系統相對論連載之十：時空概論

劉泰祥

現代物理學認為，空間和時間不僅跟物質不可分，而且空間和時間是密切聯系在一起的時空。直到今天，人們對時間和空間本性的認識，還處在初級探索階段。

1. 時間的本性

對于時間的本性，當前科學界尚未形成一致的觀點。在對某個特定現象的觀察過程中，其外界周期性的現象（如日出或日落）自然成為一種觀察背景，這些背景的周期也自然成為測量所觀察現象的一種標尺。用這個標尺測量現象得到一個數值，這個數值的物理意義我們稱作時間?？梢姡瑫r間是從周期運動導出的概念。

物體的運動是在空間中的運動，沒有空間就沒有運動，而時間又是從運動導出的，因此時間是從空間派生出的概念。換言之，時間是空間的一種性質。

如同質量是從萬有引力導出的概念、電荷（電量）是從庫侖力導出的概念一樣，時間是從運動導出的概念。 時間、質量、電荷都是一種物理量，是我們理解和描述事物的一種方法和工具，而不是事物本身。

正如對于一個有質量的物體，我們不能說成物體與質量是一種并列關系，而應理解為質量是物體的一種性質；對于具有時間的空間，我們也不能說成空間和時間是并列關系，而應理解為時間是空間的一種性質。

2. 空間的本性

愛因斯坦認為，物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延[1]；在這里空間本身只是實物存在的形式，沒有實物之間的共存關系，就不會形成位置、形狀、廣延等空間概念。

然而量子場論認為，量子場是物質存在的基本形式，量子場系統的基態（即能量最低的狀態）就是真空，即空間。這一基態形成了自然界的某種背景，一切物理測量都相對于這一背景進行。可見，在量子場論中空間是充滿物質的。

筆者認為，空間是對流體態物質（爽子流體）幾何屬性的表述方式，爽子流體是空間的本體，不含爽子流體的絕對虛空是不存在的?？臻g具有能量屬性（場）及與物體的依存性，因此用系統相對論的空間觀可以將愛因斯坦相對論和量子場論的空間觀統一起來。

3. 對四維時空的判定

我們知道，物質具有體積性質，沒有體積的物質是不存在的，體積性質表現在空間上就是空間具有三個維度。在三維空間系下，我們看到的宇宙是動態的，存在各種物體與天體的運動和演化過程。

既然時間是空間的一種性質，那么時間維度就不能作為獨立于三維空間之外的另一維空間。觀察者離不開時間，即觀察者無法獨立于四維時空系之外觀察一個物體的狀態。因此，對于一個觀察者來講，四維時空是不存在的。換言之，四維時空只是一種思維的產物，它沒有任何物理意義。

4. 對額外維空間的判定

在弦論的不同版本中有多種空間維度版本，除了三維的經驗空間維度和一維的時間維度外，其余的維度都是蜷縮在內空間中。

在包括M理論在內的弦論各版本中，內空間是為解決當時所面臨的問題而特設的，空間維度的多少在于我們的選擇。既然四維時空都不存在，那么更高維度空間也就更不存在了。

令人欣慰的是，2010年3月13日《新科學家》祝賀英國皇家學會會員、數學家彭羅斯八十華誕文章透露：“最近，弦論的創立者威藤已采用彭羅斯的扭量理論，試圖將弦論的11維時空減為較易對付的4維。”威藤棄11維用4維時空，無疑是向正確的物理學道路靠近了一大步，但這還只是回歸到愛因斯坦的4維時空，距離正確的道路還有一步之遙。

總之，空間有且只有三維，時間是空間的一種性質。

參考文獻：

[1] 愛因斯坦，許良英，趙中立，張宣三.愛因斯坦文集[M]，1卷.許良英，范岱年，譯.北京：商務印書館，1976：560， 204.

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責編/龐貝