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 门外老汉瞎扯时空 |
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断章师爷
[个人文集]
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加入时间: 2009/08/25
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作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
门外老汉瞎扯时空
断章师爷
老朽虚掷岁月，大半辈子的光阴都消耗在鼓捣各种材料颗粒的结构和性能上了。除此之外，对于周围这个世界几乎一无所知。日前和一位老同学方君在电话中聊起生命和宇宙起源等不着边际的话题。方君是位在家修行的优婆塞，他信奉佛祖关于“三千大千世界”的学说，认为“知一世界即是无量无边世界，知无量无边世界即是一世界”。对他基于信仰宣讲的这一套，我自然不能苟同。尽管我也浏览过一些宇宙起源的书籍，听过不少天体演化的讲座，但是我确实说不出个所以然来。很多问题，即使想得两眼发直，还是莫名其妙。
《简明牛津词典》（COD）中对于宇宙的解释是“将所有存在的物质和空间视作的一个整体” 。（all existing matter and space considered as a whole）《汉书‧艺文志‧尸子》中也有“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。要想了解宇宙，就必须了解时间和空间。
这几天耐下心来，重新温习了一遍有关时间、空间的基本概念。
牛顿认为空间是绝对的，他在《自然哲学的数学原理》一书中给绝对空间下的定义是：“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关，且永远是相同的和不动的”。（Absolute space, in its own nature, without relation to anything external, remains always similar and immovable.”）显然,牛顿认为绝对空间遵循着欧几里德几何（Euclidean geometry）的架构，与空间有关的物理量，例如长度、面积和体积等都是绝对的。所以,对一个相对地面是静止的观察者测量空间中A、B两点之间的距离与另一个相对地面是运动的观察者(例如在汽车上) 测量A、B这两点之间的距离应该是完全相同的。
同时牛顿认为时间也是绝对的，他给绝对时间下的定义是：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其它外界事物无关的流逝着”。（Absolute, true, and mathematical time, of itself, and from its own nature, flows equably without relation to anything external）根据牛顿的时间观念，对一个相对地面是静止的观察者测量空间中A、B两事件之间的时间间隔与另一个相对地面是运动的观察者测量A、B两事件之间的时间间隔应该是完全相同的。
牛顿的时间与空间，具有“不受任何外界影响”的性质，所以是绝对的。因为是绝对的，所以具有共同性和一致性，也就是说宇宙之中只有一个时间和一个空间，而且时间与空间彼此也是无关的。两参照系之间的时空关系可以应用伽利略变换（Galilean transformation）来表示。时间、空间与世间万物都无关，尽管万物都存在于时空之中。这是学习过高中物理学的人都能理解也都认同的基本观念或者说常识。
上世纪初（1905年）爱因斯坦提出了狭义相对论，对于牛顿的绝对时间与绝对空间的观念作了拓展和修正。狭义相对论的基本原理可以归结为两点：（一）惯性系之间完全等价，不可区分。（二）光速是不变的。狭义相对论的实验基础是迈克耳孙-莫雷（Michelson–Morley）对“以太风”的观察。他们用精确度很高的干涉仪多次测定，得到的光速均相同，从而确立了“光速不变原理”。爱因斯坦的结果可以用闵可夫斯基空间（Minkowski space）来描述。
在狭义相对论中，空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维整体，不同惯性参照系之间的变换关系式与洛伦兹变换（Lorentz transformation）在数学表达式上是一致的。
根据狭义相对论可以得出下列结果：（一）时间膨胀，当物体运动时，它内部所有一切的物理化学变化反应都会变慢。（二）长度收缩，当物体在运动时，在运动的那个轴向，会产生收缩。（三）相对论的同时性（relativity of simultaneity），因为没有绝对的静止系统，所以各个惯性系的观测者，对于两个事件的发生，仅能作出是否相对同时的判断，而没有办法作出是否绝对同时的判断，除非两事件发生在同一时空点上。相对论的同时性是计时点与位置点不重叠的相对基准，也即时空之间有差别，处于不同状态的观测者将观测出不同时的结果。（四）此外，包括质量、动量、能量以及其它物理学关系都要作相应的修正。
狭义相对论的结论都先后被实验证实，譬如美国的J.C.Hafele和R.E.Keating于1971年10月携带了4座铯-133原子钟，乘坐飞机做世界飞行，将结果与美国海军天文台（USNO）进行比较，发现慢了59纳秒。
当运动速度远远小于光速时，洛伦兹变换还原成伽利略变换，换句话说，狭义相对论的时空关系还原成经典的时空关系。读过普通物理学的人大体上可以明白狭义相对论的基本概念，也即用洛伦兹变换关系得出的解析式。要深入掌握有关的物理观念，就不容易了。
1916年爱因斯坦又提出了广义相对论，研究万有引力、时间-空间与物质的运动。狭义相对论之所以称为狭义（special）是因为研究范畴不涉及万有引力。广义相对论的核心是爱因斯坦场方程，这是一个以时空为自变量、以度规张量（metric tensor）为因变量的带有椭圆型约束的二阶双曲型偏微分方程组。爱因斯坦场方程描述的时空几何在数学上可以归结为四维赝黎曼流形（4D pseudo-Riemannian manifold，流形是数学术语，指局部具有欧几里德空间性质的拓扑空间）。
广义相对论认为由于有物质的存在，时间和空间会发生弯曲，引力场实际上是一个弯曲的时空。弯曲的程度是取决于万有引力的大小。也即只要有万有引力，四维时空就是弯曲的，万有引力越强的地方，时空弯曲程度越严重。在广义相对论中，物质的运动影响着时空，时空也影响着物质的运动。用爱因斯坦晚年的合作伙伴J.A.Wheeler的话来说：“时空告诉物体如何运动，物体告诉时空如何弯曲”。
爱因斯坦本人在1915年证明了广义相对论是如何解释水星轨道的反常近日点进动（The precession of perihelion）的现象，其过程不需要任何附加参数。另一个著名的实验验证是由爱丁顿爵士（Sir Arthur Stanley Eddington）率领的探险队在非洲的普林西比岛观测到的日食时的光线在太阳引力场中的偏折，其偏折角度和广义相对论的预言完全相符。
爱因斯坦场方程的每一组解都可以理解为一个由广义相对论制约的时空模型，其内部的物质还同时满足附加的物理定律。例如爱因斯坦场方程的一个非平凡精确解是Schwarzschild度规，这个解就黑洞的理论基础；Robertson-Walker度规对应着膨胀的宇宙模型；Taub NUT度规对应着各向异性的宇宙模型等。
广义相对论的结论包括：（一）引力时间膨胀，当存在一个大质量物体时，对于同一个过程在靠近大质量物体处比远离该物体时进行得缓慢。（二）引力红移，射入引力势阱中的光会发生蓝移，而从势阱中射出的光则会发生红移。（三）光线偏折，当光子途径一个大质量物体时路径会朝向物体发生弯曲。（四）引力时间延迟，在引力场中光的传播时间要比无引力场时长。（五）引力波，与随时间变化的电磁场会辐射电磁波类似，引力场也有可能会辐射引力波。此外，还有轨道效应、测地线效应和参考系拖拽等。
广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证。
要理解广义相对论就需要扎实的数学基础，不是专攻物理学的人充其量只能了解一个肤浅的概况。（自然老朽是属于连广义相对论的皮毛都不曾知晓的那一类门外汉。）
目前绝大多数物理学家都相信：大爆炸是描述宇宙起源和演化最好的理论。现在宇宙物理学的几乎所有研究都与大爆炸理论有关。例如大爆炸理论的框架下星系如何产生，早期和极早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。
爆炸开始时，宇宙中的每一点的温度都极高，所有粒子形成同一个温度的混合气体。随着宇宙的膨胀，温度降低。当温度下降到近三千度的时候，光开始与物质分离，物质在引力作用下一块一块地成团，形成恒星，恒星慢慢形成。很多恒星一起形成星系。比星系更大的则是星系团。此外天文观测的结果表明，在宇宙大爆炸“之前”，也就是在那团极高温气体出现之前，宇宙可能是冷的，而且发生爆胀（Inflation）。在极短极短的时间内膨胀了至少26个量级。
关于宇宙起源以及大爆炸等理论，老朽是一窍不通。因此，想就此文提几个问题，敬请芦区的诸位才俊不吝指教。希望才俊能通过自己的感受，使用自己的话语深入浅出地对门外老汉予以解释。谢谢!
1既然宇宙起源于大爆炸，那么在大爆炸之前宇宙是什么样子的？存在空间吗？存在时间吗？
2根据大爆炸理论，宇宙是有限无界的。对于这种有限无界的解释是，例如一个球面尽管没有边界（boundary），但是其面积是有限的，即4倍的半径平方再乘以圆周率。2007年剑桥大学Cavendish实验室的Malcolm Longair教授来我校物理系做了一个讲座，内容是关于河外最明亮的射电源。会后，我不懂得藏拙，向他请教关于“时空无限”的问题。他先问我是否学过奇点理论，我回答说没有。他又问我是否看过《时间简史》，我回答说看过，但是看不懂。他哈哈大笑，说我也看不懂。接着，他说大爆炸理论是，也只是，根据天文学观测到的实验现象进行研究后得到的一种设想而已。我清楚地记得他使用的是imagination这个词汇。我问他宇宙是无限的吗，他笑笑说你的意思是指边界吧，我能告诉你的是，我尚未观察到! Malcolm Longair教授的研究领域是宇宙学和射电天文学。现在关于宇宙的形状众说纷纭，莫衷一是。但是不管宇宙是哪一种形状的几何体，不管其属于数学上的几维空间，不管其是否有限无界，这个几何体之外又是什么呢，它有限吗？它无界吗？
3霍金以及他的一些合作者认为，在暴涨时期之前，只有某种看不见的空间的量子涨落，（所谓量子涨落，基于海森堡的测不准关系。这个关系既可以表示为动量和位置，也可以表示为能量和时间。这样，当时间间隔为极短，能量可以骤然间增加，于是就允许从完全全空无一物中间出现少许能量，因为是涨落的缘故，所以该能量在很短时间内重归消失。涉及的能量越大，持续的时间越短）其它什么都不存在。换句话说，宇宙是从“无”（nothing）中产生的。“无”当然什么也不是罗，既不存在时间，也不存在空间。计算机模拟实验结果显示，宇宙大爆炸之初就是“椭球形”的。《艺文类聚》曰“天地浑沌如鸡子，盘古生其中。天地开辟，阳清为天，阴浊为地” 。“无”莫非就是盘古生于其中的那个外形像鸡蛋的混沌吗？这是神话呢，还是科学呢？又莫非“无”就是佛家的“空”吗？纵然是“空”的话，这个“空”是有限，还是无限呢？
4爱因斯坦场方程的精确解十分难求，大部分情况下是采用数值计算的方法（或者用微扰法求得近似解）。换句话说，可以使用高性能的计算机来对时空几何进行数值模拟。那么，倘若计算机的运算能力足够巨大，是否就可以解决所有广义相对论系统涉及到的问题了（包括宇宙的形状、起源、命运等等……）？这不就是（计算机）数值运算拜物教的某种表现形式吗？
年纪老了，说话、写东西都罗嗦。对于费心看完我这篇冗长芜杂文字的网友衷心致谢。
作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
上一次由断章师爷于2011-11-06 周日, 下午3:21修改，总共修改了1次 |
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