宇宙的演化及其参数和常数（二）——空间量子和哈勃常数

关于万有引力常数G

根据自然哲学第三定律，物质的封闭性小于1，物质的内在能量可以与空间相互作用，形成热度场。由于热度场的叠加，两物体内侧的封闭性小于它们外侧的封闭性（空间的温度越高，物体的封闭性就越小）。于是，两个物体之间的空间压强小于两个物体外侧的空间压强，由此产生的压差就是万有引力。

万有引力常数G是一个用来描述空间与物质相互作用的参量，该参量类似空间压强即空间的能量密度，只不过其所刻画的空间是更为基本的量子空间，而不是地球上的大气空间。由于万有引力是远程力，需要借助于空间来实现，所以，万有引力常数G的具体数值必定来自空间参量的组合即是光速c、普朗克常数h、量子的弛豫时间τ0和量子间距r等4个参数的组合，会随着宇宙的膨胀而相应地变小。由此，间接地证明百亿年来宇宙是近似静态的，否则的话，就不可能存在稳定的天体系统，如太阳系和银河系。

根据现代天文的观测，天文学家推断，星系之间的分离不是减慢而是不断地加速。如果这一推断正确的话（这只是关于系统红移的数种推断之一），该推断就会与传统的一维物质观相矛盾。一方面，在大爆炸的后期，在万有引力的作用下，宇宙的膨胀应该逐渐减慢；而另一方面，代表宇宙的物质（星系），却又在加速分离。对此，有科学家根据机械的世界观做出如下的推论，即在宇宙空间存在着相当于物质总量3倍多的暗能量，该能量是反引力的。这是一种典型的就事论事的解释，它除了消除已知的反常现象之外，并没有与其他的现象和理论建立联系，因而其认识效率是比较低的。反之，根据有机的量子宇宙景观，宇宙有两种存在状态：其一是离散的空间，其二是封闭的物质。由于物质只是宇宙中一种暂时的存在状态，仅占很小的比例，所以物质并不能对宇宙的存在状态产生系统的影响，相反是由空间决定物质的存在状态，物质只是宇宙膨胀的附属产物。因此，作为对比，我们可以将星系加速分离的现象归结为宇宙的膨胀。由于宇宙的膨胀会导致空间效应减小，于是星系之间借助于空间实现的相互作用（星系之间的引力联系）就会逐渐变弱，从而使各星系因在更大的程度上服从宇宙的膨胀而相互加速飘离。

关于背景温度T₀（或τ₀）

所谓背景温度，就是空间的温度，背景是相对于物质而言的。1965年，美国科学家彭恰斯和威尔逊在改进卫星通信的过程中，意外地发现了“过剩天线噪声”。这种大约相当于2.7K的微波辐射来自宇宙的四面八方，与具体的星系分布无关。这一发现具有重大的科学意义，说明宇宙空间是有能量的，该能量是由构成空间的量子在大爆炸之后残存下来的。为此，彭恰斯和威尔逊共同获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

背景温度是一个随着宇宙的演化而变化的参量。目前，精确测量到的背景温度T₀为2.69K，由此我们可以通过热力学公式得到τ₀的数值为3.58×10^-12s。根据这一数值，基态量子的能量大约是可见光子能量的千分之一，而在宇宙大爆炸之初其能量可以产生基本粒子，是远高于γ射线等高能光子的。这说明随着宇宙的膨胀、对外做功以及光子的部分势能转化为动能，空间量子的势能已下降了万亿倍。

关于光子的静质量m₀

根据有机的观点，物体的外在能量有两种存在方式，即动能和势能。这对于光子也不例外。当光子进入光密媒质（如垂直进入水）时类似膨胀红移（严格地说是收缩紫移），虽然其总能量没有变化，但是会有一部分动能转化为势能，即随着空间效应的增大，光子需要维持其势能的速度减小了。具体的公式为

1/2×m₀v²₁ + hv₁ = 1/2×m₀v²₂ + hv₂

m₀ = 2h（v₂ - v₁）/ [（v₁ + v₂） ×（v₁ - v₂）] = h△v/c△v

其中，v₁ = c ≥ v₂，△v = v₂ - v₁，△v = v₁ - v₂ 。若取极限，令△v趋近于零，则△v也会随之为零。由于光子的静质量相对于普朗克常数h来说非常小，所以其速度的变化所能引起的频率变化是比较小的，即 △v/△v < 1。于是，光子静质量的上限是

m₀ < h/c　或　m₀ < 2.21×10^-37g

由于普朗克常数h大于零且其量纲为角动量（mrv），又由于普朗克常数h是光子（量子）的本征参量，说明光子（量子）拥有角动量且具有不变性，其中含有静质量，所以光子的静质量m₀是大于零的。于是，光子静质量的范围是

0 < m₀ < 2.21×10^-37g

目前只能定性地给出光子静质量的范围，其具体数值需要通过测量不同频率的速度差或在不同介质中的频率变化率来予以确定。

由于爱因斯坦的质能变换公式中含有参量光速c，所以光子的静质量 m₀ 也是一个随宇宙演化的参变量。在宇宙大爆炸之初，光子是一个静质量很大的粒子，而且是当时宇宙中唯一的粒子。在我们传统的观念里，静质量应该是固有和一成不变的。然而，根据质能公式，不仅质量可以转换为能量，而且只要光速是随空间变化而变化的，则静质量相对于一定的能量也是变化的。因为，质量是一个由能量和空间两因素共同决定的复合概念，具有相对性。于是，静质量的精确定义是，静质量是被封闭的能量关于其空间效应的度量。只有能量才是守恒的，具有绝对性。

关于哈勃常数H₀

天文学家哈勃于1929年发现星系退行速度与距离之比近似为一个常数，由此命名为哈勃常数。实际上，哈勃发现的是星光的普遍红移现象，经过统计发现，星光红移与距离之比近似为一个常数。由于哈勃相信星光红移是星系退行所产生的运动红移，于是哈勃用星系的退行速度取代星光红移，从而得到了现在大家所熟知的哈勃常数。然而，对于星光的普遍红移现象可以有多种解释，星系退行只是这些解释中较为流行的一个解释。

根据光速不变原理，退行星系发出的光有一个由相对于星系以速度c运动到相对于空间以速度c运动的转变，等效为光速变大。相应地，光的频率会变小。这就是光的运动红移，属于能量形式变化红移。根据统计，星系的平均退行速度是光速的百分之一，星光的平均红移量为0.1，代入静质量公式计算出的光子静质量，比基态量子的动质量还大100倍，这显然是不合理的。即便是根据狭义相对论的洛伦兹变换，速度为光速的百分之一时所对应的红移大约只有万分之一，仅为实际测量值的千分之一，比实际观测红移的误差范围还要小。于是，星系的退行与否，与星系的普遍红移并没有多大关系。

实际上，由于光子的静质量非常小，无论是膨胀红移还是运动红移，由速度变化引起的红移量都非常小。因为不需要多少相对于空间的势能，就足以引起光速较大的变化。此外，这两种红移以及引力红移都不会随着传播进行积累，因而它们的红移量一般都只有百万分之一量级，远不足以解释0.1的红移。

对于上述分析，或许有人并不认同。他们认为，光速的运动红移和声速的多普勒效应完全相同，并经常拿来相互比喻。以此为根据，认为频率的变化率与速度变化率直接相关，因而具有较为显著的红移。其实，这是一个误解。声速是可以与声源的速度叠加的（因为大气空间的密度非常小），而光速不行，会受到量子空间的制约（因为量子空间的密度非常大）。在传播距离远大于半变换距离时，光速只相对于空间以速度c运动，与光源的运动状态无关。

耗散红移则不同，是可以随着传播的过程不断地积累的，经历数十亿年的时间，其红移量可以累积达到可观的量级。已知星光的平均红移为0.1，是其余三种红移的数十万倍。这说明星光的普遍红移，其绝大部分都是耗散红移。这一方面证明了真空不空（否则的话耗散就无从谈起），另一方面也说明我们的宇宙并不一定具有普遍的星系退行，即并不一定正在大规模地膨胀。

如若根据狭义相对论，运动红移就不是很小的问题了，而是根本就不存在。根据光速不变原理，任何参照系中的光速都是一样的，而且光子的静质量为零，不存在能量形式的转换；根据狭义相对性原理，任何参照系中的物理公式、参量及常数都是一样的，不允许通过频率的变化（红移）找出特殊参照系（光源的运动状态）。于是，哈勃定律关于星系退行速度与星光红移成正比的解释与狭义相对论是有冲突的，两者至少有一个是错误的。

还有一种说法，认为星光的红移是由于空间膨胀拉长了光的波长。这种说法同样是站不住脚的。因为，这意味着原子的光谱仅与空间的膨胀相关，而与空间的状态无关。也就是说，无论空间膨胀到何种状态，原子的光谱在产生之时都是相同的。这种说法颠倒了因果关系，由原本的宇宙膨胀导致光子的状态变化进而影响光谱，改为宇宙状态的变化导致光的波长膨胀进而影响光谱。前者的红移与光的传播时长无关，而后者的红移则是可以随着光的传播积累的。此外，如果空间的膨胀降低光的频率，势必会导致光子的能量流失。根据相对论，其既不允许光子对空间做功（因为空间是几何的），又不允许光子的部分势能转化为动能（因为要求光子的静质量为零且速度不变），那么减少的这部分能量去了哪里？违反了能量守恒定律。

综上所述，哈勃常数为星系退行速度与距离之比是有疑问的，应该仍还原为最初的星系红移与距离之比。星系具有普遍红移且随距离的增大而增大，这是一个客观事实。对于这一事实的解释，还得另辟蹊径。从有机的量子空间景观来看，耗散红移是星系红移的主要原因。于是，哈勃常数也是一个关于宇宙演化的参变量，会随着宇宙膨胀和空间效应的减小而变小。

关于量子间的间距r₀及空间密度ρ₀

量子间的间距r₀和量子空间的密度ρ₀也是一对关于宇宙演化的参变量，它们会随着宇宙的膨胀而分别变长和变小。根据自然哲学第一定律——自然界存在着变化的归一性，已知的四种相互作用力都与空间相关。其中，强相互作用力和万有引力属于同一类作用力，都是没有方向的标量。它们的区别在于，强相互作用力的强度约为万有引力的10³⁸倍，且其有效作用范围为10^-14～10^-13cm。这说明两个相互作用力的形成机制是相同的，都是离散的量子空间碰撞的不对称，造成两者之间差异的原因只是同一机制在不同极限的情况下所具有的不同表现。前者属于短距离的极限情况，而后者则属于长距离的极限情况。衡量空间内部距离长短的尺度，就是量子间的间距。所以，在离散的空间，量子间的间隔距离r₀应该是强相互作用范围的下限，约为10^-14cm。由此，我们得到的量子密度ρ₀约为10⁴¹个/cm³。当相互作用的距离超过10^-14cm时，会因作用距离过大降低粒子之间的真空系数，使强相互作用力迅速变小；反之，当相互作用的距离小于10^-14cm，又会因距离过小失去了空间压强，同样会导致强相互作用力的减弱。

所以，正是量子空间的密度使强相互作用的有效范围被限制在10^-14cm附近，一旦超出这一尺度，强相互作用力就会迅速衰减，转变为普通的万有引力。于是，自然界借助于作用距离的不同，将强相互作用力和万有引力分别限制在两个不同的极限情况，表现为两种截然不同的作用力。类似地，电磁力和弱相互作用力是另一对长、短距离作用力，它们也是同一种作用力在不同的距离所产生的不同极限情况。上述两对作用的差别仅在于，前一对是由没有特定方向的散度场（标量）产生的，而后一对则是由具有一定方向的旋度场（矢量）形成的。

总之，我们的宇宙只是自然界的一部分，是一个相对独立和有限的封闭体系。空间密度ρ₀、基态量子间的间距r₀、基态量子的弛豫时间τ₀、背景温度T₀、光速c、宇宙膨胀速度C、光子的静质量m₀、万有引力常数G和哈勃常数H₀等，都是刻画宇宙具体演化状态的参变量，它们都会随着宇宙的演化而变化。只有普朗克常数h作为量子的角动量具有不变性，是更本质和更深层次的参变量，是一个不随宇宙的演化而变化的常数。普朗克常数h的存在和宇宙中的万物所具有的归一性相一致，它是定义和刻画宇宙具有归一性的那个“一”的常数，是宇宙中唯一的一个本征参数。而且，正是这一本征参数，决定了宇宙空间的离散性和物质的量子化，并由此形成了一个有机的世界。