论超时空物理学及宇宙演化

1、论超时空物理学及宇宙演化历史与地理学院 物理学专业（第二学位） 2012级02班 孙旭东摘 要： 爱因斯坦提出相对论以后，引发了20世纪的一次物理学大革命，同时，随着基本粒子物理的发展以及测量科学与空间技术的巨大进步，人类对宇宙的认识发生了巨大变革，大大促进了天文学与物理学的发展然而，爱因斯坦直至去世也没有建立统一场论，而很多自然现象都是人类所不能解释的从这里，我们应该清醒地认识到，任何的科学理论，都有着它产生的特定历史条件，因而也就不可避免地存在一定的局限性；而人类对宇宙的认识，实际上仍然处于初级阶段，也就需要我们不断地进行实践与探索本文拟从超时空的角度对理论物理学的各个分支进行适当的推广，

2、并对宇宙的演化做一些更加细致的描述，以阐明本人对于物理学与天文学的一些见解关键词：超时空物理学；宇宙时空的无穷性；统一场论；宇宙的演化过程On the time and space physics And Evolution of the universeSun Xudong Class02，Grade2012 Physics (second degree)Department of History and GeographySummary: after Einstein put forward the theory of relativity, triggering a physics re

3、volution of the 20th century, at the same time, with the development of elementary particle physics, as well as huge advances in measurement science and space technology, a massive change in human understanding of the universe, which greatly promoted the development of astronomy and physics. However

4、, Einstein died has yet to create a unified field theory, and many are human beings cannot be explained by natural phenomena. From here, we should soberly recognize that any scientific theory, with its specific historical conditions, thus inevitable limitations; and human understanding of the univer

5、se, in fact, is still in its early stages, also requires us to constantly practice and exploration. Proposed in this article from the point of view of time and space to promote all branches of theoretical physics properly, and do some more detailed description of the evolution of the universe, to cl

6、arify that I am some insights of physics and astronomy.Key words: time and space physics; space-time of the universe of infinite; unified field theory; the evolution of the universe1 引言自20世纪初，相对论物理学与量子力学建立以后，人们对于物质的宇宙的认识逐步趋向深化然而，物理学至今没有一个统一的理论，而宇宙的形成与演化过程，以及一些物理现象的具体过程与产生原因，人们仍不能解释因此，我们有必要从新的角度来观察我们

7、如今所生存着的这个宇宙与空间，以更好地认识自然，了解自然2 超时空物理学的基本理论基础2.1 相对论存在的问题四个基本假设2.1.1 四个基本假设根据爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设，光速在真空中是不变的，也就是说，真空中的光速c是对任何惯性参考系都使用的一个普适常数在这之后，爱因斯坦又提出了广义相对论，指出对于表述各种物理现象与过程的规律来说，所有的参考系都是等价的然而，它并没有指出在多重时空下，物理规律从整体上看是否一致；而且，这种推广已经超出了普通的数学语言所能描述的范围，使得理解这个理论的实质变得更加困难在我看来，至少在我们所生活的这个宇宙里，所有的物理规律都应该是和谐、统一的，而不是

8、杂乱无章的，也不是极为繁琐的如果从这一点来看，相对论物理学与量子力学都达不到这个要求所以，我们需要从另一个视角，以创新与发展的眼光来看待我们这个宇宙中存在的物理现象的背后所蕴藏的物理规律，以让我们能够更好地了解自然，认识自然那么，首先，为了更好地让大家理解我下面所提出的一系列看法，我们首先提出四个基本假设：原理1（光速可变原理）：对于不同的宇宙空间，从总体上看，光速的实际值是不同的，且在不同的时刻，光速的实际值也不是确定的；原理2（物理规律的不确定原理）：对于描述一切物理过程的规律，如果从总体上看的话，每一个宇宙空间中的物理规律都会有一定的区别，因而是不确定的；原理3（光速的连续变化原理）：对

9、于不同的时空环境，如果把这些宇宙空间按某种法则进行有序排列，则每个时空中的光速的值的全体可以组成一个连续的数系；原理4（物理规律的可知性原理）：对于不同的时空环境，如果把这些宇宙空间按某种法则进行有序排列，则从总体上看，物理规律会呈现出可知的规律性变化2.1.2 关于四个基本假设的内涵下面，我们就这四个基本定理进行一些必要的解释与说明首先看前两个原理众所周知，狭义相对论的基础是两个基本公设，即光速不变原理与狭义相对性原理和洛伦兹变换然而，事实上，相对论学者们都承认，各种检验“光速不变”的实验都只能证明回路光速不变，而从未能够证明单向光速不变，甚至认为单项光速是一种无法直接测得的量但是，这就导致

10、了一个问题：单向光速是否不变？它是否是一个变量？相对论没有给出一个明确的答案这就给它造成了一个致命的漏洞也就是说，它没有办法去解释宇宙大爆炸之类的问题，因为它并不能解释宇宙在形成的早期究竟会发生什么，也无法解释发生这些事情的原因事实上，根据爱因斯坦狭义相对论，在我们的这个宇宙中，光速相对于时空来讲是不变的，它的值是一个普适常数但是，时空是否只有一个？它的本质是什么？宇宙空间又是否是不可穿越的？这些内容都需要我们进行探讨从前两个原理，我们可以知道，时空的存在是多元的换个角度说，时空具有稠密性但实际上，由于时间与空间的特殊存在性，即时间是一个具有确定方向的特殊标量，而空间则是一个在一定的限制条件下

11、，能够容纳各种客观物质的区域所以，我们要想证明出，前两个原理是正确的，就必须证明多重时空存在的正确性2.2 高等代数基本定理在解方程的过程中所出现的问题数集的推广 为了能够更好地证明前述的四个原理，我们在这里将对数集进行必要的推广，以更好地运用数学工具来解决问题2.2.1 复数域存在的问题关于封闭数系19世纪初，德国著名数学家高斯（K.F.Gauss,17771855）用四种方法证明：若K是一个数域，x是一个未知量，则数域K上的n次代数方程a0xn+a1xn-1+an-1x+an=0在复数域C内必有一个根这就是著名的高等代数基本定理它要说明的结论是，数系在推广到复数系之后就到了尽头，没有可能再

12、做进一步的扩充了然而，事实真的如此吗？这个定理是否有什么缺陷？下面我们就来讨论一下这个问题从概念上说，数域相对于四则运算封闭然而，事实上，我们并不能确定复数域是否能解决代数方程范围内的一切问题其实，我们已经知道，根据微积分学的知识，0是无穷小的极端情况，那么，既然它大于一切负数，又小于一切正数，就证明它是有大小的，那么，为什么不能把0看作一种特殊的“分母”呢？可能这个问题在数学界的各位大家们看来是很荒谬的，但却又在情理之中，因为它已经超越了一般的微积分学的范畴，而进入了一个新的领域，那就是所谓的“超等数学”，也即“谬数数学”下面，我们就具体地讲一下这个“谬数”2.2.2 谬数无穷谬数与有穷谬数

13、所谓“谬数”，指的就是以“0”为分母的分数，之所以成为“谬数”，是因为它与我们难以体验到的“虚数”相比，更加不可捉摸甚至是不可思议的数，如同某种“谬论”一样，因而称为“谬数”看到这里，有人会问：这个“谬数”，究竟是否存在？我的答案是肯定的事实上，我们应该打破我们的传统思维，明确一个新的观念：“可分不一定可见，可见不一定可分”何以见得？事实上，根据微积分学的基本思想极限，我们应该明白，在求定积分的过程中，我们即使把每一个小的积分微元分得再细，它也是不可能取到真正的确切值的，而只能在无限细分的情况下，才能够得到精确值然而，这里的积分区间（或积分区域）虽然是可分的，但其所分成的无数个小的积分微元却是

14、不可见的因此，这就说明了“可分不一定可见”的意义所在而有些虽然可见，但却不可分，因为它们有着特殊的含义，即其内部的函数不是定义域上的连续函数因此，我们需要从另一个角度去出发，去探讨一下关于谬数存在的合理性与逻辑性首先，我们要探讨一个极其重要的问题，那就是关于0分母分数的意义根据所谓的“常识”，“0”这个数字所表示的含义只有两种：一是表示“没有”，二是表示无穷小的极限值那么，“0”是否能够具有其他的含义呢？我想是有的首先，从极限的角度，我们应该知道，无穷小是一个极限为0的变量，而不是数量0但事实上，我们要明白，无穷小量这个量实际上并不是一个确定的量，因此，“极限为0”事实上并不准确应该称为“极限

15、的趋势是接近0，而不是等于0”那么，怎么定义“0分母分数”呢？这又涉及到极限的意义在这里，我们以“10”作为一个例子，来做一下解释根据极限的概念，我们应该知道，把“1”分成无穷小份，可能会导致无穷大的出现但是，不同的0分母分数，其趋近于无穷大的速度是不一样的所以，我们这里指的“0分母分数”实际上也是一种特殊的数，也即“谬数”根据谬数理论，所谓的“谬数”，事实上是一种趋势，而并不是确定的数，因为依据代数基本定理与戴德金分割定理，数系已经“无法扩充”，所以只能从另一条道路来创造新数，也就是说，我们需要使用新的“数的定义”，也就是说，数是包括两种组成成分的，一种是所谓“定数”，也就是我们现在所能学到

16、的数，也就是复数域C但还有另一种数是我们无法确定其趋势的，而这种数就是我们所说的“谬数”谬数的性质，是很奇妙的虽然它不能被求出其确定值，也不能用数轴或是矢量去表示，但它也能比较大小，就如同高等数学中“无穷小的比较”一样下面，我们来具体地讲一下关于谬数的概念 2.2.3 谬数的基本运算3 超时空力学的基本理论3.1 光速可变原理根据爱因斯坦狭义相对论的光速不变原理，“真空中的光速与测量它的参考系无关，在两个作相对运动的惯性参考系中测到的光速相同，也就是说，光速在所有惯性参考系中都相同”在单一时空来看，这句话的确是对的但是，是否只有一个时空？答案是否定的事实上，我们当今的科学理论并不能指出究竟是否

17、存在着多重时空而且，虽然根据迈克耳孙莫雷实验，光速在我们所处的时空中的确与我们所选择的参考系无关，但我们应该清楚地认识到，任何的物理规律都是相对的，没有单一的绝对真理其实，“光速不变原理”只能证明回路光速不变，而无法证明单向光速不变；而且，它只能表明在我们所存在的这个宇宙中，光速是不能被超越的，但它却把光速这个所谓的“常量”作为一个确定值，这显然是行不通的其实，相对于它本身来说，光速并不是一个常数，而是一个“变量”，在单一时空之内，它的值会随时间的推移而发生变化，只不过这种变化在短时间的观测中很难被发现；而如果将多重时空中的每一个时空中的光速值进行比较，它们的差距就会更大根据宇宙大爆炸理论，宇

18、宙在约100亿年前差不多是个“点”，而经典宇宙始于普朗克时间（tp10-44s），在10-35s时开始暴胀，而在（10-23s10-6s）时进入强子时代（夸克结合成强子）在这之前，宇宙处于大统一时代，四种基本相互作用是统一的到t=180s时，开始形成原子核，引力相互作用与电磁相互作用相继从统一场中分离出来由于早期的宇宙是一个没有时间与空间概念的点，有着无穷大的质量，因此事实上其逃逸速度远远大于今天的光速值但是，我们却能够通过实验，发现宇宙早期的辐射，这不能不证明宇宙早期的光速值是大于今天的实际值的3.2 超时空理论基本原理的基石超时空变换根据上述论述，我们有必要寻找一种新的变换关系，它不但应该

19、满足四个基本假设，而且当该变换从其他时空穿梭转换到我们所在的时空时，新的变换关系还要能使洛伦兹变换重新成立3.2.1 超时空变换的基本形式我们假设有两个时空W与W'，而相对于它们的惯性系分别为S与S'，并且S'系的原点O'相对于S系的原点O以速率u沿x轴方向作匀速直线运动 这里所说的“参考系的运动”，实质上指的是时空的运动在这里，我们设时空W为我们所在的时空，同时认为，在同一个时空中，时间和空间都是均匀的，即时空坐标间的变化必须是线性变化对于同一事件P，我们设它在两个时空坐标系S系与S'系中的时空坐标分别为x,y,z,t和x',y',z&

20、#39;,t'，如图1-2-1所示：在S系中观察S系的原点O，其横坐标x=0；而在S'系中观察该点时，x=-ut'，即 x'+ut'=0，x=x'+ut' (1)根据前面的设想，我们可以设对于空间中的任意一点，有： x=x'+ut' (2)式中为比例系数同理可得 x'='x-ut (3)根据原理2和原理4，设'=，其中为比例系数，则可得 x'=x-ut (4)在这里，我们假设从两惯性系S系与S'系的坐标原点O与O'分别发出一沿x轴方向的光脉冲，则在时刻t或t'，光脉冲

21、到达点的横坐标在S系与S'系中分别为 x=ctx'=c't' (5) 由四个基本假设，我们设c'=c， 则可得 x'=ct' (6)将(2)(4)两式相乘，并将(5)(6)二式代入所得等式，解，得 =cc+uc-u (7)设 =uc并代入(7)，得 =11-+ (8)把(4)代入(2)，解得t'的表达式为 t'=1-2ux+t (9)把(8)分别代入(4)和，得 x'=x-ut1-+ (10) t'=t+1-ux1-+ (11) 又由前面的四个基本假设，得 y'=y， z'=z，故可得 x&

22、#39;=x-ut1-+ y'=yz'=zt'=t+1-ux1-+ (12.1)x=x'+ut'1-+y=y'z=z't=t'+-1ux'1-+ (12.2)则(12.1)式称为超时空变换的基本形式，(12.2)称为超时空反变换的基本形式显然，当 1时，即光速恢复到我们所在的时空中时 这里要指出的是，其它时空的光速的值不一定为c，而有可能是c的任意倍数，故这里所讲的指的是说，当我们从其它时空变换到我们所处的时空时，光速将转变为c，该变换又回到洛伦兹变换显然，洛伦兹变换只能描述单一时空下的坐标变换，而不能讨论多重时空下的时空

23、变换，这是它的一个弱点3.2.2 超时空变换蕴含的时空观3.2.2.1 洛伦兹变换存在的问题与光速的相对性按照洛伦兹变换的成立条件，为使x'与t'保持为实数，u必须不大于c，也就是说，在相对论中，任何物体的速度均不会超过光速而且，根据爱因斯坦相对论，对于描述一切物理过程的规律来说，所有的参考系都是等价的然而，他忽略了时空穿梭的问题也就是说，物体不能在时空中穿梭，而只能停留在一个时空之中但是，实际上，按照我自己的看法，时空是有无穷多个的这是因为，根据超时空变换的四个基本假设，实质上，光速也是相对的只不过，在单一的时空中，光速是不变的，但如果把另一个时空中的光速与我们所处的时空相比

24、，光速就是不一样的了也就是说，如果以多重时空中的一个时空作为标准参考时空，并将所有的时空中的光速组成一个集合，则我们说，光速相对于标准参考时空是可变的同时，我们还可以得出一个十分重要的结论：对于多重时空而言，如果把所有的时空都排列在集合A中，则每一个时空都对应一个确定的光速值，那么，设所有时空中的光速的集合为B，则存在一个对应法则，使：AB成立，且成一一对应关系，也就是说，时空与光速实际值是一一对应的至于时空穿梭的问题，我准备放在后面做更详细的讨论与研究3.2.2.2 同时的相对性的推广时空的相对性根据洛伦兹变换式，我们可以知道，在同一时空之内，同时是相对的那么，在多重时空之下，情况又是怎样的

25、呢？现在，我们就来讨论这一问题设在时空W（设时空W为我们所在的时空）中,分别发生两事件P1与P2，它们的时空坐标分别为x1,y1,z1,t1和x2,y2,z2,t2，而在时空W'中看这两个事件，它们的时空坐标则为x1',y1',z1',t1'和x2',y2',z2',t2'，从而得到 t1'=t1+1-ux11-+t2'=t2+1-ux21-+ (13) 则t=t2-t1+1-ux2-x11-+ (14) 由此可见：(I)当时空W中发生的两事件P1与P2在同时同地点发生时，即t2=t1，x2=x1时，t=0

26、，也就是说，在另一个时空W'中看，这两个事件也是同时发生的；(II)当时空W中发生的两事件P1与P2在同时不同地点发生时，即t2=t1，x2x1时, (i) 若1-0，则t0，也就是说，在另一个时空W'中看，这两个事件不是同时发生的；(ii) 若1-=0，则t=0，也就是说，在另一个时空W'中看，这两个事件也是同时发生的 这里，指的是光速的倍数，也就是说，一切宇宙空间中的光速的实际值都是c的倍那么，由单一时空内的洛伦兹变换可知，事实上，的值是小于1的正实数，故的值一定为正实数这是因为，由超时空变换可知，1-+>0，故可知+>0，>0所以，对于不同的时空

27、，同时也是相对的，但与单一时空中的洛伦兹变换还是有一定区别的这是因为，对于单一时空中的洛伦兹变换，如果两事件在同时不同地点发生，则在另一个参考系中，这两个事件一定不是同时发生的；但对于两个不同的时空来说，两个在同时不同地点发生的事件，如果从另一个时空中去看，则这两个事件是否同时发生还需要其它的约束条件对于多重时空亦是如此因此，我们应该注意到，时空也是相对的3.2.2.3 运动的杆的长度的相对性如图3-2-1所示，我们在时空W'中的惯性系S'系中沿x'轴平行放置一长杆，此杆在时空W'中静止，但在时空W中却是沿x轴以速率u作匀速直线运动的在单一时空的洛伦兹变换下，运动的杆是缩短的，那