「質量和時間」「同時誕生」

「質量和時間」「同時誕生」

楊明昆王嚴學 楊昭國

(ygyzg@126.com)

對於時間，世界上早就有統一標準。但最近，美國科學家發明了一種測量時間的新方法，這一方法同時有望取代國際公斤的標準。他們所提出的新方法，讓研究者能夠直接「從質量上看出時間」，或者「從時間上看出質量」。

這項研究結果發表在美國《科學》雜誌上。該項目的負責人、加州大學伯克利分校的物理學家HolgerMüller指出，宇宙中的「質點和時間」是「同時誕生」的。 ［0］

這與「物質時空方程」揭示的物質、空間、時間的關係，是一致的。

1.「物質」

具有能量（質量）的東西，統稱為「物質」。 ［1］

可見，任意一個「物質」都具有「質量」m（能量ε=mc2，c為光速）。在物質的體積和形狀或其他物理量（比如電荷、旋轉），可以忽略不計的情況下，「物質」可以看成一個「質點」。［2］

一個孤立、靜止的「質點」，在其周圍存在一個「靜引力場」。到「質點」m距離為r的球面Q上的加速度a=Gm/r2（G為引力常量）。

在這裡，我們只討論r遠大於「物質」的自然半徑R，並且自然半徑R遠大於史瓦西半徑RS的情況，即必須要有r>>R>>RS=2Gm/c2。

圖1 靜引力場

2.「空間」

物質實體運動所發生的部分，稱為「空間」。 ［3］

我們知道，變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場。

如果「空間」也是一種「場」，稱為「空間場」，那麼從「時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲」這句話里，我們可以認識到了：「物質」——「引力場」與「時空」——「空間」——「空間場」，就應該有著密切的聯繫。

「空間場」與「引力場」，也可以具有「磁場」與「電場」類似的關係：變化的「空間場」產生「引力場」，變化的「引力場」產生「空間場」。並且，「空間場」與「引力場」在相互激發的過程中，也符合所說的「右手定則」和「左手定則」。［4］

圖2引力場與空間場

「靜引力場」對應「靜止」的「空間場」。「引力」對應於「彎曲的空間」。

圖3 空間場

若設在球面Q上作環繞運動（圓周運動）的物體A的速度大小為v，則有r=Gm/v2。

這時，物體A的環繞軌道（半徑為r的圓）的曲率k=1/r=v2/(Gm)，即k= v2/(Gm)，亦即v2=(Gm)k。

所以，一個孤立、靜止「質點」周圍的「空間」的「曲率」（指環繞「質點」的圓），與環繞速度的平方成正比。「空間」「曲率」越大，「空間」就越「彎曲」，也就越靠近中心「質點」，物體的環繞速度就越大。

太陽系的八個行星，按照離太陽的距離從小到大，它們依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。它們的軌道曲率依次減小，平均軌道速度也是依次減小的。［5］

圖4太陽系八大行星

太陽系八大行星的有關數據

太陽系

八大行星

水星

金星

地球

火星

木星

土星

天王星

海王星

軌道半長徑（百萬千米）

57.91

108.2

149.6

227.9

778.3

1427.0

2882.3

4523.9

軌道曲率

從水星到海王星軌道半長徑依次增大、

曲率依次減小

平均軌道速度（千米/秒）

47.89

35.03

29.79

24.13

13.06

9.64

6.81

5.43

速度特點

從水星到海王星平均軌道速度依次減小

「物質告訴時空如何彎曲」，「物質」——「中心恆星」（質量為m）決定了其周圍「空間」（到質量中心的距離為r）的「彎曲」情況：k=1/r。所以，可以說，有什麼樣的「物質」（質量或能量）存在，就有什麼樣的「空間」分布。「物質」與「空間」：有「物質」就有「空間」，有「空間」也必須有「物質」。「物質」是存在於與其相應「空間」內的「物質」，「空間」一定是某個或某些「物質」的「空間」。所以，可以說成「物質空間」或「空間物質」。

「時空告訴物質如何運動」，「彎曲」的「空間」又決定了在某一「曲率」（k）「空間」「軌道」上「物質」——另一「質點」，必須以相應的速度運動：v2=(Gm)k。引力場中，物質的運動速度可以反映所在「空間」的「彎曲」情況：k=1/r=v2/(Gm)。或者說，物質的速度是空間彎曲的一種表現、一種說明、一種檢測，也就是所謂的「萬有引力」是一種「空間彎曲」。

3.「時間」

時間就是表示物質運動多少的一個量。時間的本質就是物質運動的量。 ［6］

時間不是物質，但它是由物質的運動產生的，是物質運動的一種表現形式。物質的運動決定了時間，不是物質在時間中運動，而是時間隨物質的運動而變化。

如果把上述中質量為m的「質點」處的時鐘T0的時間記為t0，那麼在半徑為r的球面Q上進行環繞運動的時鐘T的速度v,必須滿足v2=(Gm) k=Gm /r。根據相對論，時鐘T的時間t=t0/√1-(v2/c2)=t0/√1-(Gmk/c2) =t0/√1-((Gm /c2)/r)，即有t=t0/√1-(Gmk /c2)，所以，「質點」m周圍「空間」的「時間分布」——「時間流逝」的情況是：「空間」的曲率k越大，「時間流逝」就越慢——「鐘慢效應」；還有t=t0/√1-((Gm/c2)/r)，說明了距離「質量中心」越近（在r>>R>>RS=2Gm/c2的條件下），「時間流逝」就越慢。

4.「時空」

空間和時間是事物之間的一種次序。空間用以描述物體的位形；時間用以描述事件之間的先後順序。空間和時間的物理性質主要通過它們與物體運動的各種聯繫而表現出來。

時空(時間-空間，時間空間連續)是任何把時間和空間組合成一個單一連續的數學模型。近代物理學認為，時間和空間不是獨立的、絕對的，而是相互關聯的、可變的，任何一方的變化都包含著對方的變化。因此把時間和空間統稱為時空，在概念上更加科學而完整。［7］

這種說法，在同一個「引力場」中，與公式t=t0/√1-((Gm/c2)/r)所反映的「時間」t和「空間」r的「關係」是一致的。

5.「物質時空」

「引力場」中的「時間分布」——「時間流逝」的狀況：「時間」t只與「物質」的「質量」m與到質量中心的「距離」r（「空間」）有關：t=t0/√1-((Gm/c2)/r)，即Gmt2+c2t02r=c2t2r。

我們把下列等式，稱為「物質時空方程」：

Gmt2+c2t02r=c2t2r

其中，G為引力常量，m為引力中心的質量，t0為引力中心的時間，r為到引力中心的距離，t為到引力中心距離是r的球面上的時間（r>>R>>RS=2Gm/c2）。

圖5「物質時空方程」

「物質時空方程」把「物質」「質量」m、「時間」t、「空間」量r聯繫在一起，揭示了三者之間的內在聯繫。也就是說，如果「物質」（質量）的存在情況不變，那麼其周圍的「空間」「分布」就不變，其周圍的「時間」「分布」——「時間流逝」狀況就不變。或者說，「物質」（質量）的存在情況，決定了其周圍的「空間」和「時間」。有怎樣的「物質」（質量）「存在」，就有怎樣的「空間」「分布」，也就有怎樣的「時間」「流逝」。

運動是物質的本性。只要有物質，就有物質運動的相應的空間，同時，也就有了相應的時間流逝。

宇宙是「物質」的。「物質」的「存在」，決定著「空間」「分布」，決定著「時間」的「流逝」。「物質」、「空間」和「時間」都是一種「客觀存在」。

所以，「空間」是「物質」的「空間」，「時間」是「物質」的「時間」——「物質時空」（m-t-r）：「物質」的「空間」與「時間」。

6.「質量和時間」「同時誕生」

物理學家HolgerMüller及其同事致力於研究銫元素原子內一種名為「康普頓頻率」的量。在量子的層面上，物質會產生類似波動的動作，而「康普頓頻率」可以顯示這些波動的振幅，科學家設下定義：X倍的振幅等於一秒。［0］於是，就可以定義「物質時空方程」中的時間t0。

如果擁有銫原子的「康普頓頻率」，那就可以用量子力學的方程算出它的質量。 ［0］也就是說，「康普頓頻率」反映的就是「質量」m。

因此，「康普頓頻率」既可以定義或測量「時間」，同時也是「質量」的反映——「質量和時間」是「同時誕生」的，是「物質」「本質屬性」的兩個表現。

圖6

參考資料:

［0］《科學家發明測量時間的新方法》鳳凰網科技

（http://tech.ifeng.com/discovery/detail_2013_03/16/23176621_0.shtml?_from_ralated）

［1］《物質》百度百科

（http://baike.baidu.com/subview/35675/12170226.htm#viewPageContent）

［2］《質點》百度百科

（http://baike.baidu.com/link?url=W6FAjtAp1OB6FgeXs47EDUWjqecLolxg4drsFggH8u6s64opsVWCMeZniUDGomEY）

［3］《空間》百度百科

（http://baike.baidu.com/link?url=T_1e2ZFdha6tICtf495w8FKvK9lBjylfZAIlGs00yFKPDi2-OYFd_inYrxbSgXYJBkN56Mc9UoFA-QSoU2MOScFhj83-PjFtjTr7ou56-sar4ju-Cbk-y08s-P9Mjgle）

［4］《「百慕大三角」與地球上的「空間場」》科學智慧火花

（http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=12947）

［5］《八大行星》百度百科

（http://baike.baidu.com/link?url=jbts00Dc1BGxEKvGcN2sVnC5Fc5XfPcE2GRt6ks3FLmYLOmIDRF4o8ZtcuLkgiH-）

［6］《時間》百度百科

（http://baike.baidu.com/link?url=gMZAypEJHS9mmjCFjQEIIVM4FY5guPzdgZiJVDMYiP-_Izx68pVG7i6HnTokocZr7YiYjpOn1rWSckNghs3nU4B-3mq5YafOvRUzUHJgooOv3qPVTyq5878cTlI2Wp3-）

［7］《時空》維基百科

（http://zh.wikipedia.org/wiki/時空）

［8］相關資料請參考《「空間場」——「能量負壓」》

(http://blog.sina.com.cn/u/2494755301)

（楊明昆王嚴學楊昭國期待您的交流、討論ygyzg@126.com)