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科學(xué)思想的新天地--宇宙演化全景圖

 visionwei 2009-06-27
 

宇宙演化全景圖
宇宙開始之前我們無法追溯,我們只能假定宇宙有一個開始,然后從宇宙開始條件作出推測,以此來統(tǒng)一現(xiàn)有的理論,但只這是邏輯上來統(tǒng)一,因?yàn)檫@組方程太復(fù)雜,不能用分離變量法和微擾法,一個新理論卻不能計算,這有些遺憾,也許只能如此。
宇宙開始的條件是什么?宇宙的運(yùn)行規(guī)律是什么?量子力學(xué)和相對論如何統(tǒng)一?四種相互作用的關(guān)系是怎樣?基本常數(shù)之間的聯(lián)系如何?真空有什么特性?都將給出邏輯上的解釋。
宇宙開始于一次最微小的震動,然后按嚴(yán)格的數(shù)學(xué)規(guī)律運(yùn)行,宇宙的震動實(shí)際上是正負(fù)能量有微小的不對稱,這時宇宙還沒有選擇空間,宇宙的空間是由空間自身的特性來選擇的,最終近似穩(wěn)恒的空間保留了下來,不穩(wěn)定的空間在一瞬間就消失了,根本無法存在和演化,而一成不變的空間也遠(yuǎn)離我們而去,剩下演化的空間就是我們生存的空間,在基本粒子內(nèi)部可能存在特殊的空間結(jié)構(gòu)。
我們展開的空間是三加一維空間,時間和空間只是近似分離,只有時間和空間嚴(yán)格分離,我們才能求出嚴(yán)格解,在物質(zhì)或場低速運(yùn)動時,用我們認(rèn)為的嚴(yán)格解加上微擾來求解,而在宇宙實(shí)際演化過程中,物質(zhì),時空,能量,運(yùn)動是不可分割的,只能猜出方程組,但不能嚴(yán)格求解。
鑒于電腦的書寫格式,這里不明確寫出方程組,只給出其建立方法,如果讀者有下列知識,自然會得出這組方程,第一,學(xué)過相對論,廣義相對論,量子力學(xué),第二,有數(shù)學(xué)空間的概念,熟悉標(biāo)量場,旋量場,矢量場,張量場的理論。
宇宙開始振幅假定為一,正能量和負(fù)能量相等,但是在震蕩,這時沒有基本粒子,只有震動變化的一個場,正能量的場之間相互排斥,負(fù)能量之間的場也相互排斥,但正負(fù)能量之間的場相互吸引,這形成了復(fù)雜的震動場,維數(shù)多的場震動無法保持,不是立即塌縮,就是立即發(fā)散,三維空間和一維時間分離的結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài),不會演化,從邏輯上也不符合簡單性原則。
數(shù)學(xué)空間由基矢量描述,運(yùn)算變換后的數(shù)值和原數(shù)值都在同一數(shù)集中,基矢量KN2=±1,K12,K22,K32等于1,K42等于-1,這就是我們宇宙最終展開空間。
相互作用質(zhì)量等于慣性質(zhì)量,這是四種相互作用統(tǒng)一的基礎(chǔ),當(dāng)然也包含廣義相對論。
宇宙開始時由一個多分量函數(shù)描述,空間變換函數(shù)ξ1(X1,X2,X3,X4),ξ2(X1,X2,X3,X4),ξ3(X1,X2,X3,X4),ξ4(X1,X2,X3,X4)是X1,X2,X3,X4的變換函數(shù),對Ψ1  Ψ2 Ψ3          Ψ4分別求ξ1 ξ2 ξ3 ξ4的導(dǎo)數(shù),將得到一組復(fù)雜的方程組,再將得到的方程組進(jìn)行對稱化和反對稱化處理,這就是宇宙開始演化的原始方程組,隨著時間和空間的擴(kuò)展,能量的隨機(jī)振動下降,這時基本粒子開始出現(xiàn),基本粒子間也出現(xiàn)相互作用。
準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布理論,按前面所述,瞬態(tài)和絕對穩(wěn)態(tài)這時都和我們的宇宙分開,穩(wěn)態(tài)分布在數(shù)學(xué)上可以展開為傅立葉函數(shù),在描述低速運(yùn)動的物質(zhì)和場時,四維時空可以近似展開為三維空間和一維時間,Ψ由AmEXP{∑kNXN}描述,量子力學(xué)是在這里加入普朗克常數(shù),代入四維動量和四維空間,得到量子力學(xué)的基本方法,但波的性質(zhì)和含義是量子力學(xué)所無法解釋的,普朗克常數(shù)也是沒有解釋,在對波函數(shù)和時空作近似的時候,波的具體意義被丟失了,量子力學(xué)實(shí)際上是將粒子當(dāng)成一個穩(wěn)態(tài),然后在此基礎(chǔ)上計算所得的是這個穩(wěn)態(tài)在更第能量作用下的幾率分布。
在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上是不能研究基本粒子的內(nèi)部運(yùn)動,也不能研究普朗克常數(shù)的由來,所有的常數(shù)都和宇宙開始有關(guān),普朗克常數(shù)實(shí)際上反映了空間的振動,在宇宙開始初期,普朗克數(shù)要比現(xiàn)在大得多,在時空向單一方向擴(kuò)張的同時,空間的波動變小,普朗克數(shù)也隨著變小,這時基本粒子大量產(chǎn)生,在展開的三加一維空間中,正負(fù)能量在一定空間內(nèi)平均抵消,但在中心對稱的四維空間中,正負(fù)能量產(chǎn)生了非對稱的結(jié)果,基本粒子的能量是正負(fù)能量相加后的值,以正能量存在的粒子是我們現(xiàn)在宇宙的基石,負(fù)能量的物質(zhì)以彌散的形式存在,形成了引力場,這個引力場在宇宙初期也要比現(xiàn)在大得多,隨著宇宙的擴(kuò)張,引力常數(shù)也隨之變小,萬有引力是宇宙擴(kuò)張所引起的,所以宇宙擴(kuò)張和引力大小才能達(dá)到基本平衡。
基本粒子是由粒子內(nèi)部能量和真空交換能量達(dá)到平衡的結(jié)果,真空存在波動,取的空間越大,真空能量波動越小,空間越小,能量起伏越大,這與量子力學(xué)相對應(yīng),量子力學(xué)是在實(shí)際上是在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上研究穩(wěn)態(tài)的緩變,比如電子在原子中的運(yùn)動,這在另外的文章中有具體的分析(見宇宙的起源物理學(xué)的大統(tǒng)一)一文。
電子是穩(wěn)定的基本粒子之一,根據(jù)空間的對稱性,可能存在四種與電子類似的粒子,分別是能量為正的電子和正電子,能量為負(fù)的虛電子和虛正電子,電子和正電子相互湮滅產(chǎn)生一對伽瑪光子,這說明電荷只是由電子內(nèi)部運(yùn)動形式所引起,正電子內(nèi)部運(yùn)動和電子相反,但能量為正,改變這種內(nèi)部運(yùn)動需要兩倍于電子的能量,迪拉克的電子費(fèi)米海添充真空解釋是不合理的,真空可以在測不準(zhǔn)關(guān)系內(nèi)分成任何的實(shí)粒子和虛粒子對,而電子和正電子都是實(shí)粒子,不可能填充真空。我們四維空間是由三個實(shí)數(shù)和一個虛數(shù)維構(gòu)成,如果由三個虛數(shù)和一個實(shí)數(shù)維構(gòu)成四維空間,則正好和我們的空間結(jié)構(gòu)相反,虛粒子由這種空間結(jié)構(gòu)描述,從這來分析,應(yīng)該有四種宇宙形式與基本粒子對應(yīng),但是,這四種基本粒子不相容,會發(fā)生相互湮滅,宇宙空間越小,相互作用的幾率越大,所以,在宇宙初期很小的非對稱就決定了宇宙以后的存在方式,由于真空能量振動的不確定性,導(dǎo)致了我們不能從實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)電子的內(nèi)部運(yùn)動。
質(zhì)子和中子組成原子核,質(zhì)子和中子又分別由夸克組成,氫原子中心勢場穩(wěn)定結(jié)構(gòu)容易理解,三夸克組成的粒子是穩(wěn)定的,而兩個夸克組成的介子是不穩(wěn)定的,這與我們的直覺完全不同,而且從來沒有單獨(dú)的自由夸克,這說明在質(zhì)子內(nèi)部存在不同的空間結(jié)構(gòu),夸克不是四維空間描述的粒子,所以夸克不能單獨(dú)存在于四維空間中,多個夸克可以組合成四維空間的基本粒子,這也是夸克禁閉的原因。
電子和夸克都有更重的翻版,在物理學(xué)中稱為族問題,電子和夸克內(nèi)部既然有運(yùn)動,就完全存在基態(tài)和不同的激發(fā)態(tài),更重的μ子是電子內(nèi)部運(yùn)動的激發(fā)態(tài),夸克也類似。十九世紀(jì)時,元素被化學(xué)家分成不同的族,門捷列夫排出了元素周期律,但當(dāng)時的科學(xué)家不能解釋元素周期律,直到量子力學(xué)建立,才解釋了原子的穩(wěn)定性和元素周期律。基本粒子的族問題只有解開粒子內(nèi)部的運(yùn)動形式,才能徹底解釋,前面所建立的方程組很難解,但基本粒子存在是事實(shí),就像上世紀(jì)原子是穩(wěn)定的一樣是事實(shí)。
除了電子和夸克之外,在高能粒子碰撞之下,產(chǎn)生了許多粒子,但大多都不穩(wěn)定,這實(shí)際上是共振態(tài),這不能單獨(dú)穩(wěn)定存在的粒子不能稱為基本粒子,只是在共振態(tài)之間存在對稱性。這種對稱性的研究由群論所完成。群論可以繞開粒子的內(nèi)部運(yùn)動形式,直接將粒子歸類,同類粒子在一定條件下可以相互變換,這樣避開了復(fù)雜的方程組,使得粒子有了分類,得到粒子之間的相互關(guān)系。
相互作用,目前公認(rèn)的是有萬有引力,強(qiáng)相互作用,弱相互作用,電磁相互作用,這并不完全,比如電子內(nèi)部的作用,夸克內(nèi)部的作用,這些相互作用應(yīng)統(tǒng)一在前面建立的方程組。每種相互作用只是這組方程的近似一部分。由于有相互作用質(zhì)量等于慣性質(zhì)量,所以,相互作用的極限由此制約,不能無限大,當(dāng)然也不會有奇點(diǎn)存在,宇宙初期的能量密度比現(xiàn)在任何天體都大,但宇宙還是演化出來,由引力和粒子間不相容原理所求的黑洞應(yīng)該不存在,類似的高致密天體可能存在,在基本粒子內(nèi)部,能量密度非常高,因?yàn)榻^大部分能量都集中在極小的空間中,相互作用也強(qiáng)。
相互作用的強(qiáng)弱除了和能量密度有關(guān)外,還和共振有關(guān),比如颶風(fēng)比三級風(fēng)能量要大得多,但三級風(fēng)能把大橋吹垮,而颶風(fēng)卻沒有吹垮這座大橋。這其中的原因就是共振作用積累了能量?;玖W佣际侵芷谛缘恼駝哟嬖诜绞?,如果不是這樣,基本粒子會在瞬間消失。量子力學(xué)將相互作用解釋為粒子交換,帶電粒子之間交換光子,以此來解釋電磁相互作用,核子之間交換介子,夸克之間交換膠子,或者交換玻色子,交換幾率決定了相互作用的大小和力程。實(shí)際上這只是表象上的解釋,計算結(jié)果雖然和實(shí)際相符,但解釋并不正確。
在熱力學(xué)發(fā)展過程中,曾經(jīng)提出過熱質(zhì)說,也能解釋熱量的交換,但這種解釋不正確,分子運(yùn)動論的提出才解釋了熱運(yùn)動。量子力學(xué)的幾率解釋是不正確的,基本粒子隨時都和外界交換著能量,只有被交換的能量是一個穩(wěn)態(tài),我們才能觀測,而瞬態(tài)過程的作用不能觀測,也很難去計算,但在邏輯上是這樣。對于人來說,我們的試驗(yàn)終止于普朗克數(shù),計算終止于分離變量和微繞法,要探索基本粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很困難的。雖然不能解這組方程,但在邏輯上可以認(rèn)為宇宙演化完全按照這組方程運(yùn)行,這組方程包含了宇宙的所有信息,人類只是宇宙的極小一部分,從邏輯上講,整體大于部分,部分永遠(yuǎn)小于整體,人類不可能掌握宇宙的全部。
在產(chǎn)生了基本粒子后,基本粒子存在的比例決定于粒子的自身穩(wěn)定性,由質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核,原子核和電子構(gòu)成原子,原子組成分子,分子組成生物,不同的生物只是原子或分子排列不同,在物質(zhì)層面上并無本質(zhì)的區(qū)別。在生命現(xiàn)象中,除了存在個體生命外,還存在生態(tài)關(guān)系,個體生命存在大多只有幾分鐘到幾百年,但生態(tài)關(guān)系卻能存在數(shù)萬年到上千萬年,比如羊和狼的個體都只有十幾年的壽命,如果我們不區(qū)分羊的個體和狼的個體,過五十年,原來的羊和狼都死了,存在的是新的羊和狼,但這種生態(tài)關(guān)系依然存在?;玖W右惨灶愃频姆绞酱嬖冢胂牖玖W拥拇笮『瓦\(yùn)動速度,場的運(yùn)動速度,這種過程發(fā)生的更快,幾乎是瞬間,量子力學(xué)也是不區(qū)分粒子的,也是得出的是類似的關(guān)系?;玖W拥拇嬖谝蕾囉谥車沫h(huán)境,中子在原子核中是穩(wěn)定的,但單獨(dú)的中子很快就會發(fā)生衰變,這說明基本粒子和周圍粒子場或真空在時刻交換著能量,真空也存在能量波動。
宇宙演化的前幾分鐘,是產(chǎn)生大量粒子的階段,接著產(chǎn)生星系和星體,經(jīng)過漫長的演化,會產(chǎn)生出大量帶行星的恒星系,太陽系只是其中的一個成員,在適合生命存在的地球,產(chǎn)生了生命,也包括我們?nèi)祟悺?br>從推理上講,宇宙的其他地方有可能也存在生命,但現(xiàn)實(shí)是也許離我們太遠(yuǎn),根本不可能實(shí)現(xiàn)通訊。遙遠(yuǎn)的距離會使信號淹沒在噪聲之中,漫長的時間也是難以跨越的問題。
即便我們找到了支配宇宙運(yùn)行的方程組,我們也不可能做出完全準(zhǔn)確的預(yù)測,一是方程組難以計算,二是不可能測量粒子內(nèi)部運(yùn)動和瞬時過程。

 

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