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时空构想（2002年稿） 序 从科学的决定论到测不准 十九世纪初，法国科学家拉普拉斯论断，宇宙是完全被决定的。他认为，存在一组科学定律，只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态，我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件。 到了二十世纪，由于量子论的出现，不确定性原理成为科学上一个公认的标准，拉普拉斯这种科学的宿命论就逐渐被抛弃了：人们连宇宙现在的状态都不能够准确测量，更不用说以此来预言未来的事件了。 其实，拉普拉斯的论断有两个隐含的前提：宇宙从空间上有一个平坦均匀的“介质”（以太？），从时间上有一个“标准的时间”。如果没有一个平坦均匀的“空间”，遵守科学定律的物质（粒子等）就没有运动的平台；如果没有“标准时间”，就不可能有“某一刻”的宇宙状态。 所以，不用等到量子论和不确定原理出现，当爱因斯坦的相对论抛弃了绝对时间（标准时间）和绝对空间的时候，就已经敲响了拉普拉斯科学的决定论的丧钟。 至于量子论从微观的“不可测”，同样可以从宏观的“难以测量”来说明：即使假设有一个平坦均匀的空间，而且有一个统一的标准的宇宙时间，但由于宇宙中粒子（暂且忽略别的“物质”）数量太多，人们也难以“完全知道宇宙在某一时刻的状态”。 而量子论的“不可测”，却包含了一个与拉普拉斯决定论同样的前提：我们要测量一个粒子（物质）的状态，首先需要假设那个粒子是在一个平坦的、均匀的、“客观的”空间中的。这之前，爱因斯坦的相对论已经抛弃了“客观的”“绝对空间”，所以，连一个标准和平台都没有，又怎么能测得准呢？ 第一章 连续的宇宙 1929年，美国科学家哈勃发现大部分星系是红移的，即几乎所有的星系都在远离我们而去。甚至红移的大小也不是杂乱无章的，而是和星系离我们的距离成正比。也就是说，星系越远，离开我们的速度就越快。 这个发现不但说明了宇宙的膨胀，催生了宇宙大爆炸理论，更由于“从地球上观察”，星系越远，离开我们的速度就越快，说明整个宇宙的物质在均匀地离开地球而去，因而强烈地暗示：地球是宇宙大爆炸的原点。 地球是宇宙的中心！？ 但已经经历过从地心说到日心说，经历了从上帝的选民到人人平等的人类，已经没有如此自做多情了。科学家在找各种理由想说明地球不过是宇宙中一个普通的点。 1965年，美国新泽西州贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了来自宇宙各个方向相同的微波背景辐射。更是异常精确地证明了“宇宙的各向同性”。 爱因斯坦死得早了。他如果能知道这个发现，虽然不敢说他能完成“统一场论”，但他的“四维连续体”想必是可以完成的。 好，我们就从这儿谈起。 从地球看，宇宙在任何方向都是一样的。如果地球不是宇宙的中心，那么，一个合理的推论就是俄国科学家弗里德曼于1922年提出的一个假说：我们不论往哪个方向看，也不论在任何地方进行观察，宇宙看起来都是一样的。 即从宇宙中任何一点观察宇宙，都应该与从在地球上观察宇宙看到相同的现象：所有的星系都在离开远去，而且离观察者越远的星系离开的速度就越快。 霍金曾做了一个类比：这情形很象一个画了好多斑点的气球被逐渐吹涨。当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离加大，但是没有斑点可认为是膨胀的中心。并且斑点相离越远，则它们之间离开得越快。 而由弗里德曼假说向前推一步，就可以得到一个“连续的宇宙”： A、 假设：从大的尺度上，我们不论往哪个方向看，也不论在任何地方进行观察，宇宙看起来都是一样的。 B、 事实：彭齐亚斯和威尔逊发现来自各个方向相同的微波背景辐射。说明从地球上观察，宇宙在膨胀，而且是在均匀地膨胀。 C、 推论：在宇宙中“每一个点”进行观察，宇宙都在膨胀，而且是在“均匀地”膨胀。 D、 符合推论C的空间模型只有一个，即空间是有限但没有边界的，也就是说是“连续的”。 我很奇怪霍金为什么不接受这样一个宇宙模型。因为即使按他所做的有斑点的气球的类比，气球表面也是 “连续的”呀。何况，只有一个连续的宇宙才没有“特殊点”，才符合“在宇宙中‘每一个点’进行观察，宇宙都在膨胀，而且是在‘均匀地’膨胀”这个条件。 一个人绕宇宙一周最终回到原点的想法虽然在现实上难以实现，但我们可以做这样的“理想实验”。 让我们设想一下宇宙大爆炸的过程吧，设想在宇宙刚爆炸到一个篮球场大小的时候，如果它不是连续的，又怎么能“不论往哪个方向看，也不论在任何地方进行观察，宇宙看起来都是一样的”呢？！ 所以，宇宙从大爆炸开始，就是“连续的”。 向左右平伸你的双手，如果你的手臂足够长，你的双手将握到一起。 第二章 万有引力和空间浓度 1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论。他提出，引力只不过是物质质量引起的“空间——时间”不平坦的后果。宇宙中任何物体都是沿着“四维空间——时间”的直线走。 比如，太阳的质量引起空间——时间的弯曲，使得在“四维空间——时间”中地球虽然沿着直线的轨迹，它却让我们在三维空间中看起来是沿着圆周运动。 广义相对论预言了水星的进动，光线的弯曲和大质量附近的时间会变慢。这些，后来都得到了证实。 但是，爱因斯坦必须引入时间来建立“四维空间——时间”系统，否则，就难以解释为什么对有些物体的“四维空间——时间”是直线，而对另外一些不同速度的物体就不是直线的问题。比如，地球的同步卫星就是沿着它认为的“四维空间——时间”的直线走，所以它不掉下来。而速度小点的卫星就难以在同步卫星的“直线”轨道上“自由运行”。 那么，我们能不能暂时不以光速不变为前提来建立一个“四维空间——时间”，即暂时不引入时间的概念，而是直接建立一个“四维空间”呢？ 我们来尝试着修改一下爱因斯坦的广义相对论：引力只不过是物质质量引起的空间不平坦的后果。宇宙中任何基本粒子都是沿着空间的直线走。 先看第一句：引力只不过是物质质量引起的空间不平坦的后果。由于不考虑时间的因素，我们只考虑物质、空间和引力。那么，物质间的相互引力可以等价地看做物质对空间的扭曲，从而影响了其他物质的运动。 物质怎么扭曲空间呢？ 在这里，我引入空间浓度的概念。靠物质越近，空间浓度越大。物质越多，空间浓度叠加起来，当然也越大了。理想情况下，物质质点处空间浓度为1，即浓度无穷大；在离物质无限远处的空间浓度近似地可以看做是0（如图2.1）。即空间可以看做是每个物质中间浓密向四周越来越稀薄的“云”的集合。（如图2.2） 空间是物质的延伸。那么，物质，就是空间的凝聚。“每个”物质，都可以看做是“无穷的”的空间。 请注意，空间浓度的概念是相对与人日常这个尺度来说的。而对基本粒子，比如光子，它只是沿着它认为的平坦的空间直线前进。而对我们这些观察者来说，光线就是弯曲了。（如图2.3） 而两个物质间的万有引力，是空间浓度对物质的运动的综合影响。如图2.4所示，我们的空间总有物质A和物质B。假设没有其它作用的影响，组成B的无数基本粒子都在沿着它们认为的直线运动。它们的运动，相对于A来说，就是在向各个方向运动。由于B处在A所作用的空间中，近A处空间浓度大，即空间多，组成B的基本粒子向各个方向运动的综合趋势就偏向A了。对我们这些客观的、宏观的观察者来说，B就有了一个向A的运动趋势。
这就是A对B的万有引力。 |