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宇宙邊界和時(shí)間的相對(duì)性 膨脹的“時(shí)間球”作者:郭丙善摘 要:揭示宇宙空間問(wèn)題是一件龐大的認(rèn)識(shí)工程?!熬嚯x是一個(gè)時(shí)間概念” “時(shí)間是三維的”,通過(guò)改變?nèi)藗儗?duì)“距離”、“時(shí)間”概念的固有認(rèn)識(shí),建立了“時(shí)間球”宇宙模型。從“時(shí)間球”角度揭示了宇宙是什么樣子的,何為宇宙的中心和邊界。同時(shí)指出了時(shí)間在時(shí)空中的相對(duì)性的原因,闡述了光線運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題、光線彎曲及曲率函數(shù)問(wèn)題,解釋了背景輻射現(xiàn)象和光速不可疊加現(xiàn)象。并且根據(jù)“時(shí)間球”宇宙模型對(duì)宇宙現(xiàn)象作出了一些推論和解釋。關(guān)鍵詞:宇宙邊界、“時(shí)間球”、時(shí)間流逝相對(duì)性、速度疊加原理、光速不變作者簡(jiǎn)介:郭丙善,河北石家莊人,1970年10月10日出生,男,工程師職稱。電話Email:。n 0引言隨著科學(xué)不斷取得成就,人類認(rèn)識(shí)和改造自然的能力得到不斷提高。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)為人類認(rèn)識(shí)宇宙帶來(lái)了曙光?;艚鸷团砹_斯根據(jù)奇性定理預(yù)言宇宙存在一個(gè)奇點(diǎn),那里是時(shí)間和空間的開(kāi)始。奇點(diǎn)的存在,很好支撐了宇宙大爆炸理論,也支持了20世紀(jì)的偉大發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹這一事實(shí)。雖然人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)不斷加深,但仍然沒(méi)能給出像宇宙邊界這樣問(wèn)題的終極解答。人們?cè)谡J(rèn)識(shí)宇宙的道路上受到了太多固有認(rèn)識(shí)的束縛,這些固有認(rèn)識(shí)限制了人們認(rèn)識(shí)觀念的飛躍。認(rèn)識(shí)宇宙更多地應(yīng)靠理性,而不能完全依賴固有原理。舉個(gè)例子,勾股定律沒(méi)人懷疑過(guò),可要把它放在宇宙這樣大的時(shí)空尺度它未必就是正確的。認(rèn)識(shí)宇宙的過(guò)程,其實(shí)是人們對(duì)自己觀念的一個(gè)整理過(guò)程。正確的理論來(lái)自正確的認(rèn)識(shí)觀念,人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自感覺(jué),尤其是視覺(jué),它是人們獲取遙遠(yuǎn)數(shù)據(jù)信息的主要渠道,所以人們必須對(duì)距離、時(shí)間、光線等概念進(jìn)行認(rèn)真的分析,從而辨別出這些概念的實(shí)質(zhì)?!熬嚯x是一個(gè)時(shí)間概念”、“時(shí)間是三維的”、“光線是以漸開(kāi)線軌跡運(yùn)動(dòng)的”,人們樹(shù)立這些觀念是建立“時(shí)間球”宇宙模型的基礎(chǔ)。 本文觀點(diǎn)是建立在霍金和彭羅斯的宇宙存在開(kāi)端的觀點(diǎn)之上的,同時(shí)也是以宇宙大爆炸觀點(diǎn)為基礎(chǔ)的。n 1、時(shí)間球概念1.1、距離是一個(gè)時(shí)間概念在日常生活中,距離是一個(gè)與我們生活活動(dòng)密不可分的概念。河北石家莊距離北京250公里。如果有人問(wèn)你河北石家莊在哪里,你可能回答:從北京西客站坐火車向南行駛250公里就到了。250公里成了區(qū)分北京和石家莊兩個(gè)城市的地理依據(jù)。我們已經(jīng)非常習(xí)慣用距離來(lái)區(qū)分兩個(gè)地點(diǎn),所有人從來(lái)都沒(méi)有探究過(guò)距離的實(shí)質(zhì)。如果所有火車都是按照100公里/小時(shí)的速度在行駛,人們也都知道這一情況并且從來(lái)都沒(méi)有懷疑過(guò),再遇到有人問(wèn)石家莊在哪里的問(wèn)題時(shí),是否也可以這樣回答:從北京西客站坐火車向南行駛兩個(gè)半小時(shí)就到了。距離其實(shí)是一個(gè)時(shí)間尺度,在石家莊在哪里這個(gè)問(wèn)題里,250公里和兩個(gè)半小時(shí)的答案都對(duì),250公里等于兩個(gè)半小時(shí)。這點(diǎn)很重要,在宇宙時(shí)空這樣大尺度的問(wèn)題上,距離變得越來(lái)越?jīng)]有意義,最終時(shí)間變成了區(qū)分兩點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖1)。圖1在現(xiàn)階段我們還從未發(fā)現(xiàn)有比光速更快的速度,我們完全可以把光速設(shè)定為計(jì)算兩點(diǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)。兩點(diǎn)距離即使再近,光線從一點(diǎn)運(yùn)行到另一點(diǎn),也總是要發(fā)生時(shí)間,所以說(shuō)距離其實(shí)是一個(gè)時(shí)間尺度。假設(shè)A、B兩點(diǎn)相距5光年,以光速為標(biāo)準(zhǔn),以后我們可以回答A、B兩點(diǎn)距離為5年。若A、B兩點(diǎn)距離為0年,A、B兩點(diǎn)就撞在了一起。兩輛汽車之所以會(huì)發(fā)生碰撞,是因?yàn)樗鼈兊木嚯x變?yōu)?年。下面我們進(jìn)一步探究?jī)牲c(diǎn)間的時(shí)間差問(wèn)題。我們知道,光線從太陽(yáng)運(yùn)行到地球大概需要8分鐘,站在地球上的人看到此時(shí)的太陽(yáng)光其實(shí)是太陽(yáng)8分鐘前發(fā)出的,人們可以認(rèn)為太陽(yáng)距地球的距離為8分鐘。假設(shè)觀察者站在地球上,地球上的時(shí)間是現(xiàn)在時(shí)刻,可以認(rèn)定為0分鐘時(shí)刻,此時(shí)太陽(yáng)是地球過(guò)去的8分鐘,可以認(rèn)定為-8分鐘時(shí)刻,它們的差是8分鐘。若觀察者站在太陽(yáng)上,情況正好相反,太陽(yáng)上的時(shí)間是現(xiàn)在時(shí)刻,可以認(rèn)定為0分鐘時(shí)刻,此時(shí)地球是太陽(yáng)過(guò)去的8分鐘,可以認(rèn)定為-8分鐘時(shí)刻,它們的差也是8分鐘。宇宙中的時(shí)空點(diǎn)是有時(shí)間性質(zhì)的,它們是時(shí)間性和空間性完美的結(jié)合。宇宙中時(shí)空點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)是相對(duì)的。上述太陽(yáng)和地球距離的例子中,觀察者站在地球上,地球處的時(shí)間性質(zhì)就是0分鐘時(shí)刻,太陽(yáng)處的時(shí)間性質(zhì)就是-8分鐘時(shí)刻;若觀察者站在太陽(yáng)上,則太陽(yáng)處的時(shí)間性質(zhì)變?yōu)?分鐘時(shí)刻,而地球處的時(shí)間性質(zhì)變?yōu)?8分鐘時(shí)刻。這不影響它們間的距離。在上述太陽(yáng)和地球距離的例子中,觀察者看到的所有景象都是過(guò)去時(shí)刻發(fā)生的,他所看到的所有其它物體距他的眼睛都存在距離,哪怕距離再小,光線的傳輸也需要時(shí)間,所以他看到的都是過(guò)去的事情。他眼睛處那一點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)為零,它之外所有時(shí)空點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)都是負(fù)值,都是過(guò)去。距離我們?cè)竭h(yuǎn)發(fā)來(lái)的光線,事件過(guò)去的時(shí)間越久遠(yuǎn)??梢赃@么說(shuō),觀察者的“視覺(jué)宇宙”其實(shí)是過(guò)去不同時(shí)間發(fā)生的事件,其影像在現(xiàn)在這一時(shí)刻傳到我們眼睛處的組合,我們被過(guò)去事件所包圍。“視覺(jué)宇宙”是由看到的過(guò)去事件的影像組成的(見(jiàn)圖2)。圖2:觀察者被過(guò)去事件層層包圍我們看到的五彩繽紛的世界其實(shí)都是過(guò)去發(fā)生的,甚至你看到你自己的雙手也都是過(guò)去的。由于光線傳輸?shù)乃俣群芸?,我們看到的世界離我們又如此近,以至于我們感覺(jué)一切都在同時(shí)發(fā)生。正是這一點(diǎn)使我們認(rèn)識(shí)宇宙過(guò)程中總是把時(shí)間和空間分開(kāi)看待。認(rèn)為時(shí)間是沿一個(gè)維度從過(guò)去向?qū)?lái)運(yùn)行,而空間中的萬(wàn)物變化與時(shí)間毫不相干。事實(shí)上,拋開(kāi)了時(shí)間因素,把時(shí)間看成靜止的一刻,我們就會(huì)產(chǎn)生很多錯(cuò)覺(jué),最終影響我們對(duì)宇宙問(wèn)題的深入了解。比如,在較短距離上,我們可以不計(jì)較空間點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì),五米加五米等于十米,勾股定律符合的非常好??稍诖蟪叨壬?,時(shí)間性質(zhì)就不能被拋棄,五米和五米就不能相加,勾股定律也失靈了。我總提勾股定律,是因?yàn)楠M義相對(duì)論在推導(dǎo)過(guò)程中用到了勾股定律,我認(rèn)為他的結(jié)果是有局限性的。我們?cè)侔褧r(shí)間尺度放得大一點(diǎn)。引言中已經(jīng)說(shuō)了,本文觀點(diǎn)是建立在宇宙大爆炸觀點(diǎn)基礎(chǔ)之上的,認(rèn)為宇宙有一個(gè)開(kāi)端一直發(fā)展到現(xiàn)在,宇宙是從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始的。我們假設(shè)宇宙從開(kāi)端到現(xiàn)在已存在200億年。從理論上講,我們向前看,只要我們有足夠的耐心,就一定能夠看到200億光年處發(fā)射過(guò)來(lái)的光線,那是宇宙起始的一刻,是奇點(diǎn)。同樣的道理,我們回過(guò)頭來(lái)向后看,也應(yīng)能夠看到200億光年處的事件,也是宇宙起始的一刻,是奇點(diǎn)。我們向四周看,在四周方向都應(yīng)能看到200億光年處發(fā)來(lái)的一束光線,都是宇宙的開(kāi)端,是奇點(diǎn)。200億年前宇宙爆炸時(shí)幾乎是從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始的,浩淼無(wú)垠的宇宙怎么竟被一個(gè)點(diǎn)包裹著呢?我們四周從最遠(yuǎn)處傳來(lái)的光線怎么起源于一個(gè)共同的點(diǎn)子(奇點(diǎn))呢?事實(shí)也確實(shí)是這樣。在我們的視覺(jué)里我們的宇宙確實(shí)被一個(gè)點(diǎn)子包裹著(見(jiàn)圖3)。宇宙怎么會(huì)是這樣的,我們四周從最遠(yuǎn)處飛來(lái)的光線它們的起點(diǎn)怎么會(huì)扭結(jié)在一起,光線是什么時(shí)候開(kāi)始彎曲的,是什么使光線彎曲的。要想明白其中的道理,認(rèn)清宇宙的真實(shí)面目,我們的觀念必須飛躍。圖3:觀察者看到浩淼無(wú)垠的宇宙竟被奇點(diǎn)包裹著1.2、時(shí)間是三維的學(xué)過(guò)幾何知識(shí)的人都知道,直線是一維的,平面是兩維的,空間是三維的。維是指獨(dú)立的時(shí)空坐標(biāo)的數(shù)目。一維是線,定義“點(diǎn)”需要一個(gè)坐標(biāo)參數(shù)(X)。二維是一個(gè)平面,定義“點(diǎn)”需要兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)(X,Y)。三維是體積,定義“點(diǎn)”需要三個(gè)坐標(biāo)參數(shù)(X,Y,Z)。隨著人們對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的深入,人們開(kāi)始努力把時(shí)間和空間聯(lián)系起來(lái)看問(wèn)題。通過(guò)研究,人們認(rèn)識(shí)到空間和時(shí)間不是孤立存在的,而是彼此存在關(guān)聯(lián)的。但它們究竟存在什么樣的聯(lián)系,還一時(shí)鬧不明白。于是有人在三維空間之外又增加了一個(gè)時(shí)間維,定義“點(diǎn)”需要四個(gè)坐標(biāo)參數(shù)(X,Y,Z,t)。在如此的四維空間里,時(shí)間維度垂直于其它三維,并沿著一個(gè)方向從昨天到達(dá)今天,并不可逆轉(zhuǎn)地走向明天。霍金的時(shí)間箭頭,認(rèn)為時(shí)間像一列火車一樣沿單維度運(yùn)行,由過(guò)去走向?qū)?lái)。時(shí)間維果真像上述四維空間描述的那樣沿一維方向發(fā)展的嗎?時(shí)間坐標(biāo)參數(shù)t果真能夠和其它三維坐標(biāo)參數(shù)X、Y、Z并列在一起嗎?問(wèn)題恐怕就在這里。如果我們的假設(shè)出了錯(cuò)誤,那么建立在錯(cuò)誤假設(shè)基礎(chǔ)上的結(jié)論可想也是錯(cuò)誤的。本書觀點(diǎn)認(rèn)為,時(shí)間是三維的,它和空間的三維性是完全統(tǒng)一的,甚至可以說(shuō)時(shí)間的三維性決定了空間的三維性。請(qǐng)看下面對(duì)時(shí)間三維性的論證。在上一節(jié)“距離是一個(gè)時(shí)間概念”中已經(jīng)介紹過(guò),宇宙空間的每一點(diǎn)都有時(shí)間性質(zhì),且各點(diǎn)時(shí)間性質(zhì)是相對(duì)的,在我們的“視覺(jué)宇宙”中,只有我們眼睛處那一點(diǎn)可以認(rèn)為時(shí)間性質(zhì)為零時(shí)刻,之外四周其它所有的點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)都是過(guò)去時(shí)刻,觀察者被過(guò)去事件所包圍。距離越遠(yuǎn),過(guò)去的時(shí)間就越久遠(yuǎn)。這些過(guò)去事件的影像以光的形式從四周向觀察者聚攏過(guò)來(lái),直至聚攏到眼睛上那一點(diǎn)。顯而易見(jiàn),觀察者被一層層過(guò)去時(shí)間球面所包圍,一層層過(guò)去時(shí)間球面形成了“過(guò)去時(shí)間球面空間結(jié)構(gòu)”。以觀察者為球心,向四周方向都是過(guò)去方向,時(shí)間呈現(xiàn)出三維性質(zhì)來(lái)(見(jiàn)圖4)?!熬嚯x是一個(gè)時(shí)間概念”是認(rèn)識(shí)宇宙的關(guān)鍵,“時(shí)間是三維的”是認(rèn)識(shí)宇宙問(wèn)題的基礎(chǔ)。 圖4:時(shí)間呈現(xiàn)出球面空間性質(zhì),是三維的1.3、“視覺(jué)宇宙”的組成我前面一直在提“視覺(jué)宇宙”這個(gè)概念。所謂“視覺(jué)宇宙”,就是觀察者應(yīng)該能夠看到的宇宙事件影像的總和。在當(dāng)前時(shí)刻觀察者看到的宇宙影像我們稱之為“在視宇宙”,它就是一張宇宙相片。我們觀察宇宙就像在看電影一樣,是一張張宇宙相片的連續(xù)播放。隨著時(shí)間的延續(xù),宇宙事件在不斷地變化,我們看到的相片也在不斷地變化。由于光線傳遞需要時(shí)間,在當(dāng)前時(shí)刻觀察者看到的是“在視宇宙”,另外兩部分“視覺(jué)宇宙”不能看到。一部分是“將視宇宙”部分,這部分宇宙事件的光芒還在傳遞路途中,還沒(méi)到達(dá)觀察者眼前。另一部分是“已視宇宙”部分,這部分宇宙事件的光芒已經(jīng)經(jīng)過(guò)觀察者眼前,觀察者已看過(guò)的那部分?!耙岩曈钪妗薄ⅰ霸谝曈钪妗?、“將視宇宙”一起囊括了宇宙的全部事件的景象(見(jiàn)圖5)。由于宇宙空間點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)具有相對(duì)性,所以不同的觀察者站在宇宙中不同的位置觀察到的宇宙景象是不完全相同的。就像兩個(gè)人站在道路的兩側(cè),一個(gè)人感到道路在左側(cè),另一個(gè)人感到道路在右側(cè)。同是一個(gè)宇宙,觀察到的景象不同是因?yàn)橛^察者所處的位置不同。圖5:視覺(jué)宇宙由三部分組成 我們收集宇宙信息主要靠視覺(jué)。前面談到,視覺(jué)看到的都是過(guò)去的事件。在宇宙事件中,時(shí)間具有相對(duì)性,站在A事件處觀察,認(rèn)為B事件是過(guò)去;而反過(guò)來(lái)站在B事件處觀察, A事件又變成了過(guò)去。把時(shí)間尺度放得再大一點(diǎn),假設(shè)A、B兩點(diǎn)相距200億光年,站在A事件處觀察,認(rèn)為B事件是宇宙的開(kāi)端;而反過(guò)來(lái)站在B事件處觀察, A事件又變成了宇宙的開(kāi)端。話說(shuō)回來(lái),觀察者看到的都是影子,都是過(guò)去時(shí)間發(fā)生的事情。觀察者站在A處,看到了在B處宇宙爆炸那一刻的景象,那已是200億年前的事了,那B現(xiàn)在又在干什么呢?B現(xiàn)在的光線還未到達(dá),我們無(wú)法知道。上述對(duì)宇宙的性質(zhì)講了很多,但還不能囊括宇宙現(xiàn)象,宇宙的整體容貌還不能展現(xiàn)在我們面前。下面介紹“時(shí)間球”概念。1.4、“時(shí)間球”概念在第一節(jié)“距離是一個(gè)時(shí)間概念”中,根據(jù)大爆炸理論,距離觀察者越遠(yuǎn),當(dāng)時(shí)的宇宙越小,空間尺度應(yīng)該越小。而在第二節(jié)“時(shí)間是三維的”中我們提到“過(guò)去時(shí)間球面空間結(jié)構(gòu)”這個(gè)概念,它是從純視覺(jué)角度來(lái)審視宇宙,它以觀察者為中心,以時(shí)間(距離)為半徑建立起來(lái)的球面空間結(jié)構(gòu),離觀察者越遠(yuǎn)空間尺度應(yīng)該越大,它和我們現(xiàn)實(shí)中對(duì)宇宙的感覺(jué)是一致的。以上兩種現(xiàn)象,一個(gè)感覺(jué)離觀察者越遠(yuǎn)空間尺度應(yīng)該越小,一個(gè)感覺(jué)離觀察者越遠(yuǎn)空間尺度應(yīng)該越大,孰對(duì)孰錯(cuò)呢?這是我們認(rèn)識(shí)宇宙必須攻克的非常重要的一環(huán),只有攻克了這一環(huán),宇宙的全貌才會(huì)呈現(xiàn)在我們的面前。下面介紹“時(shí)間球”概念。按照大爆炸的觀點(diǎn),宇宙是從一點(diǎn)開(kāi)始的。從宇宙開(kāi)始的那一刻,產(chǎn)生了時(shí)間,時(shí)間具有三維性(而不是一維性),所以時(shí)間從奇點(diǎn)位置沿球面向四周擴(kuò)展。隨著時(shí)間的延續(xù),時(shí)間球面像一個(gè)吹起來(lái)的氣球一樣不斷膨脹,并且隨著時(shí)間的延續(xù)還將繼續(xù)發(fā)展下去,這就是我們說(shuō)的宇宙膨脹。本觀點(diǎn)認(rèn)為時(shí)間是宇宙膨脹的根本動(dòng)力,這是時(shí)間的特性,也是我們要轉(zhuǎn)變的固有觀念之一。在時(shí)間球面膨脹過(guò)程中,時(shí)間球面總是宇宙的現(xiàn)在時(shí)刻,站在球面(現(xiàn)在時(shí)刻)看,球心方向總是過(guò)去方向,背離球心方向總是將來(lái)方向。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是,相對(duì)于宇宙開(kāi)端而言,宇宙的年齡是絕對(duì)的,這是時(shí)間的絕對(duì)性。而時(shí)間球面代表的是現(xiàn)在時(shí)刻,所有宇宙的“現(xiàn)實(shí)存在”都卷縮在時(shí)間球面上。在這個(gè)球面上,各“現(xiàn)實(shí)存在”之間存在距離,距離是一個(gè)時(shí)間尺度,這是時(shí)間的相對(duì)性。站在宇宙時(shí)間絕對(duì)性角度上講,宇宙的“現(xiàn)實(shí)存在”是指現(xiàn)在時(shí)刻宇宙的所有事實(shí)存在,它只能存在于現(xiàn)在時(shí)刻,而不能存在于過(guò)去和將來(lái),我們稱之為“現(xiàn)在宇宙”?!艾F(xiàn)在宇宙”是一個(gè)球面。球面以內(nèi)部分發(fā)生在現(xiàn)在時(shí)刻以前,是宇宙的過(guò)去,稱之為“過(guò)去宇宙”?!斑^(guò)去宇宙”是已發(fā)生過(guò)的事件,僅以影像存在。“現(xiàn)在宇宙”和“過(guò)去宇宙”一起就構(gòu)成了“時(shí)間球”。(見(jiàn)圖6)圖6“時(shí)間球”的特點(diǎn)是:以宇宙開(kāi)端那一刻為中心;半徑代表著宇宙存在時(shí)間的絕對(duì)尺度;時(shí)間球面是動(dòng)態(tài)的,從宇宙開(kāi)端那一刻起,隨時(shí)間延續(xù)向四周持續(xù)擴(kuò)張;宇宙所有“現(xiàn)實(shí)存在”卷縮在“時(shí)間球”球面上;球面以內(nèi)是已發(fā)生過(guò)的事件,是過(guò)去,現(xiàn)在這些事件已不復(fù)存在了,它們的影像在“時(shí)間球”球面上運(yùn)動(dòng);“時(shí)間球”球面上的運(yùn)動(dòng)和球面擴(kuò)張同時(shí)進(jìn)行著,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜性;“時(shí)間球”球面是封閉的,宇宙空間中的任何運(yùn)動(dòng)都是“時(shí)間球”球面上的運(yùn)動(dòng),宇宙空間中的直線運(yùn)動(dòng)是“時(shí)間球”球面上的大圓運(yùn)動(dòng),邏輯上講,直線運(yùn)動(dòng)可以繞球面一周回到原地。在現(xiàn)實(shí)生活中我們可以這樣認(rèn)識(shí)“時(shí)間球”?!皶r(shí)間球”球面是相對(duì)于宇宙開(kāi)始那一刻而言的,是絕對(duì)的,是嚴(yán)格的由過(guò)去向?qū)?lái)擴(kuò)展,它隱含在三維空間中。也就是三維空間中的每一點(diǎn)相對(duì)于宇宙開(kāi)始那一刻具有相同的現(xiàn)在時(shí)刻,它們到宇宙開(kāi)端的時(shí)間是相等的,具有相同的宇宙年齡。但由于三維空間各點(diǎn)間存在距離,所以各點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)又是相對(duì)的,每一點(diǎn)都可以把自己當(dāng)作現(xiàn)在時(shí)刻,而把其它點(diǎn)當(dāng)作過(guò)去時(shí)刻。宇宙是各時(shí)空點(diǎn)時(shí)間相對(duì)性與時(shí)間絕對(duì)性的統(tǒng)一。按照“時(shí)間球”觀點(diǎn),我們不能靜態(tài)地去看待宇宙空間,而應(yīng)該動(dòng)態(tài)地去看。比如,我們不能固執(zhí)地去尋找奇點(diǎn)在宇宙中的位置,從而判斷我們地球在奇點(diǎn)的哪一側(cè)。奇點(diǎn)對(duì)應(yīng)的其實(shí)是宇宙開(kāi)端的那一刻,是一個(gè)時(shí)間概念。1.5、我們只能看到過(guò)去,走向?qū)?lái)根據(jù)“時(shí)間球”觀點(diǎn),時(shí)間是從球心開(kāi)始向四周擴(kuò)張的,時(shí)間發(fā)展的方向不可逆轉(zhuǎn)。人類賴以生存的“現(xiàn)在宇宙”是“時(shí)間球”的球面。宇宙事件必須發(fā)生在當(dāng)前時(shí)刻,也就是必須發(fā)生在“時(shí)間球”球面上。“時(shí)間球”的內(nèi)部是宇宙的過(guò)去,是已經(jīng)發(fā)生過(guò)的事件,這些事件現(xiàn)在已經(jīng)不存在了,存在的只是它們以往的影像。由于光具有速度,一切影像傳入我們的眼睛總需要時(shí)間,所以我們看到的都是已經(jīng)發(fā)生的,都是宇宙過(guò)去的事件。由于光傳播需要時(shí)間,所以我們不能渴望在宇宙事件發(fā)生的同時(shí)就看到它,這就是我們只能看到過(guò)去事件而不能看到現(xiàn)在事件和將來(lái)事件的原因。也就是說(shuō)我們只能看到“時(shí)間球”內(nèi)部(只是內(nèi)部的一部分,而不是全部),而不能看到“時(shí)間球”球面和球面以外。我們所看到的是過(guò)去時(shí)刻時(shí)間球面?zhèn)鱽?lái)的影像組合。站在“時(shí)間球”角度看,我們自己總處于現(xiàn)在時(shí)刻,一直處在“時(shí)間球”球面上。由于時(shí)間不斷流逝,“時(shí)間球”球面不斷向?qū)?lái)擴(kuò)展,所以我們只能和時(shí)間球面一起向?qū)?lái)運(yùn)動(dòng)。時(shí)間發(fā)展方向的不可逆轉(zhuǎn)決定了我們不能回到過(guò)去時(shí)刻,也就是我們不能進(jìn)入到時(shí)間球內(nèi)部去。但在我們感覺(jué)到的視覺(jué)宇宙中,就自己而言,只有自己所處的點(diǎn)是現(xiàn)在時(shí)刻,一切影像都是宇宙的過(guò)去,自己被過(guò)去事件的影像所包圍。“時(shí)間球”球面是現(xiàn)實(shí)存在的,是“實(shí)”的,而我們看到的影像是已經(jīng)發(fā)生過(guò)的,是“虛”的。由于我們?cè)谡J(rèn)識(shí)宇宙的過(guò)程中,總是忽略時(shí)間這一關(guān)鍵因素,總是把過(guò)去發(fā)生的事件當(dāng)作現(xiàn)在這一時(shí)刻的存在,因而對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)就產(chǎn)生了偏差。在小宇宙尺度上我們沒(méi)有感覺(jué)到這種偏差對(duì)我們判斷的影響,而在大宇宙尺度上,這種偏差的存在是致命的。1.6、宇宙的邊界和中心人類在地球上已存在上百萬(wàn)年了,人類的發(fā)展過(guò)程是一個(gè)不斷認(rèn)識(shí)自然和改造自然的過(guò)程。起初人們認(rèn)為大地是平的,曾試圖探尋大地的邊緣。后有人提出大地是圓球狀的觀點(diǎn),相信的人很少,直到近代隨著航海事業(yè)的發(fā)展,人類繞地球航行了一周,人們才認(rèn)識(shí)到大地是圓球狀的這一事實(shí),自此沒(méi)有人再探尋大地的邊緣了?,F(xiàn)在,廣袤無(wú)邊的宇宙又給人們提供了廣闊的遐想空間,宇宙的中心在哪里?宇宙的邊界是什么樣的?其實(shí)“時(shí)間球”觀點(diǎn)已經(jīng)給出了解釋。 我們感覺(jué)到的宇宙空間都卷縮在“時(shí)間球”球面上。在“時(shí)間球”球面上,時(shí)間賦予每一時(shí)空點(diǎn)同樣的權(quán)利,點(diǎn)與點(diǎn)之間雖然時(shí)間性質(zhì)不同,但它們的時(shí)間性質(zhì)是彼此相對(duì)的,沒(méi)有哪一點(diǎn)比其它點(diǎn)更特殊。站在“時(shí)間球”球面上任一點(diǎn)觀察,其它點(diǎn)都包圍在它的周圍,就是說(shuō)每一點(diǎn)都可以把自己當(dāng)作宇宙的中心。宇宙沒(méi)有真正的中心,無(wú)論你站在宇宙中哪一個(gè)位置,你對(duì)宇宙的感覺(jué)都是相同的。宇宙不會(huì)因?yàn)榉较虻牟煌谛再|(zhì)上出現(xiàn)差異,宇宙總體是平坦的。(見(jiàn)圖7)圖7關(guān)于宇宙邊界的問(wèn)題,人們?cè)噲D發(fā)射飛行器去探尋宇宙的邊界。前面關(guān)于“時(shí)間球”的特點(diǎn)描述已經(jīng)說(shuō)了,宇宙空間中的任何直線運(yùn)動(dòng)都是時(shí)間球球面上的大圓運(yùn)動(dòng),邏輯上講,可以繞過(guò)“時(shí)間球”一周回到原地。所以說(shuō),發(fā)射出去的飛行器不會(huì)探索到宇宙的邊界,只能探索到遙遠(yuǎn)距離的宇宙事件。如果設(shè)想飛行器有足夠快的速度,它可以從相反的方向飛回來(lái)。那在我們的視覺(jué)宇宙中如何理解宇宙的邊界問(wèn)題呢。視覺(jué)宇宙是以觀察者為中心,以時(shí)間(距離)為半徑建立起來(lái)的球面空間結(jié)構(gòu),離觀察者越遠(yuǎn)過(guò)去的時(shí)間越久遠(yuǎn),視覺(jué)宇宙的邊緣就是宇宙開(kāi)端時(shí)刻的事件。從“時(shí)間球”模型角度講,宇宙的邊界其實(shí)是個(gè)時(shí)間概念,這個(gè)邊界就是“時(shí)間球”球面,它一邊是過(guò)去,另一邊是將來(lái)?;蛘哒f(shuō)我們自己就站在宇宙的邊界上,我們遙望著過(guò)去,走向?qū)?lái)。 1.7、光線是以漸開(kāi)線軌跡運(yùn)動(dòng)的在視覺(jué)的三維空間中,我們從小就被傳授光線是以直線傳播的,現(xiàn)實(shí)實(shí)踐也證明光線具有嚴(yán)格的直線傳輸性能。人們得出光線以直線傳播的結(jié)論是基于這樣一個(gè)前提的,就是忽略了時(shí)間這一關(guān)鍵因素,把一個(gè)時(shí)間段當(dāng)作一個(gè)時(shí)刻看待。例如,光線在空間中已經(jīng)運(yùn)行了5年,而人們?cè)谟^察它的軌跡時(shí)仍然把它當(dāng)做是一個(gè)時(shí)刻的事情,這就形成了錯(cuò)覺(jué)。其實(shí),若考慮到光線傳播所需要的時(shí)間,光線是以漸開(kāi)線軌跡傳播的。由于宇宙中任何事件都必須在當(dāng)前時(shí)刻發(fā)生,也就是必須在“時(shí)間球”球面上發(fā)生,所以宇宙中的任何運(yùn)動(dòng)都是“時(shí)間球”球面上的運(yùn)動(dòng)。我們向宇宙深處作直線運(yùn)動(dòng),實(shí)際上是在“時(shí)間球”球面上做大圓運(yùn)動(dòng)。我們?cè)谧龃髨A運(yùn)動(dòng)的同時(shí),“時(shí)間球”球面也在隨時(shí)間不斷地膨脹,我們所做大圓運(yùn)動(dòng)的半徑在不斷變大,所以我們走過(guò)的路程不是一個(gè)圓,而是一條漸開(kāi)線。在三維空間中,我們把光線運(yùn)動(dòng)看成直線運(yùn)動(dòng),但在“時(shí)間球”球面上,光線也是以漸開(kāi)線的軌跡向我們飛來(lái)或以以漸開(kāi)線的軌跡遠(yuǎn)離我們而去。我們觀察宇宙,看到的是過(guò)去宇宙的光線,所以我們看到的宇宙是以漸開(kāi)線的形式彎曲的,離我們?cè)竭h(yuǎn)彎曲曲率越大,以至于我們看到的四周離我們最遠(yuǎn)的點(diǎn)會(huì)彎曲到一點(diǎn)(奇點(diǎn))。(見(jiàn)圖8)圖81.8、視覺(jué)宇宙空間是一個(gè)“桃形”時(shí)空面我們看到的三位空間,并不是“時(shí)間球”球面以內(nèi)的全部,我們所看到的是過(guò)去宇宙事件的影像經(jīng)過(guò)歷史時(shí)間的飛行到達(dá)我們眼中的綜合圖像,或者說(shuō)是過(guò)去時(shí)刻不同時(shí)間球面?zhèn)鬟^(guò)來(lái)的影像組合。我們看到的是過(guò)去影像的連續(xù)播放。影像是以光線傳遞的,從我們四周飛來(lái)的光線都是以漸開(kāi)線的軌跡向我們飛來(lái)的,我們自己站在漸開(kāi)線的末端,漸開(kāi)線上每一點(diǎn)代表過(guò)去不同時(shí)刻發(fā)生的事件。由于光線沿著漸開(kāi)線軌跡飛來(lái),所以我們看到的三維空間其實(shí)是“時(shí)間球”內(nèi)由所有漸開(kāi)線組成的漸開(kāi)線面,它像一個(gè)桃子,是一個(gè)“桃形”面,觀察者總是站在“桃形”面的尖端。(見(jiàn)圖9)圖9“現(xiàn)在宇宙”和我們看到的宇宙是兩個(gè)概念。“現(xiàn)在宇宙”代表的是現(xiàn)在時(shí)刻宇宙中所發(fā)生的一切,是“時(shí)間球”的球面,是實(shí)實(shí)在在的。由于光線傳遞需要時(shí)間和宇宙在不斷膨脹,嚴(yán)格講,我們根本看不到“現(xiàn)在宇宙”的樣子,我們看到的宇宙只是宇宙過(guò)去時(shí)間的樣子,是影子,是“時(shí)間球”內(nèi)的一個(gè)桃形面,是虛的。自己總站在桃形面的尖端,奇點(diǎn)在桃形面的內(nèi)核部,看到的越遠(yuǎn)的點(diǎn)離奇點(diǎn)越近,奇點(diǎn)在理論上講是我們看到的四周距我們最遠(yuǎn)的點(diǎn),它的影子在時(shí)間球面上以光速向我們傳遞。本觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙是以光速均勻膨脹的(后面我會(huì)論證),所以奇點(diǎn)的影子緊跟在我們后面,它的光芒只差一點(diǎn)到不了我們的眼前。因?yàn)槲覀円苍谝怨馑龠h(yuǎn)離奇點(diǎn),所以我們的觀測(cè)手段無(wú)論多么強(qiáng)大,也看不到奇點(diǎn)那一時(shí)刻的影子。雖然我們看到的是過(guò)去的影子,但是我們觸摸到的都是現(xiàn)實(shí),是“現(xiàn)在宇宙”。嚴(yán)格意義上講,我們看到物體的位置和我們觸摸到物體的位置是不同的。由于光速很快,在短程距離這個(gè)差異可以忽略,如果這個(gè)距離達(dá)到宇宙尺度,這個(gè)差異就不能忽略了。舉例來(lái)講:假設(shè)我們有足夠長(zhǎng)的手臂,我們出手的速度足夠快,我們可以根據(jù)我們的觀察觸摸到火星,但我們未必能夠根據(jù)觀察觸摸到40億年前的星球,因?yàn)檫@個(gè)星球已隨宇宙膨脹運(yùn)動(dòng)40億年了。換句話說(shuō),我們可以用手觸摸到這個(gè)星球,我們看到的卻是它40億年前的位置,它現(xiàn)在的位置在我們的視野之外。在第三節(jié)“視覺(jué)宇宙的組成”中我曾提出,視覺(jué)宇宙是由“已視宇宙”部分、“在視宇宙”部分和“將視宇宙”部分一起組成的,那它們與時(shí)間球是怎樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系呢?“已視宇宙”部分對(duì)應(yīng)的是漸開(kāi)面以內(nèi)部分,“在視宇宙”部分對(duì)應(yīng)的是漸開(kāi)面部分,“將視宇宙”部分對(duì)應(yīng)的是漸開(kāi)面和“時(shí)間球”球面夾在中間的部分(見(jiàn)圖10)。圖10:視覺(jué)宇宙和時(shí)間球的對(duì)應(yīng)關(guān)系1.9、光線的彎曲曲率前面已經(jīng)討論了,光線在“時(shí)間球”球面上是以漸開(kāi)線的軌跡向我們傳來(lái)的,我們正在觀察的宇宙是一個(gè)“桃形”面,觀察者總是站在“桃形”面的尖端。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是,“桃形”面的模型是建立在“宇宙是在以光速膨脹”這樣一個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)之上的,也就是宇宙中每一個(gè)時(shí)空點(diǎn)都在以光速遠(yuǎn)離奇點(diǎn)。后面我會(huì)討論這一點(diǎn)。圖10如上圖(圖10)所示,在時(shí)間球上,觀察者的視線與過(guò)去時(shí)刻光線方向夾角的正切定義為光線的彎曲曲率,則=tan,取值范圍在0-2間。我們?cè)O(shè)定宇宙已經(jīng)存在的年限為T,從時(shí)間球模型建立過(guò)程中,我們可以分析出與宇宙存在的絕對(duì)時(shí)間尺度是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的。也就是說(shuō),觀察者站在現(xiàn)在時(shí)刻看宇宙,過(guò)去不同時(shí)期光線彎曲曲率是不同的(對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1)。表1:宇宙不同時(shí)期的光線曲率序號(hào)光線彎曲曲率=tan1對(duì)應(yīng)宇宙時(shí)期T3T /4T/2T/402光線與視線夾角0/23/223光線彎曲曲率000表1所示現(xiàn)象解釋如下:(一)我們觀測(cè)現(xiàn)在時(shí)刻事件,也就是宇宙已存在時(shí)間T這一時(shí)刻事件,我們觀測(cè)到的光線傳播方向與光線的實(shí)際傳播方向是一致的,夾角為零,光線的彎曲曲率也為零。(二)我們觀測(cè)3T /4時(shí)刻事件,也就是宇宙已存在時(shí)間3T /4這一時(shí)刻事件,我們觀測(cè)到的光線傳播方向與光線當(dāng)時(shí)實(shí)際傳播方向的夾角為/2。也就是在3T /4這一時(shí)刻,事件實(shí)際發(fā)出光線的方向與我們觀測(cè)到的光線方向是垂直的,光線的彎曲曲率為。(三)我們觀測(cè)T /2時(shí)刻事件,也就是宇宙已存在時(shí)間T /2這一時(shí)刻事件,我們觀測(cè)到的光線傳播方向與光線當(dāng)時(shí)實(shí)際傳播方向的夾角為。也就是在T /2這一時(shí)刻,事件實(shí)際發(fā)出光線的方向與我們觀測(cè)到的光線方向是相反的,光線的彎曲曲率為0。(四)我們觀測(cè)T /4時(shí)刻事件,也就是宇宙已存在時(shí)間T /4這一時(shí)刻事件,我們觀測(cè)到的光線傳播方向與光線當(dāng)時(shí)實(shí)際傳播方向的夾角為3/2。也就是在T /4這一時(shí)刻,事件實(shí)際發(fā)出光線的方向與我們觀測(cè)到的光線方向是垂直的,方向與3T /4時(shí)刻事件光線方向相反,光線的彎曲曲率為。(五)我們觀測(cè)0時(shí)刻事件,也就是宇宙在開(kāi)端這一時(shí)刻事件,我們觀測(cè)到的光線傳播方向與光線當(dāng)時(shí)實(shí)際傳播方向的夾角為2。也就是在宇宙開(kāi)端這一時(shí)刻,事件實(shí)際發(fā)出光線的方向與我們觀測(cè)到的光線方向是平行的,方向與T時(shí)刻事件(也就是現(xiàn)在時(shí)刻事件)光線方向相反,光線的彎曲曲率為0。1.10、空間尺度的偏差前面討論了,過(guò)去不同時(shí)期事件發(fā)出的光線相對(duì)于現(xiàn)在來(lái)說(shuō)是存在彎曲的,過(guò)去的時(shí)間越久遠(yuǎn)彎曲的曲率越大,這就造成了我們?cè)跍y(cè)量空間尺度時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。在近距離上可以認(rèn)為是偏差,而在大尺度距離上可以說(shuō)是完全錯(cuò)誤的結(jié)果。以往我們測(cè)量空間星體尺度,往往把光線傳播當(dāng)做直線傳播,然后按照平面幾何原理來(lái)計(jì)算星體的尺度,這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果要比實(shí)際尺度大。請(qǐng)看下面分析。如下圖(圖11)所示,我們站在O點(diǎn)觀測(cè)天體時(shí),因?yàn)槲覀冋J(rèn)為光線是按直線傳播的,所以我們測(cè)出天體AB的尺度是(A)到(B)的距離h,而光線在傳播過(guò)程中實(shí)際上是彎曲的,天體的實(shí)際尺度應(yīng)該是A到B的距離k,于是就出現(xiàn)了觀測(cè)尺度與實(shí)際尺度間的偏差(2s),尺度h是虛的,尺度k是實(shí)的。圖11:觀察尺度與實(shí)際尺度的偏差還以上圖為例,根據(jù)日常觀測(cè),假設(shè)我們計(jì)算出天體AB的尺度為5萬(wàn)公里,同時(shí)在日常觀測(cè)中我們也發(fā)現(xiàn)有一發(fā)光星體正以1萬(wàn)公里/小時(shí)的速度從星體AB背后經(jīng)過(guò),按照我們的計(jì)算,發(fā)光星體從星體AB背后經(jīng)過(guò)的時(shí)間應(yīng)該是5小時(shí)。如果我們?nèi)ビ^察,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),發(fā)光星體從星體AB背后經(jīng)過(guò)的時(shí)間要比5小時(shí)短,這就是觀察尺度與實(shí)際尺度的偏差造成的。若發(fā)光星體從星體AB背后經(jīng)過(guò)的時(shí)間為4.5小時(shí),則天體的實(shí)際尺度應(yīng)為4萬(wàn)5千公里,而不是我們觀測(cè)計(jì)算的5萬(wàn)公里(見(jiàn)圖12)。圖12:實(shí)際觀測(cè)時(shí)間比計(jì)算時(shí)間短第九節(jié)“光線的彎曲曲率”論述中,我們計(jì)算了光線彎曲曲率,在宇宙時(shí)間為3T/4時(shí),光線的彎曲曲率達(dá)到了,也就是說(shuō)3T/4時(shí)的宇宙尺度是我們看到的最大宇宙尺度。若超過(guò)了3T/4這個(gè)時(shí)間尺度,宇宙開(kāi)始表現(xiàn)為收縮。在T到3T/4這段距離內(nèi),我們的視覺(jué)感到距離我們?cè)竭h(yuǎn),空間尺度成正比增大,而事實(shí)上并非如此,空間尺度增大的速度隨著距離的增加在變慢,當(dāng)達(dá)到3T/4時(shí)期時(shí),空間增大速度變?yōu)榱恪.?dāng)距離超過(guò)了3T/4這個(gè)時(shí)間尺度時(shí),雖然我們?nèi)匀桓杏X(jué)距離越遠(yuǎn)空間尺度會(huì)變得更大,而事實(shí)上空間尺度開(kāi)始收縮,直到我們看到最遠(yuǎn)距離的點(diǎn)匯聚到一點(diǎn)上,空間尺度變?yōu)榱?,那是宇宙起始的那一刻。我們現(xiàn)在看到的宇宙不同時(shí)期的空間尺度見(jiàn)圖13。圖13: 1.11、時(shí)間球推斷推斷一:距離我們?cè)竭h(yuǎn)星系密度越大由于光具有速度,光傳入我們的眼睛需要時(shí)間,所以我們看到的影象都是過(guò)去宇宙的樣子。我們平常所說(shuō)的距離是一個(gè)時(shí)間尺度,距離越遠(yuǎn)的影像代表那時(shí)的宇宙距現(xiàn)在宇宙的時(shí)間尺度越大。由于時(shí)間流逝造成宇宙在膨脹,“時(shí)間球”告訴我們,過(guò)去的“時(shí)間球”空間尺度比現(xiàn)在小,因此星系密度比現(xiàn)在大。所以我們?cè)谟^察中會(huì)發(fā)現(xiàn)距離我們?cè)竭h(yuǎn)的天空,觀察到的星系密度越大。推斷二:星系的影像在天空中會(huì)成對(duì)出現(xiàn)由于現(xiàn)在宇宙是一個(gè)彎曲的球面,星系的光線會(huì)一方面沿球面向我們面前飛來(lái),另一方面星系的光線會(huì)繞過(guò)“時(shí)間球”飛向我們背后,所以我們看到的天空中星系的影像應(yīng)該是成對(duì)出現(xiàn)的。我們?cè)谡懊姘l(fā)現(xiàn)的星系,回過(guò)頭來(lái)在我們正后面的天空中去找,我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)它,除非它的光線還未到達(dá)。只不過(guò)兩個(gè)影像代表的宇宙時(shí)期不同,一個(gè)可能是50億年前的宇宙影像,而另一個(gè)可能是150億年前的宇宙影像,我們很難辨認(rèn)他們罷了。兩個(gè)年代加在一起正好是宇宙存在的時(shí)間(假設(shè)宇宙存在200億年)。(見(jiàn)圖14)圖14推斷三:宇宙是平坦的,背景輻射在我們周圍是均勻的時(shí)空點(diǎn)均勻地分布在“時(shí)間球”球面上,所以我們的宇宙總體上是平坦的,我們不會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙在哪一個(gè)方向上更致密。要說(shuō)致密,應(yīng)該說(shuō)宇宙的過(guò)去比現(xiàn)在致密,也就是無(wú)論我們身在何處,你總能看到遠(yuǎn)處比近處致密。同時(shí)你也會(huì)發(fā)現(xiàn),無(wú)論你移動(dòng)到宇宙何處,你對(duì)宇宙的感覺(jué)是相同的?!皶r(shí)間球”球面上宇宙是均勻的,你觀測(cè)到的影象遠(yuǎn)處總比近處星系密度大。宇宙在大爆炸時(shí)產(chǎn)生了大量的宇宙輻射,它在時(shí)間球面上沿四面八方傳遞,并同時(shí)間球面一起向外膨脹。背景輻射可以從我們面前飛來(lái),同時(shí)也可以繞過(guò)時(shí)間球面從我們背后飛來(lái)。所以在視覺(jué)宇宙中,我們不會(huì)發(fā)現(xiàn)背景輻射從哪個(gè)特定方向飛來(lái),而會(huì)發(fā)現(xiàn)背景輻射從我們的四周飛來(lái),或者說(shuō)背景輻射是從過(guò)去飛來(lái)。由于宇宙的開(kāi)端到我們四周的距離是相等的,所以背景輻射是均勻的。推斷四:宇宙是由數(shù)量相同的正時(shí)空點(diǎn)和反時(shí)空點(diǎn)組成的從宇宙形成那一刻起,每一時(shí)空點(diǎn)都有隨時(shí)間向外擴(kuò)張的性質(zhì),就像人體的細(xì)胞分裂,一分二,二分四,每一個(gè)細(xì)胞都相同。在最初的一分二時(shí),時(shí)間方向相反,所以形成的時(shí)空點(diǎn)就一正一反。無(wú)論是正是反,形成的時(shí)空點(diǎn)沒(méi)什么兩樣,只是時(shí)間性質(zhì)不同。這個(gè)過(guò)程發(fā)生在“時(shí)間球”球面上,存在于“現(xiàn)在宇宙”中。宇宙是由相同數(shù)量的正時(shí)空點(diǎn)和反時(shí)空點(diǎn)組成的,如果沒(méi)有時(shí)間流逝支撐著宇宙,宇宙就會(huì)回縮,正反時(shí)空點(diǎn)抵消,宇宙就會(huì)變?yōu)榱?。宇宙本身就是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程,或者說(shuō)是一個(gè)時(shí)間流逝(積累)的過(guò)程。我們看到的一切物體都可以認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的時(shí)空體,物體上不同的點(diǎn)具有不同的時(shí)間性質(zhì),這給了我們距離感。推斷五:離我們?cè)竭h(yuǎn),星際遠(yuǎn)離我們的速度越快時(shí)空點(diǎn)大致均勻地分布在“時(shí)間球”球面上,“時(shí)間球”球面的擴(kuò)展導(dǎo)致“現(xiàn)在宇宙”像氣球一樣膨脹,時(shí)間是宇宙膨脹的動(dòng)力?!皶r(shí)間球”球面上沒(méi)有哪一點(diǎn)比其它點(diǎn)更特殊,各點(diǎn)間的膨脹速度是均勻的。時(shí)間的流逝使宇宙一直處于膨脹之中,對(duì)“時(shí)間球”球面上任一點(diǎn)而言,其四周的時(shí)空點(diǎn)都在遠(yuǎn)離它而去。以我們所處的位置為例,我們四周的時(shí)空點(diǎn)都在遠(yuǎn)離我們而去,近處的時(shí)空點(diǎn)遠(yuǎn)離我們的速度慢,越遠(yuǎn)處的時(shí)空點(diǎn)遠(yuǎn)離我們的速度越快。根據(jù)上述的均勻膨脹觀點(diǎn),我們很容易得出時(shí)空點(diǎn)遠(yuǎn)離我們的速度和它到我們的距離成正比。過(guò)去的“時(shí)間球”比現(xiàn)在小,宇宙空間是時(shí)間的積累。(見(jiàn)圖15)圖15推斷六:宇宙是有限無(wú)界的人們致力于尋找宇宙的邊界,“時(shí)間球”使我們認(rèn)識(shí)到宇宙是有限無(wú)界的。如果我們知道宇宙存在的年限和宇宙膨脹的速度,我們可以計(jì)算宇宙的體積,這個(gè)體積是時(shí)間球體積,代表著宇宙時(shí)間的積累,時(shí)間球體積不同于我們看到的三維空間體積。所以說(shuō)宇宙是有限的。距離是一個(gè)時(shí)間尺度,我們探索宇宙邊界是在探索遙遠(yuǎn)的過(guò)去,我們向宇宙深處的運(yùn)動(dòng),是在“時(shí)間球”球面上轉(zhuǎn)圈圈,不會(huì)找到邊界。所以說(shuō)宇宙是無(wú)界的。但從“時(shí)間球”角度講,宇宙邊界是“時(shí)間球”的表面,也就是“現(xiàn)在宇宙”。換句話說(shuō),我們就處在宇宙的邊界上,我們的一邊是過(guò)去,另一邊是將來(lái),我們只能看到過(guò)去。宇宙是什么?宇宙就是全部,一切事件必須發(fā)生在宇宙之中,也就是一切事件必需發(fā)生在時(shí)間流逝中。宇宙的外面到底是什么?宇宙的外面就是將來(lái)。 關(guān)于空間的體積,我們看到的附近的有限空間,如果忽略時(shí)間因素和時(shí)間造成的空間彎曲,將一段時(shí)間看成一個(gè)時(shí)刻,該有限空間的體積是可以計(jì)算的。如果空間大到宇宙尺度,就不能忽略時(shí)間因素,不能忽略空間的彎曲,就不能將過(guò)去的時(shí)間段看成一個(gè)時(shí)刻,此時(shí)空間體積的計(jì)算是沒(méi)有意義的。因?yàn)槲覀冋J(rèn)識(shí)的體積是脫離時(shí)間存在的,考慮時(shí)間因素,空間就變成了面。這個(gè)空間面在時(shí)間球內(nèi)沿漸開(kāi)面彎曲。n 2、“時(shí)間球”面上時(shí)間的相對(duì)性2.1、“時(shí)間球”上時(shí)間概念介紹在第一章中,介紹了“時(shí)間球”的概念?!皶r(shí)間球”是基于“距離是一個(gè)時(shí)間概念”和“時(shí)間是三維的”這兩個(gè)觀念的改變建立起來(lái)的。第一章中從虛實(shí)兩個(gè)方面對(duì)“時(shí)間球”進(jìn)行了介紹。虛的方面是指我們看到的過(guò)去宇宙事件的影像,是指“時(shí)間球”內(nèi)部,是視覺(jué)宇宙部分。實(shí)的部分是指實(shí)實(shí)在在存在的宇宙,是“時(shí)間球”球面,也就是“現(xiàn)在宇宙”部分。第一章中分析了虛實(shí)兩部分的關(guān)系,并分析了虛實(shí)兩部分存在的一些特性,是從空間角度對(duì)“時(shí)間球”性質(zhì)進(jìn)行了介紹。我們所感覺(jué)和接觸的宇宙就是一個(gè)“時(shí)間球”,“時(shí)間球”一個(gè)最根本的概念就是“時(shí)間”。人們要認(rèn)清宇宙的真實(shí)面目,對(duì)時(shí)間性質(zhì)的認(rèn)識(shí)必須要有一個(gè)非常巨大的飛躍。“時(shí)間球”上,半徑代表了宇宙存在的絕對(duì)年齡,是一個(gè)絕對(duì)時(shí)間。“時(shí)間球”球面是伴隨著宇宙年齡從無(wú)到有再到不斷變大的,“時(shí)間球”球面代表著宇宙在這一刻存在的所有事件,它上面不同點(diǎn)具有不同的時(shí)間性質(zhì),點(diǎn)與點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)是相對(duì)的,“時(shí)間球”球面上的時(shí)間是相對(duì)的。本章節(jié)將從時(shí)間角度對(duì)“時(shí)間球”的性質(zhì)進(jìn)行分析。廣義相對(duì)論已經(jīng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間和空間是相關(guān)聯(lián)的,并且發(fā)現(xiàn)了時(shí)間具有相對(duì)性。雖然我認(rèn)為相對(duì)論的結(jié)果具有局限性,但它發(fā)現(xiàn)了時(shí)間的相對(duì)性是一個(gè)非常偉大的創(chuàng)舉?!皶r(shí)間球”就是受到這些偉大創(chuàng)舉和大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的啟發(fā)建立起來(lái)的。2.2、“時(shí)間球”球面上時(shí)間的相對(duì)性在第一章第一節(jié)“距離是一個(gè)時(shí)間概念”中已經(jīng)指出,從時(shí)空觀角度講,點(diǎn)與點(diǎn)之間的差別不是我們所理解的距離,是點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)不同,距離是一個(gè)時(shí)間尺度。以光速作參照,可以理解為點(diǎn)與點(diǎn)之間相差多少秒?!皶r(shí)間球”球面上時(shí)空點(diǎn)代表的時(shí)間性質(zhì)是相對(duì)的,如果把一點(diǎn)作為現(xiàn)在,則其它點(diǎn)就都是它的過(guò)去。時(shí)間球面上的時(shí)空點(diǎn)擁有同樣的權(quán)利,都可以把自己作為現(xiàn)在,把其它點(diǎn)作為過(guò)去,這取決于觀察者研究事物所站的角度。只是距離自己越遠(yuǎn),相對(duì)自己過(guò)去的時(shí)間尺度越大。例如,站在地球上研究宇宙,可以認(rèn)為地球是現(xiàn)在時(shí)刻,而月亮、太陽(yáng)是過(guò)去時(shí)刻。太陽(yáng)距離地球比月亮遠(yuǎn),所以太陽(yáng)過(guò)去的時(shí)間尺度比月亮大。同樣的道理,若站在太陽(yáng)上研究宇宙,可以把太陽(yáng)作為現(xiàn)在時(shí)刻,而地球和月亮則變成了過(guò)去時(shí)刻。時(shí)間球面上,時(shí)空點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)是相對(duì)的,而不是絕對(duì)的,你若把A點(diǎn)作為現(xiàn)在,則B點(diǎn)時(shí)間性質(zhì)是過(guò)去,你若把B點(diǎn)作為現(xiàn)在,則A點(diǎn)時(shí)間性質(zhì)又變成了過(guò)去。在宇宙空間中,以光速作參照,假設(shè)AB兩點(diǎn)的距離是t光年,則AB兩點(diǎn)的時(shí)間差為t年。若我們站在A點(diǎn)上觀察宇宙,A點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)為0年,則B點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)為-t年,表示B點(diǎn)比A點(diǎn)過(guò)去t年。若我們站在B點(diǎn)上觀察宇宙,則B點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)為0年,A點(diǎn)的時(shí)間性質(zhì)為-t年,表示A點(diǎn)比B點(diǎn)過(guò)去t年。(見(jiàn)圖16)圖16還以上述AB兩點(diǎn)距離為例,假設(shè)宇宙已經(jīng)存在T年,就是從宇宙大爆炸那一刻起到現(xiàn)在時(shí)刻宇宙的絕對(duì)壽命為T年,我們站在A點(diǎn)上觀察宇宙,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)處觀察到的宇宙壽命為T年,而觀察到B點(diǎn)處的宇宙壽命為T-t年,因?yàn)锽點(diǎn)比A點(diǎn)過(guò)去t年。同樣,若我們站在B點(diǎn)上觀察宇宙,則B點(diǎn)處觀察到宇宙壽命為T年,而觀察到A點(diǎn)處宇宙壽命為T-t年,因?yàn)榇藭r(shí)A點(diǎn)比B點(diǎn)過(guò)去t年。我們?cè)龠M(jìn)一步假設(shè),我們假設(shè)宇宙存在了200億年,AB兩點(diǎn)相距200億光年。此時(shí)我們站在A點(diǎn)上觀察宇宙,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)處觀察到的宇宙壽命為200億年,而觀察到B點(diǎn)處的宇宙壽命為0年,也就是我們看到了宇宙的開(kāi)端。同樣,若我們站在B點(diǎn)上觀察宇宙,則B點(diǎn)處觀察到宇宙壽命為200億年,而觀察到A點(diǎn)處宇宙壽命為0年,在B點(diǎn)處也看到了宇宙的開(kāi)端。2.3、大圓周長(zhǎng)代表宇宙壽命根據(jù)上述觀點(diǎn),“時(shí)間球”球面是經(jīng)過(guò)宇宙存在的時(shí)間形成的,距離是一個(gè)時(shí)間概念,“時(shí)間球”球面的大圓周長(zhǎng)代表著宇宙存在的時(shí)間尺度。我們稱“時(shí)間球”球面上A點(diǎn)當(dāng)前的位置(就是現(xiàn)在時(shí)刻位置)為“A前”,記作A,從A點(diǎn)一直向前繞過(guò)“時(shí)間球”球面,又到達(dá)A點(diǎn)的位置,我們稱為“A后”,記作A,宇宙存在的時(shí)間為T年,則A比A過(guò)去T年,也就是說(shuō)A點(diǎn)代表了宇宙開(kāi)始的時(shí)刻(見(jiàn)圖17)。對(duì)于每一個(gè)時(shí)空點(diǎn),站在該點(diǎn)上觀察,該點(diǎn)代表的是現(xiàn)在,繞過(guò)時(shí)間球到該點(diǎn)的后點(diǎn),此時(shí)該點(diǎn)就變成了時(shí)間的開(kāi)端(或說(shuō)是宇宙的開(kāi)始時(shí)間)。圖17上述分析說(shuō)明,宇宙任一時(shí)空點(diǎn),站在自身角度來(lái)講,即代表者宇宙的開(kāi)端時(shí)刻,又代表者宇宙的現(xiàn)在時(shí)刻。代表著宇宙開(kāi)端時(shí)刻是針對(duì)繞過(guò)“時(shí)間球”球面而言的,代表現(xiàn)在時(shí)刻是針對(duì)現(xiàn)在位置而言的。如此一來(lái),無(wú)論我們站在宇宙中那一點(diǎn)來(lái)觀察,我們都會(huì)發(fā)現(xiàn),宇宙是從我們所處的這點(diǎn)上衍生出來(lái)的。在本章第二節(jié)中曾講過(guò),假設(shè)宇宙存在了200億年,AB兩點(diǎn)相距200億光年,此時(shí)我們站在A點(diǎn)上觀察B點(diǎn),觀察到B點(diǎn)處的宇宙壽命為0年,也就是我們看到了宇宙的開(kāi)端。其實(shí)此時(shí)我們已經(jīng)看到了自己的后點(diǎn)在200億年前的樣子。2.4、時(shí)間流逝的相對(duì)性仍以第二節(jié)“時(shí)間球球面上時(shí)間的相對(duì)性”的附圖(圖16)為例,“時(shí)間球”球面上A點(diǎn)和B點(diǎn),兩點(diǎn)時(shí)間差為t,把A點(diǎn)作為現(xiàn)在,則B點(diǎn)比A點(diǎn)過(guò)去t年。站在A點(diǎn)觀察,在A點(diǎn)處用時(shí)鐘測(cè)量宇宙存在的年限為T年,則在B點(diǎn)處用時(shí)鐘測(cè)量宇宙存在的年限為T-t年。但宇宙存在的年限是唯一的,這說(shuō)明:“在A點(diǎn)處用時(shí)鐘測(cè)量宇宙存在的年限為T年”和“在B點(diǎn)處用時(shí)鐘測(cè)量宇宙存在的年限為T-t年”相當(dāng)。也就是:站在A點(diǎn)觀察,A點(diǎn)時(shí)間流逝速度和B點(diǎn)時(shí)間流逝速度不同,A點(diǎn)時(shí)間流逝速度快,B點(diǎn)時(shí)間流逝速度慢。我們以宇宙存在的絕對(duì)時(shí)間T為標(biāo)準(zhǔn),AB兩點(diǎn)時(shí)間流逝速率表示如下:設(shè)A點(diǎn)的時(shí)間流逝速率為1=T/T=1 (1)則B點(diǎn)的時(shí)間流逝速率為2=(T-t)/T=1-t/T (2)時(shí)間流逝速率跟觀察者位置有關(guān),站在A點(diǎn)處觀察,B點(diǎn)處時(shí)間流逝速度慢,若站在B點(diǎn)處觀察,則A點(diǎn)處時(shí)間流逝速度慢。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是,上例中AB兩點(diǎn)間的時(shí)間差是處于動(dòng)態(tài)變化中的,若AB兩點(diǎn)保持靜止,也就是時(shí)間差保持不變,則AB兩點(diǎn)處的時(shí)間流逝速率相同。在“時(shí)間球”球面上,兩個(gè)不同的時(shí)空點(diǎn)時(shí)間流逝之所以有相對(duì)性,是因?yàn)椤皶r(shí)間球”在膨脹,各點(diǎn)在彼此遠(yuǎn)離,兩點(diǎn)間的距離在不斷增大,也就是兩點(diǎn)間的時(shí)間尺度在不斷變大。從一點(diǎn)看另一點(diǎn),你會(huì)發(fā)現(xiàn)另一點(diǎn)與該點(diǎn)位置的時(shí)間差在不斷增加,也就是另一點(diǎn)過(guò)去的時(shí)間尺度越來(lái)越大,所以從一點(diǎn)上看另一點(diǎn),時(shí)間流逝必然不同。兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參照系,相對(duì)時(shí)間流逝為什么會(huì)不同呢,原因就在于兩個(gè)參照系存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)不斷改變兩個(gè)參照系的距離,距離是一個(gè)時(shí)間尺度,所以運(yùn)動(dòng)是在不斷改變兩個(gè)參照系間的時(shí)間尺度,兩個(gè)參照系間的時(shí)間差(時(shí)間差只有正沒(méi)有負(fù))不斷增大,所以從一個(gè)參照系看另一個(gè)參照系,時(shí)間流逝必然不同。只有相對(duì)靜止的兩個(gè)參照系時(shí)間流逝相對(duì)才是相同的。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參照系,時(shí)間流逝只是相對(duì)不同,每個(gè)參照系都可以將自己視為靜止?fàn)顟B(tài),其上的人們感覺(jué)不會(huì)有什么不同,只是從一個(gè)參照系看另一個(gè)參照系,另一個(gè)參照系一切節(jié)奏都變慢了。“時(shí)間球”球面上各點(diǎn)的時(shí)間流逝速度是相對(duì)的,跟觀察者的位置有關(guān),距觀察者越遠(yuǎn)時(shí)間流逝速度越慢,在“A后”點(diǎn)時(shí)間流逝速度為零。(見(jiàn)圖18)圖182.5、后點(diǎn)以宇宙極限的速度遠(yuǎn)離前點(diǎn)的論證我們必須認(rèn)可這樣一個(gè)事實(shí):時(shí)間不能倒流。后點(diǎn)以宇宙最快的速度遠(yuǎn)離前點(diǎn)的論證就是基于這一事實(shí)。圖19如上圖(圖19)所示,“時(shí)間球”的膨脹,導(dǎo)致A后遠(yuǎn)離A前,假設(shè)此時(shí)從A前位置有一參照系F忽然相對(duì)A前以速度向前運(yùn)動(dòng),速度使F和A后的時(shí)間差增速變慢。如果速度變得更大,F(xiàn)和A后的時(shí)間差增速會(huì)變得更慢,以至于會(huì)變?yōu)榱恪5@個(gè)增速?zèng)Q不會(huì)變?yōu)樨?fù)值,因?yàn)橐坏┳優(yōu)樨?fù)值,就意味著F和A后的時(shí)間差會(huì)變小,也就是說(shuō)宇宙出現(xiàn)了時(shí)間倒流,走向過(guò)去時(shí)間球面,這與時(shí)間不可倒流相悖。我們知道宇宙的極限速度是光速,F(xiàn)遠(yuǎn)離A前的最大速度可以達(dá)到光速。而要使A后點(diǎn)與F參照系時(shí)間差不出現(xiàn)負(fù)值,A后遠(yuǎn)離A前的速度必須以大于等于光速,光速是極限速度,所以A后必須以光速遠(yuǎn)離A前。當(dāng)F參照系以光速遠(yuǎn)離A前時(shí),F(xiàn)與A后處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)F參照系與A后時(shí)間流逝速度相同。所以說(shuō),后點(diǎn)是以極限速度光速遠(yuǎn)離前點(diǎn)的,即“時(shí)間球”大圓周長(zhǎng)是以光速擴(kuò)張的。通過(guò)上述分析我們看到,當(dāng)參照系相對(duì)觀測(cè)者達(dá)到光速時(shí),觀察者會(huì)觀測(cè)到參照系與后點(diǎn)時(shí)間流逝速度相同,時(shí)間流逝將停止。對(duì)于觀察者而言,光速是相對(duì)于后點(diǎn)靜止的速度,也可以說(shuō)光速是相對(duì)于宇宙的開(kāi)端靜止的速度。事實(shí)上觀察者在以光速遠(yuǎn)離宇宙的開(kāi)端,而光速相對(duì)于宇宙的開(kāi)端是靜止的。2.6、時(shí)間流逝的速度表示造成時(shí)間流逝相對(duì)性的根本原因是存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)該認(rèn)可這樣一個(gè)前提:相對(duì)靜止的兩點(diǎn)時(shí)間流逝是相同的。假設(shè)兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參照系A(chǔ)、B,相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為,我們可以認(rèn)為A參照系為靜止,則B參照系必然會(huì)在“時(shí)間球”球面上找到一對(duì)應(yīng)點(diǎn)C,C點(diǎn)遠(yuǎn)離A的速度也是,與B參照系保持相對(duì)靜止,C點(diǎn)與A參照系距離為t年。這樣A、B參照系時(shí)間相對(duì)流逝問(wèn)題就變成了A、C時(shí)間相對(duì)流逝問(wèn)題(見(jiàn)圖19)??梢?jiàn),根據(jù)速度不同,B點(diǎn)時(shí)間流逝與“時(shí)間球”球面的點(diǎn)存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)A點(diǎn)時(shí)間流逝速度為1,則當(dāng)=0時(shí),B與A對(duì)應(yīng),時(shí)間流逝也為1;當(dāng)=c時(shí),B與后點(diǎn)A對(duì)應(yīng),時(shí)間流逝為0。B點(diǎn)的時(shí)間流逝速率推導(dǎo)如下:根據(jù)第四節(jié)“時(shí)間流逝的相對(duì)性”描述中公式(2):=1-t/T,又t/T=v/c ,推出t=T/c,所以:=1-/c (3)圖192.7、速度疊加原理設(shè)A、B、C三點(diǎn)在同一直線上運(yùn)動(dòng),B相對(duì)A速度為1,C相對(duì)B速度為2,求C相對(duì)A速度3。解:根據(jù)第六節(jié)“時(shí)間流逝的速度表示”所述公式(3):B點(diǎn)相對(duì)A點(diǎn)的時(shí)間流逝1=1-1/c C點(diǎn)相對(duì)B點(diǎn)的時(shí)間流逝2=1-2/cC點(diǎn)相對(duì)A點(diǎn)的時(shí)間流逝3=1-3/c由題意可知:3=12所以:1-3/c=(1-1/c)(1-2/c)可以推出:3=1+2-12/c (4)公式(4)就是速度疊加原理。本節(jié)推導(dǎo)出的速度疊加原理與相對(duì)論推出的疊加原理有所不同,相對(duì)論推導(dǎo)的速度疊加原理為:3=(1+2)/1+ (12 / c2 )。本文推導(dǎo)過(guò)程采用的是根據(jù)時(shí)間球模型進(jìn)行了正向推導(dǎo),是先有原因后有結(jié)果。而相對(duì)論推導(dǎo)過(guò)程采用的是根據(jù)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行了逆向推導(dǎo),是先有結(jié)果,后尋找原因。同時(shí),相對(duì)論在推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有考慮時(shí)間因素對(duì)空間的扭曲影響。相對(duì)論推導(dǎo)的結(jié)果在大宇宙尺度上會(huì)有局限性。2.8、光速不可疊加美籍物理學(xué)家麥克爾遜的實(shí)驗(yàn)表明,光速是不變的。本文推導(dǎo)的速度疊加原理也證明了光速度不可疊加這一現(xiàn)象。根據(jù)速度疊加原理,列表(表2)如下:表2:速度疊加表3=1+2-12/c序號(hào)12310.1c0.1c0.19c20.2c0.2c0.36c30.3c0.3c0.51c40.4c0.4c0.64c50.5c0.5c0.75c60.6c0.6c0.84c70.7c0.7c0.91c80.8c0.8c0.96c90.9c0.9c0.99c10ccc11c-cc備注c為光速。根據(jù)上述列表,我們可以看出,光速是宇宙的極限速度,是不可疊加的,這是“時(shí)間球”的特性,是宇宙的特征。光速不變是被許多觀測(cè)證實(shí)的事實(shí),是“狹義相對(duì)論”的基礎(chǔ)。而“時(shí)間球”理論推導(dǎo)出了光速不變的事實(shí),揭示了光速不變的根本原因。從深層意義上講,光速是相對(duì)奇點(diǎn)靜止的速度,即相對(duì)奇點(diǎn)時(shí)間流逝為零的速度,由于我們以光速遠(yuǎn)離奇點(diǎn),所以我們感到光以光速遠(yuǎn)離我們。從時(shí)間球角度講,光是靜止的,我們是以光速運(yùn)動(dòng)的。光是飛向我們的過(guò)去,而不

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