文/樸道玄燈
我們生活的世界是三維空間加一維時間，即四維時空，並且時間在三維長寬高維度上各向同性。狹廣義相對論認為光速不變,並且是宇宙中運動速度的極限，幾乎可以把光速當作我們這個時空恆定的一個常數,是關於空間距離與時間比值的恆定常數。
當物體運動速度越接近光速時,速度增加就越難,物體的質量也會隨著運動速度的增加而增加,質量與運動速度的關係可以用質速公式描述,運動方向上的時間會變慢,空間長度縮短,而垂直運動方向上的時間卻保持不變。
狹廣義相對論所描述的這些神奇玄幻的現象,前提條件都是指物質運動發生在三維空間加一維時間的四維時空背景中。光速不變也可以理解為我們這個四維時空中「空間與時間流變轉化的比值恆定常數」。
按照卡魯扎的四維空間加一維時間,即從五維時空看四維時空,從四維空間看三維空間裡的現象,得出了愛因斯坦廣義相對論的引力場公式及麥克斯韋方程,把引力與電磁力統一了起來。
卡魯扎認為引力是在三維空間中進行,而電磁波是在捲縮的第四維空間中傳播,也就意味著第四維捲縮空間是能量維空間,四維空間可以看作「質能空間」:
「長寬高三維屬於有形的質量,第四維屬於無形的能量」。
麥克斯韋認為電磁波的速度與光速一樣,所以指出光也是一種電磁波。
光具有波粒二象性,而愛因斯坦根據普朗克的能量量子說,引入了「光量子」概念。每一份光量子都是一個最基本的能量單元,不可再分割,且具有表徵自身特有物質屬性的特定頻率。這樣一來,光作為「沒有有形質量」的能量子,也是在捲縮的第四維空間中進行傳播。
質量與能量之間相互轉化,比值常數是光速,代表三維空間與第四維的比值恆定,是個常數。按照空間平等性,在同一時空背景中的物質而言,空間各維度上的時間是「各向同性」,這樣在物體位移時的速度上,各維空間與該維上的時間相互轉化流變時的比值,必然是恆定的常數。對於同一個時空背景而言,某個物體在虛空中位移時,長維的變化量除以時間變化量,與寬維變化量除以時間變化量,高維變化量除以時間變化量,這三種比值的極限都是相等的同一個恆定常數。如果空間各維度「不平等」,各維空間上的時間不遵循「各向同性」,那麼就會導致虛空損壞,不能儲存含藏物質,物體無法存在,這樣的虛空不存在,物質也將不存在。
由此一來,卡魯扎五維時空中的四維空間,對於我們所在的三維空間來說,多出的第四維空間(能量維)捲縮在三維空間(質量維)中,起著維持穩定四維時空(三維空間加一維時間)的作用,表現就是「光速不變」,也就是四維空間與一維時間轉化流變時保持比值恆定,光速不變,作為四維時空常數,從而保證了質能轉化關係與質能轉化守恆定律。
光速在五維時空中還能保持不變,或者說「光速不變」則指僅限於相對「五維時空」而言,三維空間是有形的質量維,第四維是捲縮的能量維,加一維時間,這樣形成了「五維時空」,也就是四維空間加一維時間,所以對於更高維度時空來說,意味著物質還有超出質量與能量這兩種存在狀態的其他屬性,光速不僅限於表述質量與能量的轉化,比值還包括了其他屬性在內,在五維以上這樣的時空中,光速將不再保持恆定不變。