和老度探讨“空间弯曲”

老度在jingchen网友的文章《一些物理和数学中基本概念的直观理解》里留言，“光的传播速度是30万公里/秒，光在空间中是沿直线传播的，如果要坚持这样的观点，来解释在引力场中，光的传播偏离了直线的轨迹，那么把一无所有的空间看成是不受力的，是光本身在引力场中偏转了，这是沿牛顿概念来处理此一问题的方法，如果是这样，后续的数理计算和推论就会非常复杂，而且流派良多。如果是按照爱因斯坦的法子来处理，也就是坚持光的直线传播原理，而假设空间本身在引力场中受力弯曲了，下面再利用黎曼几何来做数学处理，其理论就要简明得多，而且其物理意义，几何意义也更深远的多。”

按照这个说法，“空间弯曲”实际上只是一个假设，是为了简化光经过弯曲的空间时的路径的计算。是这样吗？

科学家已经承认光有波粒二重性。光既然有粒子性，在经过大质量的星球时，就会被吸引而产生路径弯曲。

所以实际上是光在传播过程中不是一直以直线行进，而是一路上在经过各个大质量物体时产生了这样或那样的弯曲。

而空间是不变的，也不会产生弯曲。引进“空间弯曲”只是为了计算方便。

是这样的吗？

为什么“时空弯曲”的概念不容易理解？

马海飞

(2014年11月27日)

“时空弯曲”的概念是爱因斯坦为了解释万有引力现象而提出来的。在爱因斯坦的心目中，时间与空间是一个整体，这个整体以四维形式存在。其中空间是三维的，时间是一维的。这个“时空”本来是平直的。但当天体级的大质量物体存在于其中时，就会导致这个时空产生弯曲。导致时空弯曲的过程很像是一个重球把平坦的弹性垫子压迫凹陷下去的样子。天体周围时空的弯曲使得处于其中的物体按照时空弯曲程度所带来的几何效应运动。这个运动所反映出来的现象就是万有引力现象。

用“时空弯曲”的概念解释万有引力现象似乎有一定的道理。但是，“时空弯曲”却是一个令人难以理解的概念。首先，时间和空间并不具有同类的物理意义。时间反映的是过程，而空间反映的是状态。把状态与过程放在一起就好像把风马牛放在一起一样，是很难想象出得到的到底是个什么东西的。

时间本身并不存在空间性。也就是说，我们是无法用丈量空间长度的尺子去测量时间的。今天，人们也许是在爱因斯坦四维时空的影响下制造出了“四维电影”和“五维电影”等等的概念。也就是在放三维立体电影的时候加入同时释放出味道和座位上的动感效果等等来增加身临其境的感觉。其实，味道和动感与三维的空间之间没有任何物理联系。只是人为地把它们联系到了一起制造出了这些“四维”、“五维”之类的概念而已。实际上“四维时空”也是如此。所以说，在自然世界里根本就不存在时间加空间形成的那种“四维时空”。既然不存在，当然就无法理解。

其实爱因斯坦自己也不能理解时空弯曲到底是怎么一回事，否则他就不会用重球压弹性垫子的例子来解释时空弯曲了。众所周知，重球压在弹性垫子上形成的“弯曲形状”是一个倒置的喇叭口状。如果地球周围的时空也是这样弯曲的话，那么喇叭口的方向应该朝向哪里呢？爱因斯坦也说不清。因为时间与空间本来就不可能是一个整体，而且自然世界里也根本就不存在“时空”这个东西。

显而易见，爱因斯坦的“弯曲时空”是一个把“时间”和“空间”概念滥用在一起而人为制造出来的纯抽象概念。就是因为这样，任何人如果从时间和空间本来的基本概念上去理解时空弯曲的话，是永远也无法理解的。因为空间本身只不过就是一个场所。时间就是一个衡量变化过程快慢的指标。怎么可能弯曲？怎么可能具有相对性？

至于三维空间中的“三维”，只不过是为了定量描述空间的最简单（最少）几何坐标数而已。 如果在空间里存在一个弯曲的物体，这个物体的形状完全可以用三条相交并相互垂直所形成的坐标系中表示出来。当然，如果有人想用多于三条坐标轴的坐标系，甚至使用弯曲坐标轴的坐标系来描述这个物体的形状也不是不可以。但结果一定比用最简单的三维坐标系复杂得多。因此，用三维来描述空间是最科学的。而科学的特点之一就是用最简单的方法去解决同样的问题。

时间也是如此。时间本来就是一个测定变化快慢的尺度。其功能也与三维空间坐标系中的坐标轴是一样的。如果这个坐标轴是弯曲的，结果就会变得很复杂。

不仅如此，时间和空间本身并没有任何物理功能。时间和空间并不会改变物体的运动状态，也不会参与和影响任何物理过程。而爱因斯坦的弯曲时空却可以让在这个“时空”中的物体按照它的几何形状运动。

那么，爱因斯坦用“弯曲时空”这个概念想要表达的那个东西到底是什么呢？其实，那个东西既不是时间，也不是空间，更不是根本就不存在的“时空”，而是一个具有物理功能的“场”。这样的“场”既具有物理功能，又可以容纳其他物体存在于其中。因此它不但具有物理功能，而且还具有空间的性质。虽然“场”具有空间的性质，但“场”与“空间”却有着完全不同的物理意义。其本质区别就在物理功能上。空间是不具有物理功能的。因此，如果像爱因斯坦那样把“场”叫做“空间”的话，就很容易造成混乱。

此外，“空间”是一个没有来源的原始存在。而“场”则不同。每个“场”都有它的场源。所以，一个场源携带的场对其他物体而言很容易被错误地当成是一个空间。例如，太阳的场对地球而言就很容易被作为是地球存在的空间对待。其实，因为有物理功能的太阳场把没有功能的空间给充满了，所以，虽然地球是同时存在于空间和太阳的场里，但最后表现出物理功能的是太阳的场。在这种情况下，如果把场说成是空间的话就会导致混乱。又因为场是有来源的，因此，太阳有太阳的场，地球有地球的场。每个物体都有自己的场。所以，场不仅具有物理功能和空间的性质，而且还是“相对的”。所以，如果把“场”误认为成是“空间”的话，那么就会得出“空间是相对的”结论。这也是造成混乱的一个原因。

关于场的问题还要从物质的基本属性说起。一般来说我们看到的物体都是物质的实体，而看不见物质的场。然而，物质实际上同时具有实体与场这两种性质完全不同的基本属性。所谓属性就是与生俱来的性质。所以，任何物体，小到微观粒子，大到宇宙天体，每个独立的物体都是一个由实体与场组成的统一体。因此，地球有地球自己独立的实体与场，太阳有太阳自己独立的实体与场。这里说的实体并不是指狭义的固体，而是指所有有质量并可以用一个质心来代表的物质。每个物体的实体与场都分享同一个质量中心（即质心）。而任何两个物体的质心都是不可重叠在空间中同一点上的。每个物体所携带的场以该物体的质心为几何中心形成一个球形场。但这个球形场的物理强度分布是不均匀的。它是以距离的平方反比呈球面形式分布的。因此，在物体实体之外，距离质心越近的地方场强度越大，距离质心越远的地方场强度越弱。

只要知道了物质的实体与场这两个基本属性以及场的分布特点就不难理解，如果把“场”误认为是“空间”的话，那么这个“空间”肯定就变成是弯曲的了。当然，场的弯曲形状绝不是爱因斯坦所描述的那种喇叭口形的弯曲，而是球面形的弯曲。这个场的物理功能是以场强度的分布规律决定的。太阳的场对太阳本身没有明显的物理功能是因为太阳的质心与它的场心在同一点上。太阳的场对地球有明显的物理功能是因为地球的质心与太阳场的质心之间有距离。也就是场的不对称性造成的。

那么，场与时间又是什么关系呢？上面讲过，场的强度密度分布呈现距离平方反比规律。而这个场的物理功能正是对这个密度的反映。例如，在地球表面的不同高度上地球场的密度是距离地球表面越近强度越大。距离地球表面越远场的强度越小。这个密度分布的物理功能可以通过自由落体运动反映出来。例如，在地球表面的不同高度，自由落体加速度是不同的。也就是说，在不同的高度上经过同样距离自由下落所需要的时间是不一样的。距离地球越近所需要的时间越短。距离地球越远时间越长。因此，如果把一个固定的距离作为不变量来找出下落时间与不同高度之间的关系的话，得到的结果一定是“时间是弯曲的”。这是因为时间与高度之间并不是简单的线性关系的缘故。

不仅如此，即使与质心的距离相同，但在地球的场里与在太阳的场里，物体的自由落体加速度也不相同。所以这样“测到的时间”是跟着场的强度而变化的。“测到的时间”不同并不表示时间是可变的。测到的时间是弯曲的也并不表示时间就是可弯曲的。可是，因为在爱因斯坦的理论中，他没有认识到时间、空间与场之间的相互关系，结果就把本来就与时间和空间有关系的“场”错误地用时间加空间定义成了“弯曲时空”。这个定义导致的后果非常严重。首先，它搞乱了时间与空间的概念。其次，本来场是属于每个物体的，而在弯曲时空理论中通过“时空”这个概念把场变成了一个孤立于物体之外的东西。这就使得时空弯曲的概念变得让人难以理解了。

所以说，解决“时空弯曲”问题的办法就是回归经典的时间和空间概念。同时认清“场”在物理现象中的作用。把“时空”这个容易引起混乱的概念从物理学中彻底清除掉。让人们都认识到，自然世界中没有爱因斯坦所描述的“时空”这种东西存在。自然世界中存在的那个“弯曲的”、“相对的”、“具有物理功能”的并“与时间和空间有关系的”客观存在实际上就是一个“场”。这个场就是“质量场”。