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多层面时空理论 作者:清华大学部分学者(1)

我们现代的科学研究这个东西,还是差得很远,和整个宇宙中存在着高级智慧星球那些生命比起来,我们人类的科技水平是相当低的。就在同时同地存在着另外的空间我们都突破不了…… ……物质在微粒下有分子、原子、质子,最后往下追查下去,如果每一层你能够看到这一层的面,而不是一个点,看到分子一层的面、原子一层的面、质子一层的面,原子核一层的面,你就看到了不同空间中存在的形式。任何物体包括人身体都是和宇宙空间的空间层次同时存在、相通的。我们现代物理学研究物质的微粒,只研究一个微粒,把它剖析、分裂,原子核分裂之后再研究它裂变之后的成分。如果有这样的仪器能够展开,看它这一个层次中,所有的原子成分或者是分子成分在这一层中整个的体现,要能够看到这个景象,你就突破了这个空间,看到另外空间存在的真象了。人的身体和外面的空间是对应的,它都存在着这样的存在形式

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对于以上论述,现代科学界开始逐渐有了相似的认识。

 

纵观人类时空观发展,可以分为三个阶段。

 

牛顿由经典物理学的成果出发,把宇宙看成是机械的,看成是一个以固定规律运转的精密的机器,比如地球围着太阳旋转,星系如同一个巨大钟表的很多齿轮。这就是机械的时空观,是绝对时间、绝对空间的框架体系,把时间与空间完全割裂开来。

 

二阶段,以爱因斯坦的相对论为基础,摒弃了牛顿的绝对时空的概念,将空时结合起来建立了相对论时空观。对于任何一个惯性系,时间是用相对于这个惯性系静止的、同样构造的钟来度量的。广义相对论时空观还取消了惯性系的概念,以弯曲的空间概念把物质、运动、时空联系在一起,否认了时间、空间割裂的思想。但是爱因斯坦的相对论是描述静态的、孤立的、均匀分布的时空,没有建立高维动态空时流形的物理概念,没有分析时空结构的演变。而且新的观测事实,如水星進动、X射线爆发源对爱因斯坦的广义相对论发起了挑战

 

第三阶段,现代科学已经认识到我们存在的时空世界事实上是十分复杂的,决不是只存在着我们人类用肉眼可以感知到的空间。在这基础上,人们发展了现代时空理论。

 

1.现代时空论及量子物理时空观

 

现代时空论的观点是宇宙是由各种不同维度的空时结构组成。高维空时流形的实质是复能量流,即空间的实质是能量流。比如超弦理论认为:真实的时空是高维的,可能是10维,也可能是26维等。若以10维的为例,量子力学认为一切粒子均有波动性,其波长为lh / p,其中p为动量,h为普朗克常数。若粒子的波长比空间尺度l大许多,则这一维必将被紧致。根据卡鲁查克莱因理论,要在紧致后的4维时空中获得正确的引力常数G,则其余6维的尺度l都要在普朗克线度lp之内(lp= h / (mp·c),其中分母表示动量)。由此可见,要探测余下的这6维时空,则发射的粒子应具有大于(mp·c)的动量,这样使得l < lp,即余下的这6维时空才能不被紧致23。而这么大的动量所需要的高能量在现代实验室内是可望不可及的。人体特异功能者能够发放外气,经探测高功能的气功师的外气中有许多高能粒子,包括abg粒子及热中子等。那么,人体特异功能者发放的高能量粒子,如果能量足够大,就可能探测到另外的6维时空。最新的超弦理论研究还指出,宇宙相当于全息成像的产物。例如马尔达塞纳的模型认为4维的场可以认为是5维场的全息投影,就象激光全息摄影中三维物体被投射到二维的平面上一样。在全息的宇宙里,某一体积内所有事物的信息会以某种方式显示在表面

 

关于量子物理时空观,著名的量子物理学家、牛津大学教授德伊兹教授作了最好的表述,他说:量子力学本质上是关于多个平行宇宙的解释,有些宇宙和我们这个宇宙很相似,而另一些则很不一样。在我们附近的宇宙可能只跟我们宇宙相差一个光子,而最远的那些宇宙则跟我们的宇宙完全不同。现实世界并不是由一个宇宙构成,但是我们只能在它的一个层面上活动。

 

 

另外近十余年来,随着量子物理学和广义相对论的交汇,特别是规范场理论中对称破缺相变的最新進展,现代宇宙学提出了许多宇宙形成假说。宇宙大爆炸理论、暴胀宇宙论和宇宙弦理论就是这些理论中很重要的一部分。例如,根据1983A. Linde提出的混沌暴胀宇宙模型,极早期宇宙中存在着若干个空间畴,每一个空间畴将作指数膨胀,形成大小超过可观测宇宙的微宇宙泡。每一个微宇宙泡可以演化为一个对应的宇宙,而我们生活的这个宇宙只是由其中一个微宇宙泡暴胀演化而来的

 

这些宇宙是连通的。根据1935年爱因斯坦提出的虫洞Wormholes)理论。虫洞能扭曲空间,是宇宙的隧道,可以令原来相隔亿万公里的地方变成近在咫尺。也就是说不同的子宇宙空间可通过虫洞联结,但虫洞的引力极其大,以至于可以毁灭所有進入它的物质27

 

2.多层面时空理论

 

前所述,现代科学已经认识到了多个时空的存在,并提出了以上各种理论,但是这些理论还存在很多问题。比如对于宇宙大爆炸理论,我们无法解释0~10-43秒之间宇宙是什么状态?为什么极早期宇宙中粒子和反粒子数目不对称?为什么宇宙中光子数和粒子数之比为10-9数量级221964年发现的所谓的大爆炸火球,在1992年后的观测中有温度的波动,即其密度是在密与疏之间波动,这与宇宙大爆炸理论的推论不相符。

 

又例如,199719日,权威科学杂志《Nature》上的一篇关于星系分布的文章指出,超级星云是按规则晶格排列的,每个长方形的格子边长三亿六千万光年。据EstoniaTartu观测中心的J. Einasto博士报道,超级星云的整个分布就象一个三维的棋盘。19902月,英国Durham大学天文学家T.J. Broadhurst和一个多国科学家组成的小组,在范围不大的一块天空区域向纵深观察,观测范围至60亿光年。他们使用一种笔心式(Pencil Beam)扫描仪器确定,星云间是以3亿光年间隔的密度按周期分布的。天文学家已经知道星系会组成片状或丝状的星云,围绕着没有星系的空间运转,但周期性的结构却是非常出乎意料的。所有这些观测结果向我们原先对宇宙的认识提出了挑战。根据宇宙大爆炸理论,星云应该是随机地分布在整个宇宙中的。加州大学伯克利分校的Marc Davis博士说,如果星系的分布真的是周期性的,那么完全可以说,我们对宇宙的早期情况实际上一无所知。

 

超弦理论也存在困难,比如弦论提出的量子色动力学(QCD)的标准模型能把强作用力、弱作用力、电磁力统一起来,但很难将引力也统一進去。再有,是不是宇宙间就只存在这四种基本作用力?宇宙间的g射线超能爆发就不能简单归结为这四种力的作用。超弦理论对此也无法解释。另外,弦论中维数的概念本身没有解释宇宙演化的物理本质,它的结论是不可检验的(物理学家必须建造一个周长为1000光年的粒子加速器,而整个太阳系的周长才一光天)。超弦理论在物理学领域把数学工具用到了极致,被称为数学之舞,把宇宙的演化变成了纯数学游戏,甚至失去了物理意义,成了美学的作品。

 

总之,现在人类对于宇宙、时空的认识还有待于進一步完善。

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(卷二)中明确指出:宇宙最根本上就是能量构成的,这段话深刻地揭示了宇宙的本质,启示我们应该从能量本质的角度去分析宇宙的不同层次空间。事实上,现代时空论也已经认识到空间的实质是能量流23。另外量子力学告诉我们,微观粒子在不同条件下可以分别表现出波动性和粒子性,此即波粒二象性。然而在亚原子层面,波粒的分界消失,物质不能只被作为其中的一种来解释,它们既是波又是粒子。波是一种能量,它不表现为我们可见的粒子状态,但是不能说它不是物质。此时物质的概念发生了变化,也就是说能量也是物质。爱因斯坦相对论的质能关系式E=mc2告诉我们,物质的质量是能量的一种表征形式,所以物质即能量。物质与能量是统一的,波粒二象性就是这种统一性的证明。既然能量是物质的本质,那么也就是宇宙的本质。宇宙从 根本上来说,就是由能量构成的。

 

现代科学已经认识到,物质是由分子、原子、原子核、电子、质子、中子、各种介子、超子、共振态粒子、一层一 层一直到中微子等组成的 。宇宙不同层次中各种物质状态维持依靠的是能量,粒子越微观,能量越大,宇宙的演化就是能量在同一层次间、不同层次间的相互作用、转移和转化。不同层次能量包括:庞大天体(宇宙岛、银河系、恒星系)的运动动能、我们周围物体的机械能、生物能、分子间的作用能(如热能、化学能)、原子间的作用能(如核能)、 被夸克禁闭的空间的能量、中微子放射能(可轻松穿透1000光年的钢板),还有更微观的及更宏观的未被认识的能量状态等。晶体和生物分子之间对应几电子伏 特;一般无机和有机分子对应几千电子伏特;原子核对应几百万电子伏特;质子、中子对应几十亿电子伏特;夸克、中微子对应更强大的能量级别,是现有科技水平无法探知的。

 

现代科学只能研究微观粒子的点状存在,不能看到微观粒子存在的整个面,是因为研究越微观的粒子要求越高的能量去探测。目前在实验室中的最高能量可以探测到中微子,虽然中微子离物质的本源相差还很远很远,但再往微观下去就无能为力了。而在微观上,物质内部不同粒子的不同整体层面、 不同能量级别就构成了相应的不同空间。

 


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