量子理論與相對(duì)論統(tǒng)一的基礎(chǔ)

摘 要：量子理論與相對(duì)論統(tǒng)一的基礎(chǔ)是四維空時(shí)理論。現(xiàn)代物理學(xué)之所以不同于古典物理學(xué)，就在于四維空時(shí)理論。量子理論與相對(duì)論中那些不同于古典物理學(xué)的特點(diǎn)也在于四維空時(shí)。一切物體都是四維的，高速運(yùn)動(dòng)物體的位置不是僅僅在三維空間的一個(gè)點(diǎn)，而是在四維空時(shí)的一段線段，其運(yùn)動(dòng)的軌跡不僅僅是一條線，而是一個(gè)面。低速運(yùn)動(dòng)的物體在四維空時(shí)中時(shí)間一維的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡微不足道。

關(guān)鍵詞：量子理論；相對(duì)論；四維空時(shí)；運(yùn)動(dòng)軌跡

中圖分類號(hào)：O413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.044

1 四維空時(shí)

現(xiàn)代物理學(xué)之所以不同于古典物理學(xué)，在于四維空時(shí)理論。古典物理學(xué)是三維空間的物理學(xué)，而現(xiàn)代物理學(xué)是四維空時(shí)的物理學(xué)。如果不理解四維空時(shí)，那對(duì)相對(duì)論與量子理論的認(rèn)識(shí)也只能停留在“知其然”的階段。

理解狹義“相對(duì)論”的關(guān)鍵在于，同時(shí)發(fā)生在宇宙的兩個(gè)不同地方的兩個(gè)事件，其同時(shí)性是相對(duì)的。這與古典物理學(xué)中的絕對(duì)的同時(shí)是不同的。絕對(duì)的同時(shí)是指在無窮小的同一時(shí)間，但無窮小是不能單獨(dú)存在的，因而無窮小的時(shí)間也是不能單獨(dú)存在的。相對(duì)論中的相對(duì)的同時(shí)是大于無窮小的同時(shí)。也就是說，是處在大于無窮小的同一段時(shí)間。當(dāng)然，其長度也只能用微分來計(jì)算。這是真實(shí)的同時(shí)。這一段時(shí)間的長度，也就是在過去、現(xiàn)在、未來的三段時(shí)間中的“現(xiàn)在”的時(shí)間長度。正因?yàn)椤艾F(xiàn)在”有一定的時(shí)間長度，所以才有四維空時(shí)。在四維空時(shí)中，時(shí)間一維的長度也就是“現(xiàn)在”的長度。

為便于理解，這里簡述一下“現(xiàn)在”。在時(shí)間上，過去的量是無窮的，未來的量也是無窮的，那么，在過去與未來之間有沒有“現(xiàn)在”呢？如果沒有“現(xiàn)在”，那么，我們就只能生活在過去或未來。這可能嗎？

如果說“現(xiàn)在"沒有一定的量，那也就沒有“現(xiàn)在”。因?yàn)橘|(zhì)與量是不可分的。同時(shí)性是相對(duì)的，這一論斷也表明“現(xiàn)在”有一定的量。

“現(xiàn)在”并不是隔開過去與未來的一張無形的紙，它是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的過程。既然是一個(gè)過程，就要有一定的時(shí)間長度。在這一定的時(shí)間長度內(nèi)，未來不斷地變?yōu)楝F(xiàn)在，而現(xiàn)在又不斷地變?yōu)檫^去。這是時(shí)間一維的特點(diǎn)。

空間與時(shí)間統(tǒng)一為四維連續(xù)區(qū)的關(guān)鍵就在于“現(xiàn)在”有一定的量。

四維空時(shí)是不可分割的，在這統(tǒng)一體中，時(shí)間一維有兩種不同的量：一種是以秒、分、小時(shí)等為計(jì)量單位的時(shí)間，另一種是以厘米等為計(jì)量單位的時(shí)間。該時(shí)間的量與三維空間的量是同質(zhì)的量。

古典物理學(xué)中的時(shí)間與空間是各自獨(dú)立的，二者的量不能換算。如果僅僅承認(rèn)以秒、分、小時(shí)等為計(jì)量時(shí)間的單位，而不承認(rèn)以厘米等為計(jì)量時(shí)間的單位，那實(shí)際上是不承認(rèn)四維空時(shí)。以秒、分、小時(shí)等為計(jì)量單位的時(shí)間的量，是時(shí)間一維的特殊的量，它只是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，并不是物質(zhì)自身的量。試問，一秒物質(zhì)是多少？空間三維若僅僅與以秒、分、小時(shí)等為計(jì)量單位的時(shí)間來統(tǒng)一，從物質(zhì)的角度講，并沒有變成四維，那還是只有三維。因?yàn)橐悦搿⒎帧⑿r(shí)等為計(jì)量單位的時(shí)間不是物質(zhì)的，因而不能構(gòu)成一維。

為什么厘米等這類三維空間的量可以用來計(jì)量時(shí)間的量呢？這是因?yàn)闀r(shí)間與空間都是物質(zhì)的存在形式，二者的內(nèi)容是同一物質(zhì)。

時(shí)間中的物質(zhì)與空間中的物質(zhì)是否不同呢？不，兩者沒有區(qū)別，時(shí)間與空間的內(nèi)容是同一物質(zhì)。如果時(shí)間不是物質(zhì)的，那樣的四維空時(shí)只不過是夢(mèng)而已。因?yàn)闀r(shí)間與空間的內(nèi)容是同一物質(zhì)，所以厘米等這類計(jì)量三維空間的量也可以用來計(jì)量時(shí)間的量。

2 量子的特點(diǎn)與四維空時(shí)

與古典物理學(xué)相比，量子的特點(diǎn)皆因四維空時(shí)。一切物體都是四維的，高速運(yùn)動(dòng)的物體其位置不是僅僅在三維空間的一個(gè)點(diǎn)，而是柱狀的，其運(yùn)動(dòng)的軌跡不是僅僅一條線而是一個(gè)面。低速運(yùn)動(dòng)的物體雖然也如此，但其在四維空時(shí)的時(shí)間一維的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡微不足道。高速是指光速及相當(dāng)于光速的速度。

在微觀領(lǐng)域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)的。這個(gè)最小的單位叫作量子。如果一個(gè)物理量有最小的單元而不可連續(xù)的分割，這類物理量就是量子化的。

量子極其微小，它涉及的物理量不僅是不連續(xù)變化的，且取值不確定。從經(jīng)典力學(xué)來講，能量不連續(xù)的現(xiàn)象是不能出現(xiàn)的。但實(shí)驗(yàn)表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不是牛頓力學(xué)的規(guī)律，而是量子物理學(xué)的規(guī)律。

宇宙是四維的，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)不僅是在空間三維運(yùn)動(dòng)而同時(shí)也是在時(shí)間一維中運(yùn)動(dòng)，因而它不僅在空間三維有運(yùn)動(dòng)的軌跡而且同時(shí)也在時(shí)間一維中有運(yùn)動(dòng)的軌跡。這兩種軌跡是相互垂直的，因此物體的運(yùn)動(dòng)軌跡不是僅僅一條線而是一個(gè)面。物體在一般速度的條件下，它只是在時(shí)間一維的淺層運(yùn)動(dòng)，因而它在時(shí)間一維內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的軌跡微不足道。只有高速運(yùn)動(dòng)的物體，才會(huì)深入時(shí)間一維的深層，因而其運(yùn)動(dòng)的軌跡才是一個(gè)面。

量子在其運(yùn)行過程中為什么不連續(xù)呢？原因在于其運(yùn)行的軌跡是一個(gè)面。這一個(gè)面的一側(cè)靠近時(shí)間一維的淺層，而另一側(cè)靠近時(shí)間一維的深層。當(dāng)粒子在其運(yùn)行過程中靠近時(shí)間一維的淺層時(shí)，人們?cè)谌S空間就可以看到它，而當(dāng)粒子在其運(yùn)行過程中靠近時(shí)間一維的深層時(shí)，人們?cè)谌S空間難以看到它。粒子在其運(yùn)行過程中，有時(shí)靠近時(shí)間一維的淺層，有時(shí)靠近時(shí)間一維的深層，所以，人們有時(shí)看到它，有時(shí)難以看到它。因而粒子在其運(yùn)行過程中表現(xiàn)為不連續(xù)。

當(dāng)粒子在其運(yùn)行過程中靠近時(shí)間一維的淺層時(shí)，人們?cè)谌S空間可以看到它。這時(shí)，粒子表現(xiàn)出了它的粒子性。而當(dāng)粒子在其運(yùn)行過程中靠近時(shí)間一維的深層時(shí)，人們?cè)谌S空間難以看到它，而只是看到了粒子運(yùn)行所引起的波動(dòng)。這就是它的波動(dòng)性。粒子的粒子性是主要的。

測(cè)不準(zhǔn)原理成立的原因也在于四維空時(shí)。人們?cè)跍y(cè)量電子的位置與速度時(shí)，所測(cè)準(zhǔn)的是電子運(yùn)行到時(shí)間一維的淺層時(shí)的位置或者速度，而測(cè)不準(zhǔn)的是電子運(yùn)行到時(shí)間一維的深層時(shí)的位置或者速度。在將電子的位置與速度測(cè)準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量所用的鐘與尺是通常情況下的鐘與尺。但在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，會(huì)發(fā)生“鐘慢”“尺縮”的現(xiàn)象，所以用通常情況下的鐘與尺，不可能測(cè)準(zhǔn)電子運(yùn)行到時(shí)間一維的深層時(shí)的位置或者速度。

3 相對(duì)論與四維空時(shí)

正因?yàn)橄鄬?duì)論揭示了同時(shí)性是相對(duì)的，所以才有了四維空時(shí)理論。相對(duì)論與四維空時(shí)理論是聯(lián)系在一起的。相對(duì)論中的大多問題都與四維空時(shí)有關(guān)。

光速為何不變呢？光速屬于高速，光一旦發(fā)出，它就進(jìn)入了時(shí)間一維，而時(shí)間一維與空間三維是相互垂直的，光速與發(fā)出光的物體的速度不能相加減，所以光速不變。

光速為何不可超越？光速不可超越是有范圍的，在我們所在的宇宙內(nèi)光速是不可超越的。物體的速度一旦超越光速，它就會(huì)沖出“現(xiàn)在”的范圍，進(jìn)入過去或者未來的范圍，也就進(jìn)入了其它宇宙。

光子并不是沒有質(zhì)量，只是其質(zhì)量處在時(shí)間一維的深層，人們?cè)谌S空間難以看到它。

物質(zhì)為什么彎曲呢？這是因?yàn)槲覀兯诘挠钪骐m然無邊但卻有限。愛因斯坦的宇宙模型是無邊、有限、靜態(tài)。物體的速度在等于或者小于光速的情況下只能在有限的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因而不可能作無限的直線運(yùn)動(dòng)，它必然作曲線運(yùn)動(dòng)，這就必然導(dǎo)致物質(zhì)彎曲。

按照相對(duì)論的觀點(diǎn)，引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。因而，引力與電磁力、弱相互作用力及強(qiáng)相互作用力等三種力是不同的，四者不能在力的基礎(chǔ)上統(tǒng)一的。所以，相對(duì)論與量子力學(xué)也不能在力的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。

作者簡介：劉文浩，男，山東肥城人，中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)副教授，從事物理學(xué)研究。

〔編輯：劉曉芳〕