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宇宙的演化及其參數(shù)和常數(shù)(二)——空間量子和哈勃常數(shù)

關(guān)于萬有引力常數(shù)G

根據(jù)自然哲學(xué)第三定律,物質(zhì)的封閉性小于1,物質(zhì)的內(nèi)在能量可以與空間相互作用,形成熱度場(chǎng)。由于熱度場(chǎng)的疊加,兩物體內(nèi)側(cè)的封閉性小于它們外側(cè)的封閉性(空間的溫度越高,物體的封閉性就越小)。于是,兩個(gè)物體之間的空間壓強(qiáng)小于兩個(gè)物體外側(cè)的空間壓強(qiáng),由此產(chǎn)生的壓差就是萬有引力。

萬有引力常數(shù)G是一個(gè)用來描述空間與物質(zhì)相互作用的參量,該參量類似空間壓強(qiáng)即空間的能量密度,只不過其所刻畫的空間是更為基本的量子空間,而不是地球上的大氣空間。由于萬有引力是遠(yuǎn)程力,需要借助于空間來實(shí)現(xiàn),所以,萬有引力常數(shù)G的具體數(shù)值必定來自空間參量的組合即是光速c、普朗克常數(shù)h、量子的弛豫時(shí)間τ0和量子間距r等4個(gè)參數(shù)的組合,會(huì)隨著宇宙的膨脹而相應(yīng)地變小。由此,間接地證明百億年來宇宙是近似靜態(tài)的,否則的話,就不可能存在穩(wěn)定的天體系統(tǒng),如太陽系和銀河系。

根據(jù)現(xiàn)代天文的觀測(cè),天文學(xué)家推斷,星系之間的分離不是減慢而是不斷地加速。如果這一推斷正確的話(這只是關(guān)于系統(tǒng)紅移的數(shù)種推斷之一),該推斷就會(huì)與傳統(tǒng)的一維物質(zhì)觀相矛盾。一方面,在大爆炸的后期,在萬有引力的作用下,宇宙的膨脹應(yīng)該逐漸減慢;而另一方面,代表宇宙的物質(zhì)(星系),卻又在加速分離。對(duì)此,有科學(xué)家根據(jù)機(jī)械的世界觀做出如下的推論,即在宇宙空間存在著相當(dāng)于物質(zhì)總量3倍多的暗能量,該能量是反引力的。這是一種典型的就事論事的解釋,它除了消除已知的反?,F(xiàn)象之外,并沒有與其他的現(xiàn)象和理論建立聯(lián)系,因而其認(rèn)識(shí)效率是比較低的。反之,根據(jù)有機(jī)的量子宇宙景觀,宇宙有兩種存在狀態(tài):其一是離散的空間,其二是封閉的物質(zhì)。由于物質(zhì)只是宇宙中一種暫時(shí)的存在狀態(tài),僅占很小的比例,所以物質(zhì)并不能對(duì)宇宙的存在狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)的影響,相反是由空間決定物質(zhì)的存在狀態(tài),物質(zhì)只是宇宙膨脹的附屬產(chǎn)物。因此,作為對(duì)比,我們可以將星系加速分離的現(xiàn)象歸結(jié)為宇宙的膨脹。由于宇宙的膨脹會(huì)導(dǎo)致空間效應(yīng)減小,于是星系之間借助于空間實(shí)現(xiàn)的相互作用(星系之間的引力聯(lián)系)就會(huì)逐漸變?nèi)?,從而使各星系因在更大的程度上服從宇宙的膨脹而相互加速飄離。

關(guān)于背景溫度T0(或τ0

所謂背景溫度,就是空間的溫度,背景是相對(duì)于物質(zhì)而言的。1965年,美國科學(xué)家彭恰斯和威爾遜在改進(jìn)衛(wèi)星通信的過程中,意外地發(fā)現(xiàn)了“過剩天線噪聲”。這種大約相當(dāng)于2.7K的微波輻射來自宇宙的四面八方,與具體的星系分布無關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)具有重大的科學(xué)意義,說明宇宙空間是有能量的,該能量是由構(gòu)成空間的量子在大爆炸之后殘存下來的。為此,彭恰斯和威爾遜共同獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

背景溫度是一個(gè)隨著宇宙的演化而變化的參量。目前,精確測(cè)量到的背景溫度T0為2.69K,由此我們可以通過熱力學(xué)公式得到τ0的數(shù)值為3.58×10-12s。根據(jù)這一數(shù)值,基態(tài)量子的能量大約是可見光子能量的千分之一,而在宇宙大爆炸之初其能量可以產(chǎn)生基本粒子,是遠(yuǎn)高于γ射線等高能光子的。這說明隨著宇宙的膨脹、對(duì)外做功以及光子的部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,空間量子的勢(shì)能已下降了萬億倍。

關(guān)于光子的靜質(zhì)量m0

根據(jù)有機(jī)的觀點(diǎn),物體的外在能量有兩種存在方式,即動(dòng)能和勢(shì)能。這對(duì)于光子也不例外。當(dāng)光子進(jìn)入光密媒質(zhì)(如垂直進(jìn)入水)時(shí)類似膨脹紅移(嚴(yán)格地說是收縮紫移),雖然其總能量沒有變化,但是會(huì)有一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,即隨著空間效應(yīng)的增大,光子需要維持其勢(shì)能的速度減小了。具體的公式為

1/2×m0v21 + hv1 = 1/2×m0v22 + hv2

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

其中,v1 = c ≥ v2,△v = v2 - v1,△v = v1 - v2 。若取極限,令△v趨近于零,則△v也會(huì)隨之為零。由于光子的靜質(zhì)量相對(duì)于普朗克常數(shù)h來說非常小,所以其速度的變化所能引起的頻率變化是比較小的,即 △v/△v < 1。于是,光子靜質(zhì)量的上限是

m0 < h/c 或 m0 < 2.21×10-37g

由于普朗克常數(shù)h大于零且其量綱為角動(dòng)量(mrv),又由于普朗克常數(shù)h是光子(量子)的本征參量,說明光子(量子)擁有角動(dòng)量且具有不變性,其中含有靜質(zhì)量,所以光子的靜質(zhì)量m0是大于零的。于是,光子靜質(zhì)量的范圍是

0 < m0 < 2.21×10-37g

目前只能定性地給出光子靜質(zhì)量的范圍,其具體數(shù)值需要通過測(cè)量不同頻率的速度差或在不同介質(zhì)中的頻率變化率來予以確定。

由于愛因斯坦的質(zhì)能變換公式中含有參量光速c,所以光子的靜質(zhì)量 m0 也是一個(gè)隨宇宙演化的參變量。在宇宙大爆炸之初,光子是一個(gè)靜質(zhì)量很大的粒子,而且是當(dāng)時(shí)宇宙中唯一的粒子。在我們傳統(tǒng)的觀念里,靜質(zhì)量應(yīng)該是固有和一成不變的。然而,根據(jù)質(zhì)能公式,不僅質(zhì)量可以轉(zhuǎn)換為能量,而且只要光速是隨空間變化而變化的,則靜質(zhì)量相對(duì)于一定的能量也是變化的。因?yàn)?,質(zhì)量是一個(gè)由能量和空間兩因素共同決定的復(fù)合概念,具有相對(duì)性。于是,靜質(zhì)量的精確定義是,靜質(zhì)量是被封閉的能量關(guān)于其空間效應(yīng)的度量。只有能量才是守恒的,具有絕對(duì)性。

關(guān)于哈勃常數(shù)H0

天文學(xué)家哈勃于1929年發(fā)現(xiàn)星系退行速度與距離之比近似為一個(gè)常數(shù),由此命名為哈勃常數(shù)。實(shí)際上,哈勃發(fā)現(xiàn)的是星光的普遍紅移現(xiàn)象,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),星光紅移與距離之比近似為一個(gè)常數(shù)。由于哈勃相信星光紅移是星系退行所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)紅移,于是哈勃用星系的退行速度取代星光紅移,從而得到了現(xiàn)在大家所熟知的哈勃常數(shù)。然而,對(duì)于星光的普遍紅移現(xiàn)象可以有多種解釋,星系退行只是這些解釋中較為流行的一個(gè)解釋。

根據(jù)光速不變?cè)恚诵行窍蛋l(fā)出的光有一個(gè)由相對(duì)于星系以速度c運(yùn)動(dòng)到相對(duì)于空間以速度c運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)變,等效為光速變大。相應(yīng)地,光的頻率會(huì)變小。這就是光的運(yùn)動(dòng)紅移,屬于能量形式變化紅移。根據(jù)統(tǒng)計(jì),星系的平均退行速度是光速的百分之一,星光的平均紅移量為0.1,代入靜質(zhì)量公式計(jì)算出的光子靜質(zhì)量,比基態(tài)量子的動(dòng)質(zhì)量還大100倍,這顯然是不合理的。即便是根據(jù)狹義相對(duì)論的洛倫茲變換,速度為光速的百分之一時(shí)所對(duì)應(yīng)的紅移大約只有萬分之一,僅為實(shí)際測(cè)量值的千分之一,比實(shí)際觀測(cè)紅移的誤差范圍還要小。于是,星系的退行與否,與星系的普遍紅移并沒有多大關(guān)系。

實(shí)際上,由于光子的靜質(zhì)量非常小,無論是膨脹紅移還是運(yùn)動(dòng)紅移,由速度變化引起的紅移量都非常小。因?yàn)椴恍枰嗌傧鄬?duì)于空間的勢(shì)能,就足以引起光速較大的變化。此外,這兩種紅移以及引力紅移都不會(huì)隨著傳播進(jìn)行積累,因而它們的紅移量一般都只有百萬分之一量級(jí),遠(yuǎn)不足以解釋0.1的紅移。

對(duì)于上述分析,或許有人并不認(rèn)同。他們認(rèn)為,光速的運(yùn)動(dòng)紅移和聲速的多普勒效應(yīng)完全相同,并經(jīng)常拿來相互比喻。以此為根據(jù),認(rèn)為頻率的變化率與速度變化率直接相關(guān),因而具有較為顯著的紅移。其實(shí),這是一個(gè)誤解。聲速是可以與聲源的速度疊加的(因?yàn)榇髿饪臻g的密度非常?。馑俨恍?,會(huì)受到量子空間的制約(因?yàn)榱孔涌臻g的密度非常大)。在傳播距離遠(yuǎn)大于半變換距離時(shí),光速只相對(duì)于空間以速度c運(yùn)動(dòng),與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。

耗散紅移則不同,是可以隨著傳播的過程不斷地積累的,經(jīng)歷數(shù)十億年的時(shí)間,其紅移量可以累積達(dá)到可觀的量級(jí)。已知星光的平均紅移為0.1,是其余三種紅移的數(shù)十萬倍。這說明星光的普遍紅移,其絕大部分都是耗散紅移。這一方面證明了真空不空(否則的話耗散就無從談起),另一方面也說明我們的宇宙并不一定具有普遍的星系退行,即并不一定正在大規(guī)模地膨脹。

如若根據(jù)狹義相對(duì)論,運(yùn)動(dòng)紅移就不是很小的問題了,而是根本就不存在。根據(jù)光速不變?cè)?,任何參照系中的光速都是一樣的,而且光子的靜質(zhì)量為零,不存在能量形式的轉(zhuǎn)換;根據(jù)狹義相對(duì)性原理,任何參照系中的物理公式、參量及常數(shù)都是一樣的,不允許通過頻率的變化(紅移)找出特殊參照系(光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))。于是,哈勃定律關(guān)于星系退行速度與星光紅移成正比的解釋與狹義相對(duì)論是有沖突的,兩者至少有一個(gè)是錯(cuò)誤的。

還有一種說法,認(rèn)為星光的紅移是由于空間膨脹拉長了光的波長。這種說法同樣是站不住腳的。因?yàn)?,這意味著原子的光譜僅與空間的膨脹相關(guān),而與空間的狀態(tài)無關(guān)。也就是說,無論空間膨脹到何種狀態(tài),原子的光譜在產(chǎn)生之時(shí)都是相同的。這種說法顛倒了因果關(guān)系,由原本的宇宙膨脹導(dǎo)致光子的狀態(tài)變化進(jìn)而影響光譜,改為宇宙狀態(tài)的變化導(dǎo)致光的波長膨脹進(jìn)而影響光譜。前者的紅移與光的傳播時(shí)長無關(guān),而后者的紅移則是可以隨著光的傳播積累的。此外,如果空間的膨脹降低光的頻率,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致光子的能量流失。根據(jù)相對(duì)論,其既不允許光子對(duì)空間做功(因?yàn)榭臻g是幾何的),又不允許光子的部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能(因?yàn)橐蠊庾拥撵o質(zhì)量為零且速度不變),那么減少的這部分能量去了哪里?違反了能量守恒定律。

綜上所述,哈勃常數(shù)為星系退行速度與距離之比是有疑問的,應(yīng)該仍還原為最初的星系紅移與距離之比。星系具有普遍紅移且隨距離的增大而增大,這是一個(gè)客觀事實(shí)。對(duì)于這一事實(shí)的解釋,還得另辟蹊徑。從有機(jī)的量子空間景觀來看,耗散紅移是星系紅移的主要原因。于是,哈勃常數(shù)也是一個(gè)關(guān)于宇宙演化的參變量,會(huì)隨著宇宙膨脹和空間效應(yīng)的減小而變小。

關(guān)于量子間的間距r0及空間密度ρ0

量子間的間距r0和量子空間的密度ρ0也是一對(duì)關(guān)于宇宙演化的參變量,它們會(huì)隨著宇宙的膨脹而分別變長和變小。根據(jù)自然哲學(xué)第一定律——自然界存在著變化的歸一性,已知的四種相互作用力都與空間相關(guān)。其中,強(qiáng)相互作用力和萬有引力屬于同一類作用力,都是沒有方向的標(biāo)量。它們的區(qū)別在于,強(qiáng)相互作用力的強(qiáng)度約為萬有引力的1038倍,且其有效作用范圍為10-14~10-13cm。這說明兩個(gè)相互作用力的形成機(jī)制是相同的,都是離散的量子空間碰撞的不對(duì)稱,造成兩者之間差異的原因只是同一機(jī)制在不同極限的情況下所具有的不同表現(xiàn)。前者屬于短距離的極限情況,而后者則屬于長距離的極限情況。衡量空間內(nèi)部距離長短的尺度,就是量子間的間距。所以,在離散的空間,量子間的間隔距離r0應(yīng)該是強(qiáng)相互作用范圍的下限,約為10-14cm。由此,我們得到的量子密度ρ0約為1041個(gè)/cm3。當(dāng)相互作用的距離超過10-14cm時(shí),會(huì)因作用距離過大降低粒子之間的真空系數(shù),使強(qiáng)相互作用力迅速變??;反之,當(dāng)相互作用的距離小于10-14cm,又會(huì)因距離過小失去了空間壓強(qiáng),同樣會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)相互作用力的減弱。

所以,正是量子空間的密度使強(qiáng)相互作用的有效范圍被限制在10-14cm附近,一旦超出這一尺度,強(qiáng)相互作用力就會(huì)迅速衰減,轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ娜f有引力。于是,自然界借助于作用距離的不同,將強(qiáng)相互作用力和萬有引力分別限制在兩個(gè)不同的極限情況,表現(xiàn)為兩種截然不同的作用力。類似地,電磁力和弱相互作用力是另一對(duì)長、短距離作用力,它們也是同一種作用力在不同的距離所產(chǎn)生的不同極限情況。上述兩對(duì)作用的差別僅在于,前一對(duì)是由沒有特定方向的散度場(chǎng)(標(biāo)量)產(chǎn)生的,而后一對(duì)則是由具有一定方向的旋度場(chǎng)(矢量)形成的。

總之,我們的宇宙只是自然界的一部分,是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立和有限的封閉體系。空間密度ρ0、基態(tài)量子間的間距r0、基態(tài)量子的弛豫時(shí)間τ0、背景溫度T0、光速c、宇宙膨脹速度C、光子的靜質(zhì)量m0、萬有引力常數(shù)G和哈勃常數(shù)H0等,都是刻畫宇宙具體演化狀態(tài)的參變量,它們都會(huì)隨著宇宙的演化而變化。只有普朗克常數(shù)h作為量子的角動(dòng)量具有不變性,是更本質(zhì)和更深層次的參變量,是一個(gè)不隨宇宙的演化而變化的常數(shù)。普朗克常數(shù)h的存在和宇宙中的萬物所具有的歸一性相一致,它是定義和刻畫宇宙具有歸一性的那個(gè)“一”的常數(shù),是宇宙中唯一的一個(gè)本征參數(shù)。而且,正是這一本征參數(shù),決定了宇宙空間的離散性和物質(zhì)的量子化,并由此形成了一個(gè)有機(jī)的世界。

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