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三维螺旋时空 作者 张祥前 民间独立学者，生活困难，希望社会资助和关注
物理学主要研究的是物质世界的运动规律。 运动主要是指物体在空间中的运动，为了描述物体在空间中运动程度，我们需要把物体在空间中的位移和时间来比较。 物理学中时间、空间【简称时空】是最基础、最主要的概念，搞清楚时空的本质，意义重大。 牛顿力学认为空间就是空空如也，空间只是容纳物体的，与物体是不相干的，对于时间，牛顿认为“绝对的、真实的数学时间就其本质而论是自行均匀地流逝的，与任何外界的事物无关的。” 牛顿力学认为时间可以为描述运动提供参考，物体的运动不影响时间、空间的测量。 但是相对论认为物体相对于我们观察者的运动会影响到我们对空间和时间的测量。 代表牛顿力学的时空观是伽利略变换，而代表相对论时空观的是洛伦兹变换。 相对论认为空间三维，加上一维时间，相对论称为四维时空。 统一场论【百度 张祥前新浪博客 可以搜到】认为宇宙中任何物体周围空间都以柱状螺旋式在运动，并且呈辐射式，正电荷周围空间发散运动，负电荷周围空间收敛运动。 我们知道柱状螺旋式运动是旋转运动加上旋转平面垂直方向的直线运动，统一场论中认为空间直线运动是光速，而时间是空间本身以光速直线运动形成的，三维空间中任意一维空间只要以光速运动就可以看成时间。 相应的统一场论给出了三维螺旋时空方程。 我们知道，沿空间中任意一点最多可以作三条相互垂直的有向线段，一般称之为三维空间。 一维空间决定了质点以直线运动，二维空间决定了质点以圆或者曲线运动，三维空间决定了质点以柱状螺旋式运动。 或者说质点直线运动产生了一维空间，质点曲线运动产生二维空间，质点柱状螺旋式运动产生了三维空间。这两钟看法是我们人对同一个现象从不同角度理解而出现的。 三维空间就是因为质点和空间本身以柱状螺旋式运动的原因。 我们所生活的空间是以右手螺旋式方式在运动，也就是右手大拇指向空间的直线运动方向，右手四指头环绕方向就是空间的环绕运动方向，至于宇宙中有没有左手螺旋式空间，还有待理论和实验探讨。。 统一场论基本原理认为：宇宙由物体和空间组成，空间和物体是构成宇宙大厦的砖瓦。 而一切物理概念都是我们观察者对物体在空间中运动或者空间本身运动的描述。 很多物理概念首先来自于质点在空间中运动给我们人的一种感觉。 时间也可以认为某某东西在空间中运动给我们人的一种感觉。什么东西在空间中运动给了我们时间的感觉？ 我们把一个人用宇宙飞船送到几百亿亿亿光年远的一个空间区域里，把这个人丢下来后，飞船立即飞回来。这个空间区域里别的星球离得都非常非常的遥远，可以设想，这个人仍然有时间的感觉？是什么质点运动使这个人有了时间的感觉？这个情况下，仅有这个人的身体而已。正确合理的看法是： 时间是我们观测者对自己身体在空间中运动的一种感受。 统一场论认为，宇宙中任何物体【包括观察者的身体】静止时候，周围空间都以光速度C向四周辐射式运动。因而可以认为时间与观测者自己在空间中以光速直线移动的路程成正比。 借助几何点【为了描述空间本身的运动，我们把空间分割成许多小块，每一个小块叫空间几何点】的概念，可以认为： 时间是我们观测者周围空间以光速辐射式的运动给我们人的感觉，与我们观察者周围空间几何点以光速走过的路程成正比。 有人认为，在没有人类之前的宇宙照样有时间，所以时间是人的感觉的观点是错误的。其实“没有人类之前”这句话是一个病句，没有了人哪来的没有人类之前。没有我们人哪来的前后，上下左右，东西南北？ “时间”恰恰是人对自己身体周围空间的运动的描述而产生出来的一个物理概念。 太阳、月球、地球、银河系、电子、中子、质子----宇宙中所有的质点，包括空间本身都是以螺旋式在运动，螺旋运动规律是自然界最基本的规律之一。 统一场论认为空间本身也是以柱状螺旋式在运动，下面我们来介绍统一场论中的三维螺旋时空方程。 设想在某处空间区域里存在着一个质点o点，相对于我们观测者静止，我们以o点为原点，建立一个三维直角坐标系x,y,z,o点周围空间中任意一个几何点p在时刻t'从o点出发，经过一段时间t后，在t”时刻到达p点所在的位置x,y,z，也就是p点在t”时刻的空间坐标为x，y，z是时间t的函数，随时间而变化，由o点指向p点的失径为R 。 R(t) =(x,y,z,t) 统一场论认为时间与几何点以光速度C【统一场论认为光速可以为矢量，用大写字母C（数量为c ）表示，光速作为矢量方向可以变化】运动走过的路程成正比，因此有下式： R(t) = Ct = x i+ y j + z k i,j,k分别是沿x轴、y轴、z轴的单位矢量。 将上式两边平方，结果为： r² = c²t²= x²+ y² + z² r是矢量R的数量。以上方程在相对论中也出现过，相对论中被认为是四维时空距离，真实情况是时间的本质就是以光速运动的空间。三维空间其中任意的一维，只要以光速相对于我们观测者运动，我们就可以把这维空间叫做时间，相对论显然没有认识到这一点，这个明显是相对论的缺陷。 统一场论认为p点真实走过的轨迹是柱状螺旋式。只是在o点相对于我们观测者静止情况下，周围空间的运动是均匀的，许多类似p点的几何点旋转运动累加起来，由于相互抵消而为零。这个如同稳定磁场的散度为零。 但是，如果我们只考虑一个单一几何点p点的运动，其螺旋式应该在方程中体现出来，时间是几何点沿z轴运动产生的，也就是认为时间轴在z轴上，其数学表达式应该为【几何点p在0时刻从o点出发的情况下】： x = h cosωt y = h sinωt z = c t 以上的三维螺旋时空方程也可以用以下矢量方程表示， R= h cosωt i+ hsinωt j + ct k 式中h是o点到p点的矢径R在xoy平面上的投影长度，ω是p点绕o点沿xoy平面旋转运动的角速度，c是常数光速。由于o点相对于我们观察者是静止的，它周围空间的运动应该是均匀的，而且没有哪一个方向是特殊的，因而ω、h应该是常数。 如果认为时间轴在x轴上，R在zoy平面上的投影长度仍然是h，其数学表达式应该为： x = c t y = h sinωt z = h cosωt 如果就是认为时间轴在y轴上，R在zox平面上的投影长度仍然是h，其数学表达式应该为： y = c t x = h sinωt z = h cosωt 以上可以叫三维螺旋时空方程，统一场论认为，宇宙的一切奥妙都是以上方程决定的，大到银河系、星球，小到电子、质子、中子的运动，以及物体为什么有质量、为什么有电荷，一直到人的思维等等······，都与这个方程有关。
对于以上的三维螺旋时空方程，我们需要注意以下几点： 1， o点周围有无穷多个几何点，p点只是其中一个。 2，式R = h cosωti+ h sinωt j + ct k中，当h = O时候，R = ct k 不表示o点周围只有一条R = ct k这样的矢量，而是有许多条类似这样的矢量呈辐射式均匀的分布在o点周围，坐标轴只是我们描述空间的一种数学工具，不会影响运动空间的分布。 3，空间的柱状螺旋式运动是直线运动和旋转运动两种基本形式的叠加。也可以认为直线运动是以上提到的柱状螺旋式运动中h = O的一种特例。我们还要意识到o点周围有多少几何点辐射式的以光速离开o点运动，就有多少几何点围绕o点旋转运动。 在场论中，散度描述了空间的直线运动形式，旋度描述了空间的旋转运动形式。 4，由于一个几何点和另外一个几何点绝对的没有区别，许多几何点沿一条直线相继的旋转运动，可以认为产生了波动形式，波动的速度就是光速，而且波动的传播方向和旋转平面相垂直，很显然是横波。 我们知道，柱状螺旋式运动和波动(这里指横波)有很大的区别，但是，对于空间这种特殊的物质形式两种运动形式却可以相互并存，因为两个空间几何点之间绝对的没有区别。 5，将以上的式R = h cosωti + h sinωt j + ct k 对时间t求导，似乎出现了超光速，我们要明白，以上的质点o点相对于我们观察者静止的情况下，周围空间几何点的旋转运动由于相互抵消而消失，所以，式中的 h cosωti+ h sinωt j 实际结果等于零，只有单独考察一个几何点运动情况下不为零，但这个不是真实的。这个情况如同稳定磁场的散度为零。 6，以上的“时间的本质和物理定义”中给时间下的物理定义是：时间只是我们人对自身在空间位置中变动的一种感受。结合以上的三维螺旋时空方程，可以认为时间是空间相对于我们观察者以光速直线运动形成的。 借助几何点的概念，可以认为：时间是几何点相对于观察者以光速直线运动形成的，进一步推理有： 时间与观察者周围某一个几何点以光速直线走过的路程成正比。
人们一提到光速不由自主的就想到了发光，实际上光速比发光现象更能够反映自然界的本质规律。统一场论中，认定光速反映了时空同一性，即空间是基本的，空间的运动形成了时间，时间和空间是同一个本源，是光速把二者联系起来。 认定光速是一个常量，意味着空间延长、时间相应的延长，空间缩短时间相应缩短，这就是时空同一性。以上的方程 R(t) = Ct = x i+ y j + z k 就是时空同一化方程， 原子中的电子生活在小空间范围内，运动速度极快，运动周期极短。而太阳系内，行星在大范围空间里运动，速度小，周期长，这一切的背后都是时空同一性造成的。 统一场论的时空同一性和相对论的时空相对性表面上看是矛盾的，但本质是一致的，时空同一性是基本的，从时空同一性可以导出时空相对性，下一章我们将给出推导过程。 光速能不能看成矢量，相对论中没有深入讨论，按照相对论，光速与光源的运动速度无关，与观测者的选择无关，与时间无关，与空间位置无关，纯粹一个常数。所以，相对论倾向认为光速不能够看成矢量，换句话，在相对论中讨论光速的矢量性是没有意义的。 统一场论提出了与之不同的观点，认为光速在某些情况下可以表现为矢量，其方向和光源的运动速度有函数关系。 统一场论为了区分，把矢量光速叫光速度，用大写C表示，C大小不变，但是方向可以变化。光速速率叫光速率，用小写字母c表示，c不变。沿直角坐标x轴或者y轴或者z轴的光速度叫光速，也可以变化。 光速作为矢量，其方向是可以变化的。变化的原因恰恰是因为光速不变。 设想以上的质点o点，相对于我们观察者静止，两个几何点px和py在0时刻，分别沿x轴和y轴以光速c远动。 现在令o点沿x轴以速度V运动，按照相对论光速不变的看法，在我们观察者看来，几何点px仍然以光速c沿x轴运动，但是，几何点py沿y轴的光速在我们看来发生变化，变成了√（c ²- v ²），v是V的标量。 这样几何点py在我们看来，总的速度为： √【{√（c ²- v ²）} ² + v ²】 = c 可见几何点py在质点o运动时候沿y轴光速度的变化是光速不变决定的。 对于光速，我们要区分几何点相对于光源【或者质点】的速度和相对于我们观察者的速度。这里有3个速度， 1，质点o相对于我们观察者的速度是V。 2，在我们观察者看来，几何点相对于质点o的速度，沿y轴为√（c ²- v²），沿x轴为c - v. 在我们观察者看来，几何点相对于质点o的速度无论是沿x轴还是沿y轴都可以写为矢量式C - V。 3，几何点相对于我们观察者的速度，沿y轴为√（c ²- v ²），和速度V合成后，总的速度为√【{√（c ²- v ²）}²+ v ²】 = c 几何点沿x轴为c – v + v = c 统一场论认为，光速度和光速率都遵守相对论的速度变换法则。统一场论对光速的看法，本质上不是和相对论相矛盾的，应该是相对论对光速的认识不够全面。 统一场论认为，光速度作为矢量是可以变化的，光源的运动速度V可以引起V垂直方向的光速度的变化。光速度C在V上的投影等于V，这样光速度C和和光源速度V以及它们之间的夹角a满足以下函数关系： cos a = v /c 由上式可以导出sin a = √（1- v ²/ C ²），这个实际上是相对论因子产生的原因。 总结统一场论对光速的看法，宇宙任何物体周围空间都以光速度C辐射式的运动，光是静止于空间中被空间这种运动带着向外跑的。 一旦光源相对于我们观测者以速度V运动时候，会引起与V垂直方向的光速度方向发生变化，光速度方向的变化不应局限于与V方向垂直的光线，与V夹角不为0、不为180°的光线，其速度方向均应改变。） 并且矢量 C - V和C、V满足直角三角形的关系，光速度C是斜边，V 和C- V 相互垂直。 下面我们对光速不变做出解释。 设想观察者甲静止于一列火车上，火车相对于轨道旁的观察者乙以速度V 【V大于0，本文大写字母为矢量，下同】在运动。甲打开一个手电筒，发出一束光，沿火车前进方向，并且测量出这束光速度C【本文认为光速可以为矢量】是每秒30万公里，按照经典力学中的伽利略变换，乙肯定的认为这束光速度是C+V，但是，实验发现这束光仍然是每秒30万公里。 光速为什么不变，经典力学无法解释。相对论中的洛伦茨变换给出的解释是，光速C = R/ t在数学上作为一个分式，光速的分子----空间位移R和光速中的分母-----时间t都随光源的速度V而变化，光速的分子----空间位移R【和V方向一致的时候】随速度减少了，而时间t随速度增大，这样恰巧抵消了光速C和V合成后速度的增加部分。 伽利略变换认为，观察者对时间和空间的测量与观察者是否运动无关，而洛伦茨变换认为，观察者对时间和空间的测量与观察者的是否运动是有关系的，因而，相对论认为时间和空间是相对的，不同的观察者对同一个事情的时间、空间测量可能有着不同的结果。 时间的本质是什么？相对论没有告诉我们，只是告诉我们时间的测量与观察者的运动有关，如果我们这样认为：时间就是观察者本身的运动造成的，则可以使我们认识到时间的本质，还可以进一步的解释光速不变。 现在我们提出一个假设： 宇宙中任何一个物体【包括我们人的身体】在相对于我们观察者静止的时候，周围空间都以光速C辐射式的运动，空间这种运动给我们观察者的感觉就是时间。 以上假设可以认为是时间的物理定义。由这个假设我们可以推理出时空同一化方程。 为了描述空间本身的运动，我们可以把空间分割成许多小块，每一小块叫空间几何点，简称几何点，通过描述几何点的运动就可以描述空间本身的运动。 借助几何点的概念，我们可以认为：时间与我们观察者周围空间几何点以光速走过的路程成正比。 为了建立时空同一化方程，设想在某处空间区域里存在着一个质点o点，相对于我们观测者静止【这样o点和观察者可以看成一个物体】，我们以观察者所在的o点为原点，建立一个三维直角坐标系x,y,z，o点周围空间中任意一个几何点p在时刻t'= 0从o点出发，经过一段时间t后，在t”时刻到达p点所在的位置x,y,z，也就是p点在t”时刻的空间坐标为x,y,z是时间t的函数，随时间变化，由o点指向p点的失径为R 。 R(t) =(x,y,z,t) 前面认为时间与几何点以光速度C运动走过的路程成正比，因此有下式： R(t) = Ct = x i+ y j + z k i ，j ，k 分别是沿x轴、y轴、z轴的单位矢量。以上就是时空同一化方程，这个时空同一化方程是基本的，从这方程出发可以导出时空相对性方程。 将上式两边平方，结果为： r² = c²t² = x²+ y² + z² r是矢量R的数量，c标量光速。以上方程在相对论中也出现过，相对论中被认为是四维时空距离，以上方程实际上也反映了时间、空间本质是相同的，时间的本质就是空间本身的运动。 我们还可以用逻辑来证明时间的物理定义。 我们把一个人用宇宙飞船送到几百亿亿亿光年远的一个空间区域里，把这个人丢下来后，飞船立即飞回来。这个空间区域里别的星球离得都非常非常的遥远，可以设想，这个人仍然有时间的感觉？是什么质点运动使这个人有了时间的感觉？这个情况下，仅有这个人的身体而已。正确合理的看法是： 时间是我们观测者对自己身体在空间中运动的一种感受。 有人认为，在没有人类之前的宇宙照样有时间，所以时间是人的感觉的观点是错误的。其实“没有人类之前”这句话是一个病句，没有了人哪来的没有人类之前。没有我们人哪来的前后，上下左右，东西南北？ 明确了时间的物理定义我们可以从时空同一化方程进一步解释光速不变。 以上分析指出，时间的量与光速运动空间的位移量成正比。光速C = R/ t在数学上是一个分式，光速中的分子----空间位移R和光速中的分母-----时间t是一个东西，是我们人为的把一个东西叫成两个名字。比如，张飞，又名张翼德，虽然是两个名字，但是，指的是同一个人。 所以，光速的分子------空间位移R如果有什么变动，光速的分母------时间t一定会同步变化，这样光速的数值始终不变，这个就是光速不变的原因。 比如说，我们看到了张飞胖了，体重增加了5斤，我们马上就可以断定张翼德体重肯定的增加5斤，因为两个名字指的是同一个人。 张飞和张翼德的体重在增加，但是，张飞的体重和张翼德的体重的比值始终不变。 当光源相对于我们以速度v运动的时候，引起了光速的分子----空间位移R的变化，光速的分母------时间t一定会同步变化。因为光速的分子---空间位移R和光速的分母---时间t本质上是同一个东西，是我们人叫成两个名字，如同张飞和张翼德。 从以上可以推理出，光源相对于我们观察者无论是匀速还是加速运动，光速始终不变。这个表明广义相对论基本正确。 而对于物体发光，可以认为光源周围空间以光速运动，光子是静止于空间中，被空间本身的运动带着向外跑的。
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