时空测量原理,时空测算模型
爱因斯坦提出的时空弯曲,科学家要怎样去测量?
菩提本无树，明镜亦非台，本来无一物，何处惹尘埃。这是六祖慧能大师的一个四句偈。不过，今天我们不谈佛学，今天，我们只聊聊常识。我们知道，什么也没有，就谈不上形状和颜色，更谈不上什么意义。
爱因斯坦（广义相对论）说时空弯曲，那么时空是什么？爱因斯坦认为是物质的万有引力引起了时空弯曲：过去曾错误地认为物体通过引力来对其他物体的运动发生影响，而现在认为是物体影响其他物体在其中作自由运动的时空几何，改变后的时空中的这种自由运动，就是曾被错误地认为在原来时空中的受迫振动。现在，自然定律是一种涉及时空的几何命题，时空变成了一种度规空间。［爱因斯坦，《狭义与广义相对论浅析》，北京大学出版社，2006年，导读第36页］详见《爱因斯坦说时空弯曲，那么时空是什么？》。1919年，日全食的星光偏折现象被认为是证明时空弯曲的证据，这也是相对论被认为是正确理论的转折点。
问题是，如果时空空无一物，那么什么弯曲了呢？时间如何弯曲呢？我们知道，无论是时空还是空间，如果什么也没有也就不存在弯曲不弯曲，空无一物的概念与我们的科学常识相背离，是我们的常识需要修改还是时空的概念需要修改？
我们知道，科学理论为解释客观现实而存在，不仅需要实验证明，更要贴近客观现实而不是脱离客观现实。问题是，对于星光偏折现象，有没有基于客观常识的解释呢？当然有。答案就是经典物理学。根据阿基米德定律和斯内尔的折射定律，光经过透镜时，光会在折射面和反射面上改变方向。根据折射定律，我们可以画出光的路径。问题是，光为什么会折射呢？
根据费马最小光程定律，不同的煤质中光的传播速度不同，光线的传播路径应是使光尽快地传到终点。光的路径如有很小的偏差，所需时间就会延迟。根据光的波动理论，空间介质密度越高，光速越慢，空间介质密度越低，光速越快。以地球大气层为例，越接近地面大气密度越高，距离地面越远（越高）大气密度越低。
因此，薛定谔认为：当光从太空进入大气层越深，空气的密度越大，光的传播速度的越慢。虽然在传播速度上差异很小，但是根据费马原理，光线应向地面弯曲。这样，虽然在光速大的较高的大气层中路径较长，但也要比原比沿着较直线路径的光更早的到达终点。诸位一定看见过太阳落到地平线时不是圆的而是扁的，看起来垂直方向的直径好像缩短了，这正是光线弯曲的结果……根据光的波动理论，严格地说，光线只是虚构的意义，光线不是某些粒子的物理路径，而是一种数学图形，即所谓波阵面的正交轨迹，也就是想象的有指向的线。有向线垂直于波阵面，指向波的前进的方向。
薛定谔用一队正在前进的士兵来描述光的路径偏折原理。如果队伍中的人的步子不一样，右边人的步子小，左边人的步子大，那么队形将出现右倾，即光的传播路径向右偏折。薛定鄂认为：只有从波动理论的观点出发，才能正确理解费马原理，才不会感觉费马原理深不可测……从波动的观点看，把所谓的光线弯曲理解成波阵面偏斜更容易一些，因为当波阵面的相邻部分以不同的速度前进时，显然就会出现这种光线弯曲的情况。
综上所述，空间弯曲的原理非常简单，就是空间介质密度的不均匀造成了不同传播路径上的光的速度不同，形成折射现象。我们知道，经典光学可以自洽地解释海市蜃楼、幻日、佛光等等大气现象，这些都是空气密度不均匀引起的大气透镜现象，原理非常简单，这是非常简单的科学常识。问题是，广义相对论的时空弯曲理论能够自洽解释这些自然现象吗？
什么是测不准原理?
海森堡测不准原理宣称，如果人们开始准确地了解到基本粒子动量的变化（通常指粒子速度的变化），那么他就开始丧失对该粒子位置变化的认识。另一种使用相对性的陈述为测不准原理提供了另一版本：如果人们准确地了解到基本粒子的能量，他就无法同时准确知道（即测量）它实际上是在何时拥有这一能量的。其间是某种得之于此而失之于彼的关系。
光和时空的关系
光应该是时空的缔造者吧薛定谔的测不准原理是什么?
测不准原理是海森堡提出来的额，不是薛定谔现在一般翻译成不确定性原理可也看看这个baike.baidu/subview/24947/24947.htm空间和时间的时、空、质之间的基本关系
第1点 内涵关系时、空、质在内涵上是既各自独立又相互联系着的三个绝对概念。时间公理、空间点分理、质量总体分理表达了它们的各自独立性，而空时关系分理和质空关系分理则表达了它们的相互联系性。空时关系分理和质空关系分理表明U=U(T)和M=M(U)，即空间所经历者为时间和质量所充满者为空间，就是说：“时空随质度”。质量是三要素中的原生要素，没有质量就没有空间，没有空间就没有时间，如果采用老子道德经的诗化描述，则有：原生质，质生空，空生时，时生万物。第2点 测量关系时空质的外延部份涉及到其数值测度问题，其测度数值都是相对于参照系的，而且都只能够是近似值。测度时空质的数值是科学上要具体解决的问题。在爱恩斯坦以前是在虚拟静止参照系下分别测度的，具体了它们的各自独立性；爱恩斯坦增加了在实际运动参照系下的共尺测度方法，具体了它们的相互联系性。时空质的依存关系确立了事物的演化秩序。如果在测度上以绝对常量光速c为共尺，此秩序可由以下爱因斯坦狭义相对论公式具量表达：T=γ(t-vr/c^2)，动时间T，静时间t， 相对运动下钟变慢；R=γ(r-vt)， 动距离R，静距离r， 相对运动下尺变短；M=γm， 动质量M，静质量m，相对运动下质变大。其中γ=1/√(1-v^2/c^2)用绝对常量去测度各种变量以求取变量间的函数关系，是人类的小智慧；而用无限长的时空质尺子去测度“历时有尽”的事件和“占空有界”的物件以创造万事万物，则是宇宙的大智慧。人类若能够从中有所领悟，必能够走出“相对”的迷宫，步入“绝对”的圣境！宇宙三公理在《宇宙哲学》中，人类的所有概念都可以由下述三条公理直接定义或演绎定义。 表O、宇宙三公理 公理 分理一 分理二 时间T 无尽：t∈(-∞,+∞) 永前：△t>0 空间U 无界：r∈[0,+∞) 永在：r=ct 质量M 无限：m∈(0,+∞) 永在：dρ_η≠dρ_0 一、时间公理：时间无尽永前。表达式：T={t∈(-∞,+ ∞)}∩{△t>0}。时间公理分为时刻分理和时段分理两部份。1、时刻分理：t∈(-∞,+ ∞)为“无尽”，指“时间没有起始和终结”。时刻无限多、刻刻不同是时间本性之一。t为时刻，其测量数值为实数。2、时段分理：△t>0为“永前”，指“时间的增量总是正数”。时段单向延续是时间本性之二。△t为时段，其测量数值为大于0的实数。二、空间公理：空间无界永在。表达式：U={r∈[0,+ ∞)}∩{r=ct}。空间公理分为点分理与空时关系分理两部份。1、点分理：r∈[0,+ ∞)为“无界”，指“空间里任一点都居中”。点数无限多、点点不同又点点平权是空间本性。这里点P=(r,θ,φ )[球坐标]，r为P点到球坐标系原点的距离，其测量数值为非负实数，θ∈[0,π]，φ∈[0,2π]。2、空时关系分理：r=ct为“永在”，指“空间永现于当前时刻”。任何空间点都必然出现在当前时刻是空间与时间的基本关系。这里c为光速常量。因为根据狭义相对论中的四维时空概念，时空间隔ct－r=0是不变量，即时间和空间之间没有间隔，所以r=ct表示P点是光即时到达之点，也就是表示“空间永现于当前时刻”。三、质量公理：质量无限永有。表达式：M={m∈( 0,+ ∞)}∩{(dρ)_η≠(dρ)_0}。质量公理分为总体分理和质空关系分理两部份。1、总体分理：m∈(0,+ ∞)为“无限”，指“宇宙的总质量无限大”。总质量无限大是质量本性。这里m为静质量。2、质空关系分理：(dρ)_η≠(dρ)_0为“永有”，指“永不均匀地布满空间”。“宇宙空间内的任何部份都充满着质量，不存在不含质量的纯空，但各点的微密度都不相同”，这是质量与空间的基本关系。(dρ)_0为任意指定一空间点的密度，(dρ)_η为其他的任意空间点的密度，(dρ)_η≠(dρ)_0表示每点的微密度都不相等，就是说“质布空间永不均”。这里密度ρ=m/u，微密度dρ=dm/du，其中dm 为无穷小的质元；du为无穷小的空元，其中u为域积，包括点、线、面、体之积；η为正整数。 “质布空间永不均”在量子力学上表达为“测不准原理”注1。著名的布朗运动就是由“质布空间永不均”造成的注2。为了便于牢记，以诗表之：《宇宙三公理》增量恒为正，时间没始终。空间存现在，点点可居中。质量无穷大，不均布满空。时空随质度，生灭理相同。时间、空间、质量的定义时间、空间、质量合称宇宙三要素，分别简称时、空、质。 宇宙三要素定义式 概念 内涵 外延，n为正整数 推论 时间 T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0} T=∑(t∪→△t)_n=∑t_n∪∑→△t_n t=∫dt 空间 U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct} U=∑(→r∪u)_n=∑→r_n∪∑u_n u=∫du 质量 M={m∈(0,+∞)}∩{(dρ)_η≠(dρ)_0} M=∑m_n=∑(ρu)_n m=∫dm 这三要素的定义概括了所有人类学科关于时间、空间、质量定义的内涵和外延。时、空、质定义中的内涵分别就是时间公理、空间公理、质量公理，外延则由各自内涵的本性分理分别演绎推导得出：因为“三无”，所以时空质的每部份都有限可测，但部份数却都可以无限多。内涵表达了时空质之尺都是无限长的，外延分别表达了时间可以任分时刻以分段并测量各段长、空间可以任分区域并测量各区域大小、质量可以任分部分并测量每部份数值的多少。根据时空质的定义可以推导出时空质分别由其素元所积成。第1点 时间内涵T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0}；外延T=∑(t∪→△t)_n=∑t_n∪∑→△t_n。即内涵是无尽永前；外延是各时刻顺序或各有限时段长短的测量数值。(t∪→△t)_n表示时间的任一有限部份，即每部分都是有限的但部份数却可以无限多。式中的t_n表示第n时刻值，△t_n表示第n时段的长度值。→△t_n表示第n时段，其中→△t=△t→l=(t1－t)→l，其中→l是单位向量，表示时刻只有增加的方向，即表示时段的唯一方向，又其中t1是后时刻或现在时刻值，t是前时刻或过去时刻值。甲、时间外延的演绎推导：A、∵t∈(-∞,+∞)[时刻无限多、刻刻不同]∴t_n∈(-∞,+ ∞)[t_n表示可以任意选定坐标系并任意选取n多个时刻值以比较其先后顺序]。B、∵t∈(-∞,+∞)∩△t>0[时刻无限多、刻刻不同且时段单向延续]∴△t_n>0，即存在→△t_n [→△t_n表示可以任意选取n多个段长有限的单向时段以比较其长短]。内涵表达了时间之尺是无尽永前的，外延表达了时间可以任意分刻测位或分段测长。乙、时间推论的演绎推导：时间由时元积成：t=∫dt。其中时元dt=t1－t→0，dt的前时刻t为dt的极限值。证明：∵△t>0[任选时段都大于0]∴△t=t1－t→0=dt[△t可以无穷小]，∴t=∫dt。因为时间的上述特性，所以我们才能够用不同的单位来测量时刻和时段的值。如物理学在国际单位制（SI）中，把测量时间的基本单位秒(s)定义为：铯-133的原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间；在天文学上的历书时中又把秒(s)定义为：1900年1月0日12时正回归年长度的1/31﹐556﹐925.9747；在生活中又常用毫秒ms、分min、小时h、日（天）d等等时间单位。因为时间的上述特性，所以我们研究宇宙各部份变化规律的所有学问才可能产生。因为时间的上述特性，所以在宇宙中万事万物才可能产生、变化和消亡！第2点 空间内涵U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct}；外延U=∑(→r∪u)_n=∑→r_n∪∑u_n即内涵是无界永在，外延是各有限部份空间相对位置或大小的测量数值。(→r∪u)_n表示空间的任一有限部份，即每部份都是有限的但部份数却可以无限多。式中的r_n表示第n个点的坐标值，u_n表示第n个有限点群大小的域积。甲、空间外延的演绎推导：A、∵r∈[0,+∞)[点数无限多、点点不同又点点平权]∴r_n≥0[[r_n表示可以任意选定坐标系并选取n多个点位数值以比较其位置的相对方位]。B、∵r_n≥0[可以任意选点] ∴u_n>0[u_n表示互相联结着的点可以合而为一有限的点群区域，并且可以任意选取n多个点群以比较其大小]内涵表达了空间之尺是无界永在的，外延表达了空间可以任意划分区域并测度各区域大小。乙、空间推论的演绎推导：空间由空元积成：u=∫du。证明：∵u_n>0 [任选区域都可以无穷小] 即存在空元du，∴u=∫du。因为空间的上述特性，所以我们才能够用不同的单位来测量空点相对位置和空域具体大小的值。如物理学上把测量长度的基本单位米(m)定义为：光在真空中行进1/299 792 458秒的距离，而常用的单位还有千米（km），分米（dm），厘米（cm），毫米（mm）微米（μm）纳米（nm）等等。又如中国的里、丈，英国的英寸、码，航空航海上的海里、节等等。在计算面积、体积时也一样可以使用不同的单位。因为空间的上述特性，所以我们才能够把空间分解为不同的部份并研究它们之间的关系，产生了几何学、代数学和逻辑学。这一点在下面第三篇有关几何学、代数学和逻辑学的章节中有具体的论述。第3点 质量内涵M={m∈(0,+∞)}∩{dρ_η≠dρ_0}；外延M=∑m_n=∑(ρu)_n即内涵是无限永有，外延是各有限部份空间内填充内容多少的测量数值。m_n表示质量的第n有限部份的静质量值，即每部份的静质量都是有限的但部份数却可以无限多。甲、质量外延的演绎推导：∵m∈(0,+∞)[总质量无限大]∴m_n>0 [m_n表示可以任意选取n多个有限部份以比较其多少]。内涵表达了质量之尺是无限永有的，外延表达了质量可以任意分部并测度各部份数值的多少。乙、质量推论的演绎推导：质量由质元积成：m=∫dm证明：∵m_n>0 [任选部份都可以无穷小] 即存在质元dm，∴m=∫dm。因为质量的上述特性，所以我们才能够用不同的单位来测量具体物体所含质量多少的值。如物理学在国际单位制中的基本单位千克( Kg):纯水在4℃时的质量、中国的斤、英国的磅等等。因为质量的上述特性，所以我们才能够通过化学研究找到分子和原子，才能够通过粒子物理学的研究找到质子、中子、电子、夸克等微观粒子。这一点在下面第三篇关于化学、粒子物理学的章节中有具体的论述。因为质量永不均匀地布满空间，分布状态在随时地变动着，所以质量在改变空间的分布状态时便产生了物理学上称之为惯性或万有引力的可测量现象。这一点在下面第三篇关于牛顿力学和量子力学的章节中有具体的论述。从上述三素各自的推论可知：时元值dt、空元值du、质元值dm都是无穷小变量,所以我们对时间（时刻、时段）、空间（点位置、距离、面积、体积）、质量（静质量、动质量）等的具体测量数值都只能够是近似值，这一点已经为量子力学上的“测不准原理所体验、测得。 宇宙三要素定义简表 概念 内涵1 内涵2 外延 时间 时间没有起始和终结 时间的增量总是正数 各时刻顺序或各有限时段的长短的测量数值 空间 空间里任一点都居中 空间永现于当前时刻 各有限部份空间相对位置或大小的测量数值 质量 宇宙的总质量无限大 永不均匀地布满空间 各有限部份空间内填充内容多少的测量数值
时空漩涡的实验原理
科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道，使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下，这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的，那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测，科学家们能了解时空弯曲的相关信息。这说起来似乎很简单，但真正做起来却非常艰难。首先，制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上，这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球，由熔凝石英和硅材料制成，其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的，因为如果不是这样做，那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。根据爱因斯坦理论进行的估算显示，地球周围空间的时空扭曲将导致陀螺仪旋转轴出现每年0.041弧秒的改变。1弧秒等于1/3600度。为了测出这样微小的改变量，GP-B探测器必须具备0.0005弧秒的精度。这就相当于让你测量放在100英里（约合161公里）之外的一张纸的厚度。对此，威尔说：“GP-B探测器项目的工程师们不得不发明一整套全新的技术来满足这种不可思议的要求。” 举几个例子，工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术，它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后，他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度，但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。即便克服了制造和设计上的技术困难，进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战，但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析，GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。艾福瑞特说：“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017，惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。” 测地线效应是指由于地球的静止质量引起的陀螺旋转轴改变，也即时空的凹陷。而惯性系拖曳效应则是由于地球自转导致的陀螺旋转轴改变，也即时空的扭曲。测量得到的这两组数据都和爱因斯坦理论的预测非常吻合。
