理论上时空是什么 时空指的是什么



理论上时空是什么 时空指的是什么

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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” 。
【理论上时空是什么 时空指的是什么】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 。