量子理论与相对论统一的基础

摘 要：量子理论与相对论统一的基础是四维空时理论。现代物理学之所以不同于古典物理学，就在于四维空时理论。量子理论与相对论中那些不同于古典物理学的特点也在于四维空时。一切物体都是四维的，高速运动物体的位置不是仅仅在三维空间的一个点，而是在四维空时的一段线段，其运动的轨迹不仅仅是一条线，而是一个面。低速运动的物体在四维空时中时间一维的位置及运动轨迹微不足道。

关键词：量子理论；相对论；四维空时；运动轨迹

中图分类号：O413 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.044

1 四维空时

现代物理学之所以不同于古典物理学，在于四维空时理论。古典物理学是三维空间的物理学，而现代物理学是四维空时的物理学。如果不理解四维空时，那对相对论与量子理论的认识也只能停留在“知其然”的阶段。

理解狭义“相对论”的关键在于，同时发生在宇宙的两个不同地方的两个事件，其同时性是相对的。这与古典物理学中的绝对的同时是不同的。绝对的同时是指在无穷小的同一时间，但无穷小是不能单独存在的，因而无穷小的时间也是不能单独存在的。相对论中的相对的同时是大于无穷小的同时。也就是说，是处在大于无穷小的同一段时间。当然，其长度也只能用微分来计算。这是真实的同时。这一段时间的长度，也就是在过去、现在、未来的三段时间中的“现在”的时间长度。正因为“现在”有一定的时间长度，所以才有四维空时。在四维空时中，时间一维的长度也就是“现在”的长度。

为便于理解，这里简述一下“现在”。在时间上，过去的量是无穷的，未来的量也是无穷的，那么，在过去与未来之间有没有“现在”呢？如果没有“现在”，那么，我们就只能生活在过去或未来。这可能吗？

如果说“现在"没有一定的量，那也就没有“现在”。因为质与量是不可分的。同时性是相对的，这一论断也表明“现在”有一定的量。

“现在”并不是隔开过去与未来的一张无形的纸，它是一个现实的过程。既然是一个过程，就要有一定的时间长度。在这一定的时间长度内，未来不断地变为现在，而现在又不断地变为过去。这是时间一维的特点。

空间与时间统一为四维连续区的关键就在于“现在”有一定的量。

四维空时是不可分割的，在这统一体中，时间一维有两种不同的量：一种是以秒、分、小时等为计量单位的时间，另一种是以厘米等为计量单位的时间。该时间的量与三维空间的量是同质的量。

古典物理学中的时间与空间是各自独立的，二者的量不能换算。如果仅仅承认以秒、分、小时等为计量时间的单位，而不承认以厘米等为计量时间的单位，那实际上是不承认四维空时。以秒、分、小时等为计量单位的时间的量，是时间一维的特殊的量，它只是物质运动的量，并不是物质自身的量。试问，一秒物质是多少？空间三维若仅仅与以秒、分、小时等为计量单位的时间来统一，从物质的角度讲，并没有变成四维，那还是只有三维。因为以秒、分、小时等为计量单位的时间不是物质的，因而不能构成一维。

为什么厘米等这类三维空间的量可以用来计量时间的量呢？这是因为时间与空间都是物质的存在形式，二者的内容是同一物质。

时间中的物质与空间中的物质是否不同呢？不，两者没有区别，时间与空间的内容是同一物质。如果时间不是物质的，那样的四维空时只不过是梦而已。因为时间与空间的内容是同一物质，所以厘米等这类计量三维空间的量也可以用来计量时间的量。

2 量子的特点与四维空时

与古典物理学相比，量子的特点皆因四维空时。一切物体都是四维的，高速运动的物体其位置不是仅仅在三维空间的一个点，而是柱状的，其运动的轨迹不是仅仅一条线而是一个面。低速运动的物体虽然也如此，但其在四维空时的时间一维的位置及运动轨迹微不足道。高速是指光速及相当于光速的速度。

在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的。这个最小的单位叫作量子。如果一个物理量有最小的单元而不可连续的分割，这类物理量就是量子化的。

量子极其微小，它涉及的物理量不仅是不连续变化的，且取值不确定。从经典力学来讲，能量不连续的现象是不能出现的。但实验表明，量子世界满足的物理规律不是牛顿力学的规律，而是量子物理学的规律。

宇宙是四维的，物体在运动时不仅是在空间三维运动而同时也是在时间一维中运动，因而它不仅在空间三维有运动的轨迹而且同时也在时间一维中有运动的轨迹。这两种轨迹是相互垂直的，因此物体的运动轨迹不是仅仅一条线而是一个面。物体在一般速度的条件下，它只是在时间一维的浅层运动，因而它在时间一维内部运动的轨迹微不足道。只有高速运动的物体，才会深入时间一维的深层，因而其运动的轨迹才是一个面。

量子在其运行过程中为什么不连续呢？原因在于其运行的轨迹是一个面。这一个面的一侧靠近时间一维的浅层，而另一侧靠近时间一维的深层。当粒子在其运行过程中靠近时间一维的浅层时，人们在三维空间就可以看到它，而当粒子在其运行过程中靠近时间一维的深层时，人们在三维空间难以看到它。粒子在其运行过程中，有时靠近时间一维的浅层，有时靠近时间一维的深层，所以，人们有时看到它，有时难以看到它。因而粒子在其运行过程中表现为不连续。

当粒子在其运行过程中靠近时间一维的浅层时，人们在三维空间可以看到它。这时，粒子表现出了它的粒子性。而当粒子在其运行过程中靠近时间一维的深层时，人们在三维空间难以看到它，而只是看到了粒子运行所引起的波动。这就是它的波动性。粒子的粒子性是主要的。

测不准原理成立的原因也在于四维空时。人们在测量电子的位置与速度时，所测准的是电子运行到时间一维的浅层时的位置或者速度，而测不准的是电子运行到时间一维的深层时的位置或者速度。在将电子的位置与速度测准时，测量所用的钟与尺是通常情况下的钟与尺。但在高速运动的情况下，会发生“钟慢”“尺缩”的现象，所以用通常情况下的钟与尺，不可能测准电子运行到时间一维的深层时的位置或者速度。

3 相对论与四维空时

正因为相对论揭示了同时性是相对的，所以才有了四维空时理论。相对论与四维空时理论是联系在一起的。相对论中的大多问题都与四维空时有关。

光速为何不变呢？光速属于高速，光一旦发出，它就进入了时间一维，而时间一维与空间三维是相互垂直的，光速与发出光的物体的速度不能相加减，所以光速不变。

光速为何不可超越？光速不可超越是有范围的，在我们所在的宇宙内光速是不可超越的。物体的速度一旦超越光速，它就会冲出“现在”的范围，进入过去或者未来的范围，也就进入了其它宇宙。

光子并不是没有质量，只是其质量处在时间一维的深层，人们在三维空间难以看到它。

物质为什么弯曲呢？这是因为我们所在的宇宙虽然无边但却有限。爱因斯坦的宇宙模型是无边、有限、静态。物体的速度在等于或者小于光速的情况下只能在有限的范围内运动，因而不可能作无限的直线运动，它必然作曲线运动，这就必然导致物质弯曲。

按照相对论的观点，引力是时空弯曲的表现。因而，引力与电磁力、弱相互作用力及强相互作用力等三种力是不同的，四者不能在力的基础上统一的。所以，相对论与量子力学也不能在力的基础上统一起来。

作者简介：刘文浩，男，山东肥城人，中南财经政法大学副教授，从事物理学研究。

〔编辑：刘晓芳〕