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物理空间相变发生论文

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摘要物理空间是热力学平衡的能量系统,可以在激发条件下相变并产生量子化能量。自由量子与空间的结合使之以光速运动。自由能量与空间的作用是最基本的物理相互作用,也是其他物理相互作用的基础,是热力学、量子力学、相对论三者统一的基础。时间的方向就是能量运动的方向。黑洞内部空间可能正是自由物理空间。

关键词空间热力学平衡相变量子自由能相对论时间熵场黑洞宇宙统一场

微观物质运动与宏观宇宙运动的自然逻辑关系是不言而喻的,但是作为这两个物理领域的主导理论体系,量子理论与相对论的统一却至今未能实现(1、2)。注意到普遍的物质运动遵从热力学规律,如果相对论和量子理论分别与热力学互洽,它们之间必定统一。

设计一个理想的热力学平衡系统,该系统应当满足以下条件:1、允许在系统内(包括系统边界)随机选择任意多的检测点,点的大小是检测手段可能实现的最小范围(点区域)。2、允许以任何可能方式对“点区域”的能量状态进行检测。3、任意两个不同点的检测结果差异都在检测水平之下。如果检测在任意精细的水平上进行,满足上述三个条件的热力学系统是检测意义上的热力学绝对平衡系统。

因为热力学第二定律要求封闭系统的熵随时间增大,所以同时设计检测意义上的热力学绝对平衡系统在相当长的时间跨度上的熵增也在检测水平之下,该系统即时间意义上的热力学绝对平衡系统。一个检测意义与时间意义上的热力学绝对平衡系统理论上拥有最大的系统熵,系统在获得最大无序程度的同时在大跨度时间内也拥有最大的系统稳定程度。一个长时间保持系统状态不变的、封闭系统的热力学性质接近上述热力学绝对平衡系统。

如果给这个系统输入一个量子的能量,会发生什么?

能量介入热力学绝对平衡系统后会引起悖论。

首先,输入能量在输入点及其附近导致系统能量状态发生改变,偏离热力学平衡,这个小的区域理论上将形成耗散结构。如果这样的耗散结构不能得到适当的反馈而形成稳定的、偏离热平衡的自组织结构,该结构就是不稳定的,它将在第二定律规定的时间方向上因为耗散而瓦解,并且将耗散能量传播到邻近区域。根据设定条件,系统内任意一个区域与其邻近区域同质、同性,耗散能量的涉及区域也会形成耗散结构,然后瓦解。显然,只要输入能量不对系统做功,在足够长的时间内,这样的过程将遍历系统的任意点以及邻近区域,所以该事件可以被视为全系统事件。

现在存在两种可能。一是输入能量弥散至整个系统,最终导致系统内任意点区域的能量增大,系统在相对高的能量上处于热力学平衡状态,属于常态热力学变化。二是系统的稳定性对介入能量发生强烈反应,致使点区域耗散结构瞬间产生又瞬间瓦解,介入能量虽然转变为耗散能量却不能弥散,输入能量不断地进入系统又不断地被系统“反弹”出来。在这种情形下,如果限定输入能量对系统的做功为零,这个能量就将使系统内的点区域乃至整个系统在足够长的时间内偏离热力学平衡,而这种偏离竟然是系统执行热力学第二定律的结果,意味着该定律在某种终极条件下的执行结果是对定律本身的背反。

问题是:我们是否可以在彻底地接受热力学第二定律的同时又能对这样的背反行为做出解释?

热力学平衡系统P0在输入能量e的作用下形成耗散结构Pe,称该过程为系统P0的激发相变。由于耗散结构不稳定,Pe还原为稳定的热力学平衡系统P0,同时释放耗散能量e,称该过程为耗散结构Pe的相变还原。显然,只要不以任何形式对系统P0做功,输入能量e就会经过一个激发—还原过程全部转换为耗散能量。对于下一个激发—还原过程而言,耗散能量与输入能量等价并且物理意义相同。如果系统P0完成一次相变—还原过程所需要的时间是t,只要t充分小,我们将很难注意到相变过程,而只是看到输入能量对系统P0的似乎连续的影响。而如果限定P0的相变只是点区域事件,我们甚至可以认为e对P0的影响以点或线性形式连续存在。

相变对于上述事件在时间轴向上演变的意义在于:无论输入能量是否无限连续,它在系统P0内引起的一系列事件都将被相变“截断”为一个个因果相关但又并非处处连续的激发态耗散结构,每个耗散结构还原时所释放的耗散能量只能是输入能量的量子单位。因此,系统内活跃的只能是量子化能量,而不是连续输入系统的能量流。这种情形与神经系统的生理活动十分类似。向动物神经系统外周感受器施加连续的电流刺激,其在神经系统内的传导是生物电脉冲而不是连续的物理电流,这是因为物理电能在神经元轴突末端突触转换为化学能递质,然后通过化学递质与受体间的作用引起下位神经元的电脉冲。“突触换能器”对于神经系统的意义相当于上面所说的系统“相变”。

接下来,只要系统内一系列因果相关的耗散结构的“串联”方向与外部能量介入系统时的初始方向有关,系统内的自由能(系统有序性构造的标志)就是在矢量方向上运动的量子化能量。

如果绝对热力学平衡系统的稳定性能够对介入能量做出“相变”响应,系统就可以根据单位时间内相变发生的次数—相变频率对介入能量的大小做出评价,或者说该系统内自由能的“量子值”决定于介入能量引起的系统相变频率。

根据设定条件,一个绝对热力学平衡系统的能量状态是无法通过实际测量予以评价的,但是可以用P0表示它的恒稳态的“相”,以Pe表示它的激发态的“相”,根据上面的陈述,这个系统的相变可以表示为:Pe=P0+e,e代表介入系统的单位能量。相变在系统内的传布过程表示为:P0+e=Pe→P0+e=Pe→……→……,只要e不对系统做功(比如被系统边界吸收),相变—还原过程将无限次地重复进行。若将相变传布的矢量性质考虑在内,则有:

P0+e(—)=P(—)e→P0+e(—)=P(—)e→……→……。

如果介入系统的是单一形式的能量流E,相变使得E转变为量子能量的过程表示为:P0+E(—)=P0+me(—)=mP(—)e→P0+me(—)=mP(—)e→……→……,m为系统内的量子数。系统P0对单位介入能量e(—)的大小的响应形式为系统的相变频率f,即单位时间t内的相变次数n,f=n/t,而频率的表达与系统P0的状态函数f(P0)有关。即:e(—)=f(—)•f(P0)=(n/t(—))•f(P0)。表达形式:P0+E(—)=mP(—)e=P0+me(—)=P0+f(—)•f(P0)=P0+(mn/t(—))•f(P0)。因为m、n均为自然数,所以时间是唯一显示系统P0内有序能量运动方向的物理矢量,从中我们可以看到有序能量的“量子值”是如何通过时间与耗散结构在系统P0内的传布方向相联系的。如果时间t变大而n不变,单位量子的相变频率降低,“量子值”变小;反之,如果时间t变小,“量子值”增大。如果e(—)对系统边界做功(为系统边界吸收),则不能继续引起系统P0的激发,耗散结构P(—)e的产生和传布随之终止,时间对于P0没有意义。时间是评价偏离热力学平衡的能量结构在传布方向上单位量子能量大小的物理量。时间具有方向。时间对于绝对热力学平衡系统没有意义。

现在我们已经能够清楚地看到以光量子为代表的、纯粹的物理能量在物理真空(以下简称物理空间或空间)中的基本行为方式。事实上,物理空间是迄今已知的、最稳定的“物质”实体,关于它的稳定性我们无从测度或评价。相反,无论经验还是理论,空间都是我们评价其他物质形式或构造稳定性的物理背景。量子理论认为物理真空是高度无序的能量质体。因此,我们有理由认为物理真空对于任何具体的物理事实都完全满足所设定的绝对热力学平衡系统条件。那么,物理真空是否存在能量激发下的系统相变呢?

实验证实,物理真空具有理想的热力学黑体性质。根据普朗克辐射定律(Planck`sradiationlaw),M=C1λ—5/exp(C2λT-1),热力学温度T可以通过黑体转换为波长为λ的量子辐射能量M。如果将热力学温度视为向空间连续输入的能量流E,E将依照该定律通过物理真空辐射量子化能量,这种转换符合物理空间受激相变—相变还原机制。空间相变机制对于以下基本物理问题具有重要意义。

一.物理空间相变是量子力学理论的动力学基础

1.物理空间相变与海森堡的“测不准”原理

空间相变使得量子在空间中的运动带有或然性。由于相变是局域空间的能量激发事件而不是发生在确定点上,因此每一个激发态耗散结构生成的位置只能是涉及区域一个概率点。如果激发态耗散结构的传布速度为光速,它的每一个激发位置将不能被精确测定,而一旦引入测定激发位置的附加能量,它本身产生的空间激发必然会改变被测量子在传布路径上的空间状态,从而不能客观地得到被测量子的路径位置。空间相变机制符合海森堡的“测不准”原理。

基于物理真空的恒稳态性质,它的系统状态函数f(P0)应该为常数,这个常数就是普朗克常数h=f(P0)=6.626196×10—34Js。就量子的激发位置而言,普朗克常数可能是一个概率值。对于单位量子:e=f•f(P0)=h•f,f—自由量子频率。

2.物理空间相变与自由量子运动的波粒两重性

光量子的空间运动路径是由一系列相变“点”构成的。无论对于空间的“稳态相”还是“激发相”,这条路径都不是无限连续、光滑的,但只要相转换速度充分快,光量子的空间路径就是充分连续的,类似于粒子的连续运动轨迹。然而,相变毕竟是局域空间构造的变化过程,会对邻近区域的空间结构产生影响,并且以波的方式扩散,这就使得光量子的运动同时具有粒子—波动两种形式。其中,光量子在时间方向上的矢量运动是谓“粒子”运动,而相变对周围空间状态的影响是谓波动。根据相变机制,光量子运动的波粒两重性不可分割。称空间对局域相变产生的低能态响应形式为量子场。

这里出现一个问题:如果相变对邻近区域的影响足以使空间结构发生相变,那么一个光量子就会以光的形式在三维空间中没有衰减地扩散,等价于复制出越来越多的光量子本身,违背能量守恒定律。因此,物理真空的相变必定对激发条件提出临界要求,使得相变只能在一个矢量上递进产生,而相变对邻近的其他矢量上空间结构的影响因为不能满足临界条件而形成量子场。这个激发条件本身必须具有单一的矢量性质,它就是光速。光速的时间方向就是光量子的线性运动矢量方向,与确定光量子频率的时间方向同一。即:

f(—)•λ=nλ/t(—)=c(—)(光速),λ—光量子波长,f—光量子频率。

设想物理真空充满随机分布的点。因为这些点在任何位置出现的概率相等,所以物理空间处于热力学平衡的完全无序状态,可视为能量的均质体,它的任何一个充分小的区域P0状态与整体相同。受到介入能量的激发,区域空间的无序点以某种有序的形式排列,形成局部的耗散结构Pe,称这样的耗散结构为“量子结构”,物理真空相变与量子运动的波粒两重性.

为空间的热力学平衡性质所决定,激发区域附近的点也呈现一定程度的有序排列,但不足以产生Pe结构,这样的有序形式即“量子场”。假定“量子场”内每个点平均携带一定的有序能量,随着“量子场”区域的扩大,会有更多的点参与有序能量的分配,而每个点得到的有序能量则减少。所以,以激发区域为中心,相变对附近空间状态的影响随距离增大而减小。

作为一种局域不稳定结构,Pe按照热力学第二定律发生耗散而瓦解,但耗散能量的释放具有方向,引起这个方向上下一个P0区域的相变,如此依次传递,形成量子的光速路径。随着Pe结构瓦解,能量点的分布状态还原至稳态物理真空,对附近空间的影响也随之消除。依序发生的、相变对附近区域三维结构的影响—消退过程构成完整的量子波动,称量子场的传布为自由量子的本征波动。

必须指出,每个光量子能量仅对受激区域的空间相变负责,与附近区域的空间结构变化无关。空间相变引起的波动是由空间的热力学平衡性质所决定的。对于恒稳态物理空间而言,相变不会导致自由量子的能量衰减。原理上,自由量子的单一矢量运动对于维持其在时间方向上的持续存在具有重要的反馈作用,考察自由量子e在恒稳态空间P0中的相变机制可以发现,由于量子结构P(—)e的矢量性质,它对矢量前方空间的影响可以使那里点排列的有序程度高于其他方向,获得在同一能量激发下优先实现相变的较大概率,乃至主导相变的传递方向。也就是说,量子场的有序形式指向量子的运动方向。称量子场有序形式的方向为“量子势”。量子的矢量运动本身以及量子势是量子在空间中持续运动的反馈机制—自反馈机制。正因如此,如果一个光量子恰好通过另一个光量子的本征波动区域,量子矢量方向上的空间状态变化会干扰自反馈机制,它的路径可能因此改变。称自由量子本征波动对其他量子行为的影响为相干波动。相干波动使得自由量子的运动方向不能被准确预测。显示光的波粒两重性的经典狭缝实验是对相干波动的直接证明,也是对量子本征波动的间接证明,其本质则是对空间激发相变模式的证明空间相变以及相变传递的物理实像即自由量子的矢量运动。每一个相变—还原过程等效于一个稳态空间区域从A移动到B,A与B之间的距离就是量子的波长,每个波长对应一次相变。单位时间内量子以光速经过的距离为nλ,nλ/t=f•λ=c,f=n/t。所以自由量子的频率f即单位时间t内量子在矢量方向上经历的相变次数n。

物理空间受激相变产生量子化能量以及以光量子为代表的自由量子的波粒两重性。其中,量子的“粒子”式运动是量子的本征属性,而量子场则源于稳态物理空间对局域相变的低能态响应,反映稳态物理空间热力学平衡的本征属性。自由量子的波粒两重性符合海森堡的“测不准”原理,满足热力学第二定律和能量守恒定律。

二.物理空间相变是相对论的物理基础

空间相变要求物理空间是高度无序的热力学平衡系统,意味着空间是一种实在的、可以与其他物质体系相互作用的能量质体。空间状态可以通过量子的波粒两重性以及单位量子的能量得到反映,因此与时间具有不可分割的联系,符合相对论原理。

量子理论以及相关实验表明,物质之间的相互作用是通过彼此交换被称为介子的一类量子实现的。借用这个概念,我们发现空间的受激相变就是激发能量与稳态空间交换“能量介子”的过程,也就是单位自由量子与空间相互作用的物理形式,只不过被交换的“能量介子”就是自由量子(能量)本身。以下将看到,这一概念是怎样通过相对论得到体现的。假定一个静止物体对一个自由量子的评价由e=hf=hn/t给出,t是系统的静止时间。现在我们要求该物体吸收量子e并且因此以速度v运动。根据相变原理,单位量子的能量反映这份能量与空间的结合能力。经典力学定义物体吸收能量并获得速度增量的过程为物体的加速度a,物理作用力f=a•m。因此也可以说,物体吸收能量获得速度增量是因为该物体吸收了能量与空间的结合力,加速度是物体与空间作用力增大的结果。

假定物体吸收能量e后并没有速度变化,该物体就只能按照爱因斯坦方程e=mc2获得质量增量。无论对于速度增量还是质量增量,e都提供相等的空间结合力,e的等价质量所产生的空间结合力必然等于使物体产生加速度的空间结合力。质量与空间的结合力通过重力加速度表达,即所谓引力场效应,符合广义相对论原理。具体细节上,我们甚至可以发现量子场与引力场的平方反比关系完全一致。

这里存在一个关于狭义相对论的物理现象。静止物体吸收能量e后获得速度v,它的时间将按照洛伦兹变换t`=(t-vx/c2)/(1-v2/c2)1/2发生变化。在相对论速度域(0,c)内,t`t,相对论称之为时间膨胀。运动物体对同一量子的评价由e`=hf`=hn/t`给出。因为t`t,所以e`e,对于静止时间,e`=hn/t`=•hn/t,1,量子的能量增大了。这个结果对于量子的波长表达形式也一样,e`=hf`=hc/λ`,因为洛伦兹变换给出λ`=(λ-vt)/(1-v2/c2)1/2,λ`λ,e`e。结果显示同一能量对于速度较快或质量较大的物体具有更大的力学效能。例如,分别从地球和太阳表面观测远处同一光源的光谱线,太阳处谱线的蓝移程度大于地球。相反,从这个光源处观察地球和太阳同一元素的谱线,太阳谱线的红移程度将大于地球,即爱因斯坦引力红移(3)。根据上面的分析,引力红移效应实际上具有相对论动力学意义。可以说,相对论的本质物理意义在于反映运动系统或质量系统对自由能“作用量”的评价形式。

经典引力作用所遵循的平方反比定律使我们相信,质量物体周围的空间“序型”是与量子场同质的低能态有序构造,可以参与自由量子的自反馈机制并影响光量子的路径方向,构造的有序程度与物体质量正相关。我们可以将光在大质量天体附近的弯曲归因于引力空间的有序程度而不是空间形变,事实上,自由量子的本征波动可能是产生引力平方反比定律、相对论引力红移以及光线在大质量天体附近弯曲等现象的物理基础。将质量物体视为自由量子,该物体附近空间的有序程度因为自由量子的存在而增高,但不足以产生激发相变。量子场以及量子势是量子矢量运动自反馈机制的一部分,因而与时间方向一致。既然物体与空间的结合力等价于自由量子与空间作用力的累计或集合,物体附近空间“序型”的方向应当指向物体,称这样的“序型”形式为“向心性序优势”。显然,“向心性序优势”与定义在物理场概念下的“能量势”的物理内涵完全相同。“向心性序”的优势随空间范围的扩大而逐渐离散,与距离成反比关系。因为入射光的矢量方向与物体附近空间的“序向”一致,量子运动的自反馈机制强化,量子能量增大,波长变短,光谱蓝移。相反,出射光线逆“势”而行,自反馈机制被削弱,量子能量减小,波长增大,光谱红移。当然,引力空间的“向心性序优势”也会通过相干波动原理影响附近经过的自由量子路径,使之内向偏移。

“向心性序优势”是引力空间的本质物理特征,“向心性序优势”的方向与引力空间的时间方向重合,指向物体的质量中心。

引力空间的“序优势”赋予广义相对论效应以实际物理意义。

随着物体质量增大,引力空间的“序优势”逐渐强化。当“序优势”达到空间相变能级时,空间受激生成自由量子并向物体质量中心运动。经过该区域的其他自由量子在相干波动机制作用下改变矢量路径,同样向物体质量中心运动,使得该区域形成黑洞(1、4)。黑洞视界即引力空间的相变临界或亚临界区域。

三.统一的物理相互作用

引力是迄今已知最普遍的物理相互作用。一旦我们发现引力及引力场的物理本质其实只是自由量子与空间结合的一种物理形式,后者的物理意义立即凸现。根据相变原理,空间不再仅仅是包容万物的思想容器,而是一切物质形式赖以构造和运动的物理实体。

A.所有物理运动都是物质系统与物理空间结合的结果。

无论理论、经验还是实验,命题A都无一例外地成立。因为如果脱离空间,一切都无从谈起。一切物质运动都是物理空间事件,一切物理空间事件都必然有空间的直接参与,否则我们无从知晓。

根据命题A,可以直接得到以下推论:

a.物理测量以物质系统与物理空间的结合关系为物质基础。

b.任何物质系统的运动都具有波粒两重性。

c.物质系统之间的相互作用是它们各自与空间作用的结果。

依照质能等价关系e=mc2,宇宙中所有物质构造和运动形式都是能量结构或能量运动的结果,而一旦发现能量的基本单元—量子与空间的结合形式,我们就不再需要除物理空间之外的任何物质实体之间的相互作用,它们之间的相互作用是它们分别与空间相互作用的结果。实际上我们也不可能发现比量子—空间作用更基本的物质作用形式。实验证明,四种基本相互作用中的强力、弱力和电磁力是通过传递明确的介子能量实现的。传递引力的介子尽管没有被直接发现,但是根据相变原理和e=mc2,所有的自由量子都可以成为传递引力的介子,因为它们被物体吸收后以等价质量的形式对重力场有所贡献。

物理空间的热力学平衡性质(即空间的无序状态)使之具有充分甚至无限的几何构造可塑性,可以对任何形式的激发能量做出相变响应并产生相应的自由量子和量子场,产生不同的物理相互作用模式,包括力的强度和力的作用距离,继而产生不同的物质结构形式或体系。上面的分析显示,这样的物质构造过程同时满足热力学、经典力学、量子力学以及相对论的基本原理,而由空间相变产生的自由量子—空间结合关系将成为统一场理论的基础。统一场的物理本质是量子场,量子场的累计或集合构成物理力场。

四.时间之箭

根据相变原理,时间是在定量自由量子的“能值”时引入的,与量子本身的自然运动没有必然的联系。经典力学中,时间只是与评价自由量子能量有关的一个物理测量概念。我们可以利用与空间相变完全无关的时间定义一个自由量子的频率。在这个意义上,时间相对独立于具体的物理事件。但是相对论表明时间具有运动属性,根据物体运动速度的变化而变化。对于系统相变和引力红移效应的分析显示,作为评价量子能量的物理量,时间的方向必须与自由量子的运动方向保持一致并且必须遵循等效性原则客观反映量子能量在不同空间状态下的变化。因此,时间必须具有实际物理属性并且直接参与物理过程。

时间对于绝对热力学平衡系统没有意义。时间就是某种耗散结构存在的标志,而耗散结构必须通过某种运动形式维持其存在。物理真空相变产生自由量子,而自由量子随即因为耗散而还原,这个过程符合热力学第二定律,只是耗散能量在量子势的反馈支持下可以激发下一次相变。所以,自由量子在空间的存在本身就是量子化的,是不连续的。但是对于有限测量精度而言,空间激发态的相转移是充分连续的,我们看到连续的自由量子光速轨迹,时间也因此连续。本质上,时间是能量的有序状态。根据能量守恒定律,能量不会消失,所以时间也不会消失,但只是对于能量的有序状态有意义。能量的有序状态必然要求“序”的方向,就是时间的方向。

根据命题B,可以有以下推论:

a.时间可以转移

能量可以由一种有序状态转变为另一种有序状态,时间也因此可以转移。比如自由量子的能量可以转换为物体的动能或质量,时间的方向也因此指向物体的运动方向或者引力空间“序优势”的方向。

b.时间随耗散结构状态的变化而变化

时间是能量的有序状态,所以状态的改变必然导致时间变化。相对论给出关于物体运动速度或物体质量与时间的关系函数。

c.时间转移与时间延续的关系不确定

对一个有序结构输入能量的结果是不确定的,可能以正反馈形式延续其存在,也可能以负反馈形式促其崩溃。自由量子的矢量方向决定于输入能量的初始方向,而每一次相变产生的量子都是下一次相变的输入能量,每一个相变“点”的位置不能精确预言。

仅仅限于物理真空受激产生自由量子事件范围,如果物理真空恒定,只要自由量子不对其他物质系统做功(自由量子对其自身做功),它将在空间中永久存在。但是如果视物理真空为一个能量系统,热力学第二定律并不阻止自由能量对系统边界做功,结果将导致宇宙膨胀,每一个自由量子都将为此付出代价,能量衰减,光谱整体红移。根据命题A(c),物质系统之间的相互作用将被削弱,包括中子、质子在内的所有基本粒子都将衰变,物质宇宙最终“热寂”。按照这样的模式,时间的方向指向宇宙边界,指向宇宙“热寂”,与引力空间的时间方向相背。现在我们看到宇宙历史上系统引力与系统膨胀是如何关于时间直接对抗的,对抗的结果决定宇宙的命运。公务员之家:

宇宙的命运究竟是什么?就是两种对抗力量的平衡。

平衡的方式或许很简单。基于自由量子的相干波动原理,足够强大的宇宙引力可以限制自由量子的活动范围,避免其对宇宙边界做功,宇宙边界将得以稳定。对于边界的外部而言,边界的内部是一个黑洞。当然,这就要求引力空间的“序优势”范围扩展到整个宇宙。一旦如此,自由量子最终会以连续变化的曲率轨迹向宇宙的质量中心运动,宇宙仍然难逃坍缩的命运。

前面已经谈到,物理空间在黑洞视界发生相变,产生的自由量子在“序优势”的作用下以光速向黑洞的质心运动。设想黑洞是一个容积有限的中空球体,它的质心与球心重合。来自各个方向上的自由量子在球心处相遇,它们的本征波动相干,任何微小的对称失衡都将引起量子运动的极大混乱,瓦解能量的所有有序结构并最终实现热力学平衡,物理空间得到还原,时间之箭失去方向。

回顾物理空间的激发相变,可以认为一个独立的激发状态Pe不能作为物理实在,只能用“虚”状态表示,即:Pe•(i)=P0+e。从对称的角度上考虑,如果从P0中取出单位能量e,则有:-Pe•(i)=P0-e。于是得到结果:Pe2=P02-e2,即:P02=(Pe2+e2)。……(1),方程(1)中,物理空间的激发相Pe是一个能量“陷阱”,无论量子能量e有多大,P0保持不变,意味着在任何物理相互作用中,物理空间的状态恒定。即使将宇宙的全部物质作为自由能投入Pe也不会改变物理空间的性质,这也是对物质宇宙与黑洞关系的描述。

那么,黑洞空间需要一个具体的、有质量的“壁”么?试想将宇宙质量放入一个黑洞,它所产生的引力当然足以形成黑洞效应,所谓黑洞空间的“壁”其实与我们熟悉的引力空间没有区别。的确,相对论黑洞极度紧致,甚至不能容纳概念空间,但是相对论效应同时表明,任何一个进入黑洞的自由量子e`=h•n/t`的时间t`都会极大地甚至无限膨胀,量子能量甚至无限增大,相应增加黑洞与空间的作用力,等价于相应的质量增量。根据黑洞的史瓦西半径r=2GM/c2,在保持黑洞效应不变的条件下,充分大的M的增量允许r充分扩大。另外一个例证来自光电效应。如果用相同频率的光照射金属表面,那些运动速度较大的电子应当更容易被击出它原来的位置。

物理真空好比白纸上一些随机散落的点。相变造成某个局部的点以特定形式有序排列(量子结构),附近的点倾向性排列(量子场和量子势),相变还原后这些点回复到原来的状态,甚至没有发生任何可以测量的位移。相变的传递只是点的有序排列方式的传递而不是点本身,譬如电流传递的只是电能而不是电子。特定形式的能量传递特定形式的秩序,物质体系就是相同或不同能量秩序的集合体。外部宇宙的秩序在通过黑洞时被彻底瓦解。

现在我们可以清楚地理解能量究竟意味着什么。所谓“能”就是特定形式的秩序。当这种秩序在确定方向上运动时取得“量”的概念,它的“量”和方向通过时间得到定义。广义而言:时间是反映秩序运动方向和大小的物理量,与秩序本身的状态不可分割。

根据物理空间的热力学性质,方程(1)中空间的稳态“相”和激发“相”可以用系统的“熵”表示:P0=S0,Pe=Se,则:e2=(S02-Se2),其中S0是一个恒量。当|e|0时,S0Se。

这样处理后,量子能量与系统的“熵”联系在一起。较大的|e|拥有较小的Se,能量的有序程度较高。对于能量的累积形式,则可以表示为:S02=Σe2+ΣSe2。若E=mc2=Σe,则S02=Σ(mc2)2+ΣSe2。根据相变原理,量子结构、量子场以及量子“势”都是能量系统有序程度的表达,归结为“场”的有序状态,通过“熵”Sm2=ΣSe2予以量化评价。粒子之间或粒子与量子之间存在“场相干”,产生波动。S02=e2+Se2可以作为物质运动波粒两重性的基本表达形式。讨论:量子理论研究正在逼近物理真空(2),但是可能受到经验以及经典力学时空概念的影响,物理空间至今仍然只是物质存在与运动的载体而不是具有独立意义的物质实体。当然,物理空间无从测量因而无从定义、无从把握的性质也很难被作为具体的研究客体,尽管空间的黑体性质以及相对论表明它是宇宙物质的一部分,至少它参与宇宙的物质过程。另一方面,空间无从测量恰恰反映它完全无序的状态,没有特征,不会主动参与物质运动,这就是它的特征。因为无序,所以拥有充分的、被动塑造的可能。

在热力学平衡的背景上将热力学耗散系统推向极端的结果必定引起相变,这是由热力学平衡系统性质所决定的悖论形式。只要赋予物理空间以适当的张量,好比一方绷紧的水面,相变就会将能量进行“量子式”裁切,量子就会像“打水漂”的石片一样跳跃,同时引起水面的涟漪。称这样的量子为自由量子,它们携带的能量为自由能。自由量子的运动是能量与空间结合的结果,是自由能与空间的结合力“拉动”量子以光速运动。在这里,空间响应速度扮演裁刀的角色,裁切的原则是保证下一次相变的条件,这个条件就是光速。所以自由能的速度只能是光速。

量子结构、量子场及量子势三者共同构成空间相变完整的动力学形式,为“测不准”原理的阐释呈示物理细节。对于解释包括波粒两重性在内的诸多量子行为而言,空间相变是一个十分理想的模型。

“打水漂”的石片的动力并非来自水面,但是量子运动的动力却来自能量与空间的结合力,好比一个人拽着胡子把自己拉动得飞快。换一个角度说,量子通过与空间的结合力对自己做功,做功时产生的“废能”竟然又生成一个相同的量子,相变的传递犹如接力。将这样的怪异与质能等价方程e=mc2放在一起,我们发现广义相对论竟然可以从量子理论的角度上得到简洁而且准确的解释:作为能量的构造形式,质量同时承载着能量与空间的结合力,而引力场则是量子场的累计或集合表达形式。作为回应,相对论通过影响自由量子的时间或空间表达相对论量子效应。相对论量子的能量与物体的速度或质量正相关,也因此与能量对物体的作用效能有关,这一点对于黑洞空间的存在至关重要。没有黑洞视界处的相对论时空效应,就没有自由能的相对论增量,也就不会产生自由能对黑洞质量的相对论贡献,不可能出现史瓦西“解”允许的黑洞空间。物质宇宙的演变会是另外的样子。

根据相变原理,相对论和量子理论分别与热力学互洽,所以两者统一,其中关键在于能量与空间的结合关系。以能量—空间结合关系为基础,热力学、经典引力理论、量子理论以

及相对论可以统一;以能量—空间结合力为基本作用关系,物理相互作用可以实现统一。

能量与空间的结合关系是最基本的物质作用形式。量子场是最基本的物理力场。热力学属性是时间的本质属性,但是作为对热力学在绝对条件下的背反,引力时间与热力学时间构成宇宙最基本的、彼此相背的时间体系。根据e2=(S02-Se2),因为自由量子的能量e在引力场中增大,所以引力场的“熵”Se减小,有序程度增高。黑洞是极端有序的物质构造,但其内部e=0,Se=±S0,是对极端有序的背反。

Se=±S0所展示的对称性意味着什么?反物质?暗物质或其他?

根据命题B(b),时间的基本形式是量子化形式。

直接参与物质作用的空间才是真实的物理空间。真实的物理空间对于完整的自然宇宙是不可或缺的,因为这样才自然。

参考

1.《时间简史》史蒂芬•霍金著,许明贤、吴忠超译,湖南科学技术出版社1996年4月第1版。

2.《时间之箭》彼得•柯文尼罗杰•海菲尔得著,江涛、向守平译,湖南科学技术出版社1995年10月第1版。

3.《狭义与广义相对论浅说》阿•爱因斯坦著,杨润殷译,上海科学技术出版社,1964年8月第1版。

4.《时空本性》史蒂芬•霍金罗杰•彭罗斯著,杜欣欣、吴忠超译,湖南科学技术出版社,2003年2月第1版。

5.《当代物理学进展》魏凤文、王士平、申先甲著,江西教育出版社,1997年8月第1版。

6.《天体物理学》李宗伟、肖兴华著,高等教育出版社,2000年7月第1版。

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