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第三节 回归三维空间（第3页）

2001年，剑桥大学的天体物理学家迈克尔·墨菲领导的一个小组分析了几十亿光年外一些类星体的光谱，发现其中金属元素谱线有微小变化。由于精细结构常数决定着谱线的结构，研究者据此认为该常数自宇宙大爆炸以来增大了约0。001%。这一发现在学术界引起了**，但2004年另一组物理学家说：他们用原子钟对精细结构常数进行了很高精度的测量，并未发现它随时间变化的证据。墨菲小组通过世界上最大的光学望远镜，研究了143个类星体的光谱，这项研究显示，精细结构常数的确在增大。墨菲说，新研究的精度比2004年原子钟实验精度高10倍。

原子钟实验研究人员之一——德国物理技术研究所的埃克哈德·派克说：“这个结果很有力，经受住了许多系统检验，但争议并未解决。”派克本人希望墨菲小组的结果是对的，因为这将为全新的物理理论“打开窗口”。例如尚未得到证实的超弦理论，该理论提出所有物理常数都可能因为更高维度空间的变化而变化。欧洲航天局计划于2006年在环地球轨道上进行一次原子钟实验，精度比墨菲小组还要高100倍。墨菲说：“这可能最终解决问题。”

相对论的改进

根据爱因斯坦提出的理论，任何物体的速度都无法超过光速，但澳大利亚阿德莱德大学的数学家研究出新的方程式表明：对狭义相对论进行扩展，能够用于解释打破这一速度极限的物体运动，可用于描述超光速运动。该研究发表在2012年《皇家学会学报A》上。

狭义相对论用解释相对于观察者参照系的运动和速度。这一理论将从不同点观察到的同一物理事件的测量数据结合在一起。不同的观察点的数据从某种程度上说，取决于观察者的相对速度。狭义相对论指出速度越快，时间越慢。不过，如果两个观察者的相对速度（各自速度间的差异）接近光速，狭义相对论便土崩瓦解。因为根据质量方程E=MC2，一个物体速度越大，则能量越大，因此一个物体达到光速c则需要无限多的能量。

阿德莱德大学数学学院教授吉姆·希尔和巴里·考克斯通过扩展爱因斯坦的理论来了解多大程度的超光速运动具有可能性。希尔表示：“引入狭义相对论的目的主要是了解超光速运动是否具有可能性。目前，我们并未发现任何坚实证据证明当前任何现有运输装置能够超越光速。我们的研究是从数学和物理学的角度解释这一现象。我们用自己的方式提出一个有关狭义相对论的理论，适用于相对速度超过光速的情况。我们采取的方式是对爱因斯坦狭义相对论的一种自然而符合逻辑的扩展，所产生的方程式不涉及虚数或者复杂的物理学。”

他们的方程式让狭义相对论适用于相对速度达到无限的情况，可以用来描述超光速运动。不过，爱因斯坦提出的任何方程式或者任何新理论都无法描述自身速度超光速的物体运动。考克斯说：“我们是数学家，不是物理学家，因此从理论数学的角度解释这一问题。如果证明超光速运动具有可能性，那无疑是一个颠覆游戏规则的发现。我们的研究论文并不试图解释如何让速度超过光速以及超光速情况下的物体运动。”

时间与空间的分离“霍扎瓦重力”理论爱因斯坦推翻了牛顿关于时间与空间绝对独立的时空观，建立了时空纠缠不可分割的新理论。2009年有位美国物理学家却又提出，在能量非常高的条件下，也许人们要放弃爱因斯坦的时空观，而回到牛顿旧有的时空观上去。

物理学家一直困扰于如何想方设法与爱因斯坦的广义相对论保持一致。

广义相对论描述了重力，而量子力学则描述了最小尺度下的粒子和力（不包括重力），它们有关空间和时间的观点是相互矛盾的。按照量子理论，空间和时间是静态的背景，而粒子则处于运动之中。相反，在爱因斯坦理论中，不仅空间和时间密切相关，就是由此产生的时空结构也是由其内部的本体所构成。

量子理论和相对论存在冲突的明显之处是重力常数G（表述重力强度的量）。在太阳系或整个宇宙这样的大尺度下，广义相对论方程产生的G值与观察结果相符；但当缩小到非常小的距离时，广义相对论就不能无视时空的量子波动；而若将其一并考虑，则G的任何计算结果均显荒谬，不可能做出预测。

相对论和量子力学也有过比较成功的结合，那就是在涉及描述高速运动的粒子的时候。这种粒子一方面运动速度接近光速，必须考虑相对论效应；另一方面他们又是微观粒子，所以必须用到量子力学。物理学家为此发展出了一套叫做“相对论量子力学”的理论来描述这类粒子。按照相对论量子力学的思想，各种基本作用力都可以解释为传播力的粒子交换。好比两个人相互抛递一个球，借此发生相互作用一样。把引力解释成为物质之间传递一种叫做“引力子”的粒子时，却遇到前所未有的困难，计算中不时出现无穷大！这在物理学上是一个理论失败的标志。

美国物理学家彼得霍扎瓦提出一个大胆的理论“霍扎瓦重力”，认为要想建立满意的量子引力理论，人们应该放弃爱因斯坦的时空观，而回到牛顿旧有的时空分离的观念上来。

在这个例子中，常温下不考虑相对论并不是说在这种情况下相对论失效了。而当石墨烯的温度降到接近于绝对零度时，电子的运动速度竟有了意想不到的提高（有关资料认为石墨烯中的电子在一些情况下可以接近光速），这时就不能不考虑相对论效应了。

霍扎瓦猜测，在量子引力发生作用的时候，相对论也许真的失效了，这个时候时间和空间完全分离开来。通过这一思路，霍扎瓦修改了爱因斯坦的引力方程，提出了大家梦寐以求的量子引力理论，而且计算中不会出现无穷大。如果这个新理论正确，那么爱因斯坦广义相对论就是霍扎瓦理论在低能条件下的近似了，这就像当初牛顿力学是相对论在远低于光速下的近似一样了。

在关于广义相对论和量子力学矛盾中，很多质疑越来越对爱因斯坦相对论不利。霍扎瓦正是从受到冷却到接近绝对零度单层石墨烯的启发，这时电子速度超高速运动。因为速度快，所以必须要用相对论来描述它们的现象。

霍扎瓦通过调整爱因斯坦方程来解释新的现象。相对论的主要思想之一是时空必须具备洛伦兹对称的属性，即对所有的观测者而言，光速始终不变，无论他们的运动速度有多快，时间的变缓和距离的缩短都同步进行。

令霍扎瓦想起单层石墨的原因是洛伦兹对称并不始终在其中出现，而我们周围空间和时间是由洛伦兹对称相连的。事实上霍扎瓦实验的精度非常高，霍扎瓦通过去掉洛伦兹对称来修改爱因斯坦方程，结果发现导出的一组方程，在相同的量子框架下可将重力表达为其他自然界的基本力，重力由于引力子这种量子的作用而表现为引力。同样，电磁力是由光子造成的。霍扎瓦还对广义相对论作了其他一系列改进。由于爱因斯坦的理论对于时间并无一个首选方向，然而我们所观察到的宇宙似乎在以从过去到未来的方式演变。因此霍扎瓦给时间定了一个首选方向。

做了这些修改以后，霍扎瓦发现量子场理论现在能描述微观尺度下的重力，而不会产生在早期试验中出现的荒谬结果了。他认为“突然间，你有了对在非常短的距离内对重力行为进行修改的新手段。”

安比约恩认为：“通过分离时间空间，霍扎瓦的理论改变了黑洞物理学超越了爱因斯坦”。这意味空间和时间正以不同的速率收缩，正如你所猜到的——如果洛伦兹对称被打破，那是因为它符合霍扎瓦的量子重力理论（arxiv。abs1002。3298）。通过打破空间和时间之间的对称，霍扎瓦的理论改变了黑洞物理学，尤其是能在极高能量下形成的微观黑洞。

自从霍扎瓦于2009年1月公布了他的研究成果“霍扎瓦重力”以来，迄今已有250多篇论文谈到这个论题。有些研究者已开始用它来解释宇宙神秘的孪生现象——暗物质和暗能量；有日本科学家从霍扎瓦理论出发推导运动方程时，他发现方程伴有一额外项（该项并不出现在由广义相对论所推导出的方程中），而这个额外项的行为颇类似暗物质的影响。有人发现，黑洞的行为也许并不如人们所想象的那样。如果霍扎瓦的思路对头，或许会永久改变我们有关空间和时间的概念，并引领我们走向一个适用于宇宙中所有物质和力的“万有理论”。

光，粒子，时间的本质

时间到底是什么？其实时间的本质正如量子世界一样，科学家们也希望给予精确定义。

古代人们通常通过对气候、太阳、月亮的活动观察来确定季节与日期，用沙漏等精确定位时间。现代社会人们通过精密机械、电子晶体的等规律来制造出各种更加精确标示时间的仪器。人们在沙漠里会迷失方向，生活在北极圈里的人们，因为极昼极夜会丧失时间感，而细菌生命体会在冷冻几千万年后继续存活。

科学家经常用放射性原子的固定衰变来精确定位时间，而在太空中高速运行的原子衰变会慢，从而原子的寿命会延长，科学家正是根据这个原理验证相对论。

爱因斯坦的广义相对论认为：三维空间与时间纠缠交织一起，不可独立分割，组成四维平滑的时空。物体相对于我们运动的时间变慢的原因，第三章里有详细的阐述，这是因为万物都在一个四维空间里以一个组合速度——光速运动，之所以变慢是由于物体在时间里的部分运动转移到空间运动了。

在相对论里，光速为最高速度，不存在超光速现象。光也是时间的标准，任何超光速都不可能，物体在空间中的运动，速度越大寿命越长，因为光子的速度是光速，所以光的寿命是永恒的。

而时间的本性脱离不了相对性与粒子的表现。

霍金指出：“有人支持时间回到宇宙大爆炸之前的模型，目前还不清楚回到宇宙大爆炸之前的模型是否能解释现代的观测，因为宇宙演化的定律似乎在大爆炸处崩溃了。如果出现这种现象，那么创造一个包含宇宙大爆炸之前的模型似乎就没有意义了。因为那时存在的东西对于现在没有可观测的结果，如此我们不妨坚持大爆炸是世界创生的观念”

而著名物理学家惠勒则大胆地猜想，现在从物理学之外给入的时间将来也可以从物理学中推导出来，由绝对的量变成近似的量，由基本的量变成导出的量。正如光速曾经是外来的、绝对的量，后来则成为导出的、近似的量。事实上，惠勒希望把所有外来的量乃至把物理学本身建立在观察之上，希望从最质朴的观察出发，给出量子的定义、时间的定义、并解决数学连续性和物理的分立之间的矛盾问题。

著名的弦理论学家格林写到，我们希望从零点开始，可能是大爆炸以前或者以前的某个时刻，理论所描写的宇宙将在演化中形成弦相干振动的背景，产生空间与时间的传统概念。这个框架如果实现了，将证明空间、时间和相关的维不是决定宇宙要素的根本，它们不过是从更基本更元素的状态涌出的方便记号。

但是量子纠缠体现了超光速的现象，科学界一直存疑并为此争论。有人说那是粒子内在的秉性，而光子相遇也可以产生正负电子。根据宇称不守恒的证明发现，时间也是不守恒的，存在相对性。时间应该是粒子的表现，而不是衡量粒子的一种标准，如果那样相对论把三维空间与时间联系起来组成四维时空也许是错误的。

现代科学已经发现很多反物质，比如反电子、反中子、反质子、反氢原子。正反物质相遇一般都发生湮灭现象，并产生高能光子，比如正反电子相遇发生湮灭，并产生一对高能光子，而一对光子碰撞，能够产生一对正负电子。这两个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放，观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放，从这个意义上说，时间就没有了方向。

就时间的本质来说，时间应该是粒子的表现，时间具有相对性，宇宙分为不用的层级，比如量子层、太阳系、银河系。不同层级粒子具有不同的表现，时间同时具有相对的表达。回归三维空间的重要性在于，时间本身是分离的，属于粒子创造的，力与粒子纠缠在一起，形成了不同层级的时空，宇宙常数及时空在不同层级中具有不同的表现。

长度收缩效应，粒子时间延迟，在相对论的新论述：长度收缩效应又称尺缩效应。在某一个运动的参考系中，对一根沿运动方向放置且相对于此参考系静止的棒的长度要比在一个静止的参考系中测得的此棒的长度短一些。

这种情况被叫做长度收缩效应，或尺缩效应。这个效应显示了空间的相对性。对于同一个物体，在相对于该物体运动的参考系中，沿运动方向测量它的长度，所得的结果要比在相对于该物体静止的参考系中测得的同方向长度短一些。这种情况被叫做长度收缩效应。

太空中高速运行的原子衰变会慢，从而原子的寿命会延长，科学家正是根据这个原理验证相对论。但是在新的观点里面，可以这么认为，例如，现代科学承认希格斯粒子充满宇宙空间，那么可以认为物体或者粒子在太空中高速运动的时候，就会受到类似希格斯粒子的作用，那么这种作用导致物体长度收缩，粒子也产生类似作用，粒子的衰变延迟。

平滑的宇宙模型

针对相对论，我们提出了很多具有科学性的质疑，包括地球月球之间的飞行异常、量子超光速纠缠、光被弯曲、宇称不守恒、宇宙常数、时间与空间的分离、时间的本质是粒子的表现等等。宏观相对论宇宙与量子力学，一直需要有更深度的本质解释。

如果大的宇宙空间是平滑、连续的，那在宏观方面：真正的宇宙应该是由多平行宇宙、宇宙及星系、暗物质等构成的连续的圆转聚合的多层宇宙空间，我们宇宙之外还有两层以上宇宙；在微观方面：粒子也是多层宇宙中的一部分，其中暗物质微观部分也参与其中，多层宇宙中粒子与时间不应该绝对联系纠缠起来，粒子及物质在不同的层级及其环境下具有不同的时间表现。在本书提到的空间里，宇宙中大物质空间就好像是一个粗糙的纤维片，但是微观量子世界里的粒子，比如中微子、光，照样穿梭其中，就好比渔网挡不住光线一样。而在其深层里，比如暗物质层及其更深层中微观与宏观却是紧密相连的。