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科学网—相对的时空标度和绝对的时空背景 - 陈驰一的博文20160110.png

读前说明1：牛顿的绝对时空观在狭义相对论创立之前，在直观上非常容易被人们接受。符合人们的直觉，因此深入人心。在狭义相对论得到反复检验之后，牛顿的绝对时空观才最终被放弃。但是值得注意的是，仔细研究狭义相对论的逻辑和实验检验，准确地讲，实际被否定的只是对时间或空间的间隔的度量不再是绝对的。

读前说明2：本图像的主要物理基础依次分为两部分，第一部分，在保留经典力学的自然哲学基础的前提下，惯性力本质得到逻辑性的明确解释，参见http://blog.sciencenet.cn/blog-96769-829150.html 。这个基础性工作可以浓缩在一张图上来展示：

第二部分，新质点动力学方程的因果对称形式在经典力学框架下的确凿性强烈暗示时空存在绝对的背景，参见：http://www.journals.zju.edu.cn/sci/CN/article/downloadArticleFile.do?attachType=PDF&id=2040。

读前说明3：时空的概念在物理上应该分为两个方面，一是时空的背景，一是时空的标度（这里应理解为时空单位的长度）。这两个概念互补，缺一不可。正是由于时空存在绝对的背景，时空那个单位的长度或跨度才有物理意义。拿一维空间举例，一维空间的背景就是一条无限长空间直线所占的域本身，一维空间的标度就是这条直线上定义的单位长度，比如１米是多长，标度的定义是人们从自然界引入的，一般借助于一维空间上发生的固有事件或本地本征长度。之所以有必要区分这两个概念，是因为时空的背景作为最基本的参考，只能被自然地定义为绝对的，均匀的，而时空的标度则可以是相对的，服从物理规律的演化，比如洛仑兹变换，引力时钟延缓等等。

从逻辑上讲，任何(有限大小的)的具体物体，只要存在就必须有存在的背景。否则，在物理上就无所谓产生和消失，无所谓转化和演变。具体的物体的产生，演变，转化，乃至消失都必须有一个背景来烘托。所以从概念上讲，物体的背景就是这个物体赖以存在的前提和物体的变化赖以参考的基础。因此，时空的背景就是具体的时空标度存在的前提和时空标度演化的参考基础。

有关引入时空的背景的必要性，可以首先由如下图像来说明。假定在地图上有两个空间点对应为标准尺1米，现在由于引力场或其他的原因，发现这个地图上原先标定的1米和观测者自己携带的1米不等长。通常爱因斯坦广义相对论的解释是这个地图的尺寸按比例缩小了。但是实际上还存在另外一种更简单的解释，那就是地图图板本身的大小没有变。而是定义标准尺1米的两个本地固有物理事件在引力场的作用下空间间隔缩短了。这时候这个不变的地图图板就相当于空间的背景，本地固有事件之间的间隔就相当于空间的标度。这个图像相比原图像的优越性在于：原图像中地图图板本身在收缩，要么靠周围的拉伸来补偿，但这样凭空多出一个拉伸效应；要么靠整体性的向塌缩区域汇拢来实现，但这样整个宇宙牵一发立刻动全身。因此这些都是不自然的。引力场导致的到底是整个时空背景本身（相当于地图图板本身）的演变，还是引力场所在区域的具体物理事件间隔（相当于地图上原先标定1米的两个端点之间的距离）的演变？这一点还可以类比天体的周日视运动， 应该归结为所有天体都有相同的周期绕地转动还是地球的自转？这一事例说明自然界的物理图像更倾向于经济的原则。而对于引力的时空几何效应，显然哪里有引力场只导致哪里的物理事件间隔发生改变---这一物理图像更为直接和简洁。

  有关时空的物理理论，主流的当属爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论。这两个理论主要是关于时空标度的变化理论。时空的标度顾名思义，空间标度是标准尺的空间跨度，时间标度是标准钟的时间跨度。在这两个理论的物理图像中都没有刻意地区分时空的标度和时空的背景，也没有时空的背景这个概念。但是实际上，两个理论都隐含了时空的背景这个物理：

1），在狭义相对论的逻辑推演中，所有的事件（event）不管在什么惯性系之间变换，都被假定在空间有一个客观位置。否则就得不到洛仑兹的坐标变换公式。这里的客观位置实质上就可以看作是事件的发生点在绝对背景中的反映。至少，在狭义相对论中事件的发生点是不随惯性系的选择而改变的，发生改变的是事件发生点的坐标记录值。  

2），在广义相对论的物理图像中，引力会导致时钟的延缓，长度的收缩。即原本由观测者定义的标准钟和标准尺，放到实际的引力场中，其长度由于引力场的存在发生了变化。但是深入思考一下， 这种标准尺，标准钟的长度的变化是通过什么体现出来的？只有存在一个绝对背景，长度的变化才能体现出来，长度的变化也才有客观的意义。落到实处讲,标准尺的长度就是具体的一把标准尺在空间背景中截出来的空间线段。

因此，在爱因斯坦的相对论中，实质上，时空的标度和时空的背景在物理概念上可以相容。而且在物理概念上，应该区分时空的标度和时空的背景，因为时空的标度是相对的，时空的背景是绝对的。关于绝对的时空的背景，曾经有Natan Rosen在广义相对论的弯曲度规基础上提出平坦时空的概念[Phys. Rev. 57, 147 (1940)]，比较接近绝对的时空背景，但是有所区别，因为Natan Rosen的平坦时空概念是根据其修改广义相对论得到的双度规理论所启发的。

一，时空概念区分：相对的标度和绝对的背景

1,物理概念：时空的标度和时空的背景

首先，时空的标度和时空的背景是时空的两个方面。打个比方，一块二维平面板，空间标度就是指这个二维平面板上的1米定义为多长。定义这个标度以后，我们就可以在二维平面板上画上坐标系，从而可以定量描写质点的任何二维平面运动。空间背景就相当于这块二维平面板的底板本身。没有这块底板来衬托，标准尺1米的长度就没有任何意义。

其次，时空标度是因为观测者具体测量的需要，根据物质中的固有事件间隔加以定义的。原则上，固有事件的时空间隔可以发生变化，而时空背景是作为体会这种变化所必须的基础，应该是要保持均匀的。打个比方，4维时空背景就如同一张4维的白纸，在其上原本是没有坐标的。引入坐标标度是出于观测的需要，我们借助具体物质中的固有事件定义了单位坐标间隔，从而建立起坐标系。

2,时空标度的数值大小

本质上，物质中的单位固有事件间隔直接用来定义时空标度。因此，时空标度的大小就体现为单位固有事件间隔在时空背景中截出来的片段的长短。片段有长短之分，时空标度也就有大小之分。特别地，时间标度的大小可以由用来定义时空标度的单位固有事件间隔在时间背景中截取的长度 $\bar{\Delta }\tau(=1)$ 来表示。

3,时钟和尺子的读数

原则上，时钟和尺子的读数则是根据单位固有事件间隔的次数来计量的，因此，时钟和尺子的读数并不直接包含时空标度的信息.因为任何事件在宇宙时空背景中都有客观的位置，因此只有当在时空背景中取相同的两个客观位置之间时，才可以对不同的时钟和尺子的读数进行比较，从而确定时空标度的变化。本地时钟的读数就是通常大家记录的数值，可以由 $\Delta \tau " style="line-height:125%;text-indent:28px;$ 表示。因此，物理概念上应该区分事件间隔的本地时钟读数 $\Delta \tau " style="line-height:20px;text-indent:28px;$ 和其在时间背景中截取的长度 $\bar{\Delta }\tau " style="line-height:20px;text-indent:28px;$ .通常在时空不变间隔 $ds$ 中出现的 $dt$ ， $dr$ 均表示时钟和尺子的读数。

4, 时空标度的相对性

根据狭义相对论，参考系的相对速度将导致时钟的延缓和长度的收缩效应，这就意味着原本根据相同固有事件间隔定义的时空标度在不同的观测者看来，是不同的，不过狭义相对论的这个时钟延缓和长度收缩效应是两个观测者之间相对而言的，因此可以理解为一种观测效应。

根据广义相对论，引力也会导致时钟的延缓和长度的收缩效应，因此原本根据相同固有事件间隔定义的时空标度在不同的引力场点看来，是不同的，可以相对变化的。只是变化本身应该是绝对的，不再是一种观测效应。因此，广义相对论可以理解为时空标度的变化规律。　

5,时空背景的绝对性，平坦性和均匀性

首先必须指出一点：任何物体，其均匀性概念，平坦性概念，以及绝对性概念是相对一个更基本的参考背景而言的。　

因此，整个宇宙空间的背景作为最深层次的背景，当然在观测者看来（或者说定义），它就被先天地认为是均匀的，平坦的。因为一旦有不平坦，不均匀的概念，它又必须要借助一个更基本层次的背景参考物才能得到上述论断。而我们已经从物理图像上，把整个宇宙空间的背景置为了最基本层次的背景。所以，我们这里可以讲整个宇宙空间的背景是均匀的，平坦的。同样的道理，我们讲整个宇宙空间的背景是绝对的，是基于我们把所有可以移动的，可以演化的物体从宇宙中拿掉以后，剩下的宇宙空间即是原来整个宇宙空间的背景。一旦这个背景是非绝对的，即意味着这个背景相对一个更基本层次的参考物存在演化，而我们已经把整个宇宙空间的背景置为了最基本的层次，因此，我们这里也可以讲整个宇宙空间的背景是绝对的。　

6,宇宙时空背景的永恒性　　　

目前对宇宙的创生讨论已经比较多，但是必须澄清一点，所谓创生的宇宙应该仅仅是指我们的可观测宇宙，或者说是具体物质组成的宇宙。而不应该包括宇宙时空的背景。因为如果宇宙产生真的是从彻底的无到有，那么产生的前提条件就无从说起，或者说根本没有条件。因此，既然当前我们生活的宇宙可以产生，那么新的宇宙可以随时随地在产生。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　补充解释

   1, 时间背景中的同时性问题

根据时间背景均匀流逝的基本假设，实际上时间背景中始终可以定义同时性。但是如果观测者期望通过自身的观测来直接明确不同空间点上的同时性，那么只能借助于不同空间点上具体的固有事件发生的次数，也就是时空坐标来确定。因此，对观测者来说，定义一种可观测的同时性，也就是定义时钟的同时性，不一定任何情况下能够做到。但是，对同一空间点上发生的两个事件，比如始终在观测者所在的位置进行观测，我们必定能够区分先后，也能够体会到同时性。就如在古代，人们没有时钟，甚至没有记录时间的办法，但是并不影响很多事情都在同一时刻发生。因此，时间背景中的同时性是始终客观存在的，但是观测者可直接检测的同时性需要借助物理现象来定义。

2, 直观的图像

一个物体的本地本征长度，在引力场的影响下，可以发生改变。但是其物理实质不是空间的真正收缩。而是物体在空间的（绝对）背景中截出来的间隔跨度的减少。同理，一个物体上的本地本征时钟，在引力场的影响下，可以发生延缓。但是其物理实质不是时间的真正延缓。而是物体上的本地本征时钟定义的前后两端的固有事件在时间的（绝对）背景中截出来的间隔持续长度的延长。

更详细深入的讨论在正文中，网络页面请点击：

http://www.physicsessays.org/browse-journal-2/product/1268-18-chi-yi-chen-relativistic-spacetime-based-on-absolute-background.html