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第14章 时空

14-1、霍金辐射

1900年,普朗克提出了黑体辐射定律:在任意大于绝对零度的温度下,从一个黑体中发射出的电磁辐射,辐射功率和温度的四次方成正比。黑体辐射定律证明:任何物体,只要其温度大于绝对零度,就会向周围释放辐射,同时也从周围吸收辐射。

黑洞是一个万有引力极大的地方,是指时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。光不能从黑洞中逃逸出来,也就说是黑洞辐射不出电磁波,不发生热辐射。如果黑洞没有热辐射的话,除非它的温度是小于等于绝对零度的,以及是没熵增的;事实上黑淍在不断的吸收周围的物质,这样的话黑洞将违返全部的热力学定律。所以,它不可能没有熵增,其温度更不可能小于绝对零度。因此黑洞必然是要释放黑体辐射的,但其视界内的逃逸速是大于光速的,那么黑淍释放黑体辐的机制是什么呢?

1974年,霍金提出了“霍金辐射”,解释了黑洞释放黑体辐射的机制:由不确定性原理推导出来的量子虚空涨落是被实验证实过的。虚空中随机的、频繁的发生着量子涨落。在黑洞事件视界的边界附近,由于黑洞引力场的强度是大于电磁波的逃逸速度的,虚空中产生出的虚粒子对就有很大的机率会被黑洞扯开,而不是湮灭。其中一个跌入事件视界,另一个被弹出事件视界提升为实粒子。这个实粒子就相当于是凭空产生的能量,这样就违反能量守定律了。其实不然,原本虚空中的量子涨落是偶然借得能量产生出虚粒子对,然后瞬间湮灭释放能量,又把能量还回去了,不违返能量守恒定律;之前我们说过要从虚空中获得实粒子,就必须要有额外的能量补充到虚空中去,所以黑洞把一对虚粒子转化为了实粒子,那么它就一定是提供了一定的能量还回到了虚空中去;而其中的一个实粒子逃出了黑洞,所以黑洞是付出了两个粒子的能量,却只获得了一个粒子,因此黑洞的质量就减少了。无论逃逸出去的那个是正粒子还是反粒子,黑洞都是减少一个粒子的质量。黑洞通过与虚空量子涨落的相互作用把质量散失到了虚空中去。霍金辐射不但解释了黑洞热辐射的问题,同时还提供了质量转化为虚空的途径。“霍金辐射”是霍金为天体理学做出的最大贡献,霍金完全称得上是二十世纪末最伟大的物理学家。

14-2、空间

宇宙是被各种粒子对应的场充满了全空间的。宇宙中没有绝对的真空,所谓的空间就是量子场、就是虚空,就是处于一种比粒子(质量)更低能级的能量。所以空间,就是能级处于零点的能量。因此,空间是能量,是物质,是实体,是实存。

奇点爆炸,能量被激发到超强辐射的激发态,瞬间全维度扩散。全维度,是指任何的空间独立坐标上。因为一切的时间、空间、维度都是大爆炸产生的,所以奇点的能量一定是全维度扩散的。奇爆炸所产生的能量辐射,其强度之高、速度之快,我们是无法想象的,只能用“瞬间摧毁一切”,“完全碾压光速”这样的词汇来进行大概的形容,我们所能够想象到的所有能量爆发的总和,或许都不及奇点爆炸的千万分一。

奇点爆炸的瞬间,它就不再是奇点了,我们已知的物理规律就完全适用了。能量全维度扩散的过程,就是能量由高向低的传递过程。由于一切都是奇点爆炸生成的,那么奇点爆炸之前就是绝对的0态,绝对的0度,所以奇点爆炸之后,能量是从最高的激发态直接向绝对零度传递的。因此,随着能量的扩散,温度会大幅的下降;但速度却不会减慢,因为没有任何其它的存在,所以能量辐射的方向不会被改变。这样就形成了宇宙最初的一个激发态的,高速膨胀的能量场。

当宇宙温度降到一定的程度,据说大爆炸四分钟之后,粒子就可以存在了。此时,批量的量子落会加速宇宙的膨胀。加速膨胀的能量场,比黑洞的引力场要强大的得多。能量场的加速度完全可以把虚粒子对扯开,提升为实粒子。在某个区域里正粒子比反粒子多的话,经过湮灭之后剩下来的就都是正粒子了,然后就可以演化出我们这样的一个小宇宙;反之在某个区域里若反粒子比正粒子多的话,经过湮灭之后剩下的就都是反粒子,然后就可以演化出一个与我们这个宇宙完全相反的反物质世界。物质宇宙和反物质宇宙不可能存在于同一个低光速可到达的范围之内,也就是说除了光子以外,物质宇宙和反物质宇不可以发生任何的物质交换,否则它们就互相湮灭,不复存在了。因为光子可以分解为一个正电子和一个反电子,所以物质和反物质发出来的光都是一样的,物质宇宙和反物质宇宙是可以交换光子的。

宇宙的膨胀速度,在不同的阶段,不同的宇宙区域都是不尽相同的。目前以地球为参照系,根据哈勃定律我们测算出的宇宙膨胀速率约为6870km/s/Mpc(千米每秒每百万秒差距)如果相距100亿秒差距,即326亿光年,宇宙膨胀速度将会达到70万千米/秒,这个速度已经达到了光速的2.3也就是说如果我们现在从地球上发出一束光,在宇宙膨胀不减速的情况下,将永远不可能到达现在距离我们180亿光年远的地方。因为那个地方在以超过光速的速度与我们远离,光永远也不可能会追上。但本篇开始的时候却说我们最远能够观测460亿光年远物质,其实这个距离正是根据宇宙膨胀速率算出来的,指的是我们接收到的距离我们最远的光的光源,由于宇宙膨胀的原因现在与我们的距离拉到了460亿光年,而并不是指它在发出这束光的时候的距离。

基于我们目前所撑握的宇宙膨胀速度,物质宇宙和反物质宇宙当下相距约100亿光年(这个距离应该是足够了吧,其实我不会算,只是预估的)的话,它们之间就没有可能会发生物质交换,就不会互相湮灭了。而在我们的可观测宇宙、直径920亿光年的范围之内,曾今都是处于同一个低光速范围之内的,所以是不可能存在反物质宇宙的。

奇点爆炸,并且在之后的降温和加速膨胀的过程中,其中一部分的能量转化为了实粒子,剩下的大部分能量最终都无限逼近于绝对零度,降到了零点能,成为了虚空,就是我们所谓的空间。空间的边界向着绝对真空、绝对零度无限制的传递能量。根据热力学第零定律,整个宇的空间,也就是全部的虚空是要达到热平衡的。宇宙边界之外是绝对零度,所以宇宙边界就是无限逼近绝对零度的,那么宇宙空间就也是无限逼近绝对零度的;所以空间能量的传递方向就是单一的,朝着宇宙边界的;所以空间是会无限膨胀的。这就是空间膨胀的主要原因,是由能量梯度造成的,是热力学第二定律的规则,根本不需要什么“暗能量”的推动。

至于膨胀速度之快,可以远远超越光速的原因,一部分是因为奇点爆炸之初的初始速度的惯性以及创生粒子时的再次加速;另一部分是能量从最强激发态直接向绝对零度跌落的速度我们并不知道,可能也是非常之快的。综合种种原因空间超光速膨胀才是正常的,不超光速的话反而是不正常的。基于目前我们探测到零点能的温度已经接近绝对零度了,也就意味着我们所处的位置和宇宙边界的零点能的温度相差并不大,空间能量的分布已经非常平均了,也就是说空间的能量梯度已非常之小了,所以我们所测算出的宇宙膨胀带速率,可能已经是大幅减速之后的膨胀速率了。

根据热力学第三定律,绝对零度不可到达。所以宇宙边界向外扩散的速度,虽然永远不可能是0,但会无限接近于0。因此,空间膨胀理论上是无限的,但最终会受制于相对的热平衡,速度越来越慢,直至几乎不再膨胀,成为一个稳恒态的宇宙空间。

注意:我们所说的宇宙膨胀仅是指空间,也就是虚空的膨胀。前面我们分析过可能存在一种“规范玻色子禁锢原理”,粒子界,也就是物质界跟零点能(空间)除了黑洞之外,没有直接的能量交换。所以无论空间如何的膨胀或者收缩都不会对物质界的能量状态造成直接的影响,只能改变物质的空间位置,或者因此会间接的影响物质界的能量状态。比如星系相撞。原本空间高速膨胀,一切物质被空间携带着朝着一个方向高速运行,星系是没有机会能碰到一起的;但是已知目前的空间能量分布非常平均,而且接近绝对零度,也就是说空间几乎已停止了膨胀;但星系仍然保持着之前的惯性,由于星系中心的黑洞与空间有着质量交换,这样黑洞质量的大小不同,就造成了星系惯性不同程度的改变,因此,星系就有可能会撞到一起了。

14-3、时间

“空间”是实存的,能级处于零点的能量;但至今也没有确实的证据能支持“时间”是实存的。现实世界中们找不到任何能与“时间”相对应的对像,“时间”仍然是一个没外延的空概念。

世界上第一个对“时间”做科学探索的是伽利略。虽然“时间”仿佛伴随着人类的诞生就是一直存在的,人们天生就有一种时间的观念,习惯于把事物的运动理解为是某种前因后果的时间秩序。认为一切事物都是沿着时间线而发展变化的,事物就是因时间的变化而发生变化的。

传说伽利略一次在比萨的大教堂里观察一盏摆动的蜡烛吊灯,发现吊灯每摆动一次的过程中他的心跳次数都是一样的。所以他得出,吊灯每次摆动的时间也都是一样的。于是,他自己动手做了一个时钟,他发现不管大小,钟摆摆动的时间间隔都是一样的,所以只要简单的数一下钟摆摆动的次数,就可以算出时间。因此,伽利略得出:时间就是钟摆的摆动次数。这种想法看似显而易见,但直到伽利略才发现,在他之前的人从未想到。

几年以后,钟摆式时钟已经普及,医生们开始用钟表来测量病人的脉搏。当初伽利略是用自己的心跳来确定钟摆的,可现在医生们却反过来用钟摆确定病人的脉搏。那么到底是心跳或者脉搏的跳动次数是时间呢?还是钟摆摆动的次数才是时间?这不就是循环定义的逻辑错误吗?

这意味着时间本身从未被测量过,被测量的从来都是变量,用一个变量去和另一个变量做比较,得出来的仅仅只是一个函数,纯数学的、没有物理意义。但是,当时的物理公式都是在“时间”这个变量的基础之上建立的。这些公式告诉人们事物是怎样因时间而变化的,从中还可以求出这些变量相互发生的变化,然后再与观察结果进行对比,发现这些公式预测的都是正确的,那么这个模式就是完善的。尽管时间本身不能直接测量,但它却隐藏在全部事物的背后。因此,“时间存在”与其说是观测结果,更不如说是一种假设。

牛顿意识到这正是要做的事情,他很肯定的断言:我们不能测量真正的时间,不过如果我们假设时间存在就可以建立起一套非常有效的架构来理解和描述大自然。于是牛顿建立了时间与空间都是独立存在的、分别具有绝对性的绝对时空观”:时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关,同一物体在不同参照系中观察到的运动学量可以通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理:一切力学规律在伽利略变换下是不变的。

后来,爱因斯坦的电动力学和黎曼几何运动力学,完全颠覆了牛顿的绝对时空观。在相对论中,时间与空间是同一的、不可分割的,并且不具有绝对性。相对论不再需要伽利略变换,在任何参考系中物理定律都取相同的形式,也就是说物理定律是绝对,时空反而是相对的。牛顿与爱因斯坦其实没有本质上的区别,只是选取的参照系不同而已。牛顿是以时间和空间为参照系的,把时间和空间看做是绝对的,用来度规时间、空间内的物质运动;爱因斯坦是以光速为参照系的,光速是恒定不变的,用光速来度规时空和物质的运动。因此,牛顿的时空观就是绝对的、平直的;爱因斯坦的时空观就变成相对的、弯曲的了,只有光是恒定的、平直的。或许因为光速恒定确实是客观真实的,所以相对论比牛顿力学对客观世界具有更普遍的适用性和更精确的预言性。但是对于“时间存在”的问题相对论比牛顿力学并没有突破性的进展,仍然是假设的客观存在。

量子力学建立之后发现,在微观粒子界牛顿力学完全失效了,所以绝对时空观也就宣告瓦解了。相对论在量子力学中仍然是举足轻重的,但相对时空观却地位不保了。在量子力学中,“时间”是一个完全可以剔除掉的概念,只要建立起一个变量与另一个变量的某些值相吻合的公式,就可以说明变量之间是如何相互变化的,根本不需要用“时间”来联接粒子与粒子之间的关系。

客观世界的运行是不需要时间的,曾经物理学做出“时间客观存在”的假设,只是因为对物质世界的认识不够深刻。经典力学用时间和空间来度规物质运动(状态变化)的速度;相对论描述的是物质运动与空间的关系,度规质量成为了空间的一种本质属性,时间已经不能独立存在,降格为了空间的另一个属性;量子力学则完全不需要时间、空间或者是时空的存在,直接以物质(量子场)描述物质的运动。

时间、空间或者时空不是客观存在,人脑可能很难接爱这种观念。由于人脑的功能是有限的,不可能瞬间接收到全部的信息,更不可能瞬间就完成对全部信息的加工处理,所以人脑接收和加工处理信息的过程必然存在着量和速度的局限性。而对这种局限性的感知就产生了“时间”的观念。

生物的神系中枢统接收处理信息的最小量和最大速度,物理学上是用“闪光融合临界频率”来描述的,是反映神经中枢系统机能状态的一个重要指标。亦称为“闪烁临界频率”、“临界融合频率”或“闪光融合频率”。当我们看一个间歇频率较低的闪光时,得到的是明暗交替的闪烁感觉,当断续的闪光间歇频率增加,人们看到的将不再是闪烁的光,而是稳定的连续的光这种现象就叫做“闪光融合”。反映的就是神系统对一个最小信息量——闪光的接收和辩识速度。神经中枢系统能够辩识的闪光的频率越高,说明处理信息的速度就越快,相对而言时间就会流逝的越慢。在地球生物界中,相同物种间的闪光融合频率通常是没有差异的,即便有也是极其微弱的;但微弱的差异就足以给生物个体带来巨大的优势(劣势)。比如《最强大脑》中的王昱珩,他的闪光融合频率或许就比普通人高一点,所以他的视觉灵敏度对于普通人来说就是神一般的存在;但他在使用电子设备时也并没有生产与普通人不一样的感觉(电子设的闪光频率一般在55~60赫兹),说明他的闪光融合频率与普通人的差异还是非常小的。

然而不同物种间闪光融合频率的差异就比较大了,据日本神经生物学家羽仓信宏的研究,体重越轻、体型越小的动物,其闪光融合频率就会越高。棱皮龟体重350千克,只能感受到14赫兹的闪光;人最多可以感受到60赫兹的闪光;短耳鸮可以感受到69赫兹的闪光;狗是80赫兹;加利福尼亚金背黄鼠体重200克,可以捕捉119赫兹的闪光;苍蝇的闪光融合频率高达250赫兹……

其实我们并不知道其它动物是否有“时间”的关观念,也就是是否可以感知到其自身的神经中枢系统的局限性,但是很确定我们人类是可以感知到的,所以天生就有时间观念的。人类以自身做为参照系,闪光融合频率比我们高的,我们就会认为它的时间会比我们更慢,反之则更快。因此,“时间”其实就是人脑用来衡量神经中枢系统处理单位信息量的速度的一个标量。就像“温度”一样,只是描述分子动能的一个标量,没有实在意义。

14-4、时空弯曲

根据广义相对论时间与空间同一的概念,如果时间不存在的话,那么空间也是不存在的。量子力学确实也不需要广义相对论那样的一个引力场,取而代之的是量子场。量子场是一种物质,是能量;并不是传统意义上的时间、空间或者时空。我所谓的空间(虚空)就是指量子场这种物质,能量的零点能状态。因此,时间是空无的,空间是实在的。

由于四大基本力还不能统一,量子力学对宏观世界的描述还不是很方便。所以对宏观世界的理解,我们仍然延用相对论的时空观。相对论其中的一个前提假设是光速恒定,所以时空坐标必然不是一个常量,即便经过合同变换也不能成为常量,所以时空必然是弯曲的。爱因斯坦指出:物理空间不是一种抽象空间而是受物质能量所制约的即物理空间有一种为度规张量所规定的几何它本身受宇宙中物质能量的分布所支配这种几何学可以说已经包含了物质分布的性质所以空间在微分或仿射几何学的意义上是被弯曲了的

在广义相对论中,时空本身具有一种度规张量,而物质的分布使时空的这种度规张量的性质得以体现。由于物质质量多少的不同,就造成了时空曲率的差异,质量越大则时空曲率越大,时空曲率与物质质量成正比。但是天文学家在观测星系运行的过程中发现,星系周围的实际时空曲率比星系内所有天体的质量总和应该造成的时空曲率更大;同时也发现星系远端的天体运行速度太快,完全超出了星系中心质量引力的束缚,但实际上星系远端的天体却没有逃逸出星系之外。于是就认为星系中还有不可见的“暗物质”提供了质量,因而造成了更大的引力和时空曲率。之前已经表述过,在不能直接测量黑洞质量的情况下,只能以星系所处的时空曲率或者是星系远端的天体运动来计算星系的质量。所以“暗物质”的猜想根本是无事生非,时空曲率本来就应该是这样的。

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