时间与空间的新角.doc

分立的时空与运动 概要：时间、空间和运动是人们最熟悉不过的概念了，也是物理学再平常不过的描述对象和关注的基本问题。科学家们对它们的探讨从未停止过，也一直存有不同的见解和认识，大体上经历了三个时期：几何学时代、动力学时代和相对论时代。可以说，“时间、空间究竟是什么”至今仍是一个激起人们强烈感情和疑惑的问题。本文对时间空间和运动的非连续性进行了思想论述和逻辑推演，并从分立性的新角度对时空做出新的见解，启发人们用新的观念来探究有关时空的理解，并在此基础上为研究像相对论和量子力学等历史遗留的问题提供新的视角。 我们时空中体验时空的存在。康德对时空的先验直觉有过深入的讨论，直到近代科学阶段，时间和空间才严格的数学物理。在牛顿，时间空间是绝对的独立的物理存在。莱布尼兹对时空的理解更接近我们对时空的现代理解，这些最基本的物理概念都有可操作的定义。例如我们通常周期性运动来定义时间单位。时空在爱因斯坦的理论中已经从牛顿的绝对存在变成和其他物理对象类似的概念，即是可变的，与物质相互依赖。所以爱因斯坦说过，时间是我们根深蒂固的幻觉。 时间究竟是什么？直到今天，除了一些操作性的定义，我们并不时间究竟是什么当我们变化，我们觉得时间在流逝。所以，时间和变化运动有关。 另外，虽然在现代物理理论中，时间还是单向和一维的，空间却可以高于三维，额外的空间维因为各种原因我们不能直接感受到，例如。我觉得，不论理论上还是实验上，我们对时空的概念面临革命的变化 图6.1 运动的图像 非连续运动的确有些让人惊奇，不过出人意外的是，早在古希腊时期就曾经有人提出过类似的思想了，他就是古希腊哲学家伊壁鸠鲁，他在德谟克利特原子论的基础上提出了著名的原子“突然转向”原理。另一位是生活在公元九世纪的阿拉伯神学家阿尔·纳扎姆，他在“跳跃”理论里清晰的表达了非连续的思想。 根据前面内容的阐释，我们知道无限可分只是高度的数学抽象，它并不能够在实际中检测和验证。下面举几个随机非连续运动的实验现象的解释。 放射性元素的半衰期 19世纪末，科学家们发现某些特殊的物质中的原子会自发的衰变并产生辐射，而这个过程是完全随机的，这种现象被称为放射性现像，它是物理学在这个世纪末的三大发现之一，其它两个发现分别是X射线和电子。1898年，居里夫人证明放射线是（衰变元素）单个原子的性质。两年后卢瑟福进一步研究发现了半衰期和辐射定律。半衰期很好的表明了原子辐射衰变的随机性。假如，开始时刻放射性物质大约有2011亿个原子，那么经过一个半衰期后，大约一半的原子会发生衰变，然而之前无法确定哪个原子是否一定发生衰变，也就是说对一个确定的原子来说，衰变是随机的。 光的反射现象 光的部分反射现象在日常生活中是再平常不过了，就是在这简单的现象中隐藏着神秘的随机现象，具体说来就是当光入射到一片普通玻璃上时，通常总是部分被透射部分被反射。我们可以确信，入射光为全同光子组成时，反射面的结构并不会影响部分反射的现象，也就是说对单个光子来说，反射和透射是属于随机性的，即光在界面上的行为本质上是随机的。 双缝干涉实验 双缝干涉实验和现象是又一十分熟悉的例子，可是到目前为止，量子力学却没有给出一个确切的解释。原因主要应该是：量子力学(相对论也是)最终还是没能在许多量子化的现象面前放弃连续的观念。而干涉实验与光子用连续运动的方式同时通过双缝的说法产生了不可调和的矛盾，这不正是光子以非连续的运动方式同时通过双缝的典型例子嘛！当然，也同样可以用其它微观粒子(如电子)来做此实验，甚至原子或分子，也就是说小物体的非连续运动现象已经能够通过现有的技术实验明显的检测到了。自然，尺寸越小现象会相对越明显，那么从更小的尺寸角度看，非连续运动的现象中又隐藏着什么秘密呢？——非连续的时空。 20世纪的两大物理学支柱之一——量子力学是经过诸如普朗克、波尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、费曼等一批又一批一代又一代的科学家们的努力创立的。它是一门研究微观世界的学科，提到量子力学不得不提到薛定谔方程，其表达式如下： (6.1) 其中 (6.2) 其中为描述粒子的波函数。我们通常用它来求解谐振子、氢原子等问题，在这些问题上，可以拿量子力学的结果和经典物理学学相比较，最主要的一个差别是出现了能量量子化。在经典物理学里，无论在什么情况下，能量都是连续变化的，但在量子力学里，只能采取一系列分立的数值，这些状态称为能级。 在经典物理学里，粒子的动量与它到中心点的距离的取值都是可以任意的，粒子的轨道角动量的取值也是可以连续取的。然而，在量子理论里，出现了所谓的“空间量子化”或“轨道角动量量子化”的规则。进一步说就是在量子力学里，轨道角动量的取值是以普朗克常数为