宇宙的四維空間結(jié)構(gòu)及演變歷程


　　
　　 關鍵詞 經(jīng)典時空觀念，大爆炸宇宙學說，四維彎曲體

　　 引言

　　 大爆炸宇宙學說詳細地闡述了宇宙由一個溫度極高、壓力極大、密度極大的原始核演變而來，基于宇宙正在膨脹及微波背景輻射事實的存在，這一學說正在被越來越多的人接受。這里根據(jù)質(zhì)能相當原理統(tǒng)一起來的質(zhì)量、能量守恒定律，論證原始核如何演變而來及最終演變?nèi)ハ颍F(xiàn)存宇宙物質(zhì)主要集中在一個三維彎曲封閉空間內(nèi)，我稱之為“四維彎曲體”。盡管大爆炸宇宙學說的追隨者和愛因斯坦已經(jīng)提出了相似甚至相同的思想，“正在膨脹的吹氣球”、“有限無邊的三維彎曲空間”、“超圓體”，但這里的論證相信更深刻和更具說服力。

　　 1 何為四維空間和四維彎曲體

　　 1.1 何為四維空間

　　 這里說的四維空間明顯地與相對論指的四維時空不同，所謂四維時空是指三維空間與一維時間融洽而成為一個復合體，相對論認為時間和空間是分不開的，是一個整體的不同部分，這里說的四維空間是指不含時間在內(nèi)的空間，認為宇宙中除了我們熟悉的三維空間外，還有一維我們根本不知道存在的空間，它就在我們身邊，與“長”“寬”“高”一樣實實在在地存在著，可是卻極難察覺，以致以目前極為強大和極為復雜的物理實驗也未能發(fā)現(xiàn)。這里的理論認為空間與時間是各自獨立的，而且為了方便理解，可以認為空間和時間是完全剛性的，就象牛頓提出的經(jīng)典時空定義那樣，因而這里的理論建立在經(jīng)典時空觀念之上。事實上，不管你是多么的不愿意承認，只要你聯(lián)想著大爆炸宇宙學說，你就想到了經(jīng)典時空觀念，而不是相對論時空觀。

　　 在具有長寬高的立體空間里，由于經(jīng)過一點只能找到三條兩兩互相垂直的直線，無論采用哪種坐標系，都必須且只須用三個坐標數(shù)，我們說它是三維空間，是我們已知的維數(shù)最多的空間。在想象的“四維空間”中，經(jīng)過一點，不但可以找到三條兩兩互相垂直的直線，而且可以另外找到一條直線與這三條直線兩兩互相垂直，也就是說，經(jīng)過一點有且只有四條直線兩兩互相垂直。

　　 1.2 何為“四維彎曲體”

可以從“圓”的角度理解四維空間。圓的直角坐標方程是 ，它是二維平直空間中一維彎曲空間（彎曲線），球面的直角坐標方程是 ，它是三維平直空間中二維彎曲空間（彎曲面），同樣可以在四維平直空間中設想一種三維彎曲空間，這就是我說的“四維彎曲體”，其直角坐標方程是 ，其中 、 、 、 分別代表四條兩兩互相垂直的坐標軸上的坐標值， 表示離坐標原點的距離（半徑值）。

四維彎曲體究竟是什么呢？我們的觀念僅僅知道三維平直空間，所以我們只能從三維平直空間觀念中理解四維空間的有關現(xiàn)象，這就得借助比喻、推理和想象。設想以經(jīng)過原點且垂直 軸的平面橫截球面 （這相當于令 ），我們得到一個圓 ，同樣，以經(jīng)過原點且垂直于 軸的平面橫截四維彎曲體 （這相當于令 ），我們得到一個球面 ，所以四維彎曲體是一個類似于球面（或者圓）的東西，只是這個“球面”除了“長”、“寬”二維空間外，還多了一個“高”——第三維空間。

　　 2 存在四維空間的依據(jù)

　　 2.1 平直空間和彎曲空間對于坐標系的建立是等效的

　　 在平面上，可以用兩個坐標值確定某一位置，在球面上，我們同樣可以建立坐標系，然后用兩個坐標值確定某一位置。推及三維空間，即使我們認知的三維空間不是平直的，而是四維平直空間中一個較為特殊的彎曲空間，同樣可以用三個坐標值對某點的位置加以確定，基于這點，我們才可以假設存在著第四維空間。

　　　 2.3 自然界中存在的某些神秘現(xiàn)象

　　 一方面事例來自于某些人的神秘失蹤和再度出現(xiàn)，這類例子至少可以舉10個，這里只提及1978年5月20日發(fā)生在美國南方的新奧爾良城一所中學操場上的一件事，當時體育老師巴可洛夫在教幾個學生踢足球射門，14歲的巴爾萊克突然一球射入球門，他高興地跳起來一叫，當著眾人的面，眨眼功夫就失去了蹤影。[1] 另一方面的事例是某些特異功能者特異搬物。1986年4月5日，錢學森在京接受香港記者采訪時說，他曾親眼見過一次特異功能演示：一瓶未開封的藥，抓到手中，從中漏出23粒；再開瓶查驗，其中剩下的正好77粒，而藥瓶完整無缺，并且，每粒藥片又做了特殊記號，可以防止魔術似的將其他藥片混入充數(shù)，藥瓶為特制材料，一旦破損，不能復原，這種“物體穿壁”的過程，還以每秒400張的高速連續(xù)攝影的設備進行拍攝，所有這些都有力地證明了整個演示的真實性。錢老對記者說：我是學科學的，事實就是事實，我被說服了！[2]

　　 信服神秘現(xiàn)象存在的不僅有錢學森，還有愛因斯坦。愛因斯坦和一位物理學家曾經(jīng)進行這樣的對話。那位物理學家說：“我傾向于相信傳心術（Telepathy）。”愛因斯坦說：“它同物理學的關系也許比它同心理學的關系更密切。”那位物理學家說：“是的。”[3]看來，神秘現(xiàn)象已經(jīng)不能再簡單否定，也許需要冷靜地思考，想想我們是不是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了全部物理規(guī)律，這些現(xiàn)象是不是真的不可以用物理學進行理解。就我個人的感覺而言，只要假設存在著第四維空間，上述神秘失蹤現(xiàn)象及“特異搬物”便可以理解。
　　
        3 現(xiàn)存宇宙物質(zhì)集中在一個四維彎曲體內(nèi)的依據(jù)

　　 一般地，人們總認為水的表面是一個平面，一碗水、一個湖就是這樣，但海水表面卻顯然不是平坦的，這點人們可以根據(jù)光線進行判斷，而不是根據(jù)水平靜（不流動）其表面就是平坦的（連通器原理）。如果沒有直線傳播的光，人們就不能斷定海水表面是彎曲的。假定光在更大尺寸上的行為不再保持嚴格的直線傳播，即不承認“光沿直線傳播”觀點，或者說光子永遠被限制在四維彎曲體內(nèi)，如果我們知道的空間彎曲得很微小，我們是不能憑借光傳播加以認識的。而事實上，宇宙物質(zhì)空間分布的巨大程度已經(jīng)很好地保證四維彎曲體曲率非常小，所以我們根本不知道這一彎曲事實的存在。其實地球是球體，很早以前人們也不知道，只是在天文學家和航海家證實以后，人們才知道和確信這一點。

　　 4 宇宙物質(zhì)的從無到有的過程

根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒，能量和質(zhì)量是不會創(chuàng)生的，然而我們禁不住要問，宇宙中現(xiàn)實存在的碩大無比的能量和質(zhì)量當初從何而來？或者大爆炸宇宙學說中原始核是怎樣演變而來的？顯然我們不愿意放棄能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，我們不會接受“上帝創(chuàng)造論”，也不愿意接受“宇宙永恒論”，但我們必須說明宇宙的能量和質(zhì)量是怎樣演變而來的。帶著這個問題讓我們考慮兩個物理過程。

         5 宇宙物質(zhì)的從有到無的過程

　　 關于宇宙發(fā)展的最終結(jié)局問題，天文學家們即根據(jù)萬有引力阻止宇宙物質(zhì)的膨脹和宇宙目前的膨脹速度，提出一個臨介密度，認為如果宇宙物質(zhì)的真實密度大于臨介密度，宇宙物質(zhì)膨脹到一定程度后將停止膨脹，開始收縮，然后再膨脹，再收縮，如此循環(huán)演變下去，而如果宇宙物質(zhì)的真實密度小于臨介密度，宇宙物質(zhì)將一直膨脹下去，永不停止。倘若上文關于宇宙能量、物質(zhì)的來源分析得比較接近事實情況，那么宇宙的發(fā)展狀況將介于上述兩種情形之間：宇宙繼續(xù)膨脹下去，而宇宙物質(zhì)將以能量的形式消失于宇宙的四維空間。這一過程分兩步進行。 
 
          6.自然之謎

　　 6.1 關于自然之謎

　　 這篇論文引用了較多例子說明存在四維空間，其中最可能引起爭議的是一些神秘自然現(xiàn)象的引用，可能有相當多的科學工作者完全排斥這些神秘現(xiàn)象，壓根兒不愿意把它們納入科學領域。但我個人卻深信這類現(xiàn)象是客觀存在的，而且我認為，如果我可以在科學領域取得成功，很大程度是因為我敢于把自然之謎與自然科學結(jié)合起來，努力尋找那些看似神秘的自然之謎存在的可能，并試圖作出物理學方面的嚴格解釋。我希望所有人都愿意相信這樣的一個事實：我們并未認知全部物理規(guī)律，有些現(xiàn)象暫時無法解釋，但它們卻可能是物理事實，就象以前的人們壓根兒不會相信“始終向著東走會回到原來的出發(fā)點”那樣。

　　 我得承認，直到現(xiàn)在為止，人們并未找到相關自然之謎的有力實驗證據(jù)，也許它們確實太過于撲朔迷離，但這不等于不存在，我希望人們愿意把它們看作一個重大課題進行研究，深刻認識這些自然之謎的理解對物理學革新具有的重大意義，更廣泛地論證和尋求實驗依據(jù)。

　　 6.2 關于離開四維彎曲體隱形的物理機制

　　 一個重要的事實是特異功能者可以在精神高度集中的情況下使物體離開我們熟悉的三維物質(zhì)空間發(fā)生隱形，而物理學進行的高溫、高壓和高能量實驗從來沒有使物體隱形，這是為什么呢？我們看看桌球是怎樣飛出桌球臺的。打過桌球的人都知道，如果水平用力推動主球，無論用力多大，主球和被碰撞的子球都只能在桌球臺平面上來回運動，如果用力偏向下或偏向上，就會有桌球騰飛跳出桌球臺。受此啟發(fā)，要使物體隱形，必須有不與三維物質(zhì)空間平行的力參與，也就是這個力必須涉及第四維空間，物理實驗不管涉及的能量多大，運動速度多快，只要是平行于三維物質(zhì)空間，就不會引起物體離開三維物質(zhì)空間，而特異功能者經(jīng)過訓練，相信具有某種能力，運用意識驅(qū)動“場”運動，因為是場運動，涉及第四維空間，產(chǎn)生的力可以不平行三維物質(zhì)空間，致使物體隱形。意識如何驅(qū)動場運動，如何產(chǎn)生力推動物體，這是整個問題的關鍵，要搞清隱形的物理機制，首要問題是如何提出合適的理論，指導試驗者訓練，成功地運用意識推動物體。當然，實驗必須具備可重復性。

　　 離開三維物質(zhì)空間隱形后，所處空間位置的標量引力場已經(jīng)改變（極其稀?。姶畔嗷プ饔煤蛻T性必將隨之改變，那么物體如何恢復原有的原子體系結(jié)構(gòu)以便重現(xiàn)呢？這是另一個必須解答的問題，可是這一問題不好回答，只是我相信，如果自然界中真的可以隱形和重現(xiàn)，那么這種現(xiàn)象必然有其存在的科學道理，那怕也許我們一輩子也弄不明白。

　　 6.3 四維彎曲體圓的程度和厚度

　　 科學上有個不成文的公理，“數(shù)學的最完美圖案在自然界中不存在”，四維彎曲體作為宇宙物質(zhì)的存在場所，不可能就象表達式那樣完美，那么，究竟有多“圓”呢？

　　 四維彎曲體圓的程度首先取決于宇宙大爆炸的瞬間，然后取決于爆炸后的演變。我們假設大爆炸前能量的收縮在四維空間內(nèi)進行，這種收縮可能存在某種機制，使得波動能量幾乎同一時刻到達四維空間的一個點上，然后爆炸，又“同一時刻”離開這個“點”，形成初步的四維彎曲體外形。隨后，由于物質(zhì)的引力場被限制在四維彎曲體的三維彎曲空間內(nèi)，能量之間的相互作用，包括粒子間的引力、斥力和碰撞，光子的傳播等，都被引力場的存在位置限制在四維彎曲體的三維彎曲空間內(nèi)進行，從而保證了四維彎曲體不至于解體。

　　 光子的遠程傳播是導致四維彎曲體變得更圓的直接原因。光子的遠程傳播一方面“試圖”是直的，另一方面又依賴引力場的存在，這反過來影響引力場的空間分布，使其分布的曲率變得更小、更均勻，從而促使四維彎曲體變得更圓。

　　 由于未能觀察到第四維空間，人們總是假設物質(zhì)存在的第四維空間線度非常小，小于 m，其實不然，物質(zhì)存在的第四維空間也許比這一數(shù)值大了許多，只是我們尋找不到存在這一維空間的物理機制。設想兩個半徑差值很小的球面之間在些紙碎，并富于它們感知能力，它們就會從相互碰撞過程感知彼此的二維幾何形狀，但由于離不開這個薄薄的二維彎曲空間，它們是不能感知第三維空間存在的。如果紙碎厚度很大，譬如大于1cm，只要它們?nèi)匀槐幌拗圃趦汕蛎嬷g，它們也同樣不能感知第三維空間的存在，這就說明了四維彎曲體的厚度也許不至于那樣小。

　　 6.4 以太、場論、標量引力場和量子力學

　　 我象許多二十世紀初的物理學家那樣懷念以太，盡管機械式的以太已經(jīng)被排除出物理學之外，但人們不會忘記以太曾經(jīng)輝煌的一頁，不會忘記麥克斯韋借助以太建立場方程從而奠定電磁學基礎[10][11]，不會忘記最初菲涅耳依據(jù)以太推導出曳引系數(shù)公式 [12]。隨著物理學的進展，人們又注意到真空不空，真空中存在著一種特殊的物質(zhì)，這種物質(zhì)導致了粒子波動性和真空極化的存在，導致了測不準原理的出現(xiàn)，導致了量子力學得到以成功地研究微觀物體運動，不管我們稱之為“以太”還是“場”，這一物質(zhì)確實客觀存在著。

　　 本文依據(jù)標量引力場提出相對運動原理，如果成功了，那么我們可以相信，無論昔日的“以太”還是今日量子力學賴以存在的“場”，其真實身份都是“標量引力場”。標量引力場作為一種特別的物質(zhì)，幾乎沒有質(zhì)量和慣性，卻能對粒子在其中的運動產(chǎn)生影響，它具有某種彈性形變的性質(zhì)，使得粒子的運動引起一種不同于宏觀介質(zhì)的波動，波動頻率正比于粒子能量，波長卻反比于粒子動量，波動強度隨著與粒子的距離增大而衰減，粒子的速度越大、質(zhì)量越大，衰減得越快，最為奇特的是，粒子運動在標量引力場中引起的波動，在能量和動量等方面永遠與該粒子融洽而成為一個整體，就像一個光子，無論傳播的距離多遠，它含有的能量和動量仍然是一個整體。粒子的運動在微觀上已經(jīng)不再獨立，這使得電子雙縫干涉現(xiàn)象得以存在，電子不管穿越哪一個縫，引起的波動總是同時穿越兩個縫，這就引起了波動之間的干涉，但電子和這些波動能量又永遠是一個整體，所以我們又能觀察到一個個的電子。

　　 盡管愛因斯坦認為廣義相對論是一種場論，但相對論和量子力學顯得很不協(xié)調(diào)，尤其是狹義相對論，純屬時空理論，與“場”沒有任何關系，甚至排斥場，把真空看作沒有任何物質(zhì)——包括沒有場——的空虛空間。本文提出的基于經(jīng)典時空觀念的相對運動原理，它同時建立在引力場基礎之上，認為光的傳播等物理事件依賴標量引力場而存在，這注定它與量子力學的關系融洽許多，一旦人們證實物質(zhì)波也依賴標量引力場，找到普朗克常數(shù)與引力場標量積分或四維彎曲體特征半徑的關系，并且獲得光速C與糾纏態(tài)信息傳遞極大速度之間矛盾的深層原因，把兩者聯(lián)姻起來，物理學將重新回到一個整體。