《物理学毕业论》word版.doc

摘要：综观整个现代物理学的发展史，自牛顿的独立于物质的绝对时空观以来，科学史曾经历了时空和物质运动相耦合的相对论时空观、量子力学的超弦高维时空观等几个阶段，这些可以说是公认的时空观革命。但这些时空观出发点是基于主客观分离的机械力学还原论逻辑，在时空背景上是定义质点、力、速度、加速度、动量、能量等参量(有可积的能量或哈密顿函数)，核心是牛顿力学方程和哈密顿方程。这决定了现代物理学的基调是大都具有决定性结构和时间可逆的机械力学特性，显然与现实世界不相符合，蕴涵着深刻的逻辑缺陷，只能是过渡阶段的时空观及物理学，目前正遭遇到重重困难：量子引力的统一场问题、宇宙起源、奇点、黑洞、量子测量坍塌、混沌、湍流、时间佯谬(熵)、自组织和生命悖论(负熵)。现代物理学似乎已逼近一个非如此不可的逻辑结构，从某种程度上讲，理论如此发展是因为再无它路可走。结合近几十年来开始考虑的开放条件下的有机宇宙演化问题，我们可以合理地怀疑这些既成事实的理论的自然理性逻辑体系是不完备的、自洽的。关键词：平直时空观. 绝对时空观. 时空度. 相对时空观正文：一、物理学的旧时空观创立物理学旧时空观的主要代表人物是古希腊的哲学家亚里士多德和古希腊天文学家、地理学家托勒密。这一时空观在历史上从公元前三世纪至公元14世纪，延续了一千五百多年，直到欧洲文艺复兴时期以前。旧时空观以前的古代时空观是“天圆地方”的“盖天说”一种宇宙有限论。但没有摆脱神学的影响，认为宇宙之外是上帝的栖身之地，宇宙是由上帝创造的。旧时空观的主要观点反映在“地球是宇宙中心”的“地心说”中，到托勒密时期，它已形成了较完整的宇宙结构学说。虽然，“地心说”认为物体的运动为神力所驱使，但对物质运动的具体解释，却力图从物质本身去寻找原因。这是具有朴素的唯物主义思想的，从而它有一定的科学价值和实用价值。例如，它认为物体具有寻找自然归宿的普遍特性。物体运动的原因是“它们还没有达到各自的天然位置”。以月球为界，宇宙分为两部分：“月上”的物体其天然位置在天球上，因而它们均随天球作圆运动；“月下”的物体天然位置在地球中心，因此它们都作落体运动，物体愈重，下落愈快。物质中较密集的部分尽可能地接近宇宙中心，所以造成了球形的地球。从而也使古代时空观中的“上”“下”绝对观念失去了意义。这是造成宇宙中物质分布不均匀，形成中心对称宇宙的原因。尽管这种解释今日看来并非正确，但却是历史上第一次从物质本身去寻找物质运动原因的尝试。它能够在当时解释地球附近物体的落体运动。尤其对行星运动作了许多精确的说明。如很好地预测行星方位等等。在航海、天文、历法及生产实践中起了很重要的作用。其成果被沿用一千多年。“地心说”在实践中的应用，说明这一理论本身基本上是唯物的，是在一定程度上反映了客观实际，是人类认识史上的一大飞跃，是物理时空观的重大发展。但是，应该明确指出，“地心说”被宗教神学利用，那是托勒密死后一千多年时的事。因此不能否定“地心说”原有的朴素的唯物主义的内容。笼统地将“地心说”本身说成是唯心主义的，是不符合客观实际的。以“地心说”为代表的旧时空观的主要观点是：1承认时间、空间是客观存在的。“地心说”虽承认“神灵”的存在，但并没有说神灵在支配时空，而是力图从物质本身去寻求运动的原因，没有让时空观念带上唯心主义的色彩。2在空间概念中，正确的认识到“上”“下”观念是相对的。但是，它的宇宙空间却是有限的，是有中心的。3承认时间的无限性。因为它至少承认了天体圆运动的永恒性。但没有说明宇宙有无起源，即时间有无起点的问题。（被宗教神学利用后，强加于“地心说”的时间起点是神创宇宙之时。这并非“地心说”原来的观点。）“地心说”中没有明确说明时间、空间二者的关系，以及时空与物质的关系；更没有说明时空与物质运动的关系。二、物理学的经典时空观创立物理学经典时空观的主要代表人物是波兰天文学家哥白尼、意大利数学家和力学家伽利略以及英国物理学家、数学家和天文学家牛顿。而牛顿的绝对时空观是经典时空观的集中反映。这一时空观从公元14世纪一直延续到19世纪末、20世纪初（狭义相对论建立之前）。1哥白尼的主要贡献。是将对宇宙的认识由“太阳中心说”代替了“地球中心说”。理论上的这一变更，从物理学中运动学的角度说，不过是对太阳系内行星运动描写时，参照系的一个变更（将参照系由地球移向了太阳），从而对太阳系内行星运动的描写极为简单。按哥白尼的描述，各行星均绕太阳沿不同的圆形轨道运动。摆脱了“地心说”中“均轮”、“本轮”那一套复杂的描述。所以只从运动学角度，还看不出“日心说”比“地心说”本质上的优越性。“日心说”显示了以太阳为惯性系描述太阳系内行星运动的优越性，从而展现了宇宙的这一层次太阳系结构的本来面目，也为牛顿在动力学方面的研究（万有引力定律及牛顿定律的发现）铺平了道路。所以，从物理学的动力学角度说，“日心说”比“地心说”有本质上的区别。“日心说”的缺点是：仍然是宇宙中心论。并承认太阳的绝对静止；行星运动仍沿用了圆形轨道的说法；限于当时的观测及认识，认为恒星不动。2伽利略的主要贡献是：(1)通过望远镜的观察，看到太阳系内结构的一些细节。进一步说明了太阳系内部结构的统一性。但仍未摆脱行星圆形轨道的传统观念。(2)利用笛卡儿坐标系这一数学工具，给出了关于距离（与空间概念有关）和时间概念的确切的数学形式。明确说明真实空间的三维性和时间的一维性。与太阳中心相连结的坐标系被公认称为伽利略坐标系。(3)提出了伽利略相对性原理：“力学定律在所有惯性系中都相同。”以及对这一原理的数学补充伽利略变换，即两个惯性系间时间和空间坐标的变换式。这里，集中体现了经典物理学的时空观。牛顿继承了这一观点，并给出完整的表述。(4)提出了惯性定律。为牛顿创立力学的动力学理论打下了基础。他指出了亚里士多德的错误，力并非是物体运动（速度）的原因。而是物体运动变化（加速度）的原因。从而也科学地解释了“日心说”中行星的运动和地球表面上物体的落体运动。爱因斯坦对伽利略的工作给予了极高的评价：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”3牛顿在前人大量工作的基础上，以其缜密的理论思维和深厚的数学功底，定量地、完整地建立了经典力学的理论体系，为整个经典物理学打下了坚实的基础。牛顿继承了伽利略相对性原理及伽利略变换的思想，并完整地叙述了绝对时空观。在开普勒行星运动三定律的基础上（已正确地观察到行星运动的椭圆轨道），发现了万有引力定律。在伽利略惯性定律的基础上，又建立了动力学的牛顿三定律。以上这些基本规律都是大量实验的总结。它们在牛顿力学体系中均处于基本原理的地位。而且可以严格证明：按伽利略变换，牛顿定律完全满足伽利略相对性原理的要求。即三者完全协同一致。因此伽利略变换反映的时空观，完全集中体现了经典物理学的时空观。伽利略变换是两个惯性系描写同一物体运动时，时间和空间坐标的变换式。体现了运动描写的相对性。为简化起见，设S相对于S系以速度v只沿x轴方向作匀速直线运动（图1），且静止于S系的钟及静止于S系的钟读数均为零的时刻，S系和S系的原点重合。则同一物体任一时刻坐标（x、y、z、t）与（x、y、z、t）之间的变换关系为：时间和空间与物质及其运动无关。时间坐标系和空间坐标系是完全脱离物质而独立存在的。坐标轴上的标度即间隔与惯性系的选择无关。由伽利略变换易导出：说明时间间隔和空间间隔在不同的坐标系中保持不变。即时间、空间观念与物质及其运动无关。时间空间彼此无关，各自独立存在。这表现在时间坐标系与空间坐标系可以分离，各自独立存在。虽可配合共同描写物体的运动（如运动方程，表现为空间坐标与时间坐标的关系）。但二者并无内在的必然联系。经典时空结构的特点：a时间结构。一维性；单向性（这是热力学第二定律不可逆过程概念的贡献，反映了事物发展因果律的要求）;时间的均匀性（即t=t反映出来，时间间隔的不变性）；同时性概念的绝对性（由伽氏变换易于看出。在S系内不同地点同时发生的事件即t=0，必然t也等于0。说明在S系看也是同时发生的。这来自于牛顿的“超距作用”观点）；时间是有起点的（上帝对宇宙的“第一次推动”）；但时间的发展是无限的。即时间是有始无终的、具有单向的无限性。b空间结构。三维性；空间的均匀性和各向同性（即伽氏变换中x=x、y=y、z=z，所以空间间隔具有不变性）；空间的无限性（大至无限；小至无限可分基于牛顿提出的“质点”理想模型）。这种时空结构是均匀的、平直的，在数学上可用欧几里德几何学描写。时间的“均匀性”和空间的“均匀性”、“各向同性”性可以概括为“时空对称性原理”。这实质上是“宇宙无中心”的另一表述。这是基于“物理规律在不同时刻，在空间不同点是等价的”经验提出的。可以严格证明：时间均匀性将导致有能量守恒定律的存在；空间均匀性将导致有动量守恒定律的存在；空间的各向同性将导致角动量守恒定律的存在。这三个守恒定律的存在已被大量实验事实所证实，而且还超出了宏观低速领域。至今还没有实验能推翻这三条守恒定律的存在。也就是说，在我们至今研究的时空领域内，还认为时空对称性原理是正确的。近代物理学的近代时空观按照具体学科分别叙述：包括狭义相对论、广义相对论、量子理论（量子力学、量子场论）、现代宇宙学（属于广义相对论及量子理论的应用）的时空观。三、狭义相对论的时空观狭义相对论的适用范围是：在惯性参考系中宏观物质的高速运动。所以其时空观是在物质平均密度小（或引力场弱）的区域，宏观物体作高速运动时时空特征的反映。由于“高速”与“低速”不同，量变会产生质变。所以狭义相对论时空观与经典时空观会有质的不同。又由于“高速”包含“低速”，所以经典时空观不过是狭义相对论时空观的在物体速度vc时的极限情况。狭义相对论理论系统的基本原理是“光速不变原理”和“狭义相对性原理”。由它们可以导出物体高速运动时两个惯性系间的时间和空间坐标变换式洛仑兹变换。该变换式集中体现了狭义相对论的时空观。狭义相对论时空观的内容可以分为三个方面：1继承了经典时空观中某些观点。如在时间、空间的客观性上；时间的一维性和单向无限性上（时间的起始问题未谈及）；空间的三维性和无限性上以及时空结构的均匀性、平直性上（即时空观念与物质无关），仍坚持了原经典理论的观点。2发展了“宇宙无中心”的观点（即仍坚持了“时空对称性原理”）。狭义相对论推广了伽利略相对性原理：对一切物理学规律惯性系之间等价。以全部物理学规律证明，不存在一个绝对静止的惯性系，即不存在一个特殊的时空。发展了“宇宙无中心”的观点。3狭义相对论的主要贡献是否定了经典理论的绝对时空观，建立了一种相对时空观。首先介绍一下洛仑兹变换（惯性系S和S的关系与伽利略变换时相同）。其坐标变换关系为：(1)时间、空间观念均与物质运动状态有关。“同时性概念是相对的”。由“光速不变原理”，通过“爱因斯坦火车”的理想实验，可以得到，不同地点两个事件的同时性与惯性坐标系选择有关。不同惯性系间区别只在于运动速度不同。所以“同时性”概念与物质运动速度有关。这一点也可以从洛仑兹变换中得出：由式易得：对S系中两个事件若是同时的，则t2=t1。这时，即S系中看，两个事件不是同时的。“时间间隔是相对的”。由洛仑兹变换式，对同一地点x可以导出可见tt，即运动时钟变慢。这种现象只有在物体高速运动时才明显可以观察到。例如介子半衰期变长，高速运动的氢原子辐射频率降低（或波长变长“红移”）等实验充分证明了这一结论。“空间间隔是相对的。”由洛仑兹变换式，对同一时刻t可以导出注意这里x为静止于S系内的尺长。x为S系观察者看到的同一个尺运动的尺长。由于xx，所以有“运动尺缩短”或“运动方向上长度收缩”的结论。这种现象在物体低速运动时很不明显。经过计算可知，普通长度的卡车，当以v=40kmh行驶时，约只缩短一个原子直径；火箭比汽车速度大很多，但仍属低速，如其长度为100m，v=16200kmh，也只缩短1100mm。但当其速度大到v=0.8c时，经计算可知其长度将缩短40m。1959年，戴勒尔指出，一个高速运动物体的视觉形象并非仅由“洛仑兹收缩”效应决定。当考虑了光学效应对人眼引起的畸变之后，我们实际上只能看到物体转过一个与相对速度有关角度的形象，如图所示。(2)时间空间彼此密切相关，“时空”整体为物质存在的形式。这可以由狭义相对论时空的统一结构来说明。此时，时间坐标轴（ict）与空间坐标轴（x，y，z）想象地彼此垂直，构成统一的四维时空（一种数学上的空间），称为闵可夫斯基世界。由于时空结构的均匀性和平直性，所以欧几里德几何学仍成立；但由于四维时空是非真实的空间，故称为在数学上“以赝欧几里德几何学处理”。在四维时空中，物体某一运动用一段四维矢量代表，其长度为ds。四维矢量在四个坐标轴上的投影即表示时间间隔cdt和空间间隔dx，dy，dz，它们的关系是ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2当选择另一惯性系时（须进行洛仑兹变换），相当于整个坐标系绕原点的一个转动。显然，该转动不会改变运动的客观性，即ds为恒量。称为四维时空间隔的不变性。但四个投影均可以发生改变，它们满足ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2这说明即使参考系改变引起了时间、空间间隔均发生变化（体现为时空观念的相对性）。但这种改变仍由ds不变性限制而紧密相连。即物质运动本身内在地要求时间空间的紧密联系，“时空”整体为物质存在的形式。时间、空间观念与物质本身的关系，狭义相对论未论及。原因是在物质密度小（引力场弱）区域，这种“相对性”不明显，这将在广义相对论中补充。为使经典力学对洛氏变换具有不变性。就必须修改牛顿定律而代之为相对论动力学。例如，考虑m与t有关，则牛顿第二定律可表为：在vc或vc0的极限情况下，自然得到经典力学F=m0a的结果；洛仑兹变换也自然过渡到伽利略变换。这样，经典理论、经典时空观均为相对论理论及其时空观在低速（vc）情况下的近似，由此也说明了新理论的成功。新旧理论的这种关系，在物理学方法论中称为“对应原理”。四、广义相对论的时空观爱因斯坦于1915年又将适用于惯性系的狭义相对论进一步发展，创立了适用于非惯性系的广义相对论。物理学理论指出，惯性系不过是一种理想状况，它只在宇宙中一个小范围内近似存在（所谓的“局部惯性系”）。更广泛的情况是人们站在非惯性系处理问题。惯性系不过是非惯性系的特例。从另一角度讲，非惯性系相当于物质平均密度大（或引力场强）的区域。显然包括经典理论的物质平均密度小（或引力场弱）的情况。所以，广义相对论的适用范围是：非惯性参考系中宏观物质的高速运动。其时空观是在物质平均密度大（或引力场强）的区域，宏观物体作高速运动时时空特征的反映。（一）广义相对论对时空观的主要补充如下1又进一步发展了“宇宙无中心”的观点。爱因斯坦基于惯性质量与引力质量相等的一些事实，提出非惯性系与引力场等效的“等效原理”假设。从而可以将非惯性系问题转化为熟知的惯性系问题处理。于是可以把狭义相对性原理进一步推广到任意参考系，导致广义相对性原理的提出：一切物理规律在任意参考系间等价。这说明了物体运动规律（以数学形式表述）的绝对性。它不因人们的观察角度（即参考系选择）而改变（在哲学上可以说这是物质运动绝对性的一种表现）；也更广泛地说明了宇宙中没有特殊的时空存在，进一步否定了经典理论中“绝对静止时空”的存在。这时，代替洛仑兹变换的将是广义坐标变换（坐标的一种非线性变换）。2补充了时空观念还依赖于物质分布的“相对性”。将广义相对性原理（其数学形式是广义协变原理）与最小作用原理结合，可以导出宇宙中的引力场方程。从中可以看出时间、空间性质与物质及其运动的具体的相互依赖关系。极大地丰富了辩证唯物主义关于“时间和空间是运动着的物质的存在形式”的论断。左方：Gv引力张量。（其中Rv黎曼曲率张量，gv时空度规张量，R为宇宙半径。）它显示了时空结构的黎曼几何学特征。右方：Tv物质的能量动量张量。显示了物质分布及其运动的特征。K为耦合系数（G为万有引力常数，c为真空中光速）。3补充了时空结构与物质分布的关系。物质密度越大的区域，统一时空弯曲的曲率越大（这表现为空间越弯曲；时间流逝越慢）。所以时空的特性（间隔、弯曲程度等）不但与运动状态有关，还与物质本身分布有关。三维空间的“弯曲”。可以通过几何测量违反欧氏几何发现。例如，由于光线的弯曲，导致两点间的最短距离不是由直线测量，而是由曲线（“测地线”）测量。所以对于四维时空结构的弯曲，要用非欧几何黎曼曲面几何学描写。时空将构成“四维黎曼时空连续区”。采用曲线坐标系高斯坐标系描写（由四族曲线构成曲线网类似地球表面二维的经纬线相交组成的曲线坐标系）。时间流逝快慢与物质密度（或引力场强度）的关系，可用本征时间d的公式说明。式中dt与引力势=0区域对应。由于0，所以只要0（有引力场），ddt，表明时间流逝变慢，且越大（引力场越强或物质密度越大），时间流逝越慢。显然，在时空的极小区域，它将退化为欧氏几何的直角坐标系。广义相对论时空观在极限情况下可以过渡到狭义相对论以及经典的时空观。体现了新理论对旧理论的扬弃关系。还须指出，虽然时空结构的均匀性在局部区域看破坏了。但从大尺度看，宇宙学原理仍然成立。现代宇宙学的一些观测支持这一看法。无五、量子理论的时空观量子理论是描述微观物质世界的物理理论的总称。量子力学是描述微观粒子运动规律的学科，是在旧量子论（19011913年由普朗克、爱因斯坦及玻尔等人创立）基础上，在19231926年间，由德布罗意、薛定谔、海森堡及玻恩等人创立。量子场论是描述微观物理场运动规律的学科，是将经典场加以量子化的理论。它是经典场论（如电磁场理论）、相对论与量子力学结合的产物（如量子场论中的量子电动力学、正在研究进行的量子色动力学、量子味动力学、量子引力论）。量子理论的研究范围是微观物质（粒子和场）的高速运动。在宏观低速的条件下也可以退化为经典理论。量子理论及现代宇宙学在探讨宇宙起源的问题上表现出的时空观主要有以下几点：1现在时间空间观念可能存在量子化问题即时间、空间间隔可能存在一个最小限度，超过这一最小限度，现有的物理时空观已不能适用，可能面临着新的变革。1927年海森堡提出量子力学的一个重要结论测不准关系。它表明，对微观粒子不可能同时准确测量其坐标和动量（或速度），即不可能精确确定微观粒子的轨道。实验证明测不准关系是正确的，是微观物质本身固有的特性（微观粒子具有波粒二象性）决定的。不是仪器或测量方法的缺陷造成的。这是否预示着现有物理时空观的适用范围有个最小界限？即时间、空间间隔也存在量子化问题？海森堡首先提出了这一想法。他曾设想原子核尺度10-15米是最短的“基本长度”，但被后来的实验否定了。也有人认为强相互作用的特征时间10-2310-24秒可能是时间的“量子”，但一直没有可靠的依据。但是，现代宇宙学在宇宙（应指“我们的宇宙”）起源问题上的探讨，却预示着有时空量子化的存在。在“大爆炸宇宙模型”中，将广义相对论运用于宇宙起源t=0时刻，会得到宇宙起源于“奇点”的结论：即宇宙起源于半径R=0（几何点），而物质密度=的状态。这显然是一种错误的结论。其错误的根源，是对广义相对论做了不合理的外推。正如爱因斯坦指出的：“人们不可假定这些方程对于很高的场密度和物质密度仍然是有效的。也不可下结论说膨胀的起源就必定意味着数学上的奇点。总之，我们必须明白，这些方程不可扩展到这样一些区域中去。”广义相对论对宇宙起源状态已不适用，则意味着与广义相对论并存的现有的物理时空观也有它的一个最小的时空适用范围即存在物理时空的量子化问题。那么，现在较公认的时、空最小间隔是多少？“大爆炸宇宙模型”只在解释爆炸10-32秒以后是成功的。而在t10-32秒（渺观）情况遇到许多困难。在1980年，美国物理学家古斯（Guth）提出“暴胀宇宙模型”，考虑了物质量子化，引入量子理论，较好地解决了10-43秒10-32秒时“大爆炸宇宙模型”暴露的问题。该理论并且预言，宇宙在这一期间处于一种现今未知的物质形态“假真空”态。对这种状态现有物理学理论只是假设，这是一种极高温、高压，能量密度极大的状态。而在小于10-43秒时，现有物理时空观念均不适用。因此，目前较为公认的最短时间是tP10-43秒（称为普朗克时间）相应的最小长度是lP10-35米（称为普朗克长度）与此对应的宇宙温度为1032K，物质密度=1093克厘米3。从小的方面，超过时空量子化的这一界限，则现今的物质密度=0，是未知物质形态。现有物理学理论已不适用。这即所谓“奇点”时期。应该认为，这一界限并非否定了哲学“无限可分”的观点，它只体现了现有物理时空观的局限性。所以，宇宙并非起源于数学上的“点”，而是物理学上的“点”“原始火球”。它虽小，但R0；物质密度极大，但。须指出的是，对渺观领域的“奇点”，现有的物理时空观念消失了，但哲学的时空观念仍然存在，不是没有时间、空间观念的世界。恰恰需要用物理学的发展，用新的物理时空观去丰富哲学的时空观念。2宇宙并非起源于没有时间、空间，没有物质的“虚无”，时间，空间仍是物质存在的形式。首先“假真空态”并非是物质的“虚无”。它只是现今未明的物质形态。量子场论有一种设想将“假真空态”对应的物质形态称为黑格斯场（预言它是一种标量场。其能量密度很大，可能为1095尔格厘米3。即为一个原子核能量密度的1059倍。并具有巨大的负压力，产生强烈的引力排斥效应。这正是导致“原始火球”爆炸的起因）。其次对“奇点”领域虽然现今物质不存在，但仍有未知物质存在，并且会以另外一种物理时空观形式出现。甚至如物理学家M玻恩所说：“我们所知道的宇宙的起源可能是物质另外发展形式的终结即使我们