量子理論與相對論統(tǒng)一的基礎

摘 要：量子理論與相對論統(tǒng)一的基礎是四維空時理論?，F(xiàn)代物理學之所以不同于古典物理學，就在于四維空時理論。量子理論與相對論中那些不同于古典物理學的特點也在于四維空時。一切物體都是四維的，高速運動物體的位置不是僅僅在三維空間的一個點，而是在四維空時的一段線段，其運動的軌跡不僅僅是一條線，而是一個面。低速運動的物體在四維空時中時間一維的位置及運動軌跡微不足道。

關鍵詞：量子理論；相對論；四維空時；運動軌跡

中圖分類號：O413 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.044

1 四維空時

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

理解狹義“相對論”的關鍵在于，同時發(fā)生在宇宙的兩個不同地方的兩個事件，其同時性是相對的。這與古典物理學中的絕對的同時是不同的。絕對的同時是指在無窮小的同一時間，但無窮小是不能單獨存在的，因而無窮小的時間也是不能單獨存在的。相對論中的相對的同時是大于無窮小的同時。也就是說，是處在大于無窮小的同一段時間。當然，其長度也只能用微分來計算。這是真實的同時。這一段時間的長度，也就是在過去、現(xiàn)在、未來的三段時間中的“現(xiàn)在”的時間長度。正因為“現(xiàn)在”有一定的時間長度，所以才有四維空時。在四維空時中，時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”。因為質(zhì)與量是不可分的。同時性是相對的，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，它是一個現(xiàn)實的過程。既然是一個過程，就要有一定的時間長度。在這一定的時間長度內(nèi)，未來不斷地變?yōu)楝F(xiàn)在，而現(xiàn)在又不斷地變?yōu)檫^去。這是時間一維的特點。

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

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

古典物理學中的時間與空間是各自獨立的，二者的量不能換算。如果僅僅承認以秒、分、小時等為計量時間的單位，而不承認以厘米等為計量時間的單位，那實際上是不承認四維空時。以秒、分、小時等為計量單位的時間的量，是時間一維的特殊的量，它只是物質(zhì)運動的量，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、小時等為計量單位的時間來統(tǒng)一，從物質(zhì)的角度講，并沒有變成四維，那還是只有三維。因為以秒、分、小時等為計量單位的時間不是物質(zhì)的，因而不能構成一維。

為什么厘米等這類三維空間的量可以用來計量時間的量呢？這是因為時間與空間都是物質(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，時間與空間的內(nèi)容是同一物質(zhì)。如果時間不是物質(zhì)的，那樣的四維空時只不過是夢而已。因為時間與空間的內(nèi)容是同一物質(zhì)，所以厘米等這類計量三維空間的量也可以用來計量時間的量。

2 量子的特點與四維空時

與古典物理學相比，量子的特點皆因四維空時。一切物體都是四維的，高速運動的物體其位置不是僅僅在三維空間的一個點，而是柱狀的，其運動的軌跡不是僅僅一條線而是一個面。低速運動的物體雖然也如此，但其在四維空時的時間一維的位置及運動軌跡微不足道。高速是指光速及相當于光速的速度。

在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續(xù)的。這個最小的單位叫作量子。如果一個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)典力學來講，能量不連續(xù)的現(xiàn)象是不能出現(xiàn)的。但實驗表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不是牛頓力學的規(guī)律，而是量子物理學的規(guī)律。

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

量子在其運行過程中為什么不連續(xù)呢？原因在于其運行的軌跡是一個面。這一個面的一側(cè)靠近時間一維的淺層，而另一側(cè)靠近時間一維的深層。當粒子在其運行過程中靠近時間一維的淺層時，人們在三維空間就可以看到它，而當粒子在其運行過程中靠近時間一維的深層時，人們在三維空間難以看到它。粒子在其運行過程中，有時靠近時間一維的淺層，有時靠近時間一維的深層，所以，人們有時看到它，有時難以看到它。因而粒子在其運行過程中表現(xiàn)為不連續(xù)。

當粒子在其運行過程中靠近時間一維的淺層時，人們在三維空間可以看到它。這時，粒子表現(xiàn)出了它的粒子性。而當粒子在其運行過程中靠近時間一維的深層時，人們在三維空間難以看到它，而只是看到了粒子運行所引起的波動。這就是它的波動性。粒子的粒子性是主要的。

測不準原理成立的原因也在于四維空時。人們在測量電子的位置與速度時，所測準的是電子運行到時間一維的淺層時的位置或者速度，而測不準的是電子運行到時間一維的深層時的位置或者速度。在將電子的位置與速度測準時，測量所用的鐘與尺是通常情況下的鐘與尺。但在高速運動的情況下，會發(fā)生“鐘慢”“尺縮”的現(xiàn)象，所以用通常情況下的鐘與尺，不可能測準電子運行到時間一維的深層時的位置或者速度。

3 相對論與四維空時

正因為相對論揭示了同時性是相對的，所以才有了四維空時理論。相對論與四維空時理論是聯(lián)系在一起的。相對論中的大多問題都與四維空時有關。

光速為何不變呢？光速屬于高速，光一旦發(fā)出，它就進入了時間一維，而時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，它就會沖出“現(xiàn)在”的范圍，進入過去或者未來的范圍，也就進入了其它宇宙。

光子并不是沒有質(zhì)量，只是其質(zhì)量處在時間一維的深層，人們在三維空間難以看到它。

物質(zhì)為什么彎曲呢？這是因為我們所在的宇宙雖然無邊但卻有限。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)運動，因而不可能作無限的直線運動，它必然作曲線運動，這就必然導致物質(zhì)彎曲。

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

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

〔編輯：劉曉芳〕