然得到在不同惯性坐标系关于时间和空间的变换关系——洛沦兹变换，在此基础上，物体在不同惯性坐标系中的速度、质量、动量、能量的变换式都因此而可求出。

　　如果惯性坐标系S'相对于固定在地球上静止的坐标系S，以速度u沿x轴方向运动，x'与x在同一轴上， 且当t=0时，O'与O重合(如下图)：

　　洛沦兹时空变换为：

　　x’=(x-ut)[1-(u²/c)]^-1/2         ……（1）

　　t’=[t-(ux/c²)][1-(u²/c)]^-1/2……（2）

　　洛沦兹时空逆变换为：

　　x=(x’+ut)[1-(u²/c)

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