一个电子具有电荷和磁矩 、也就是自旋的性质。当一个电子相对于我们静止时，我们不会测量到磁场的存在；而当这个电子相对我们运动时，就会有磁场产生。很明显是由于电子的磁矩和四维空间发生了某些相互作用：电子参考系的改变形成了磁场。在麦克斯韦方程组中，我们无法测得也没有含义的矢量 A 产生了我们可以测得的磁场矢量 B 。看起来 A 是一个在虚空间一直存在的、与自旋会产生相互作用的量，此时自旋在不同的参考系或在运动。A 可以理解为由于运动而产生的磁场的梯度，并不能被直接测量。这也是时空的一个特点。m07ednc
守恒量一般都以互补属性成对出现m07ednc
其中的一对互补性质是动量和位置。如果你以高精度测量其中的一个量，那么另一个量的测量会有更高的不确定性。海森堡的不确定性原理给出了这个定理的数学表达。官方的表达式分别于1927年和1928年被厄尔·黑塞·肯纳德（ Earle Hesse Kennard）和赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）提出，包含位置的均方差 σ(x) 和动量的均方差 σ(p) ：m07ednc
σ(x) × σ(p) ≥ ℏ/2m07ednc
ħ 由普朗克常量给出，数值为 h/(2π) 。m07ednc
由于所有量子物体都具有量子力学中的物质波的本质，不确定性原理是所有类波系统的本征性质。也就是说，不确定性原理所叙述的性质并不是当前的技术制约了测量手段而产生的，而是量子系统的一个基本性质。需要注意的是，前面所叙述的“测量”不仅仅是一个“物理学家观测”的过程。它指代了观测者（工具）及其他任意发生在经典和量子物体之间的相互作用。一个粒子实际上是一个波，它的位置不能比波长还要小，而波长由动量 p 决定。m07ednc
交叠波函数和它的傅里叶变换可以通过不确定性原理进行归一化：将两者视为在辛形式下时频域中的共轭变量，利用线性正则变换，在时频域中，其傅里叶变换旋转了 90° 从而保持了辛形式。这是物质波的一个必要结果。物质的波属性是时空的基本特点之一。m07ednc
能量守恒m07ednc
能量守恒是量子力学的基本性质。它与互补属性位置-动量性质完全一致，区别只是它们用不同的方式描述了相同的事情。互补变量可以通过下面的方式理解：关于能量 E 的函数 f(E) 越确定，那么其对于时间 t 的傅里叶变换 f̂ (t) （位置和动量）的展宽就会更宽（不精确），就像位置和动量一样。m07ednc
这产生了一个有关能量和时间令人惊奇的事实：两者的均方差可以用下式相互关联：m07ednc
σ(E) × σ(T) ≥ ℏ/2m07ednc
这个式子意味着：在没有多余能量的自由空间中，能量的平均值趋于零，表示能量波动的 σ(E) 无限趋于零，于是时间的不确定性 σ(T) 就趋于无穷大。换句话说，没有能量的时候，时间不稳定；时间的平均值一直在零和永恒之间波动。对于这种情况我理解为，时间没有方向也并不存在。m07ednc
同时也说明，对于反物质产生的负能量来说，时间的方向是向后的；物理学家以此来说明反物质与其他物质的相互作用。m07ednc
我们也可以推测，对于没有质量但具有能量的粒子，也应该有时间。对于一个光子的参考系来说，时间可能只有一个瞬间，它既不是物质，也不是反物质；定义时间的方向对光子来说是没有意义的。对胶子来说也是一样的。时间在我们的参考系中有方向，因为我们具有质量；但是在光子的参考系中没有。m07ednc
信息量守恒m07ednc
量子信息守恒也是量子系统的基本性质。所有亚原子粒子都是由量子信息组成的，和能量守恒量相等。m07ednc
动量守恒m07ednc
在之前的互补变量中已经有所讨论，但这并不会降低守恒量的重要性，这是能量守恒和时间-能量关系共同作用的结果。m07ednc
光量子化m07ednc
量子力学中的一个关键量，光子能量的量子化有时候会被错误描述。它是光电效应中重要的组成部分，涉及到光子和被量化的物质粒子之间的相互作用。但光子本身呢？这些在宇宙开始之初的105亿年前就存在的、相互间能量相差不大的粒子，如今能量差异巨大，这个现象和光子能量量子化明显矛盾。m07ednc
其实，我们只是理解错了一些物理定律而已。关键点在于光子被量化的是电磁波的振幅，而不是能量。时空的另一个性质在于其要求对一个光子受到的电磁场量子化。m07ednc
物质粒子量子化m07ednc
物质粒子（有质量的粒子）也可以通过其波函数的振幅量子化，但是由于这个波函数的频率随着时空的扩展不发生改变，在我们的参考系中是一个常数。这个粒子的波长由其在时空中的速度决定、能量由洛伦兹变换确定，对于其他参考系来说，我们参考系的相对速度决定了这个物质粒子的表观波长。时空的特征决定了这个机制的发生。m07ednc
1924年，路易斯-维克多·德布罗意构建了德布罗意假说，假说认为所有的物质都具有波的属性，其物质波长 λ 和动量 p 具有关系：λ=h/p ，这个关系通过联系光子的动量（ p = E/c ）和真空中的波长（ λ = hc/E ）将爱因斯坦方程标准化，其中 c 是真空中的光速。m07ednc
角动量守恒m07ednc
在物理学的经典构架中，角动量指物质粒子绕质心的旋转。这个量是守恒的，因此被用作物质粒子系统运动的各种计算；角动量守恒并不能说明时空的本质，只能作为时空本质的一个表现，下一个特殊的角动量守恒定律或许更具有教育意义。m07ednc
自旋守恒m07ednc
自旋也是时空的属性之一。对于像电子这样的物质粒子，自旋包含 x、y、z 三个部分，而光子只有 x 和 z 两个。自旋的组成和位置/动量类似，是互补性质。如果你测量 x ，则无法测量 z ；y 方向为传播方向。光子不含有y方向自旋的原因是，光子的宇宙是一个二维平面，我们也因此无法将我们的参考系与光子相适应。m07ednc
总结m07ednc
下面的表格对守恒定律做了一个总结：m07ednc
守恒定律m07ednc
各自的非对称不变m07ednc
维度数量m07ednc
质量-能量守恒m07ednc
空间平移不变m07ednc
Poincare 不变性m07ednc
1m07ednc
随时间轴演变m07ednc
线性动量守恒m07ednc
空间平移不变m07ednc
2m07ednc
随x,y,z方向演变m07ednc
角动量守恒m07ednc
旋转不变m07ednc
3m07ednc
随x,y,z方向旋转m07ednc
动量中心速度守恒m07ednc
Lorentz-boost 不变m07ednc
3m07ednc
沿x,y,z方向 Lorentz-boostm07ednc
电荷守恒m07ednc
U(1) 规范不变m07ednc
四维空间（x,y,z + 时间）的一维尺度m07ednc
色荷守恒m07ednc
SU(3) 规范不变m07ednc
3m07ednc
r,g,bm07ednc
弱同位旋守恒m07ednc
SU(2) 规范不变m07ednc
1m07ednc
弱荷m07ednc
可能性守恒m07ednc
可能性不变m07ednc
总可能性随时间演变在全x,y,z空间恒为 1m07ednc
为什么物理定律是这样的？m07ednc
Why are the rules of physics the way they are?m07ednc
数学和物理的关系非常紧密，我们有一套可以精确描述物理现象的数学系统。可以说，数学系统在时间和空间中找到了不随时间改变的结构。m07ednc
笔者认为数学框架对于物理宇宙是建设性的，这些标准决定了宇宙通过这些不变的基础来运行，也构筑出了我们所知的时空。m07ednc
下面是一些关于时空的总结：m07ednc
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光子的电磁振幅是常数。m07ednc
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所有不同物质粒子的电动振幅是相同且一定的。m07ednc
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时空中包含占宇宙总能量75％的暗能量。暗能量是时空中的能量，宇宙中可能有类似的物质使其加速膨胀，此外我们对暗能量一无所知。m07ednc
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上述的守恒定理都是时空的性质。m07ednc
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纠缠是守恒定律产生的，它超光速的行为看似违反了时空完整性，但可能是时空的组成部分。m07ednc
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电磁理论可能包含在广义相对论中。m07ednc
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量子力学可能也包含在广义相对论中。m07ednc
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时空是非局域化的。或许它是纠缠的一部分。m07ednc
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在虚空间中时间并未被定义，对于物质粒子，时间方向向前；而对于反粒子，时间方向向后。m07ednc
这些问题远比看起来要深奥，这些关于时间，和与时间无关的现象一直在发生，等待着我们去探索。m07ednc
作者：John Karpinskym07ednc
翻译：zhennim07ednc
审校：Dannism07ednc
原文链接：m07ednc
https://john-99387.medium.com/what-is-space-time-41f12b5ecd3em07ednc
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