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第4章 时间

一上午的时间飞快的过去了,有几个基金要的材料比较繁琐,需要好好准备,不过审核的人与我的导师关系还不错,所以拿下来应该问题不大。虽然现在纯理论物理的选题不多,但就国内而言,比我这里更有资格的实验室也真的没有几个。

来到教工食堂完成今天午饭的工作,嗯,科研人员的人生就是这样紧张且乏味。快速的消灭掉午饭,又到了看餐桌愣神的时段,不知道怎么的,又想起来早晨的那封回信。

他的口气不太对,虽然的确所有的民科都是如此,但……

他的结论我当然是不会搭理,但他的逻辑,似乎还算清晰?而且不像是为了吵架来的……

光子钟?时间?这并不是什么稀奇的点子啊,这有什么可单独拿出来说的?

毕竟,早在本科时代,在教大学物理课的老师第一次讲相对论时,他用的好像就是光子钟这个模型。而只要对相对论有所了解的人,就算非物理专业,他们也不应该对这个模型感到陌生,比如科普作家汪洁在2012年出版的那本《时间的形状:相对论史话》中也用到了这个模型。

想象一个光子钟由两个平行的反光板组成,再放一个光子进去,让它在两个反光板之间垂直振动。然后对光子振动的次数计数,这个光子钟模型就完成了。

当光子钟静止时,这个光子会规律的在两个反光板之间振动,方向是垂直的上下,速度为C,再考虑反光板之间的距离,我们可以算出光子在其中振动的周期。

所以我们就知道在一秒内这个光子往复振动的次数,也就是说,我们能根据光子振动的次数来读出经过的时间。

而当光子钟以一定的水平速度发生移动时,为了不让这个光子跑出去,这个光子也需要具有和光子钟的两个反光板相同的水平速度,所以光子的移动方向不再是垂直上下,而是斜上和斜下,而光在空间中的速度又是恒定为C,所以这个光子在垂直方向上的速度分量一定会降低。也所以,当光子钟发生横向移动时,光子在两块反光板之间振动的用时就会变长。

所以,如果根据光子钟内光子的振动次数进行计时的话,我们会发现当光子钟具有速度时,它显示的时间会变慢。

这没什么新鲜的,可以说,多少人的相对论基础都是由这个模型打下的,这是最直观的方式,用来说明速度增加可以导致时间变慢。

不过这个思路还是经典物理学的思路。而在相对论中,还要再进一步,把自己想象成和这个光子钟速度一致的观测者。这时观察者就会看到这个光子还是在原地垂直的上下振动,光子在垂直方向上的速度自然还是恒定为C,这可以说明光子钟这个惯性系具有自己的时空规则,具有独属于自己的四维时空结构,也能说明光在任何惯性系内的速度恒定为C。

这些是相对论入门的东西,可是不对啊,我们讨论的明明是粒子模型,他为什么和我提光子钟?嗯,他让我把每一粒粒子看成一个光子钟,这会有什么变化?

的确,如果把粒子看光子钟结构的话,那内部的光子在粒子这个光子钟的内壁之间往复振动,而粒子的速度的确会导致光子在粒子内运动周期的增加……这和大学课堂上的那个光子钟是完全一致的,速度越快,时间越慢。粒子如果真的是这个结构那的确会导致“时间效应”。

至于接下来,他说粒子模型分为两种。

电子内的光子在不断的往复振动,这个和光子钟模型几乎就是一样的。电子没有问题,如果电子的结构是这样,那电子的移动的确会导致时间记录的降低。

而质子内的光子在不断的变向,最终形成了一个圆,虽然光子运动的方式不同,但这里也没有问题。可以想象,只要光子的速度不变,那哪怕质子中的光子在不断的改变方向,质子的速度提升以后,质子内光子转一圈的时间也会降低,数值变化也是一样的,简单的计算而已。

电子和质子都是如此,那宏观物体呢?按粒子的标准模型,在组成物体的质子与电子之间,当然有虚光子在以光速传递,如果把任何两个粒子和在它们之间运行的虚光子看作一个光子钟结构。那当物体获得速度以后,这些虚光子的移动的确也需要更多时间,虚光子的往返和交互需要更多的时间,这当然是时间变慢了。

在这个过程中可以确定,随着速度的增加时间的“计量”一定会变慢。

时间的计量如果会增加,这是否意味着“时间”的减慢呢?而“空间”又会发生怎样变化?毕竟在相对论中,时间和空间是一体的啊?

有点乱……

在相对论体系下的“时间”可不只是对时间的计量,而要把时间、空间、物质、速度这四者看作是一个整体,它们都是隶属于物质的属性,而物体速度的改变可以影响对应着物体的时间维度与空间维度,让它们随之膨胀或收缩。这才是标准的解释。

但李老师他的意思似乎是并没有时间维度的膨胀,而只有对时间的计量变慢了?好像的确能解释时间效应中为什么时间会变慢,但……会不会有些牵强?变慢的可不只是对时间的计量而已,不只是粒子与粒子之间的相互作用,是一切行为诶。

想了想,决定给对方再回了一封信确认一下,我用手机回复了一封简信。

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李老师您好

我知道光子钟模型,也按您的思路推导了一下。

的确,您的粒子模型可以解释相对论中的时间效应,但是,用相对论的思路同样可以解释。而且您肯定知道,相对论是极其自洽的,否则早100年就被推翻了。

爱因斯坦认为,“时间效应”体现了速度与时间维度之间的相互影响,而在您这里,速度改变的仅仅是对时间的计量,让物体之间相互作用的效率变低。

可以说,您对时间的理解,与现在普遍的观点不同。您的思路,似乎更接近牛顿时代的观点?

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不出意料,没有多久我便收到了回信。

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张博士您好

普通人刚接触相对论时需要适应相对论独有的时空感觉,但想让已经熟悉相对论思维的人再回头用经典模型思考也同样困难,没有想到您真的会为此思考。

的确更贴近牛顿时代的观点,如果粒子的结构如我所说,那当粒子的速度改变时,粒子的“时间计量”与粒子所“占据的空间”会同时发生改变,粒子的结构才是一切变化的根源。相对论认为时间和空间关联在一起然后随着速度改变,它的结果虽然正确,但次序错了。

不过牛顿的时间观点显然也是不对的,因为时间的计量的确会因为速度而发生改变,并没有一个恒定的“绝对时间”。

既然您思考了光子钟这个假设模型,那我们都能确认速度会导致光子钟这样的结构的计时会减慢。但这背后还有什么东西?

插一句。其实为什么到了现在还有这么多人不是那么认可相对论?当然不是因为它不准确,而是因为它对时间的认识违背了我们在生活中的先验认知,如果再深入一点,则是因为它需要的前提没有根基。

也就是它的那两个基础假设,一个是光在任何速度的惯性系内速度恒定,另一个是一切惯性系内物理作用平等。相对论把这两条作为基础假设加以应用,但对于这两个重要前提没有给出原因。

相对论描述的现象当然是对的,这是它比以往的牛顿物理高明的地方,但在我看来,它最大的问题便是把前因和结果混淆了。

而“粒子-内部光子模型”可以对它的这两个假设做出解释,让这两个假设变成有明确理由的结果,而不是悬在空中的假设,而在此之后,我们也能更准确的理解什么是“时间”,“时间效应”中到底发生了什么,而不用再去定义那奇怪的“时间维度”。

这也是为什么我说这个粒子模型的自证可以通过相对论来完成。

一切都在细节里,而“时间效应”中有这样一个细节:

我们假设有一个速度很快的惯性系,比如一艘飞船在以亚光速飞行,相对论会说,对于静止观测者来说,因为飞船这个惯性系时间流逝的速度减慢了,所以其中的一切运动都减慢了。

但如果我们把飞船中的一切都看成所说的“粒子-内部光子模型”和粒子与粒子组成的结构,我们却会注意到:因为惯性系内一切物体的运动速度先发生了改变,这导致飞船内计时器计量时间的动作也减慢,一切运动也会减慢,就如同时间减慢了,但其中并没有“时间”这种物质被影响。

但这里只是说结论是不成的,那就真的变成民科了,我得为这几句话做出解释:

在讨论速度与时间的因果关系以前,我们先得知道粒子的速度到底是什么,大部分人会认为这个问题不是个问题,但这个问题其实至关重要。

在以往,我们都是把速度当成隶属于粒子的一个物理量,在你们看来,一切都是粒子的内蕴属性,不需要理由。但在“粒子-内部光子模型”结构中,我们会看到“速度”是一个次级的物理量,是一个由结构导致的结果。

无论在牛顿物理还是相对论物理中,如果人们想象一个匀速运动的物体,那就会认为这个物体具有某一个特定的速度,导致这个物体随着时间不断的单方向的改变它在空间中的位置。

但其实,这种理解有一个前提假设,那就是每一个粒子必须是一个最基础的粒子,就如同经典力学中的实心小球。但如果粒子不是实心的小球呢?如果粒子如“粒子-内部光子模型”中那样描述,是由振动的光子组成的,那我们对物体位移的本质的认识其实就错了,这殃及了对“速度”的认知。

一个粒子的空间位置是由在其内振动的光子决定的,那随着光子的振动,这个粒子占据的空间其实一直在发生改变。所以粒子的位移其实是由于其内光子的持续振动引起的。

而一个匀速运动的粒子,在极微观的视角中,变成了其内振动的光子在往复振动后形成的连续位移。构成粒子的光子每次先向右移动一丝,再向左移动了一丝,如果向右移动的距离更多,那随着粒子内光子的极速振动,这个粒子就会持续不断的向右挪动,不过这种振动的周期太短了,每秒钟能振动的次数是10的23次方这个数量级,你可以用质子的数据算出来。所以并不存在什么“匀速”向右移动的粒子,而只有不断振动着的粒子,只不过每回合的振动都会让这个粒子的空间位置发生持续不断的小小的改变罢了。

弄清楚粒子在空间中移动的细节,我们就可以更本质的去查看“时间效应”:

当一个惯性系在空间中具有很高的速度时,我们去看这个惯性系内的静止物体,去看其内的每一个粒子,我们知道每一个惯性系内的静止粒子其实都在空间中有很高的速度。

所以,这些粒子内的光子也需要保持对应的速度分量,但光在空间中的速度是恒定的,所以当惯性系具有很高的速度时,在惯性系内的所有粒子内部,光子的振动速度就会相应降低。

粒子的位移是由粒子内光子的持续振动来完成的,而粒子的移动速度,是其内振动的光子形成的叠加速度。因此,当惯性系速度很高时,其内粒子内的光子振动速度会降低,所以粒子一点一点挪动的速度也会变慢,所以粒子在空间中的移动速度也会变慢。

这个变慢的程度可以用勾股定理计算,也就是你们熟悉的洛伦兹因子。

现在我们就可以下结论了:

如果“粒子-内部光子模型”正确,那我们就需要重新理解“速度”这个概念,所以当惯性系的速度很快时,惯性系内的粒子在其他的方向上发生位移时就会变慢。

现在,速度变慢的只是一个粒子,接下来讨论的自然是由多粒子构成的宏观物体。还是那些我们说过的逻辑,在你们的粒子标准模型中,实现物理作用的所有交换粒子的速度都与光速相同。按光子钟模型可以知道,惯性系内四种力的效力都会降低。所以,最终的结果便出来了,当惯性系的速度很快时,其内的一切运动都会变慢,当然包括计时器的记录和其中生命体的感知,就好像有一个整体性的“时间”被减慢了一样。

要想理解“时间效应”,必须要对粒子在空间中移动的机制有所了解,而“长度效应”这个现象吧,如果不研究的特别细致,还是可以沿用一百年前洛伦兹提出的量杆收缩假说和相应的计算。洛伦兹认为宏观物体是由带电粒子通过电磁力结合在一起,由于速度和电磁平衡的影响,随着速度的增加其占据的空间长度会缩短。他也给出了详尽的证明。

所以说,无论在我这里或者相对论这里,当速度增加时的确会产生“相对论效应”,但解释完全不同,对于“时间”和“空间”的理解也完全不同,当然在我看来,就是相对论的因果关系弄反了。

顺便,如果您愿意花几分钟时间,可以借助“粒子-光子模型”,以“光在空间中速度恒定”为基础,试着推导出“光在任何惯性系内速度恒定”的结论。您会发现,相对论的那两条假设,其实是可以得到证明的。尤其光速不变原理的证明非常简单。(当然还要注意一点,如果您真的要计算,一定要记得我们没有办法以单程光的方式进行测速,所以一切关于光速的测量都需要以双程光的方式进行计算。)

如您所见,这些内容其实非常清晰,不用专业人员,大部分对相对论现象有点了解的普通人都足以明晰相对论效应背后的一切。

只不过,为了能得出以上的结论,我们需要两个武器。

第一个当然是“粒子-光子模型”本身,但拦在它前面的,是夸克假说和粒子的标准模型。这是一些学术界公认的真理,突破它们的难度可想而知,从arxiv都会拒稿加封号我就已经知道了。

而另一个,是光需要在空间内保持速度恒定,有个词我不合适提,但相信您知道我说的是什么。

不管怎么说,能和您说这么多,我还是很欣慰的。我也希望我说的这些对您有所帮助。

多谢回信。

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粒子的结构会导致对“速度”本质的不同认知?

“时间效应”中,并不是“时间”的维度发生了改变,改变的是“速度”?

相对论的基础假设可以被证明?

我没有动笔计算,但我模模糊糊的认为,他说的应该是对的,起码是一套可以自洽的解释。已经说了这么多内容,不可能会犯这种基础数学上的错误。

是的,他的粒子模型,的确可以解释相对论效应背后的原理,而这是目前所有其他物理模型都做不到的,甚至相对论本身都做不到,对于相对论来说,这些都是强行的规定,是找不到原因的前提假设。

然而,他给出的解释要求这样一个固有前提,即:光在空间中的传播速度恒定……

我知道他说的是什么,他没有提的那个词是以太。

空间中充满以太,形成了以太海,而以太海是光波传递的介质。

波动的速度与其介质的物理性质直接相关,因此,在空间中的以太海中,光的速度恒定,我们规定为C。

我不禁叹了口气。

民科啊,这绝对是民科啊……

他不知道以太这个东西,人们用了几百年都没有找到么……谁有能证明以太存在的办法?

这可真的是没有影子的事……

而需要用以太假设来支撑的理论,就算看起来再完美,模型再自洽,又怎么可能被人接受?

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