理论科学（文化空间理论） _科学

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时间与空间是无处不在的，但时间与空间到底是什么呢？
对于如此底层的事物，我们很难用生活中的具体概念或直观感受，去理解和描述。因为认知一个事物，往往是从底层了解其组成部分，而时间与空间显然在底层，我们的生活在上层，通过上层难以了解底层。
但科学视角，却提供了一套绕过“直观”的逻辑路径，让我们可以看到甚至了解到，时间与空间的本质与底层构建。
本文，将会从相对论与量子力学的角度，去推演并解读，时间与空间的本质所在。
主题目录如下：
时间的本质时间的方向空间的本质时间与空间四维时空场与以太后记：时间与连接番外1：为什么光子没有静质量番外2：光子与静频率时间的本质最简单的理解，时间是用来描述变化的计量，没有变化就没有时间——这个理解在宏观没有问题，但在微观不够准确，因为光子就有变化没时间，不过我们先从简单开始，再慢慢展开复杂准确的理解。
那么试想，如果一切都不再变化了，还会有时间吗？
就算有时间，也没有“变化之物”用来计时，就算例外一只时钟可以变化，这个时钟上转动的指针或是跳动的字符，到底是在记录什么呢？它描述的时间流逝还有意义吗？
事实上，时间的发明和存在，就是为了——记录或是描述某种变化的，例如：
地球的自转变化产生了一天。地球的公转变化产生了一年。太阳的周期变化产生了阳历。月亮的周期变化产生了阴历。人体的衰老变化产生了年龄。而时间的基础单位——秒：
最初是由秒摆的运动变化来计量的。后来是地球的自转变化来计量的。然后是地球公转变化来计量的。最后是原子结构的辐射周期变化来计量的，即：铯133原子辐射电磁波的周期倍数。可见，是变化产生了时间，而不是时间导致了变化，变化是物理客观，时间是人为定义，即：物理变化（地球自转一圈）定义了时间（一天），时间（一天）计量了物理变化（地球自转一圈）。
因此，如果宇宙全部的一切（包括从微观到宏观），都静止不动了，那么变化就不存在了，随之时间也就不存在了，同时也失去了计时的手段和意义。
而如果想要一切都静止不动，就需要微观粒子停止运动，但又因为“海森堡不确定性原理”指出——无法同时精确地获得粒子的位置和动量。
那么，粒子绝对静止，动量为零，位置确定，这就会与不确定性原理相矛盾，所以粒子无法静止不动。
这个不确定性原理，在量子力学中，是指粒子内在的禀性（即波粒二象性），其代表了粒子状态的客观现实。
在数学上，粒子的状态，由波函数描述，呈现一种概率。在物理上，粒子的状态，其精确性受到了更为深刻和本质的限制。

波函数——是量子力学中，定量描述微观粒子状态的函数，其代表的是粒子空间位置与动量的一种概率分布，呈现了波动性，可以形象化成“概率云”，而云的形状，就可以理解为粒子的“轨道” 。

需要指出的是，如果没有发现不确定性原理，我们就不能确定粒子无法静止，是科技水平的限制——暂时无法做到，还是存在根本性的现实制约——永远无法做到。
而从另一个角度来看，物质的温度取决于其内部原子、分子等粒子的动能。如果粒子停止运动，其动能就低到了量子力学的最低点，此时物质即达到绝对零度。然而，根据热力学第三定律，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近，所以粒子无法静止不动。

热力学第三定律——这是一个实验结果归纳出的结论，来自普朗克的表述是：当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵值也趋于零。后来，能斯特又将这一规律表述为：绝对零度不可能达到原理，即不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。

绝对零度——是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度，不能再低。除非构成物质的实粒子，完全没有振动且体积为零。所以，绝对零度是仅存于理论的下限值。

【理论科学（文化空间理论）】那么，如果微观粒子无法停止变化，就表明时间是必须存在的，而微观粒子的变化，就可以用量子态来计数，即：计算不同量子态个数的变化——它是一个统计量。
量子态的作用，就是描述了微观粒子的状态，而量子态如何计数，这涉及到了——泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），即：在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子，处在相同的量子态，而玻色子组成的系统则不受此限制。

费米子——是指自旋为半奇数的粒子，如电子。
玻色子——是指自旋为整数的粒子，如光子。

这意味着，费米子系统——不能有全同粒子，量子态可以计数；玻色子系统——可以有全同粒子，量子态不可计数。
也就是说，由费米子构成的物质，其量子态计数的变化，就是在最微观处，描述时间所需要的变化，即存在时间；而由玻色子构成的物质，没有不同的量子态可以计数，或说没有“有序”可以区分变化，即不存在时间。
需要指出的是，量子态相同，就没有办法计数的原因在于，粒子没有明确的轨道，由于不确定性原理，它可以出现的位置是“概率云”，所以就没有办法追踪多个相同量子态中的一个，即不能给相同的量子态“编号”，这样多个相同的量子态就没办法区分，只能算一个，同时测量还会改变全同粒子的量子态，使其变得不同。
那么，如果费米子与玻色子，不构成系统，仅独立存在（也就是基本粒子），它们本身量子态变化，就会有时间，否则就没有。而通常有质量，理论上就会衰变，衰变就会改变量子态计数，产生时间。
例如，光子是玻色子，它无论是组成系统（即一束光），还是单独一个，其量子态计数都不存在变化，并且光子没有质量，也不会衰变——说明光子没有时间，或说时间静止。例如，电子是费米子，它在原子系统中，遵循不相容原理，两个电子量子态无法相同——说明原子系统有时间；而单独的两个电子，它们的量子态是相同的——说明仅有两个电子（没有相互作用）的系统没有时间。例如，同一类夸克（如上夸克）是全同的基本粒子——说明单独的夸克没有时间，但由于“夸克禁闭”，夸克不能单独存在，而由夸克组成的系统（如质子、中子）会由于弱力而衰变——说明夸克系统有时间，即：质子和中子组成的原子核有时间。例如，正反粒子相遇湮灭（质量消失），或高能光子碰撞产生正反粒子（质量产生），其系统的量子态计数都会变化——说明这个系统有时间。可见，时间所对应的变化，并不一定就是速度或是位置的变化，而是量子态计数的变化。那么如果量子态计数不变，则意味着量子态全同系统，没有历史与未来，只有静止的现在。
需要深入说明的是，变化可以是相对的（即需要参考系的），相对变化对应了相对时间（如相对速度有相对时间），那么绝对变化（与参考系无关）就对应了绝对时间（如加速度有绝对时间），而量子态计数的变化就是一种绝对变化，因为其过程存在状态的“跳变”（与参考系无关），宏观表现就是（出现过）加速度——这可以看成是物质的绝对变化，而不是相对变化。
从这个角度来看，量子纠缠的超距作用，之所以不需要时间，就是因为处在纠缠态的粒子们，无论相距多远，作为一个“整体系统”，其整体的量子态计数，在叠加态坍缩前后是不变的，从而这个过程也就没有可计数的时间了。
例如，简化模型，两个纠缠态的粒子，每个粒子都处在正负自旋的叠加态（如50%正、50%负，正负代表不同的自旋方向），而自旋不同量子态就不同，那么两个粒子整体的量子态计数，就是一正一负，只不过不确定谁正谁负（如50%正负、50%负正），而在超距作用之后，两个粒子的自旋就会确定谁正谁负，但整体的量子态计数不变，即：始终为有一个正、有一个负。
那么，叠加态的坍缩，即波函数的坍缩，这个过程前后的量子态计数是不变的，所以量子态坍缩也是不需要时间的，即可以瞬间完成坍缩。
因此，我们可以得出，任何不需要时间的相互作用，其过程前后，量子态计数都不会发生变化，即：变化不需要时间，是因为量子态计数没有变化。
不过，这里有两点需要注意：
第一，量子态计数不变，就没有信息（不是传递信息），所以量子纠缠现象，其过程没有信息。第二，光子传递的信息，不是其自身的量子态变化，而是反应了费米子量子态的变化。可见，信息与时间，在微观的来源是共同的，即量子态的计数变化，或说是量子数自由度的排列组合，即量子比特。
时间的方向理论上，费米子构成了——物质结构，而玻色子则传递了——相互作用，那么除了光子，另外还有三种玻色子：
胶子——没有质量，无法抵达光速，由于夸克禁闭被束缚在原子核内部，相当于暂停时间。W和Z玻色子——有质量，无法抵达光速，通过相互作用减少费米子的质量，相当于消耗时间。希格斯粒子——有质量，无法抵达光速，由希格斯场产生（场是粒子的集合，粒子是场的振动），而希格斯场还负责赋予其它粒子质量，相当于产生时间。至于，超越光速产生时间倒流（时间变成虚数，在数轴旋转了180度），这只是数学上的对称性（有正就有负），所形成的方程求解，并不一定对应着物理上的客观存在。而在现实中，也没有任何有质量的物体，可以抵达或是超越光速。

在狭义相对论下，观察者参考系时间（静系时间） = 运动者参考系时间（动系时间） * 洛伦兹因子——1 / sqrt(1 - (v/c)^2)，当v > c即速度超光速时，洛伦兹因子开根号出现负数，因此时间变为虚数。

但，如果仅从数学上来看，由于虚数的平方是实数，所以虚数世界与我们的实数世界，其实相差了一个平方。
因此，超光速的平方，就对应了虚时间的平方（为负数），同时也对应了虚能量的平方（为负数）——这代表了物质抵达光速，就变成了“纯能量”（没有静质量），继续超光速，这个能量就会从这个宇宙消失，变成虚能量（其平方在这个宇宙是负数），即：可能去了另一个平行宇宙。

虚时间——时间平方为负时的时间。
虚能量——能量平方为负时的能量。
虚质量——质量平方为负时的质量。

不过，有一种假想中的粒子，一直处在超光速运动的状态，称之为——快子（质量平方为负，即拥有虚质量，对应了虚时间）。快子的存在，并不违背狭义相对论的设定，只是目前并没有发现其存在的证据。
然而，还有观点认为，时间并不是连续的，而是量子化的。因为微观粒子能量变化的非连续性，会让时间也一起变得非连续，即存在一个最小的时间单位——就是普朗克时间（h / c，普朗克长度 / 光速），为 10^-43秒。

大爆炸过后10^-43秒，即所谓的普朗克时间，计算的宇宙温度大约是10^32K，比太阳内部的温度还高10亿亿亿（10^25）倍，然后，宇宙随时间膨胀、冷却……

但这不重要，所有对时间不同角度的描述，最终都会落实到变化上——时间是用来描述变化的计量，没有变化就没有时间了。
那么，从微观角度来看，量子态计数所描述的微观变化，就是变化的终极本质，也就是时间的终极本质——代表着时间计数器“滴答滴答”的最终来源。
那么，从宏观角度来看，广义相对论认为时间、空间、物质三者不能分开解释，它们是宇宙的基本结构。因此，物质变化就一定会带来时间的变化。这可以理解为，是微观粒子的变化，积累形成了宏观物质的变化，最终使得时间从微观到宏观，连续而统一的存在。
而在宏观统计上，物质的变化是有方向的，即是宇宙熵增无序的方向——这对应了现实中，四种等价的变化：
第一，质量（有序结构，势能）转变成能量（无序运动，动能）。第二，对称性破缺（低温，低对称性）转变成对称性（高温，高对称性）。第三，物质粒子（费米子）转变成光子（玻色子）。第四，量子态（不同）可计数，转变成量子态（全同）不可计数。也就是说：
质量——是低温，导致对称性破缺的有序结构，其微观粒子的量子态不同，蕴含着势能。能量——是高温，导致对称性恢复的无序运动，其微观粒子的量子态相同，蕴含着动能。熵增——是从质量到能量，从低温到高温，从不对称到对称，从有序到无序，从物质粒子到光子，从势能到动能，从静止到光速，从不运动到运动的过程。那么从宏观来看，时间就是熵的变化——熵增是时间流逝，熵减是时间倒流——而质量、低温、不对称、有序、物质粒子、势能、静止、不运动等——都可以看成是，存储着“时间” 。

能量——通常是指可利用的能量，即存在有序结构的质量，当有序结构（势能）转化为无序运动（动能）之后，就只剩下了不可利用的能量。宏观上，可利用能量也被称为自由能，其代表了，将内能转化为对外做功的能力。

例如，生命与产品的创造，是局部熵减——相当于产生时间；生命与产品的磨损，是局部熵增——相当于消耗时间。
例如，人体的衰老时间，宏观上是质量减少的变化，微观上是基因从有序到无序的变化，最本质是物质粒子量子态计数的变化，其过程是，基本粒子变化影响了上层原子，原子变化影响了分子，分子变化影响了基因表达，基因表达影响了细胞运作，细胞运作影响了组织器官，最终影响了人体衰老变化，即衰老时间。
由此可见，时间也是存在方向的，即时间的变化指向了——熵增无序和质能转化。而光子没有质量，仅有能量，量子态不可计数——则代表着时间变化的终点，所以光子的时间静止，不再变化。
但需要指出的是，熵增是宏观统计，在微观可以随机到熵减，要定量的描述时间——在宏观可以用熵值计数，在微观可以用量子态计数——而微观与宏观的分界线，就是量子效应，即：有量子效应是微观，反之是宏观。
最后，如果物质变化代表了时间，那么这个变化的快慢，就会代表不同的时间流逝速度，这对应了两种相对论的结论：
狭义相对论指出——相对速度越快，时间就越慢，即：相对时间膨胀。广义相对论指出——越靠近引力场，时间就越慢，即：绝对时间膨胀。需要注意的是，根据广义相对论，在超强引力场中（如黑洞中），时间可以慢到静止，但这与光子的时间静止，却是两种本质不同的静止：
光子的时间静止——是因为没有质量，从而没有了物质变化。黑洞的时间静止——是因为质量极大，引力将物质极端紧密的挤压在一起，导致没有运动、温度几乎抵达绝对零度，从而没有了物质变化。例如，霍金（Stephen Hawking）通过结合部分的广义相对论与量子力学，证明黑洞也拥有温度，通过计算发现，质量约为3个太阳质量（即3M）的黑洞，其温度大约只比绝对零度高一亿分之一度（约1.8 * 10^-9K），这几乎就没有任何微观运动了。
事实上，黑洞越大越冷，我们银河系中心的质量约4 * 10^6M的黑洞，温度只有1.5 * 10^-14K——这意味着，黑洞越大物质变化越慢，即时间越慢。

有关黑洞和大爆炸的数据，取自《宇宙的轮回》（罗杰·彭罗斯）和《宇宙的琴弦》（布赖恩·格林）。

空间的本质因为有了物质，物质变化的呈现就是空间，比如长宽高、位置差、大小方向等，都是随着物质变化所展现出来的——结构属性。
而通常，我们所谓的空间感，最主要来源就是空，并且曾经人们觉得真空是没有任何物质的。但没有物质，又怎么会有空间呢？后来，量子场论认为真空——并不是没有任何物质，而是充满了场和能量的。
场，是一种存在于空间之中，看不见摸不着但确实存在的物质，比如引力场、电磁场、夸克场、电子场、中微子场、光子场、希格斯场，量子场等等，都具有客观存在的可观测效应。
可见，场就是物质变化的范围——它能够被量子化激发，产生能量和动量，以及与微观粒子发生互相作用。
于是，场就可以看成是，同类型粒子的集合，而场中的微小振动（即量子化激发），就产生了一类粒子，就如：光子是电磁场的微小振动，电子是电子场的微小振动，希子是希格斯场的微小振动。
这可以形象的理解成，向平静的湖面，扔下一个小石子，结果湖面波纹涟漪，于是平静的湖面从能量最低态（即基态）中被激发了。
那么，真空中的场——其实是充满了虚粒子的，并且虚粒子，会持续地随机生成或湮灭于空间的任意位置，产生可观测效应。而如果所有位置的虚粒子，都处在了最低能量态，那么空间就抵达了最低能量态，即量子真空态。

虚粒子——相对于实粒子，其无质量、无法直接观测到，但存在可观测效应，如卡西米尔效应。注意，只要能够观测到的粒子，就是实粒子，而不是虚粒子。

卡西米尔效应——是指真空中两片中性（不带电）的金属箔，在距离非常非常小的时候，会出现互相的吸力，也就是卡什米尔力，这在经典理论中是不会出现的现象。而产生这种吸力的原因，就是在金属箔之间的距离，小于真空中虚粒子的波长时（波粒二象性），虚粒子就无法存在于金属箔之间，从而金属箔外的虚粒子就会迫使金属箔相互靠拢。

由此可见，真空并不是空的，里面充满了场和能量，而在宇宙中，也没有什么地方是“空”的，因为物质无处不在，并且也只有物质存在，才会有空间的存在。
再从另一个角度来看，如果宇宙真的存在“空无一物”（即没有物质）之处，那么此处也应该不存在物理定律才对——但我们知道，物理定律在宇宙中是普适的，即无处不在的。
因此可以说，有物质才有空间——物质变化的呈现就是空间。
时间与空间如前文所述，时间与空都是源于物质的变化，于是时间与空间，就（通过物质变化）一起构成了——紧密联系不可分割的时空，并且时空与物质，就像是一个统一的整体，是一个共同的本质，所呈现的不同表象。

时空区域——是在一段时间内的空间区域，它拥有这段时间内空间区域中，所有发生事件的记录，即所有物质变化的记录。

例如，在宇宙大爆炸的奇点，物质还没有开始变化，所以时间与空间都是不存在的，同时一切物理定律也是不存在的，因为物理定律，就是描述物质变化的规律。
既然如此，那么物质变化所产生的互相作用，以及所形成的特性，也就会体现在时间与空间所构成的时空之上。
所以，如果物质可以弯曲，那么时空也就可以弯曲。
在广义相对论中，爱因斯坦认为，质量会让时空弯曲，如果时空弯曲，光的路径就会弯曲，因此光就会弯曲。于是，光在通过强引力场附近时会发生弯曲，这就是广相的重要预言之一。而光路径的“弯曲效应”早已经被实验所证实。
例如，遥远恒星的光线，经过太阳时会产生偏折。
在此需要注意的是，从广相的视角来看，时空弯曲产生了“引力效应”，同时改变了光的路径，所以并不是引力的吸引让光弯曲。并且光没有质量，这意味着光本身不会弯曲（影响）时空，但仍然会受到（其它质量）弯曲时空的影响。
例如，通过实际观测，发现光路径弯曲的角度，与广相的计算结果一致，而广相认为没有引力，只有时空弯曲。

如果用狭相把光子的能量等效质量，再用万有引力计算，那么光的弯曲角度，只有广相计算的一半，即：（万有引力 + 狭相）产生的弯曲角度 * 2 = 广相弯曲角度。

由此可见，物质变化——就是时空、质量与能量，三者地联动变化，即：
质量弯曲时空，时空指引运动，运动产生能量，能量改变质量。
然而，如果时间与空间是一个时空整体，那么我们就可以说，空间结构与时间结构是存在映射关系的，即：空间形状一定对应了一种时间形状。
那么，时空弯曲就对应了空间弯曲与时间弯曲，其中空间弯曲，即是如马鞍或球面那样的空间结构，但对于时间弯曲，具体是什么意思呢？
这说明了——时间在不同的（空间）位置上有不同的（流逝）速度，我们就说时间是弯曲的，即：时间的流逝速度，对应了空间结构的曲率，也就是不同的加速度，对应了不同的时间速度。
所以，光在弯曲时空中，沿着最短路径“测地线”运动，就是沿着时间流逝最慢的方向传播，因为“测地线”是在流形上加速度为0的曲线。

时空曲率——意味着几何结构无法在二维平面展开，如球面、马鞍等，而像圆柱则可以在二维平面展开。

于是，更进一步，那些奇异的空间结构（形状）——如乌比斯环（带）