广义相对论的时空观简析

4、广义相对论的时空分析爱因斯坦曾说过：“科学从科学发展之前的思想中接受了空间、时间、物质对象(其中重要的特例是固体)的概念，使之更加准确。”不依赖主观认识的“物理现实”由空时间(一方)和空时间进行相对运动的永远存在的粒子(另一方)组成(至少原则上是这样)。这种对时空独立的看法可以用断然的话来表达，如果物质消失了，其本身(作为导演物理事件的舞台)仍然存在。”爱因斯坦的基本思想自然规律的统一性他想通过局部对称来实现物理运动规律的几何学，这一直是后来理论物理学家追求的方向。新的时空概念必然改变了时空在理论中的地位和作用，消除了普遍的背景作用，时空就像所有的物理对象一样，与其他物理对象有着相互作用。时空的特性依赖于其他物理对象，但也通过对其他物理对象的作用来表现自己的特性。重力可以通过空间几何特征的空间弯曲来解释和理解；物质间的作用和物质的发生与我们生活的时空的基本特性有关，即我们为什么拥有这样的物质结构与时空的性质有关，我们的时空为什么这样，又由物质世界的结构决定。这样，古典理论中其专门化形而上学的概念被移除，将时空的本质与物理对象的作用联系在一起，为需要研究时空本身的物理学提供了实效性。时空的地位不再完全优先于所有物理事物和作用，而是与它们融合。物理学的时空概念成为物理学中哲学时间观的狭义表达。爱因斯坦在晚年通过相对论与空间问题回顾人类时空观念的变化过程，委婉地指出“有无限的空间进行相对运动的观念”。“甚至现代科学思想也没有发挥重要作用。”Einstein在回顾与人类原始经验相关的时空概念的变化时，有意将法国古典科学家笛卡尔对什么都不存在的空间的看法与自己的相对论进行比较。他这样强调。“笛卡尔论证说，一般来说，空间和光延展性相同，但光延展性与物体相连；因此，没有物体的空间是不存在的。也就是说，什么都没有的空间是不存在的。”爱因斯坦以箱子为例，解释说：“一般相对论绕着一个大弯转，笛卡尔的概念不断被证明。”。但是，如果将“箱子壁的厚度减少到0”，则“只剩下没有箱子的空间”的无限空间。这些无限空间之间的关系是什么？“当小长方体s在大长方体s的空白空间中相对静止时，s的空白空间是s的空白空间的一部分。但是，当s相对于s运动时，这个概念并不那么简单。人们应该认为s总是围绕着相同的空间，但s包围的空间部分是可变的。因此，需要确认每个长方体有唯一的、没有边界的空间，并假定两个空间相对于彼此的行为。现在要记住，空间是无限的，这些空间是相对运动的。”爱因斯坦似乎对当时的时空问题研究现状(20世纪50年代)没有什么遗憾，他委婉地指出：“这种概念在逻辑上是不可避免的，但在现代科学思想中也没有发挥太大的作用。”霍金写道，时间简史完全改变了爱因斯坦思考空间和时间的方式。“他们不再是其中发生的被动背景而是现在变成了力学量。”3。实际上，将其中的第一个“他们”换成空间，将第二个“他们”换成用“l，t的函数表示的空间的特殊结构”，不仅可以正确揭示一般相对论中有关时间-空间概念变化的基本思想，还可以完全整合相对论和经典物理学中的时间-空间观念。顺便说一下，“我们必须接受的观念是，时间不能与空间完全分离，必须与空间结合，形成所谓的空间-时间的对象4”。将最后七个字修改为“L-T对象”，符合客观存在的实际。一般相对论提出的宇宙描述就是因果宇宙的描述。因为相对论的基本教义中没有什么能进行超高速传播。特别是任何因果效应和信息都不能超过光速传播。黎曼几何是专门研究曲线空间各种特性的巨大几何公理系统。球形几何体只是一个很小的分支。不仅可以用于球面、椭圆形、双曲面等二维曲面，还可以用于高维弯曲空间的研究。是一般相对论最重要的数学工具。利曼预言，在制作利曼像时，实际宇宙可能会弯曲，物质的存在可能是空间弯曲的原因。这实际上是广义相对论的核心内容。现代科学之父爱因斯坦谈到“无限多个空间互相进行相对运动”，发现了广义相对论中隐含的重要宇宙学原理，即爱因斯坦的思想，每个无限空间都与天体一起运动。也就是说，各种天体及其天体系统，即不同级别的星系，实际上是带着周围的空间一起移动的。综合理解这一宇宙学原理显然对修正人类的宇宙观念具有重要意义。第一，在这里相对论物质及其运动的空间是不可分割的思想，天体是运动的，天体周围的空间也是运动的；第二，这里的观点间接地说，彼此的相对运动空间必须相对封闭，即“空间相互进行相对运动”，实际上意味着不同无限时间的相对运动；第三，武汉的时空要有严格的秩序约束，也就是重力的界限。否则时空也不会有相对运动。第四，空间是相互相对运动的动力源，来自每个空间中心的天体的质量作用。但是，由于天体的质量不同，相对运动的时空也不同，必然形成分层增加的时空结构。这个时空结构存在什么样的局限性，比如超星系团？他们以更大、彼此相对运动的空间为背景吗？对此还需要观察研究。【1】无论如何，对于做相对运动的空间无限的观念，最晚一百年后，到了在现代科学史上发挥重要作用的时候了。爱因斯坦在总结人类相关章节概念的进化历史时，通过万年相对论与空间问题指出：“与依赖坐标的充满空间的东西相反的空间，是不能摆脱这些充满空间的东西而独立的。”爱因斯坦在比较牛顿理论和相对论的时空概念上的差异时，指出时空是独立于原始概念的，即“物质消失后，它本身(作为表演物理事件的舞台)仍然存在”。理论的发展打破了这个观点。这个发展很快就有了现场的概念.根据现场概念的历史发展，没有物质的地方就没有现场。为了更容易解释光的传播，“人们不得不假定，在一直认为什么都不是的空间里，到处都有某种形式的物质，叫做以太网”。“Einstein提到了历史上著名的以太网漂移实验，并强调说：”洛伦兹证明了迈克吉尔森-莫雷实验的结果至少与以太处于静止状态的学说不矛盾。1过去，人们评价相对论的时候，只能提到狭义相对论是根据迈克吉尔森莫雷尔的实验结果而产生的，爱因斯坦却不这样认为。在他看来，否定静止以太网只是狭义相对论。狭义相对论揭示了所有惯性系统的物理等效性，因此，对静止以太的假设不能成立。“1 Einstein指出，1这一点。”因此，必须放弃将电磁场视为物质载体的观点。这样，在牛顿的理论中，就像物质概念不能再分解一样，场成为物理说明中不能再分解的基本概念。“这也修正了特殊相对论否定以太的同时电磁场不再是具有物质形态的物理实体的场概念。爱因斯坦的万年学说阐明了事实上隐含在狭义相对论中的另一个重要物理观点。换言之，以太作为虚拟的场状态物质不存在，但非物理实体，即非物质形式的场仍然存在。但是爱因斯坦指出狭义相对论和广义相对论的空间概念之间的差异，这使他有些困惑。”现在我们将看到，宇宙概念要修改得多大才能转换成一般相对论。根据古典力学和特殊相对论，空间(空的时候)的存在不依赖物质或场。要描述充满空间、依赖坐标的情况，首先必须假定对充满空间的事物的描述是没有意义的空白时间或惯性系与这种程度的特性同时存在的。根据一般相对论，与依赖坐标的“填满空间”相反的空间不能独立于这种“填满空间”。“1”“充满空间的东西”究竟是什么意思？您可以在Einstein为相对论与空间问题添加的脚注中找到这些提及。“空间已满的东西(如字段)”。因此，如果再次理解爱因斯坦，就很容易找到答案。也就是说，爱因斯坦的目的是使用“充满空间的东西”的公式灵活地替换领域的旧概念和新概念的转换。旧物质形态的场认为以太是唯一的坐标系，因此空间这样旧物质形态的场是“相对”的。但是，空间不是什么都没有，为此，不能摆脱新的无形形式的领域，而“独立存在”。爱因斯坦的这一论述隐含在一般相对论中的时空物理属性之谜终于给出了比较明确的答案。也就是说，时空弯曲从数学抽象恢复为物理形式是基于某一场的存在。这样还对时空和移动物体之间的物理联系进行了较为合理的解释，现场在其间起到了媒介作用。爱因斯坦在名为万年相对论与空间问题的附录中强调了时间和空间的概念和场的概念的深化，首次承认时间和空间的存在是“场的结构特性”，将时间和空间的讨论引向了认识物体运动的广延性的特定方向。爱因斯坦探索了纯粹的重力场，并在修正的场概念的基础上，得出了自己晚年时空问题的研究思路。“笛卡尔认为没有空间的观点与真理相距不远。如果把物理实体只理解为质量的物体，以上观念似乎真的很荒谬。这种把场看作物理现实上的表象的观念，将广义相对论结合起来，就能解释笛卡尔观念的真正意义。“没有章节”的空间是不存在的。空间时间不一定能独立存在，不一定能脱离物理实体的实际目标。物理事物不是在空间里，而是在空间里具有广阔的延展性。这样，“空白”的概念就失去了它的意义。单击1爱因斯坦和笛卡尔都承认，什么都没有的空间，即绝对的空虚是不存在的。但是爱因斯坦认为，他和笛卡尔的观念本质上是不同的。换句话说，对“物理现实”的理解不同。在笛卡尔看来，物理学的意思是空间里到处都是“定性物体”，爱因斯坦修改了笛卡尔的经典概念，指出物理实际上是以“不可分解”的章节为模型存在的，这反映了自然法则的制约(反映了广义相对论)。爱因斯坦的晚年学说巧妙地把充满“质的物体”的物理空间变成了充满非物质形态的现场。但是，Einstein不需要重新启动以太网。与提到“有质量的物体”或“有质量的物质”1一致，Einstein没有直接提出章节属于“无质量的物质”或“虚拟物质”，但他在第15版说明联系了Einstein的看法。“物体不是存在于空间中，而是这些物体有很大的延展性。”爱因斯坦对物体的“空间的光延展性被具体化为场”的想法仍然很清楚。爱因斯坦对时间和地点的关系有前所未有的看法。“空白空间不能独立存在，只能作为字段的结构特性存在。”这个观点如此独特。完全否定时间和空间的对等关系，代替时间和空间现有包容的所有特殊地位，使时空只以现场的内部秩序形式尊贵。我们可能很难习惯在“现场的结构特性”中看到时空的存在。爱因斯坦将时间和空间解释为“场的结构特性”，一方面确认了场是基于时空的物理整体，另一方面确认了场结构具有可变性，即时间和空间的弯曲属于场的结构变形。场结构的变形产生重力效应，形成场之间的相对运动。我们必须从场的相对运动出发，才能掌握天体运动的精髓。随着宇宙中暗能量的发现，关于领域来自哪里的问题的新答案正在被发现。遗憾的是，暗能量在爱因斯坦的一生中没有被发现，因此爱因斯坦在后期可能赋予了事物的广泛性，或者说是介于两者之间的某种特定意义。但是，已经有迹象表明，添加到爱因斯坦早期场方程中的宇宙项目(即宇宙常数)有自己的场能。爱因斯坦认为，物体的光延展性形成场，时空形成场的结构特征。这一过程表明，物质必须通过场而不是时空来形成时空。爱因斯坦的观点提醒我们，当人们面对时间和空间的时候，面对着一种巨大的结构。时间和空间的弯曲，即场结构的弯曲，场结构弯曲，产生重力效应，大量互相吸引的天体在弯曲的场结构中运行；无数时间和空间的相对运动，即无数场的相对运动。Einstein的研究大部分是Einstein的科学贡献主要限于创立相对论，此后Einstein最重要的研究方向是没有结果的统一场理论。但真正的事实是爱因斯坦在探索统一场论的同时，一直在探索时空问题。总结一下，爱因斯坦通过名为相对论与空间问题的附录，主要从四个方面提出了自己的新观点。(1)无限多的空间，即无限多的章节，互相对立的运动的观点；(2)将场概念修改为不再可分解的物理实体的观点；(3)没有章节的空间，即什么都没有的空间；(4)时空不能独立存在，只能以场的结构性质存在的观点。这是爱因斯坦晚年关于时间和空间问题的最后结论，但在物理学界还没有被理解和接受。这种观点与探索时空奥秘的方向完全相关，因此每个观点可以衍生出很多研究课题。这种观点在物理科学难以取得新突破的今天尤为重要。爱因斯坦在后期修改了场概念，意味着场的存在可能与已知的粒子不同，也可能与任何已知的运动形式不同，探索这种由否定以太网更新的场概念，伴随着当今时间和空间研究的难点，如果能在这个问题上取得突破，就只能极大地推进物理科学的发展。所以，场的概念是过时的吗？爱因斯坦过去在晚年给后人留下了更多的思虑的馀地。“我认为物理学很有可能不是基于存在的概念或连续体。”2一