Page 18 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

论时空观有必要进一步拓展，因为按照唯物辩证法的观点，时空是物质的固有属性，以此为
标准，相对论时空观仍然是有缺陷的。虽然相对论时空观把时空与物质运动相联系，纠正了
牛顿的绝对时空观把时空与物质相割裂的缺点，但是，这种联系是一种不彻底的联系，在相
对论中，时空仍然是作为独立的要素存在于物质之外的，只不过将时空的性质与物质运动挂
上了钩，在狭义相对论中，时空与光速 c 紧密相联，在广义相对论中，时空几何与物质能量
（质量）动量相联系，这种相对论时空仍然只是物质运动的“舞台”或“背景”， 并非物质
的固有属性，这实质上与牛顿时空并无本质区别。新理论应该达成时空与物质及其运动更紧
密的结合，力求将“时空是运动着的物质的存在形式”这一哲学论断变成物理结论。第三，
迄今为止，相对论和量子力学还缺乏共同的物理基础，并且在理论的深层次上它们是相互矛
盾的。相对论否定了牛顿的绝对时空观，但并没有否定经典物理学的因果决定论，从这种意
义上来说，相对论仍然是经典理论。在相对论中，粒子的运动有确定的轨道，粒子的位置和
动量可以同时具有确定值，这和量子力学的不确定关系相悖。量子力学的哥本哈根诠释暗示
没有因果性，而随机性是物质世界的基石。另外，广义相对论的时空弯曲理论所设想的时空
的几何形式是光滑平顺的，这与量子力学蕴含的时空中的量子涨落行为是不相容的。因此，
新理论应该成为相对论和量子力学共同的物理基础，从而使两个理论获得逻辑一致的物理解
释。
如何构筑这样一种新理论呢？我们认为，可以在已有经验材料的基础上，通过建立新的
物质结构及运动模型，寻求对相对论和量子力学统一的物理解释。现代物理学一百多年的实
践，已经积累了丰富的经验材料，特别是粒子物理学和天体物理学的发展，产生了描述微观
粒子运动的“标准模型”和描述宇观物质运动的“标准宇宙模型”，这为我们更深入地研究
物质运动的基本形式，建立统一的物质运动模型奠定了基础。
现代物理学有两个非常重要的自然常数，一个是与相对论相联系的真空中的光速 c，具
有速度量纲，是一个运动学常数；另一个是与量子力学相联系的普朗克常数 h，具有作用量
量纲，是一个动力学常数。这两个自然常数在现代物理学中起着枢纽作用，具有对物质运动
和物质存在形式給予某种限制的极限意义。描绘物质运动的相对论效应如洛仑兹变换、长度
收缩、时间膨胀、质速关系等运动学特征均与 c 相关联；而描绘物质及其运动的量子化效应
的各种力学量（能量、动量、角动量等）之最小基元均与 h 相关联。下面我们首先考察运动
学常数 c，而将动力学常数 h 留在其它章节讨论。
关于真空中的光速 c 有两点基本共识，一是它的不变性，二是它的极限性。光速不变是
狭义相对论的两个基本假设之一，是由联立求解麦克斯韦方程组得到的，并为迈克尔孙-莫
雷实验所证实，就是说光在真空中的传播速度为常数，不随光源和观察者所在的参考系的相
对速度而改变。目前国际推荐值 c = 299792458 米/秒，它也可以由下面的公式推算出来
1
c  （1.16）
 0  0

其中ε0 是真空介电常数，μ0 是真空磁导率，这两个常数均与参考系无关，所以光速 c 与参考
系的选择无关。
光速极限最初是爱因斯坦在狭义相对论中提出的一个猜想，即光速是宇宙中的极限速
度，任何物体或信息的传播速度都不可能超过光速，后来所有实验观测结果都支持这一猜想。
尽管许多人对此仍持怀疑态度，但迄今为止，还没有发现任何超光速的运动，光速的确是目
前已知的物质运动的最大速度。根据相对论质速关系（1.5）式，物体的质量 m 将随物体运
动速度υ的增大而增大，当υ接近光速 c 时，它的质量将趋于无限大。所以，有静止质量的物
体的运动速度要达到光速是不可能的，而静止质量为零的粒子（光子、引力子等）则始终以
光速运动。按照相对论速度合成法则，光速与任何参考系的速度叠加，得到的仍然是光速。

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