系统的相对时间效应

.z.系统的相对时间效应程卓刚关键词时间系统狭义相对论耗散能量质量动能动量摘要本文提出系统时间相对效应的数学模型，认为相对时间效应可以广泛存在于能量转换及转移的物理过程中。100年前，爱因斯坦建立的相对论打破了绝对时间对人类认识物质世界的桎梏〔1〕，在过去的一个世纪当中取得了许多重大科学成就，但时至今日，涉及时间的根本悬疑仍然没有答案。时间是什么？热力学时间指向耗散和死寂，但我们周围充满鲜活的生命与进化。为什么？一、时间的定义任何现实存在的满足系统〔st〕都存在最简单的系统需求〔s〕，这个需求就是系统存在的时间〔t〕。系统需求与系统时间的关系可以表示为：s=st·t。……〔1〕这个关系说明任何满足的系统都存在对时间的需求，任何系统存在的那一刻都是满足的，即当t>0时，系统满足。当t=0时，系统缺乏存在条件，不满足，不能存在，但缺乏条件中并不包含时间。在这个意义上，时间是系统满足的标志，却不是任何系统存在的条件。因此可以得到对时间的定义：时间是系统存在的标志。时间独立于任何系统的存在条件。系统满足是对系统"源需求〞〔s0〕的满足，满足的过程需要系统条件的改造，而系统条件的改造需要系统能力〔Δa〕的改造。系统满足与系统"源需求〞之间的关系表示为：st=s0·Δa。系统能力的改造无一例外地伴随有物质能量的转移，因而能力的变化量等价于特定形式〔φ〕的转移能量〔e〕，Δa=e/φ。st=s0·e/φ。……〔2〕方程形式强调转移能量对于系统满足的必要性。当转移能量为零时，系统不能满足，不能存在。称e为系统的有效转移能量，φ为有效转移能量的"模〞。没有具体形式的能量是没有意义的。整合方程〔1〕、〔2〕，可以得到函数关系：t=s0·e/s·φ。…〔3〕二、环境系统与其子系统间的能量转换一个系统的满足条件往往包含许多方面。设计一个包含多种条件的环境系统S，它的"源需求〞形式为：S0=ΣS0i=S01+S02+…+S0k+…+S0n，n为正整数，1≤k≤n。S=(ET·ΣS0i)/Φ。……〔4〕这个环境系统的特点是各个子系统〔Sk=ET·S0k/Φ〕的有效转移能量具有一样的能量形式，并且量值相等，各个子系统因此具有一样的存续时间，这个时间就是环境系统时间〔T〕。假设要孤立系统s=s0·et/φ成为该环境系统的一个子系统，必须满足条件：s0·et/φ=ET·S0k/Φ。有：T=(s0·Φet)/(S0k·φE)。系统s"同时〞拥有作为孤立系统的时间体系和作为子系统的环境系统时间体系，两者的相对效应满足：T/t=(s0/S0k)·(Φ/φ)·(e/E)。……〔5〕环境系统S的子系统不能完全按照方程〔5〕的形式被其他时间系统所取代，因为包含有多个子系统的环境系统也可以被视为一个孤立系统S=ET·S0/Φ，必须保持本系统的独立时间特征T。反映环境系统时间的子系统应该具有反映环境系统特征的标准范式，这样的子系统被称为环境系统的范式子系统。范式子系统应在以下2个方面区别于其他子系统：1、范式子系统的系统本体"源需求〞与作为环境系统子系统的"源需求〞一样，s0=S0k，说明范式子系统与环境系统"同源〞；2、范式子系统有效转移能量的"模〞与环境系统有效转移能量的"模〞一样，φ=Φ，说明范式子系统的有效转移能量与环境系统有效转移能量具有一样的物理形式，两者"同模〞。与环境系统"同源〞、"同模〞的范式子系统反映环境系统存在形式的特征，根据对时间的定义，这也是环境系统的时间特征。将这些特征代入方程〔5〕，可以得到范式子系统时间与环境系统时间的相对形式：T=s0·Φet/S0k·φE=(e/E)·t。如果仅考虑范式子系统的孤立系统性质，则有：e=E，T=t。显然，时间的相对性产生于孤立系统进入环境系统并且成为环境系统子系统的那一时刻。根据方程〔4〕，一个环境系统承受一个孤立系统并使它成为自己的子系统，要求孤立系统必须遵守与环境的"同时〞原则，这个约束条件是产生时间相对效应的根底，并且决定时间的"相对〞量。与范式子系统相对应，与环境系统能量形式不同的子系统被称为环境系统的非范式子系统。注意到无论孤立系统还是环境系统，它们的系统时间都是由系统需求、系统满足、系统有效转移能量以及有效转移能量的"模〞等四个有效量决定的。其中，两个系统有效转移能量的"模〞之间是否存在转换关系是孤立系统成为环境系统子系统的必要条件。方程〔5〕中，(φ/Φ)表示不同能量形式之间的转换关系。比方热能转换为机械能；电磁能转换为机械能等等。称不同形式能量间单位量的转换比为转换系数。令：η=φ/Φ，显然有：0≤η≤1。将转换系数η引入方程〔5〕，有：T/t=(s0/S0k)·(e/ηE)。一个孤立系统介入环境并且成为环境系统的一个子系统后，不管这个孤立系统的"源需求〞是什么，它在环境系统中都将服从于环境系统的"源需求〞。比方进入经济体系并在其中进展活动的人们或机构，无论原始动机如何，取得经济利益必然成为他们共同的需求形式，这是由经济系统环境所决定的。根据这个原理，环境系统中的子系统一般可以视为与环境系统"同源〞，即：s0=S0k。方程〔5〕得到一般形式：t=(ηE/e)·T。……〔6〕。对于范式子系统，η=1；对于非范式子系统，0<η<1。当η=0时，t=0。根据时间定义，环境系统认为这个子系统不存在。一个孤立系统不能成为*个系统的子系统并不排除由于存在能量转换关系而成为其他系统子系统的可能。同理，如果一个孤立系统与多个其他系统存在能量交换，这个孤立系统实际上已经成为多个系统的子系统或环境系统。当一个孤立系统"同时〞成为多个不同环境系统的子系统时，它也同时拥有了许多不同的能量转换方式，拥有了许多不同的环境系统时间。在这种情况下，孤立系统与环境系统的"同时〞原则又是怎样执行的呢？假设一个孤立系统同时作为两个环境系统的子系统，并且满足：T1/t=(e/η1E1)，T2/t=(e/η1E2)。整理后得到：T1=T2·(Φ1E2/Φ2E1)。令：η`=Φ2/Φ1，则：T1=T2·(E2/η`E1)。……〔7〕比拟方程〔6〕、〔7〕可知，如果一个环境系统的子系统同时也是另一个环境系统的子系统，这个环境系统可被视为另一个环境系统的子系统，环境系统间通过对子系统的共享来表达时间的相对性。因此，一个孤立系统如果同时分属于多个环境系统，这个孤立系统与这些环境系统的"同时〞原则是通过环境间的时间相对效应梯次实现的。仅从方程的推导形式上看，如果一个环境系统的子系统同时也是另一个环境系统的子系统，这两个环境系统可以互为子系统。事实上，孤立系统成为环境系统子系统的先决条件应满足：φ/Φ=η>0。这个条件说明环境系统的有效转移能量通过确定方式可以转化为孤立系统的有效转移能量，但这并不说明以同样的方式孤立系统的有效转移能量可以转化为环境系统的有效转移能量。由于存在限定条件η≤1及η`≤1，当η<1时，η`=1/η>1，与限定条件不符，这样的η`并不存在。但η=η`=1仅仅反映范式子系统与环境系统能量形式之间的关系，两者同"模〞，它们之间不存在能量形式间的转换。因此，该结果证明不同能量形式在同一方式下只能单向转换。这个结果对于环境系统与非范式子系统的相对时间效应具有重要意义。三、系统间的相对时间效应考虑一个未满足的需求系统s0，这个系统没有时间。如果它要取得时间，就必须获取系统满足的能量。显然，这些能量不能由不满足的系统本身提供，而只能来自于外部〔环境〕向它转移来的能量。当系统得到满足时，系统存在〔于环境〕，也就有了时间。转移来的能量带有确定形式的"模〞，s=s0·e·t/φ，向它提供能量的环境系统表示为：S=S0·E·T/Φ。既然转移能量来自环境，系统s就是环境系统S的子系统，两者同"模〞，有：s0·e·t/φ=S0·E·T/Φ，T=t·(Φe/φE)。假设s是S的范式子系统，则有：φ=Φ，T=(e/E)·t。假设s是S的非范式子系统，有：T=t·(e/η1E)，0<η1=φ/Φ<1。因为e完全来自于E，0<η1<1，即使e=E，η1E<e，T<t。环境系统存续时间小于子系统存续时间，环境系统由于子系统的介入而瓦解。假设使s满足，必须满足条件：e<η1E。即：环境系统满足非范式子系统的充分条件是环境系统有效转移能量的实际转换量大于子系统有效转移能量。既然子系统在环境系统内可以满足，它就不会瓦解或消亡。根据"同时〞原则，子系统s因此拥有两个系统时间T与t，T/t=e/η1E。当η1E>e时，T<t，说明环境系统时间慢于子系统时间。这里出现了相对时间效应。假设存在另一个系统S`，S`向S提供有效转移能量，并且S是S`的非范式子系统，满足：T`=T·(E/η2E`)，0<η2=Φ/Φ`<1，E<η2E`，则：T`<T。假设现在系统s向系统S`提供转移能量，构成三个系统有效转移能量的闭合循环，满足：t=T`·(E`/η3e)，0<η3=φ/Φ`<1，η3e>E`，则：t>T`。综合结果显示：t>T`>T>t。出现t>t的原因在于：由于能量转换系数小于1，每次能量转换都不能实现"量〞的全转换。为使上述事件合理，引进实数α，0<α<1，满足T`=T·(E/η2αE`)，可以得到：t=t/α。令：t1=t/α，则：t<t1。经过一次能量的闭合循环后，子系统s的时间加快，意味着系统有效能量的转移速度相对减慢，系统运动速度减缓。如果循环继续下去，其他子系统会依次出现同样现象。既然不能实现能量的全转换，损失的那局部能量只能作为系统的耗散能量存在，而且耗散能量不可能重新进入循环，否则会重演t<t的结果。这说明耗散能量与循环中任何系统的转移能量都不能实现转换。将各子系统循环一次产生的全部物质数量变化进展综合，得到：t1-t0=Δt，T1-T0=ΔT，T`1-T`0=ΔT`，(Δt+ΔT+ΔT`)=(Ed1/Φd1+Ed1/Φd2+Ed3/Φd3)。……〔8〕Edi/Φdi—特定形式的耗散能量。结果显示，在封闭系统环中产生的系统时间增量等价于系统能量循环中产生的特定形式耗散能量。假设有：Δt=nt，ΔT=nT，ΔT`=nT`，n·(t+T+T`)=n·(Ed1/Φd1+Ed1/Φd2+Ed3/Φd3)。闭合系统环中是否存在不产生耗散能量的循环形式呢？只有闭合环中各系统能量转换系数为1，能量在系统环中的循环不发生耗散。即：如果闭合系统环中各个子系统互为范式子系统，该系统环为无耗散系统。在上面的系统环中存在三个独立的时间体系，尽管它们之间保持相对效应，但效应量却是关于参照时间的连续变量。假设要阻止系统环内时间的变化，必须引入外部环境适宜形式的能量，用以恰好补充环内系统运动产生的耗散能量。对此只需将系统环认为是一个能量全转换的系统环，并因此依次有：e/η1E=1，t1=t0=T1=T0；E/η2E`=1，T1=T0=T`1=T`0；E`/η3e=1，T`1=T`0=t1=t0=T1=T0。t=T0=T1。于是，作为一个能量全转换的"半开放〞系统环，各个子系统的时间不但得以稳定，而且获得统一。整个"系统环〞可以被视为外部输入能量系统的一个范式子系统。由于能量在系统环内完成一个循环所产生的耗散能量是一个定值，所以环境系统时间〔T〕与系统环的时间〔t〕以及耗散能量〔Edi/Φdi〕之间的关系满足：T=(t/n)+n·(Ed1/Φd1+Ed1/Φd2+Ed3/Φd3)=(t/n)-nee/Φ。……〔9〕ee—环境进入系统环的单循环能量。只要环境系统有效转移能量充分大，n→∞。环境能量进入系统环的物理形式可以与三个子系统中任意一个"同模〞，"同模〞的那个子系统实际上是环境系统的范式子系统，其他两个则为环境系统的非范式子系统，它们组成了一个最简单的"双子〞半开放式闭合能量循环系统环。其特征为：η1·η2=1，η2·η3=1或η1·η3=1。注意到η<1，这个形式只是模式表达形式。讨论作为人类了解物质自然以及包括人类自身在内的生命自然发生、演变的重要内容，时间始终都是人类文明、文化，特别是近、现代科学研究的重要课题〔2〕、〔3〕。尽管如此，只是在爱因斯坦创立相对论之后，时间才真正成为科学研究的具体对象，因为对于相对论理论的建立与检验证明：时间会随着物质运动状态的改变而发生变化。但在相对论创立一个世纪之后，我们也注意到对于时间的一些关键性问题，比方时间的定义、时间的方向以及时间是否可逆等，相对论都没有做出实质性答复。比拟而言，本文提出的系统时间相对性效应对于物理能量形式具有广泛的包容性，并不只是局限于物体的运动体系，这就意味着相对时间效应并不仅仅存在于物体运动过程中，它可能广泛存在于一切物质能量的运动及转化过程，并因此将时空的相对论形式推广到更为普遍的物质研究领域。事实上，确定条件下的系统时间效应可以取得与相对论一致的结论。参考1、"狭义与广义相对论浅说"A·爱因斯坦著，杨润殷译，**科学技术出版，1964年8月第一版。2、"时间简史—从大爆炸到黑洞"〔英〕史蒂芬·霍金著，许明贤、**超译，**科学技术1996年4月第一版。3、"时间之箭—揭开时间最大奥秘之科学旅程"〔英〕彼得·柯