空间和时间的科学意义

第15卷，第1期 中国传媒大学学报自然科学版 2008年3月JOURNALOFCOMMUNICATIONUNIVERSITYOFCHINA(SCIENCEAND7IECHNOIDGY) V01．15，No．1 Mar．，2008 空间和时间的科学意义 黄志洵 (中国传媒大学信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，北京100024) 摘要：在计量学中长度和时间都是基本量，对应在国际单位制(SI)中的基本单位是米和秒。所谓“空时”(或“时 空)在计量学及国际单位制中均不存在，并且缺乏可测性。“空间”和“时间”是物理学中的独立概念，两者之间缺 乏强联系，故“空时”(或“时空)不是有物理实在性的概念。说“空时(时空)可以弯曲”是缺乏实际意义的。 宇宙学中对Hubble红移的主流解释是“所有的星系都在退走”，但造成红移的也可能是别的原因。因此胁 mov的大爆炸学说令人难以接受。空间和宇宙不存在“膨胀”的情形。对我们中国科学家而言可以采取与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 宇 宙学不同的立场——宇宙没有创生时刻，时间没有始端；宇宙的存在是永恒的。 对空间和时间的认识已不仅是理论层面的事，而是关系到高新技术发展的实际问题。例如为了排除地面测量 中可能出现的不确定性，航天技术已开始放弃狭义相对论的技术基础，即用电磁波双向时间阃隔之半作为距离的 定义，改由卫星和飞船上用编码报文形式向地面单向传送所有信息，供地面观测指挥中心使用。这样飞船上的独 立自主的计时、观测、导航和通讯都与地面观测无关。全球定位系统(aPS)就是以这种方式工作的。说“GPS的运 作离不开相对论”没有根据。 关键词：空间；时间；宇宙学；全球定位系统 中图分类号：TNOll文献标识码：A文章编号：1673—4793(2008)01一0001一11 TheScientificMeaningofSpaceandTime HUANGZhi．Xun (CommunicationUniversityofChina，Beijing100024，China) Abstract：Inmetrology，thelengthandtimearebasicquantities，andthebasicunitsaremeterandsec— ondinSystemInternational(SI)．Theso—called“space-time”isnotexistsinmetmlogyandSI．andit don’thasthepossibitityofmeasurements．The“space’’andthe“time’’areindependentconceptsin physics．Thetiesbetweenthespaceandtimeisnotstrong．and80the“space-time”isnotaconceptof physicalreality．However．say“thespace-timeiscurved’’don’thaspracticalsignifieances． Incosmology，themainstreamexplanationofHubble’Sred—shiftis“allcelestialbodiesretreatsi- muhaneousty”，butotherreasonstocausedthered—shiftarepossible，80theGamov’Sbig—bangtheoryis untenable．Thespaceandcosmoscan’texpandinalltime．Wechinesescientistshaveproposedaalter— nativetostandardcosmology：auniversewitIlnobig—bangcreationmoment，withnobeginningoftime， andwehaveanover-existinguniverse． Theunderstandingaboutthespaceandtimehasanimportantbearingonnewtechnology，itisnot onlytostudythetheoreticalproblemsinsciences．Forexample，Inordertoavoidthepossibleuncertain- tiesofgroundmeasurementthespaceflightisnolongerworkingthewayaspostulatedinSpecialRelativi— ty，thatistodefinedistanceashalfthetwo—waytimeintervalofelectromagneticwave．Instead，allthe 收稿日期：2007—12—16 作者简介：黄志洵(1936一)，男(汉族)。北京市人，中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子学研究所客座研究员。 万方数据 2 中国传媒大学学报自然科学版 第15卷 informationanddataaremeasured，encodedandtransmittedbysatelliteorspaceshipitselftotheearth． Thus，thetiming，measurementofcoordinatesandspeed，navigationandcommunicationonthespaceship arecarriedoutbyifselftotallyindependentuponthegroundobservation．TheGPSworkswellwiththis principleandprovedtobeagreatSUCCESS．“GPSCan’tdowithouttheRelativity”——thisargumentis notsound． Keywords：space；time；cosmology；GPS 1 引言 自然科学的首要任务是描述人类生活在其中的 世界和宇宙。然而直到现在，这个任务距离“基本 上完成”还非常遥远。已有的众多理论都还是临时 性的，并存在巨大的分歧，引起了尖锐的辩论。知识 的增加却使今天的科学家们越来越觉得自己“无 知”——了解的东西越多产生的问题也越多。这种 情况在物理学界尤其明显，以致有的理论物理学家 多次使用下述词语⋯——“陷入了前所未有的奇怪 境地”；“遇到了真正的困境”；“令人困惑的局面”； “至今没有看到出路”；等等。这样的例子很多，本 文仅论述其中的一小部分，并指出科学的进步和发 展离不开逻辑学和哲学的思考。 2关于空间、时间的科学含义 空间、时间分别代表物质存在的广延性和顺序 性，这两个直观的由人类经验得出的概念简单易懂， 本来不值得作为科学上的反复论证的课题。但在实 际上这两个概念被弄得越来越复杂，以至有重述我 们的经验的必要。例如人们认为，空间是物质(物 体)放置的地方，即任何物质(物体)都占有一定的 空间区域；物质(物体)可以在空间中移动，但不能 脱离它。如果在某个区域没有置人物质(物体)，该 “空闲的”区域也是空间，可说成是“空的三维区 域”。⋯⋯这种描述方式尽人皆知，以至I．Newton 认为空间、时间是无需定义的。为了消除误解， Newton作了如下说明旧J： “绝对空间的自身特性与一切外在事物无关。 处处均匀，永不移动。相对空间是一些可以在绝对 空间中运动的结构，或是对绝对空间的量度。⋯⋯ 绝对空间与相对空间在形状与大小上相同，但在数 值上并不总是相同。⋯⋯ 处所是空间的一个部分，为物体占据着，它可以 是绝对的或相对的，随空间的性质而定。⋯⋯ 与时间间隔的顺序不可互易一样。空间部分的 次序也不可互易。⋯⋯所有事物置于时间中以列出 顺序，置于空间中以排出位置。” 这些说明非常易懂和明晰，百年后(1787年)受 到大哲学家I．Kant的支持也是不奇怪的。而且，并 不像有些人常说的那样(“Newton只承认绝对空间 和绝对时间”)。另外，Newton论述的是物理空间而 非数学空间。数学中，无论Euclid几何空间，或者 非Euclid几何空间，只是数学上的概念和方法。 Newton所依赖的是Euclid几何学作为立论的基础， 亦即关于空间的论点是由几何学而来。但在New- ton那里，物理实在与数学概念二者分得很清。 在[2]中，Newton对时间作如下说明：“绝对的、 真实的和数学的时间由其特性决定，自身均匀地流 逝，与一切外在事物无关。相对的、表象的和普通的 时间是可感知和外在的对运动之延续的量度，它常 被用以代替真实的时间，如1小时、1天、1个月、1 年”。 Newton对空间、时间的说明，要言不繁，今天来 看也十分重要。但在20世纪由于相对论的发明及 宣传，长期以来Newton的时空观被贬低，似乎不值 一提。2007年8月在燕山大学召开了“相对论时空 观问题讨论会”，笔者并未参加；但却看到了一个由 14位研究者签署的文件《拨乱返正，弘扬和发展 Newton时空观》口J，引起了很大的兴趣。这份简朴 的文件认为，空间是连续的、无限的、三维的、各向同 性的；时间是物质运动的持续和顺序的标志，时间是 连续的、永恒的、单向的、均匀流逝无始无终的。空 间、时间都不依赖于人们的意识而存在；而且，空间 是空间，时间是时间；它们都是描述物质世界的基本 量，定义之后即不再变化。⋯⋯笔者同意这些观点。 但相对论强调时间与空间的联系和结合。1922 年Einstein说H1，在4维时空连续统(space．time 万方数据 第1期 黄志洵：空间和时间的科学意义 3 continuum)中表述自然定律会更令人满意，相对论 在方法上的巨大进步正是建立在这一基础上的，它 归功于Minkowski；然而4维事件连续统的不可分离 性并不表示空间坐标与时间坐标等价。从狭义相对 论来看，应当说时空连续统是绝对的；它不仅指物理 上真实，还指物理性质上的独立。 这就提出了space—time(译作“空时”或“时空”) 概念。长期以来在对相对论的宣传中，空间、时间的 独立存在似乎失去了意义，这是我们不能同意的。笔 者认为，任何实际的过程或现象，都在一定时、空条件 下发生；对此，我们虽可解释成“时、空有联系”或 “时、空不能截然分开”，但却不表示时、空之间真有一 种强有力的联系，或者像许多理论家所说，真的存在 一种东西叫做“时空”或“空时”(space．time)。一些 物理学家盲目地跟着Minkowski和Einstein跑，但他 们二人其实只作了一种数学处理，即引入函数s： +s2=x2+v2+z2一c2t2=f+v2+z2+(ict)2(1) 他们把S看成“4D矢量的模”，并且认为(jct)是 4D空间的第4个分量。这种搞法或许能使描述规 律的方程更简洁，却不表示实际上真有一个“四维 空间”。⋯⋯实际上，理论物理学家后来越搞越玄 乎，有的理论的维数高达10维或11维，简直是不知 所云了。他们自己如有兴趣尽可以搞，但却与物理 实在不相关。话说回来，我们怀疑一个正常人头脑 中会出现“space—time”的形象，因为现实中既有时间 又有空间，但那是两个东西，却并非真有一个叫“时 空”(或“空时”)的东西存在。我们不否认时、空之 间“有联系”，但这是很弱的联系。因而，我们反对 像相对论那样搞时、空的一体化或同一化。时、空是 各自独立的物理实在，有不同的量纲，这是常识。然 而正是相对论强塞进一个“时空”(或“空时”)，从 而造成了极大混乱。 在计量学中，把彼此独立的量称为基本量，由基 本量的函数所定义的量称为导出量。基本量的单位 称为基本单位，导出量的单位称为导出单位。众所 周知，长度和时间都是基本量，国际单位制(si)的基 本单位是米(m)和秒(s)。速度是导出量，导出单位 是粑秒(m／s)。因此，所谓space．time(空时或时 空)在计量学及SI中是不存在的，也不具有可定义、 可测量的特性。另一方面，光速(c)仅是速度的一 种，它不是基本量，也没有理由赋与它特殊的(甚至 奇怪的)地位。总之，人为地以不同量纲的物理量 来构造一个新的空间(所谓4D时空)，从而把时间 和空间这两个完全不同的物理学概念混为一谈，是 缺乏合理性的作法。正确的科学理论必定要维护空 间和时间的独立意义，并且不允许把导出量之一的 光速凌驾于空间和时间概念之上。 宋文淼曾指出"J，空间的3个分量在物理上组 成矢量，性质上与时间很不相同。如把空间、时间列 在一起形成“4维空间”，就失去了统一的运算法则。 而且，为了掌握空间、时间的物理性质，实际上必须 分别地研究它们。⋯⋯F．Dok指出∞J，在时空中，过 去、现在和未来同时存在。时空是一种凝固的结构， 不会发展变化。我们自身的存在，从出生到死亡，在 时空中都是永恒的。在这个结构中，没有时间的流 逝，也没有现在的位置。这种静止、凝固的时空观显 然不能令人满意。 狭义相对论(SR)认为光速不变原理对所有惯 性系都成立；或者说，不同惯性系之间的坐标变换必 须是Lorentz变换(LT)。现在，Einstein认为LT不 仅赋予Maxwell方程以不变性，而且是理解时间与 空间的关键，即用LT把时、空联系起来。但是，SR 认为时空(空时)是平直的，即flatspace．time，这是 说假如时空(空时)这东西真的存在的话。 在广义相对论(GR)中情况又不一样了，时、空 成为一个统一的连续域，共同构成4维Riemann几 何空间。Riemann空间是可弯曲空间；Einstein是假 定物理空间有这种性质，才奠定了他的引力理论的 基础。所以GR的空间弯曲来自数学(微分几何)， 其自身不具有物理实在性。当引力存在时，该Rie． mann空间的曲率不为零，就说“时空弯曲了”；如果 没有引力，曲率张量为零，就说“时空是平直的”。 SR的时空观是平直时空；如用这个观点计算引力探 测器(GP-B)的实验，得出的结果与GR不同，所以 SR与GR是矛盾的。章钧豪曾有一文章题为“Is space-timecurred?”川，认为正确的引力理论应当是 “狭义相对性引力理论”(specialrelativisticgravita． tionaltheory)；章钧豪认为，Einstein的“短程线公 式”实质上是假定引力中还存在一个与速度有关的 径向附加引力。此外由“短程线公式”直接得到 Einstein的能量变化是Newton能量变化的两倍。 “沿径向方向的附加引力”和“Einstein能量变化”是 解释“行星近日点移动”和“光偏折”的前提。在“光 的引力红移”实验中有两个方面，频率的变化和能 万方数据 4 中国传媒大学学报自然科学版 第15卷 量变化。GR能解释频率变化，但却不能解释能量 变化。实验结果只找到Newton引力产生的能量变 化，没有径向附加引力所产生的能量变化，Einstein 设想的附加引力不存在，Einstein的能量变化是不正 确的。问题的严重性还在于；这两点恰好是解释 “行星近日点移动”和“光偏折”实验的前提，前提被 否定了，这个解释还是正确的吗?所以章钧豪认为 三个基本实验中最多只有“半个实验”支持广义相 对论。 许多资深科学家均不接受GR的空时(时空)弯 曲的理论口’7卅。张操指出哺】，广义相对论的实验 证据有限，一些天文实验误差很大。以星光经过太 阳表面时发生弯曲的实验为例，在1919年曾经造成 全世界的轰动效应。事实上，当时的测量误差达到 100％。此实验存在多种误差因素，例如太阳大气和 地球大气的折射等。至于近年来GP-B对广义相对 论的两项预测进行验证，这两项预测分别被称为 “短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。根据计算，卫 星上的陀螺仪的自转轴每年将漂移6．6弧秒，惯性 系拖曳效应每年将转动41毫弧秒。但在GP．B卫 星实验中，有多项误差来源都比预测效应要大。例 如飞行中的卫星存在一定的抖动，引导星在太空也 在缓慢地移动。事实上，所选的引导星在太空中每 年移动大约35毫弧秒，与一年中的惯性系拖曳效应 几乎一样大。此外，这个值的不确定性大于GP—B 想要测试的精确度。⋯⋯宋健则指出旧J：由于有20 世纪90年代的航天观测和地面天文观测结果的支 持，目前大多数天文学家和宇宙学家都倾向于认为 宇宙是平坦的，至少在大尺度上是如此。这是美国 航天局(NASA)宣布宇宙背景探测卫星COBE的探 测成功是1992年的重大成就的主要原因。近年所 有的观测都支持“宇宙基本上是平坦的”这一结论， 这对未来的宇航工作者是大喜讯，增加了人们未来 从事宇航事业的信心。 总之，对空间、时间的认识如不必要地将其复杂 化和神秘化，就会造成误导。已经有专家指出EIO]， 要重建Galilei、Newton和Lorentz的时空观，因为它 们仍然是正确的；只不过需要更加精细以包容新发 现的现象。⋯⋯2007年9月有报道说，以色列物理 学家开发出“能把人带回过去”的时间机器的理论 模型，方法是“更强烈地使时空弯曲”，从而“使时间 线闭合”。由于不存在实际上的时空，笔者认为这 些说法是毫无意义的。 3 关于热大爆炸宇宙学 宇宙(Universe)是什么?一种定义是“空间及 其中的天体和物质的总称”¨1。；另一种定义是“物质 世界的一切”LlJ。也有人把总星系称为“观测到的 宇宙”或“我们的宇宙”。长久以来，人们认为宇宙 在空间方面是无边无界，在时间方面是无始无终。 但在1823年，德国天文学家H．Olbers作了一个计 算，认为在无限大宇宙的假定下地球接收到的无数 恒星发来的光也是无限大，因而天空将十分明亮，但 这却与实际不符。这样就产生了“有限宇宙”的假 设。不过，今天我们知道Olbers佯谬是可以解释 的‘12,13]，因而“无限大宇宙”的信念并非无法保持。 1922年，Einstein列出三点理由HJ，以反对空间 无限(spaceinfinite)的理念，支持空间有界(space- bounded)宇宙，即闭合宇宙的思想。其中最重要的 理由是，只有当宇宙中物质的平均密度为零，无限宇 宙才有可能。Einstein承认无限宇宙“在逻辑上可 行”，但他假定宇宙中物质平均密度为大于零的有 限值。 人们都知道宇宙非常大，但不清楚它究竟有多 大。1999年初美国天文学会宣布，Hubble太空望远 镜的观测表明宇宙有1250亿个以上的星系，其中包 括银河系。而银河系包含有2000～4000亿个恒星， 太阳仅是其中之一。那么宇宙是否无限大?这是一 个无法用实验加以证实(或证伪)的问题。哲学家 K．Godal有一句名言：“大自然是不能完全被认识 的，即使仅在理论上也不可能。”他的话是否正确， 我们姑且不论。但有一点是肯定的，那就是我们今 天对自然的认识还停留在非常初步的阶段。 大爆炸宇宙学(big—bangcosmology)是现代宇宙 学中最有影响的学说，它是20世纪40年代末提出 的，认为最初的宇宙状态是高密度、高温(约1010K) 的，那时没有任何元素，只有粒子态物质(质子、中 子、电子、光子、中微子)，它们处于热平衡状态。发 生于大约137亿年前的大爆炸(有点类似核爆炸)， 开始了有意义的宇宙演化进程。大爆炸发生后3分 钟，温度约109K，中子可与质子结合为氘。这时，开 始形成各种化学元素。随着时间的推移，宇宙迅速 膨胀，温度迅速下降。到106K时，形成化学元素的 万方数据 第1期 黄志洵：空间和时间的科学意义 5 过程也结束了。数万年后，温度降为几千度，宇宙间 充满气态物质，从气云又发展了星体，出现了恒星 等。大爆炸宇宙论很好地解释了氦(He)在地球上 很少而在天体上却很多的现象，因为在宇宙早期曾 有大量产生氦的时期。 大爆炸宇宙学发端于美国天文学家E．P．Hub— ble(1889～1953)的工作；他在Wilson山天文台 (Mt，WilsonObservatory)的发现是，如果光谱红移是 由于退走，后退星系的视速度(apparentvelocities) 与距离d成正比： V=Hd (2) 式中H叫Hubble常数。Hubble的这个工作是由于 1930年完成的观测，见图1，横坐标是星系距离(1 秒差距=3．26光年)，纵坐标是星系退行速度，图中 的点子是从不到20个星系的观测得到的数据。图 2是对Hubble定律的近代观测，左下方的小方块代 表图1的范围；图2的横坐标用视星等代替距离，纵 坐标(RF·e)表示红移与光速的乘积，代表速度。 1930年，A．Einstein正巧来到Wilson山天文台， Hubble向他介绍了由观测产生的“膨胀宇宙”观点。 ⋯⋯那么，倒推回去会怎样?1948年4月1日出版 的((PhysicalReview))杂志刊登了G．Gamov和他的学 生R．Alpher合写的文章，提出了大爆炸宇宙论的核 心 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ；但“bigbang”一词是英国天文学家F．Hoyle 提出的。以后的研究者有J．Peebles等。自大爆炸 发生降温过程延续到今天，Peebles认为这种宇宙背 景辐射温度还有IOK；而Alpher等认为只有5K。 图1 Hubble定律的观测依据 1964年春，美国贝尔实验室(BTL)的A．A．Pen． zias和R．W．Wilson在测量银晕气体的射电强度时， 发现有无法消除的本底噪声。就是说，系统的总噪 声温度(6．7K)比已知各噪声源之和总是高出2．5 图2 Hubble定律的近代观测 -4．5K(平均值3．5K)。他们测量了好几个月，结 果总是一样。这项噪声的强度与周日、季节无关，就 是说与地球的自转、公转没有关系。开始，他们怀疑 是天线本身的问题，遂于1965年初对天线拆卸检 查，清除了里面的鸽子窝等。几经努力后仍然存在 该项噪声，他们遂于同年7月发表了这项观测没有 明显天体的宇宙区域的结果，论文题目是“在 4080MHz的额外天线温度的测量”。这个频率对应 的波长是7．348锄，是重要的厘米波段，也叫C波 段。那么为什么在波长较长(例如米波)时没有这 种现象，而在厘米波就会突出了呢?可以认为，这是 因为在米波段银河系辐射强，因而掩盖了背景辐射 的存在所致。这项测量的消息传到美国Princeton 大学以后，Peebles认为这就是人们正在设法测量的 宇宙背景辐射温度。在同期杂志上，他们发表了题 为“宇宙黑体辐射”的论文，解释了两位工程师的测 量结果。后来经过微波界、天体物理界的专家们共 同讨论，来自宇宙的微波背景辐射被确定为2．7K， 其性质是各向同性的。1983年，美国开展了对2． 7K背景辐射的各向异性的测量研究，实验证明各向 异性很小。Penzias和Wilson由于其工作获得了 1978年Nobel物理奖，是在其发现3．5K剩余天线 温度(噪声温度)14年后，因为这十多年里发现此现 象在许多波长上存在。1989年COBE卫星用大量 数据证明辐射曲线与黑体辐射曲线吻合，主流物理 学界便断定这是来自宇宙早期的遗迹。： 万方数据 6 中国传媒大学学报自然科学版 第15卷 美国宇航局(NASA)的Hubble太空望远镜 (HST)在高度600km的绕地球轨道上运行，这给美 国天文学家提供了强有力的工具去观测宇宙。对I。 超新星的距离与退行速度的测量，距离仍按辐射光 谱红移推算，可得图3；图中小圆圈是数据，直线代 表等速膨胀时的斜率。由于多数点子在直线上方， 这被认为是“星系加速退行”(或说“宇宙加速膨 胀”)的直接证据。⋯⋯但这里仍然使用了Hubble 定律。 5．44 8．16 13．6 距离(109ly) 图3 NASA提出的“宇宙加速膨胀”证据 现在看看大爆炸宇宙学与GR理论的关系。 1915年，A．Einstein提出引力场方程： 1尺0一样一Ag知=一8订Gl。(3) 这里T是引力源的动量一能量张量，‰是时空度 规，屯、R是由度规及其微商组成的张量。等式左 方第3项被称为宇宙学项，A被称为宇宙学常数。 近年来，A又被称为排斥因子。由于取A=0方便于 方程的求解。故Einstein场方程也写作 1 尺印一{}g掣R=一后l。 (4) 式中g是度规张量，R是曲率张量；k是与Newton引 力常数成正比的系数 k：—8,FrG (5) C’ 1921年Einstein在美国Princeton大学讲学时即取 式(4)而演讲的H】。 1917年，天文学界认为多数旋涡星云都以巨大 的速度相对银河系而退走。但恰在这个时期，Ein． stein发现只有取A>o，在物理意义的解释上才能使 宇宙学项相当于斥力场，以便与引力场平衡获得静 止宇宙。1923年A．S．Eddington指出，为了解释星 系光谱红移所表示的动态膨胀宇宙，应取A=0； Einstein同意了这个意见。而近年来天文学界一直 报告说“宇宙加速膨胀”，故又回到了A>0。这些情 况表示主流意见是把GR理论与大爆炸宇宙学绑在 一起的。我们认为应当了解Einstein本人的态度。 1945年Einstein在{TheMeaningofRelativity)一书 第二版的附录(“关于宇宙学问题”)说【4J：“假如 Hubble膨胀在广义相对论创立之时已被发现，那么 宇宙学项决不会被引人”。又说：“有些人试图不用 Doppler效应来解释谱线的Hubble红移，但在已知 物理事实中没有证据支持这种想法。⋯⋯我们只能 把Hubble的发现当作恒星系的膨胀。⋯⋯应当认 真对待膨胀宇宙(expandinguniverse)这一思想”。 对于广义相对论，Einstein认为“不能指望场方程适 用于场和物质密度都非常高的情况；场方程在这样 区域内可能失效”。可是，“‘宇宙之初’确实构成了 一个起点，在这一起点上恒星与恒星系还未作为独 立事物而出现”。⋯⋯考虑到Einstein的这些说法， 加之1970年R．Penrose和S．Hawking曾证明，只要 广义相对论正确，必定有过大爆炸奇点u41；可以认 为GR理论与大爆炸学说是一种相辅相成的关系。 追本溯源，大爆炸假说来自随时间增加“宇宙 不断膨胀”的判断，而这个判断来自以下推理—— 光谱红移表示星体(或星系)发出的光波频率在不 断降低，从Doppler效应来看这是由于“星系在离我 们而去”。但在实际上并没有人真正观测到“星系 远离我们而去”，因而问题在于是否有别的原因造 成光谱红移。为解释Hubble红移，历史上有过“光 子衰老假说”，认为光在传播过程中频率会变化；这 一假说没有得到认同。近年来又出现了一种新形式 的光子衰老假说u2l，认为在传播过程中光子会被引 力“红化”，而“途中引力红移与距离成正比”。这就 表明“膨胀”并非造成Hubble红移的唯一可能原 因。还有一种看法认为¨51，由于发光天体的形状各 式各样，发出的电磁波不是平面波，频率不变波长 却不是常数，而是随传播距离加大而缓慢地变长，从 而造成谱线红移。虽然这些看法尚有待证实，但也 说明造成红移不能仅用“星系退走”而解释。文献 [15]指出，判断天体在退行需要多方面的证据—— 天体横向速度远小于视向速度；天体的亮度减弱；天 体辐射在地球上引起的温度附加值降低；天体间的 历 孔 捣 毖 殂 加 万方数据 第1期 黄志洵：空间和时间的科学意义 7 横向距离加大。仅靠红移这一点作判断是十分不够 的。 说“宇宙起源于大爆炸”，而且发生于一个点。 那么爆炸尚未发生时该点位于何处?如说它“在空 间的某处”，这空间岂不就是宇宙吗?“由大爆炸创 生宇宙”就说不通。另外，大爆炸发生之前是什么 状况?虽然许多主流的科学著作不许人们提这个问 题，问题却依然存在。另外，说“宇宙不断在膨胀”， 隐含着宇宙有边界(只是边界不断向外扩展)，那么 边界以外又是什么，那里不也是宇宙吗?如定义宇 宙是物质世界的“一切”，就不可能是一个在“不断 膨胀着”的宇宙，对Hubble红移不妨另找解释。此 外，对“宇宙年龄”的估算也是不合逻辑的、多余的。 人们可以讨论某个天体的年龄，却无法讨论“宇宙 的年龄”，这是由宇宙的定义所决定的。至于微波 背景辐射，这一实验现象尚不能成为“发生过大爆 炸”的铁汪，因为使用别的理论假说也可能解释该 现象。 总之，“由一个点炸出一个宇宙”的理论令人难 以接受，就连S．Hawking也承认它使人“反感”。虽 然近年来媒体反复报道说：“科学家证实宇宙仍在 持续膨胀”⋯⋯；这里仍旧存在含糊不清之处。过 去的有关文献常说“宇宙正在加速膨胀”【l6I，“星系 在远离”；现在却有另一种说法：“星系本身并不移 动，而是星系之间的空间加速膨胀”⋯⋯。这些矛 盾的说法说明主流的宇宙学不是一种成熟的理论。 其实，早在1963年就有人(E．Lifshitz和I．Khalatni- kor)试图从理论上避开有过大爆炸(因而时间有一 个起点)，但这类努力长期不受重视。 对大爆炸学说及其不容讨论的主流学术地位的 不满由积累而爆发——2004年5月22日英国《New Scientist)杂志发表了34位科学家签名的“致科学界 的公开信”，对大爆炸学说提出质疑，认为该理论越 来越多地以一些假设和未经证实的观察作为自己的 论据。这种不断求助于新的假设(包括暴涨、暗物 质、暗能量等)来填补理论与现实之间的鸿沟的作 法，在物理学的任何领域都是不可接受的。“公开 信”被贴到网上(www．cosmologystatement．org)之后 又得到了数以万计的科学家的网上签名。更重要的 是，随后(2005—2006年)的几件观测事实进一步动 摇了人们对大爆炸宇宙学的信念：(堇)Hubble太空望 远镜(HST)拍摄到一些宇宙深空的星体，按照大爆 炸的理论而言它们是在宇宙诞生后5亿年(即距今 132亿年前)形成的；但是，星体数目远少于理论的 估计。②还是用HST，对造父变星的观测显示所谓 大爆炸至多发生在120亿年前，而银河系最古老的 星球的年龄可达160亿年。③发现了巨大的星系 HUDF-JD2，距地球约130亿光年；如此巨大的星系 在大爆炸后仅7亿年就得以形成是难以解释的。进 一步的电脑计算表明，该星系形成于距今138亿年 至136亿年之间。另外，2007年9月8日《NewSci- entist)报道说ⅢJ，意大利物理学家C．Germani认为， 基于弦论的另一种理论(Slingshotbasedonastring· theory)显示出永远存在的宇宙，没有“宇宙创生时 刻”，时间没有起点。大爆炸理论成为科学家的信 仰十分不妥，其实，这类话题在我们国内也不断有人 论述；例如2005年郝建宇指出¨8l，描述事物的寿 命、历史的时间，本身必是没有寿命、历史概念的。 亦即时间没有起源，寻找时间的起源必将产生悖论。 此外，多位研究者坚持认为宇宙是无限的。 4关于全球卫星定位系统(GPS)的误 差修正 对空间、时间的认识如今不仅是理论层面的问 题，已是非常急迫的实际问题。例如，航天技术对理 论提出了很多质疑。航天专家为什么也关心相对 论?因为工作中遇到问题。例如；天上有好几个卫 星，大家都在运动，应该如何对钟?实际上要求“对 钟”的误差不大于lns，如何满足这么高的要求?又 比如，洲际导弹在天上飞，速度6—8km／s，要求确定 速度的误差<0．01m／s，实际上现在只达到0．06m／ s；是原理有问题?还是方法有误差?是不清楚的。 总之，关于空间、时间、和运动，有Galilei、Newton、 Lorentz以及Einstein的理论，到底应该用谁的?狭 义相对论中又有相对性原理和光速不变原理，这都 影响时间的定义。不仅航天专家，就是国防、军工方 面的专家也深感困惑。因此，高新技术中有基础科 学问题!过去的物理书上说，只有运动速度接近光 速，才要考虑相对论的影响，但事实并非如此。卫星 定位与相对论的关系，也曾困扰美苏科学家20多 年。这是因为地球在运动，导弹在运动，卫星在运 动，需要用正确恰当的时空及运动的测量原理和理 论去处理；做实验也需要理论上的指导。 万方数据 8 中国传媒大学学报自然科学版 第15卷 全球定位系统(GPS)是美国国防部于1973年 12月批准研制的定时与测距导航系缈全球定位系 统(NavigationSystemTimingandRanging／GlobalPo· sitioningSystem，NAVSTAR／GPS)的简称，1995年4 月宣布该系统已达到全运行能力。由于该系统用途 广泛，用户多，因此接收机得到了极大的开发。GPS 由空间卫星、控制设备和用户设备(接收机)三部分 组成。24颗空间卫星基本上均匀分布在6个轨道 平面内，轨道面相对于赤道平面的倾角为550，各个 轨道平面之间的交角为600，位于离地球约20200km 的轨道上，卫星轨道周期约为12h。卫星在太空的 分布使得地面上任意一点可以和至少4颗卫星取得 联系(图4)。在地面或近地空中的一个接收机同时 与4颗卫星进行无线电通讯，就可以确定自己的位 置和运动速度。 图4地面接收机与空中的4个GPS卫星联系 民用GPS系统与军用GPS系统、航天用GPS系 统有很大差别；后两者的精确度高，例如测量精度可 达10以1，所用原子钟的稳定度可达10。3。对前一 种情况，例如许多出租车已配备了GPs装置，所记 录的汽车时速并不准确。这是因为GPS是通过多 个不同卫星接收的信号来估算一个物体的具体位置 的。根据这些信号，GPS系统进行一系列的数学运 算，运算的时间越长其结果越准确。但民用GPS装 置的运算时间非常有限，大约只有1S，因此计算结 果的误差接近5％。 对GPS系统作误差分析是在高精度要求下才 有必要进行。我们先看看GPS工程书籍中对相对 论修正的论述u9t驯。广义相对论(GR)认为引力位 (势)与高度有关，因而卫星时钟频率比地面的高， 亦即卫星时钟比地面钟快。文献指出当把卫星轨道 看作圆形并离地心26600km，接收机处在海平面离 地心6378km，地面钟速(钟随地球运动速度)为 465m／s，则可算出GR修正值为4．45×10以o；故在 制作GPS卫星时钟时即使其标准频率10．23MHz降 低4．45×10。10，作为GR修正。另一种引力频移计 算是假设两台原子钟，一个在地面，一个在卫星上 (距地面高度约36600km)；算出星载钟在卫星入轨 后频率将比地面调定值升高5．4×10qo；故在该钟 放入卫星前要先把标准频率调低5．4×10。10。 以上是讨论引力场中两个空间点的静止钟的引 力频移。但实际上卫星在运动，SR认为存在“时间 膨胀效应”，因而高速运动卫星上的钟频率比静止 时低，亦即卫星时钟比静止钟慢。但这一效应不能 与GR效应相加——不同的空间点不能直接用SR 时间膨胀公式，因为它们在引力场中，互相间有加速 度。⋯⋯所以，即使对相对论深信不疑，也是很复杂 的。 现在从理论层面作更深人的分析。GPS的基本 信号传播方程是：在质心惯性系(ECI)中有 I r，(￡，)一r，(t，)I=c(t，一t，)(6) 式中c是光速，t．表示卫星在t。时刻发射信号(s= 1，2，3，4)，t表示收到信号的时间。r，、r，表示4 颗卫星的位置和接收机收到信号时的位置。上式是 GPS测量原理的基本方程，是真正在用的。问题是 如何看待这个方程与狭义相对论(SR)中的“光速不 变原理”的关系。一些书籍根据美国N．Ashby等的 观点拉1|，认为方程中有c，因而方程的基础是光速不 变原理，或至少是应用了光速不变原理。但是，另有 一些著名科学家(如美国导航学会原主席R．Hatch， 美国St．Cloud州立大学教授王汝涌)认为，上述观 点是一种曲解。光速不变原理说的是一切惯性系中 光速均为常数c，而不是指只在一个系统(如ECI系 统)的情况。如果只在一个惯性系中光速是c，在别 的系统中不是c(故要修正)，那么就可以说GPS的 工作恰证明了光速不变原理是错误的。 目前的情况是，GPS工程师并不关心公认的信 号传播方程与物理学中SR理论的关系，只是应用 它们。但对学者们而言，就是不同的两种观点。关 于Sagnac效应修正也是这种情况。1913年法国科 学家G．Sagnac做过一个实验瞄1：在一个旋转圆盘 上(图5)，两个反向传播的光束经过一闭合回路所 用的时间不同，传播的时间差为 △忙4-4-“i-’ (7) 万方数据 第1期 黄志洵：空间和时间的科学意义 9 图5 1913年的Sagnae实验 式中A为回路面积，1．O是角速度。自发表以后，Sa— gnae效应是否与光速不变原理冲突，争论一直不 断。著名量子物理学家J．Vigier认为是有矛盾 的∞J。但因为SR是考虑匀速直线运动，这里光束 作圆周运动，所以主流物理学家不认同Vigier的意 见。 2000年3月，王汝涌(RuyongWang)在IEEE的 关于定位与导航的会议上发表文章，题为“用GPS 距离测量方程重新检查狭义相对论的两个原理和 Sagnae效应”Ⅲ1；文中说，狭义相对论与GPS的基 本工作原理是矛盾的。同年6月，美国导航学会 (TheInstituteofNavigation，ION)举行另一会议，在 会上王又作了报告，题为“成功的GPS功能与狭义 相对论的两原理相矛盾；这意味着惯性导航有新途 径——直接测量速度”汹J。2002年6月，R．Wang 和R．R．Hatch在ION的又一会议上提出报告，题为 “用GPS实施关于光速恒定性的决定性实验——对 Ashby的‘相对论和GPS’一文的评论”瞄3；文中说： “与狭义相对论的断言相反，相对于运动的观察者 而言，光速并非永远保持恒定。GPS显示，在地球惯 性中心(EarthCenteredInertiM，ECI)非旋转框架 里，光速相对于框架恒定为C，但不是相对于该框架 中运动的观察者(或接收机)恒定为c”。 重要之点在于，王汝涌做了一系列“修改的sa- gnac实验”旧，冽。在这些实验中，运动光路作匀速 直线运动，同样得到两个不同方向传播的光所用时 间不同。特别是在“剪切平行四边形实验”中(图 6)，与Sagnac实验相似，一束光分为两束，一束走 ODCBAO，一束走OABCDO。保持AD不动，而使CB 以v运动；实验表明走OABCDO的光束比走 ODCBAO的光束要多化费时间△t： D B 图6修改的Sagnac实验的一种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 At-2丁VLcs (8) C 这一时间差只能由CB引起，即 At=t8c一￡曲 (9) 实验表明：在以v作匀速直线运动的线段上，两束以 相反方向传播的光的传播时间不同，因而光速并非 不变(即两个传播方向相反的光的速度不同)。从 这个实验结果也可以说以太是存在的。 回过来看GPS中的信号传播。假定两个在轨 卫星(GPSl、GPS2)间通讯，如图7；这时会有Sagnac 效应——信号从GPS2到GPSl所用时间要比GPSl 到GPS2所用时间长，时间差为 丁 ● 、 ～ ～ 、 、． 、～‘ GPSl 、 ’ I ， ， ， ／ ／ 图7两个在轨卫星通讯的时差 At：掣 (10) C 此值可达几千纳秒，必须作修正。但在解释上发生 分歧，主流物理学家认为Sagnae修正是相对论修 正；但王汝涌等学者认为这个修正的本身已证明光 速不变原理错了，Sagnae修正是非相对论修正。 信号与路径有关所造成的时差称为“坐标时 差”，其实就是Sagnac效应。修正的具体计算，考虑 在地面上两台钟的时候，是与地理的经纬度有关的， 公式比较复杂，此处从略。不管如何解释，修正是必 须的。 万方数据 10 中国传媒大学学报自然科学版 第15卷 总之，目前情况是对GPS系统作误差修正的传 统观念正在逐步被打破。 美国天文学家T．Flandem曾在美国海军实验 室工作，担任过全球卫星定位系统(GPS)工程的顾 问。他表示，有人说由于Einstein的理论，GPS卫星 上的时间要不断调整，才能与地面上的使用者同步； 实际情况并非如此，GPS工程的程序人员不需要相 对论。Flandem说：“他们已从根本上放弃了Ein． stein”。⋯⋯为了判断这一说法是否有道理，笔者在 这里引述中国的著名航天专家的意见。中国运载火 箭技术研究院的导航专家林金教授在2006年曾在 《现代基础科学发展论坛》作了题为“航天导航测量 机制的启示与时间空间的理论”的报告四J。他指 出，狭义相对论(SR)的两个原理，对应两种时间定 义；相对性原理对应的是“原时”，光速不变原理对 应的是“坐标时”；而Lorentz变换是两者之间的转 换因子。全球卫星定位系统(GPS)是在约2× 104km高度上部署24～30个导航卫星，接收机同时 收到4颗以上导航卫星信号时即可实现定位导航。 “时间同步”原理涉及对时间定义和单向电磁信号 速度(单向光速)的理解，与传统的Einstein时间定 义和双向光速不同。现代技术引入“导航电文”手 段后，对时间定义和时间同步技术就有了新的思考。 实际上，两个时间定义对应两种距离和速度定义，对 应原时的速度可以超光速；或者说，从惯性导航的原 理讲，速度可以超过3×105km／s。故超光速与sR 并不矛盾。实际上，用GPS测量机制可以测出超光 速运动。总之，GPS测量机制的要点是单程电磁信 号传递和导航电文。⋯⋯对于林金的论述，笔者认 为与宋健院士的话意思上是相近的；宋健说【9J：“为 了排除地面测量中可能出现的不确定性，航天技术 已开始放弃狭义相对论的技术基础；把用电磁波双 向时间间隔之半作为距离的定义，改由卫星和飞船 上自主测量时间、位置、速度等参数然后用编码报文 形式向地面传送信息”。这样一来，飞船上独立的 计时、观测、导航、通信均与地面观测无关；GPS就是 以这种方式工作，结果很成功。(引文中的着重点 为笔者所加)。 从以上所述种种情况来看，近年来在民间科学 家中流传的一种看法可能是对的，即认为“GPS采 用自主地计时、测量、导航和通信，收到了极好的效 果；而这是在不用相对论时空观，完全在经典力学框 架内运用信息数据处理技术解决好的。”⋯但笔者 认为，GPS与相对论的关系还是很复杂的，尚需进行 更深入的分析研究。 5 结束语 20世纪的物理学与天文学取得了巨大的进步， 这是肯定的，没有人否定已有的成就。但也不能不 看到，在若干基本性的问题上，天文学界和物理学界 目前已在混乱中感到茫然和迷失。这提醒我们：在 大自然面前要很谦虚，不可洋洋自得地宣布自己已 经掌握了她的一切奥秘。任何科学理论都必须在逻 辑上自洽，进而必须通过实验、观测方面的判定。至 于对空间、时间的探讨，不仅在认识论和哲学上有重 要意义，对高、新技术的发展更有直接的意义。正因 为如此，目前各国科学家还在设计并实施一些新的 实验，我们将继续关注其进展。笔者认为，分歧的焦 点还是集中在相对论的正确性上。以中国的第一大 报《参考消息》为例，2007年8月28日刊登德新社 电讯时说：“德国发现打破光速现象；这一发现如被 证实，Einstein的狭义相对论将无立足之地”(英文 文章见[30])；同年11月13日该报刊登法新社电 讯时则说：“一个世纪后Einstein的理论仍然管用， 科学家成功验证时间相对性”。这些前后矛盾的报 道是反映出科学界的分歧，而非媒体的责任。关于 相对论的分歧目前尚无最终结论，让我们拭目以待。 致谢：美国St．Cloud大学王汝涌教授多所指 点；北京张靖平先生给予帮助；谨此致谢。 参考文献 俞允强．热大爆炸宇宙学[M]．北京：北京大 学出版社，2001． NewtonI．自然哲学之数学原理[M]．王克迪 译．西安：陕西人民出版社，2001． 李子丰、季灏等．拨乱返正、弘扬和发展牛顿 时空观[R]．秦皇岛：燕山大学，2007． EinsteinA．ThemeaningofRelativity[M]． Princeton：PrincetonUniversityPress，1922． (中译本：郝建纲、刘道军译，相对论的意义 [M]．上海：上海科技教育出版社，2001．) 宋文淼，阴和俊，张晓娟．信息时代的物理世 1j 1J 1J 1I-1J 1 2 3 4 5 r●●L r●●L rL r●●-r●L 万方数据 第1期 黄志洵：空间和时间的科学意义 界——实物与暗物的数理逻辑[M]．北京：科 学出版社，2006． [6]DokF．Therealtime[J]．NewScientist， 2003，(Oct．14)：15—16． [7]ZhangJH．Isspacecurved?[J]．相对论与 物理创新国际会议论文集[c]．西安：陕西科 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