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“时空”的“物质性”讨论

投稿时间:2014-06-25 10:54 投稿人:杨明昆 王严学 杨昭国 【字号: 访问量:

1.“物质”

具有能量(质量)的东西,统称为“物质”。 [1]

可见,任意一个“物质”都具有“质量”m(能量ε=mc2,c为光速)。在物质的体积和形状或其他物理量(比如电荷、旋转),可以忽略不计的情况下,“物质”可以看成一个“质点”。 [2]

一个孤立、静止的“质点”,在其周围存在一个“静引力场”。到“质点”m距离为r的球面Q上的加速度a=Gm/r2(G为引力常量)。

在这里,我们只讨论r远大于“物质”的自然半径R,并且自然半径R远大于史瓦西半径RS的情况,即必须要有r>>R>>RS=2Gm/c2

图1 静引力场

2.“空间”

物质实体运动所发生的部分,称为“空间”。 [3]

爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。 [4]

在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率)。 [5]

图2 “引力”与“空间弯曲”示意图

图3 “空间弯曲”示意图

图4 “引力”是一种“空间弯曲”

“静引力场”对应“稳定”的“弯曲空间”。

图5 “静引力场”对应“稳定”的“弯曲空间”

若设在球面Q上作环绕运动(圆周运动)的物体A的速度大小为v,则有r=Gm/v2

这时,物体A的环绕轨道(半径为r的圆)的曲率k=1/r=v2/(Gm),即k= v2/(Gm),亦即v2=(Gm) k。

所以,一个孤立、静止“质点”周围的“空间”的“曲率”(指环绕“质点”的圆),与环绕速度的平方成正比。“空间”“曲率”越大,“空间”就越“弯曲”,也就越靠近中心“质点”,物体的环绕速度就越大。

太阳系的八个行星,按照离太阳的距离从小到大,它们依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。它们的轨道曲率依次减小,平均轨道速度也是依次减小的。 [6]

图6 太阳系八大行星

图7

“物质告诉时空如何弯曲”,“物质”——“中心恒星”(质量为m)决定了其周围“空间”(到质量中心的距离为r)的“弯曲”情况:k=1/r。所以,可以说,有什么样的“物质”(质量或能量)存在,就有什么样的“空间”分布。“物质”与“空间”:有“物质”就有“空间”,有“空间”也必须有“物质”。“物质”是存在于与其相应“空间”内的“物质”,“空间”一定是某个或某些“物质”的“空间”。所以,可以说成“物质空间”或“空间物质”。

“时空告诉物质如何运动”,“弯曲”的“空间”又决定了在某一“曲率”(k)“空间”“轨道”上“物质”——另一“质点”,必须以相应的速度运动:v2=(Gm) k。引力场中,物质的运动速度可以反映所在“空间”的“弯曲”情况:k=1/r=v2/(Gm)。或者说,物质的速度是空间弯曲的一种表现、一种说明、一种检测,也就是所谓的“万有引力”是一种“空间弯曲”。

3.“时间”

时间就是表示物质运动多少的一个量。时间的本质就是物质运动的量。 [7]

时间不是物质,但它是由物质的运动产生的,是物质运动的一种表现形式。物质的运动决定了时间,不是物质在时间中运动,而是时间随物质的运动而变化。

如果把上述中质量为m的“质点”处的时钟T0的时间记为t0,那么在半径为r的球面Q上进行环绕运动的时钟T的速度v,必须满足v2=(Gm) k=Gm /r。根据相对论,时钟T的时间t=t0/√1-(v2/c2)=t0/√1-(Gmk /c2) =t0/√1-((Gm /c2)/r),即有t=t0/√1-(Gmk /c2),所以,“质点”m周围“空间”的“时间分布”——“时间流逝”的情况是:“空间”的曲率k越大,“时间流逝”就越慢——“钟慢效应”;还有t=t0/√1-((Gm /c2)/r),说明了距离“质量中心”越近(在r>>R>>RS=2Gm/c2的条件下),“时间流逝”就越慢。

4.“时空”

空间和时间是事物之间的一种次序。空间用以描述物体的位形;时间用以描述事件之间的先后顺序。空间和时间的物理性质主要通过它们与物体运动的各种联系而表现出来。

时空(时间-空间,时间空间连续) 是任何把时间和空间组合成一个单一连续的数学模型。近代物理学认为,时间和空间不是独立的、绝对的,而是相互关联的、可变的,任何一方的变化都包含着对方的变化。因此把时间和空间统称为时空,在概念上更加科学而完整。 [8]

这种说法,在同一个“引力场”中,与公式t=t0/√1-((Gm /c2)/r)所反映的“时间”t和“空间”r的“关系”是一致的。

5.“物质时空”

“引力场”中的“时间分布”——“时间流逝”的状况:“时间”t只与“物质”的“质量”m与到质量中心的“距离”r(“空间”)有关:t=t0/√1-((Gm /c2)/r),即Gmt2+c2t02r=c2t2r。

我们把下列等式,称为“物质时空方程”:

Gmt2+c2t02r=c2t2

其中,G为引力常量,m为引力中心的质量,t0为引力中心的时间,r为到引力中心的距离,t为到引力中心距离是r的球面上的时间(r>>R>>RS=2Gm/c2)。

图8 “物质时空方程”

“物质时空方程”把“物质”“质量”m、“时间”t、“空间”量r联系在一起,揭示了三者之间的内在联系。也就是说,如果“物质”(质量)的存在情况不变,那么其周围的“空间”“分布”就不变,其周围的“时间”“分布”——“时间流逝”状况就不变。或者说,“物质”(质量)的存在情况,决定了其周围的“空间”和“时间”。有怎样的“物质”(质量)“存在”,就有怎样的“空间”“分布”,也就有怎样的“时间”“流逝”。

运动是物质的本性。只要有物质,就有物质运动的相应的空间,同时,也就有了相应的时间流逝。

宇宙是“物质”的。“物质”的“存在”,决定着“空间”“分布”,决定着“时间”的“流逝”。“物质”、“空间”和“时间”都是一种“客观存在”。

所以,“空间”是“物质”的“空间”,“时间”是“物质”的“时间”——“物质时空”(m-t-r):“物质”的“空间”与“时间”。

 

参考资料:

[1]《物质》百度百科

[2]《质点》百度百科

[3]《空间》百度百科

[4]《阿尔伯特·爱因斯坦》百度百科

[5]《广义相对论》维基百科

[6]《八大行星》百度百科

[7]《时间》百度百科

[8]《时空》维基百科

[9] 相关资料请参考《“引力场”与“空间场”

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