——时间的本性 2013年1月英国的天文学家宣布他们发现了宇宙中纵深达40亿光年的星体结构，这是由73个古老类星体或星系共同组成的目前最大的星体结构——“大型类星体群组（简称LQG）。英国中央兰开夏大学耶利米亚·霍罗克斯研究所的罗杰·克洛斯博士认为：“这一发现令人非常兴奋，因为它颠覆了我们之前对于宇宙的认识。如今看来，宇宙中的星系并不像我们所想象的那样是均匀分布的。普通星系的长度在600万到1000万光年之间，但一个典型的LQG的长度约为16亿光年，而这些星体结构在被拉长后的长度能达到40亿光年。即便以光速行进，也需要40亿年才能穿越这个类星体群组，宇宙中存在如此大规模的星体结构有可能将会对现有的宇宙学理论形成挑战，彻底改变人类对宇宙的认识。”现代宇宙学理论的基础源自爱因斯坦的研究成果，并依赖“宇宙学原理”的假设。虽然“宇宙学原理”也是一种假设，但目前还没有确凿的证据能够对其进行证伪。而根据“宇宙学原理”和现代宇宙学理论而得到的计算结果显示，天体物理学家目前无法发现一个大于12亿光年的宇宙结构。很明显，上述新的LQG的发现将对这一理论形成挑战。 飞行异常对传统物理学的挑战 美国宇航局近日发表的一份分析报告认为，美国“近地小行星交会”“舒梅克”号探测器的飞行速度就比预计的要快得多。在许多太空探测器近地4小时的飞行期间，有的出现减速现象，有的出现加速现象。而这种飞行异常现象，或许在提示着相对论需要修改。 “飞行异常”现象是指当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程，所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程。而根据已知的万有引力定律，不应该出现这种现象。于是有些科学家认为，这种飞行异常表明现有物理学定律以及万有引力定律存在问题，爱因斯坦的广义相对论需要修正。有人则认为这只是一种较为激进的看法。 对此，美国斯蒂芬·阿德勒博士认为飞行异常现象是由一种看不见的暗物质所造成的。飞行器在穿越暗物质的过程中，受到了来自暗物质引力作用，引起了飞行器速率的不规则变化。 另一个飞行异常的例子是：美国宇航局1972年3月2日同时发射了“先锋十号”“先锋十一号”双胞胎飞船，它们以时速2.7万英里每小时前进。科学家正在持续监测，1983年就离开太阳系，现距地球几十亿英里的“先锋十号” (Pioneer 10)的信号。近日研究人员表示“先锋十号”目前正被一股未知的力量拖拽回太阳。而这股未知的力量丝毫没有减弱的迹象。科学家正在思考该探测结果或暗示了一种新自然力量的可能。 发表在物理学期刊《物理评论》上的研究显示，两颗探测器正以每世纪6英里的速率改变——这种效应几乎无法探测到，它大约比引力作用微弱100亿倍。研究小组在排除了飞行器自身的原因后表示，目前没有任何现存理论能够解释为什么这种神秘力量维持恒定：物理学常识说明几乎所有可能存在的力，从引力到太阳辐射的效应，引力与距离是成反比的，力都会随着距离的增大而急剧锐减，但目前的研究表明，它们离开太阳越远，反而受到的引力增加了。 两个探测器表现出的怪异行为排除了两者正在被太阳系外某未知行星产生的引力所影响的可能性。有些科学家还提出了另一种可能，也即这些神秘力量是由先锋者号探测器离开太阳系环境剧变导致的，但科学家随后发现该神秘力量对另外两颗仍位于太阳内的太空探测器，伽利略号和尤里西斯号也产生了影响。这两个探测器的数据表明它们受到的神秘力量的强度与先锋者号所受到的是一样的。美国斯坦福大学的太空科学家邓肯·斯蒂尔（Duncan Steel）博士表示，这种微弱的力量在宇宙范围内可能产生巨大的效应。此外他还提出了一个新问题：我们对引力定律的了解是否全面？” 从聚合而生的多层宇宙模型来看，这种现象能够得到更合理的解释。万有引力是一种错误的假象，引力只是力弦粒子的压力，宇宙天体在自己的层级宇宙之内，容易受到系统力的影响。当脱离系统，同样也会受到外部力弦粒子的作用，而力弦粒子方向是由外向内的，太阳系有来自银河系力弦粒子的压力。 无论如何，传统的相对论都面临着威胁。因为暗物质的本质人们目前还不知道，作用原理只是猜测。另外这种飞行速率变化到底受什么影响不得而知，存在问题就说明相对论的时空弯曲并不完美，或者宇宙物理的深层原因还是没有弄清楚。 爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一，但是他始终不认可量子力学的测不准原理，所以他除了那句著名的“上帝不掷骰子”外，还有另一个名言：“月亮是否只在你看着它的时候才存在？”霍金说“上帝不仅掷骰子，而且他总是把骰子扔到我们看不到的地方！”当然这就是以爱因斯坦为代表的科学家与玻尔为首的哥本哈根派为代表的科学家，关于量子本质争论的关键点。爱因斯坦强调内在的因果关系，哥本哈根派强调事实观察结果。量子世界有其不可窥视的一面，量子的测不准原理，波粒二象性等是人类工具的粗糙、无奈，还是因果的逻辑没有找出来，至今还困惑着物理学界。 现代观察的事实表明：电子能够再次分裂，在特定环境下能够测出量子中子动量与位置的两个状态。这些事实打破了哥本哈根派的量子逻辑，也似乎注定了爱因斯坦追求因果关系的方向未必是错误的。但是相对论本身的平滑弯曲的时空，与量子在极端微观尺寸下的量子涨落是矛盾的。相对论与量子力学似乎是各自独立运转于一个宇宙系统之中，相对论与量子力学的不完善可见一斑。 量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论，但这两个理论在现有的框架下是相冲突的。简单说来，量子力学认为没有任何东西是静止不动的，任何东西都有起伏涨落（测不准原理）。广义相对论认为时空是弯曲的，大质量星体导致平滑时空弯曲是万有引力的起源。将量子理论与相对论结合在极端微小的普朗克尺寸下就可以导出，时空本身也是每时每刻都在经历着量子疯狂的起伏涨落（量子泡沫）。在靠近粒子的地方的引力会增加至无限大。在黑洞的视界附近，在大爆炸的初始时刻，相对论与量子的矛盾都会凸显。在这些情况下，我们现有的理论（量子力学和广义相对论）是不适用的，只能得到一些结果为无穷大荒谬结论。很显然，我们需要一个更完备的理论。 量子纠缠与超光速 爱因斯坦把光当作常数，这是相对论的基础之一。他把量子超光速纠缠称为“遥远的鬼魅行为”，他不承认任何超光速现象，认为超光速将导致无穷质量，但是在量子纠缠现象里，信息传播已经远远大于光速。 为了说明超光速现象是再次证明爱因斯坦相对论的不完美之处，我们先看篇完整的科技报道。据美国生活科学网报道，瑞士实验显示量子信息传输速度超光速万倍，爱因斯坦曾对任何超光速的说法都予以驳斥，但事实很可能会表明这是他一生中犯下的为数不多的错误之一。瑞士科学家日前称，他们在实验中证实，处于纠缠状态的亚原子粒子，它们之间信号传输的速度要远远超出光速，达到光速的万倍。 瑞士科学家表示，原子、电子以及宇宙空间其他所有的微观物质都有可能会表现出异常奇怪的行为，其行为规律可能与我们日常生活中传统的科学规律完全背道而驰。比如，物体可以同时存在于两个或多个场所；可以同时以相反的方向旋转。这种现象也许只有通过量子物理学来解释。量子物理学认为，任何事物之间都可能存着某种特定的联系。发生于某一物体之上的事件，可能同时对其他物体也产生影响。这种现象称为“量子纠缠”，不管物体之间的距离有多远，同样存在“量子纠缠”的关系。 爱因斯坦坚决反对“量子纠缠”理论，甚至将其戏称为“遥远的鬼魅行为”。根据量子力学理论的描述，两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态。几十年来，物理学家试图验证这种神奇特性是否真实，以及决定它的幕后原因。其实，我们可以运用形象化的说明来解释这种现象，被纠缠的物体释放出某种不明粒子或其他形式的高速信号，从而对其伙伴产生影响。此前，已有实验证实传统物理学领域中某种隐藏信号的存在，从而打消了人们对于这种隐藏信号的种种疑问。但是，仍然有一个奇怪的可能性没有得到证实，即这种未知信号的传输速率可能会比光速还要高。 为了证实这种可能性，瑞士科学家开始着手对一对相互纠缠的光子进行实验研究。首先，研究人员将光子对拆散，然后通过由瑞士电信公司提供的光纤向两个村庄接收站进行传送，接收站之间相距大约18公里。沿途光子会经过特殊设计的探测器，因此研究人员能够随时确定它们从出发到终点的“颜色”。最终，接收站证实每对相互纠缠的光子被分开传送到接收站后，两者之间仍然存在纠缠关系。通过对其中一个光子的分析，科学家可以预测另一光子的特征。在实验中，任何隐藏信号从此接收站传送到彼接收站，仅仅需要一百万兆分之一秒。这一传输速率保证了接收站能够准确地检测到光子。由此可以推测，任何未知信号的传输速率至少是光速的10 000倍。 爱因斯坦不仅不接受“量子纠缠”的思想，而且还坚持认为不可能存在比光速还要快的信号，任何比光速快的“鬼魅似的远距作用”都是不可思议的。根据1905年出版的爱因斯坦的相对论，他认为没有物体的运动速度能够超过光速。爱因斯坦解释说，光速属于自然界的一个基本常数：对于空间内所有的观察者来说，光速都是一样的。同样爱因斯坦的相对论解释说，当物体加速时，物体本身的质量会增加，而加速需要能量。随着物体质量的增加，维持速度所需的能量也更多。当物体以接近光速运行时，爱因斯坦经过计算说，它的质量将达到无限大，所以要使得物体继续运行的能量也要无限大，而要超过这一极限是不可能的。 现代科学家们从实验中得到的结论，既可以反驳爱因斯坦的“错误”观点，也可以用来解释同一事物同时出现在不同地点这一奇异现象。爱因斯坦都无法解释的奇怪行为，正是量子物理学的魅力之处。 虽然科学家们不肯给“量子纠缠”一个超光速的绝对结论，但是很明显，“量子纠缠”肯定存在着内部的逻辑与联系，也不会因为科学家与理论学家们不承认而消失，反而会越来越影响人们的生活。我国科举家已经在2009年就发现了五个量子同时纠缠现象，试验数据达到17公里。量子纠缠内在的传播逻辑在目前科学上还是无法解释的。但是很多国家却都在做着量子通信的准备，因为量子通信是目前公认的最安全的通信方式。 在宇宙大爆炸学说里，暴涨期间宇宙爆炸超越了光速。在关于宇宙红移的测量里，发现遥远的星系很多速度都超越了光速，而按照宇宙本身膨胀的思考，修正后的数据，遥远星系的逃逸速度也达到光速的0.8倍，甚至更多。 人们认为宇宙空间自身的膨胀拉伸了光波，使红移变得不可思议。当人们不能合理解释银河系为什么不随着宇宙空间膨胀而膨胀的时候，一些理论学家们说，因为万有引力的影响，所以银河系紧紧地拥抱在一起，所以没有同时空膨胀，其实这些道理看上去有些牵强附会。只是没找到更合理的解释，而新的研究表明，宇宙本身可能存在旋转中心，而且宇宙存在着让光损失能量的空洞，对于红移与光的认识我们必须有新的了解。 在弦理论中，光是被限制在膜上，光被限制、被规定了。这也就弦理论的背景依赖。光速是最快的，黑洞理论者认为弦理论中的黑洞有个奇点，人们完全可以通过奇点跨越宇宙。从一个世界旅行到另一个世界，而速度是远远大于光速的。科学家们宁愿在弦理论、黑洞奇点等这些奇怪现象里接受超光速现象，但是却难以在现实中接受超光速现象，这种奇怪的逻辑似乎倒成了科学进步的绊脚石。 正如人们早期从认识地球是圆的到地球围绕着太阳转动的进步一样，人们将来早晚会欣然接受亿倍光速这个事实，甚至千亿万的倍光速粒子这个问题。正如人类发现原子核里能量一样，其实有可能我们在空间里捕捉到更多的能量，因为我们的宇宙只是宇宙海洋中的一分子。 在量子纠缠里，信息也应该是物质。既然信息能够被超光速传播，而信息本身又可读取，说明传播量子纠缠的信息显示着其物质特性。 光在宇宙传播中的弯曲 相对论认为光速是永恒的，是不能丢失能量的。但是光在通过大质量的恒星与星系的时候，往往因为这些大质量星体引起的弯曲时空而被扭曲。同时有科学研究发现，星系之间存在的强大磁场也能够扭曲光的传播。如果我们宇宙之外存在多宇宙，那么一个自身转动的宇宙，包括宇宙外壳的质量与结构空间肯定也会像黑洞一样能够扭曲光的路线。 黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而可以通过测量它的辐射及对周围天体的作用和影响来间接观测或推测它的存在。 科学家联网三座射电望远镜阵列打造“事件视界射电网”，成功地观测到3C279类星体核心区神秘图像，其能量由背后隐藏的超大质量黑洞所提供。科学家在射电图像中发现了一个阴影区，在明亮的背景下显得格外突出。这是在黑洞强大引力作用下光线发生弯曲所致，也是首次观测到黑洞事件视界存在的直接证据。黑洞的事件视界被黑洞的可见边界，在事件视界以内即便是光也不会逃逸出来。 光在星系中是被电磁场不断扭曲的，不仅受引力影响。2008年7月，据《科学家报》报道，科学家发现银河系中一个神秘的磁场在不断地变化。 在最初的时候这个星系中是不存在神秘的磁场，是类星体的剧烈运动产生了小却强度很大的宇宙磁场 宇航员发现从类星体辐射出的光线是具有角度的，并存在偏振现象，而造成这一结果的原因是光受到了宇宙磁场的扭曲（这与光受万有引力弯曲的相对论是矛盾的）。而当类星体距离越远时，其发出的光线发生偏振的程度就越大。但研究人员依然无法知道磁场到底是起源于类星体，还是存在于类星体与地球间的某处。（这说明宇宙空间存在着复杂的结构，那种仅仅认为大质量星体影响光的弯曲是片面的）科学家们通常是通过观测星系本身发出光线和射电辐射中的偏振现象来绘制星系磁场分布图的。由来自瑞士联邦技术机构的科学家组成的研究小组发现当前观察的类星体所发出的光中，镁二光谱的偏振程度远远超过了其他的类星体所获得的该光谱发生的偏振情况。对于这一现象，研究人员的理解是。这确实证明了星系和宇宙磁场的存在，而偏振就发生在光通过星系和磁场的过程中。研究人员说：“观察显示宇宙磁场的扩大速度是相当地惊人。” 磁场广泛地存在于行星、恒星、星系之中，甚至存在于几乎空无一物的星系际空间。它们都贮存和释放着能量，在空间各处产生出巨大的电流，助长了恒星的形成，将星系的大规模运动转化为湍流和热量。 在后面第九章里会提到，美国科学家首次发现贯穿整个宇宙的奇特轴线，冲击爱因斯坦的相对论。在宇宙中似乎存在着一条巨大的轴线，而整个宇宙都环绕在它的周围。新近发现的这条“轴线”将会动摇当今所有有关宇宙诞生和演化过程的理论，其中就包括爱因斯坦的“相对论”。根据爱因斯坦提出的“相对论”，空间和时间的分布在“大爆炸”发生虽然是非常混乱的，但从宇宙总体上看应是非常均匀的，并且存在着向各个方向扩展的趋势。不过，美国“宇宙微波背景辐射探测器”传回的最新数据却从根本上否定了这一著名的假设。据专家们介绍，测量结果显示宇宙背景辐射温度的分布并不是杂乱无章的，它们所处的位置都相当确定，或者说是“有计划的”。 光不仅受引力，还受磁场等其他因素影响。如果存在一个多宇宙的状态，那么我们的宇宙绝对不是静态，而是旋转的。一个旋转的有外壳庞大质量宇宙会导致光的弯曲，甚至将其束缚其中。 光在宇宙中丢失能量宇宙大爆炸的证据之一就是红移现象，科学家认为红移证明了宇宙是膨胀的。但是新的研究发现，宇宙中存在空洞，光在空洞中丢失能量，也能够造成红移假象。 2007年8月，美国宇航局太空网报道，美国天文学家发现了一个直径为10亿光年的空洞。空洞不是黑洞，是一个大部分空间没有恒星、气体和其他正常物质的大洞。而且它里面也不存在散布于宇宙的神秘“暗物质”，天文学家原来也发现了很多空洞，但这次空洞比原来发现的要大得多。 美国劳伦斯·鲁尼克说：“不仅从未有人发现如此之大的空洞，而且我们也从未预料到会发现有如此之大的空洞。”鲁尼克说的这个区域之前被称为“WMAP冷点”，因为它在宇宙微波背景辐射（CMB）图上显得“鹤立鸡群”。 宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸时留下的辐射遗迹，从理论上讲，宇宙大爆炸标志着宇宙的形成。 鲁尼克说：“虽然这项令人吃惊的发现需要独立验证，但这一区域宇宙微波背景相对低的温度看上去是由一个神秘大洞造成的，这个缺乏几乎所有物质的大洞距地球约60亿至100亿光年之之远。”据研究人员解释，宇宙微波背景辐射的光子在经过宇宙中有物质的正常区域时，通常会获得少量的能量。可一旦宇宙微波背景辐射穿过空洞地带，光子就会丧失能量，使得来自那部分天空的宇宙微波背景辐射的温度忽然降低。 2008年8月，天文学家Istvan Szapudi的夏威夷研究小组发现：宇宙微波背景辐射（CMB）穿过星系密集区域（称为超星系团，其直径约为5亿光年）时能够被微小的加热。 与此相反，当CMB穿越同样广阔的几乎没有物质的空洞时会被微小地冷却。根据来自50个超星系团和50个超空洞的观测数据，最终分析出CMB不是被加热就是被冷却。 这说明光在宇宙空间传播中能获得或者丢失能量，宇宙大爆炸的证据是存疑的。 一个自我旋转的宇宙 在现代物理学中，光的速度是恒定的，除了大质量物体的万有引力之外，光是几乎不被作用的。光的能量是无法损失的，但是也有例外，就是光在大质量恒星、星系附近因为引力有弯曲现象。在黑洞里光甚至无法逃逸，但是现代天文观测证明，光在宇宙空间中经过星系时能够被增加能量，经过空洞时有能量损失，同时我们也有理由相信以下两个方面：第一，如果宇宙是旋转的，那么在宇宙137亿光年的空间中，光是能够被强大的具有外壳的宇宙空间作用并弯曲的，光并非直线传播，我们生活在一个动态的宇宙之中。这种作用还要考虑恒星及其他星系的引力影响。那么我们的宇宙空间大小是否真实，值得探索。 第二，光在宇宙空间的传播是损失或者增加能量的。那么宇宙大爆炸的红移必须做出修正，而且空洞损失能量说明我们宇宙空间的真空定义本身可能不真实。 在新宇宙模型下，时间是粒子的表现形式，宇宙自身具有旋转性。时空弯曲的本质是宇宙拥有一个自我圆转运动的主体，力与粒子纠缠。一个旋转的宇宙里，宇宙外壳也应该具有大的质量与作用因素，大空间内光自然弯曲成为必然现象。 宇称不守恒 目前普遍接受的物理学理论认为，每一种基本粒子都有其对应的反粒子。譬如说与带负电的电子相对应的就存在着质量相同、携带电荷正好相反的正电子。在反物质理论提出后，科学家们一直认为，粒子和反粒子之间在特性上存在对称，就像人们通过镜子看自己一样。这些对称特性主要包括基本物理定律不受时间方向性影响，在空间反射下的物理过程以及粒子与反粒子的变换过程遵循对称，它们分别被称为时间、宇称和电荷守恒定律。 宇称不守恒首先由华裔科学家杨振宁，李政道提出，最后有吴健雄博士通过实验给予证明。 吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温（0.01K）下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称，吴健雄还在实验中发现了电子倾向于左手旋（大部分粒子具有左手旋倾向）的现象。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。 宇称不守恒的发现并不是孤立的。在微观世界里，基本粒子有三个基本的对称方式：一个是粒子和反粒子互相对称，即对于粒子和反粒子，定律是相同的，这被称为电荷（C）对称；一个是空间反射对称，即同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，这叫宇称（P）；一个是时间反演对称，即如果我们颠倒粒子的运动方向，粒子的运动是相同的，这被称为时间（T）对称。 如果宇称守恒，也就是说如果用反粒子代替粒子、把左换成右，以及颠倒时间的流向，那么变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律。 但是自从宇称守恒定律被李政道，杨振宁和吴健雄打破后，科学家很快又发现，粒子和反粒子的行为并不是完全一样的！一些科学家进而提出，可能正是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷（C）不对称，才导致宇宙大爆炸之初，生成的物质比反物质略多一点多。大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。如果物理定律严格对称，宇宙连同我们自身就都不会存在了，如果没这种机制，宇宙大爆炸之后诞生了数量相同的物质和反物质，正反物质相遇后会立即湮灭，那么星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。 接下来，科学家发现连时间本身也不再具有对称性了！ 可能大多数人原本就认为时光是不可倒流的。日常生活中，时间之箭永远只有一个朝向，过去的不能追回，打碎的玻璃无法复原，过去与未来的界限泾渭分明。不过，在物理学家眼中，时间却一直被视为是可逆转的。 比如光子碰撞产生电子，而正负电子相遇则同样产生一对光子。然而，1998年末，物理学家首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件。欧洲原子能研究中心的科研人员发现，正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性：反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程（即K介子转变为反K介子）来得要快。 欧洲核子中心新实验证明，反物质转化为物质的速度要快于其相反过程。因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案。另外，新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。物理学家们一直认为，除了基本物理定律不受时间方向性影响外，物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基础之一。 1999年3月，科学家称直接观测证明电荷宇称定律有误。美国费米实验室宣布说：“该实验室以前所未有的精度，基本‘确切无疑’地证明中性K介子在衰变过程中直接违背了电荷宇称联合对称法则（CP宇称守恒）”。这一结果被认为是物质和反物质研究领域的一项重要进展。证明K介子违背宇称和电荷联合守恒定律，其主要途径是研究K介子衰变为其它粒子的过程。K介子可衰变为两个介子。物理学家们曾从理论上指出，通过实验测量出一定数量K介子中有多少衰变为介子，这一比值如果不接近零，那么即可被视为直接证明了宇称和电荷联合定律不守恒。而费米实验室所获得的最新数值结果（0.00280误差0.00041），由于其精确度比此前实验都有所提高，从而直接证明了宇称和电荷守恒定律确实有局限性。 至此，粒子世界并非完美的，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的。而超光速的粒子纠缠、中微子的中途衰变、时间的不守恒、电荷的不守恒、宇称不守恒中出现的左手旋倾向（大部分基本粒子是左手旋的）都在说明：微观粒子具有内在原因，对于时间的表达出现了问题。时间只是粒子的表现，时间与光子联系起来，本身存在着逻辑错误。 这说明时间与物质都是互相转化、表达的，时间不应该作为宇宙中的一维，不应该把三维空间加上时间。微观量子世界与宏观宇宙空间还有其内部的逻辑。 两光子碰撞湮灭，变成正负两个电子，正反电子碰撞湮灭，变成两个光子。反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程（即K介子转变为反K介子）来得要快。K介子衰变中的电荷与宇称联合不守恒，钴60的镜像衰变左手旋倾向。这种粒子内在逻辑中的原因，有人把其与宇宙大爆炸联系起来，认为正是宇称不守恒导致我们的宇宙诞生。而有科学家从星系旋转对时空扭曲的影响来解释宇称不守恒问题。 星系旋转与宇称不守恒的关系 弦理论研究者及很多科学家认为宇宙存在超对称性，极小与极大存在对称关系。就像弦理论认为，宇宙中粒子宇宙也存在着超对称性，R与1/R 的宇宙定律是相同的。比如一个1028米的宏观宇宙，与10-28米的微观物理世界存一样的物理定律。当然作者本人认为这两个对称世界存在着关联，但是并不意味照物理定律的统一，要客观辨证的看待问题。那么微观粒子中的宇称不守恒，是否也受宏观星系的影响呢？按照宇宙连续性逻辑，这应该是存在关系的。 2011年7月，英国华威大学的物理学家从星系旋转扭曲时空的角度入手，建立了一个涵盖整个星系时空模型来解释电荷宇称不守恒（电荷宇称守恒简称CP守恒）现象，在物质与反物质演化过程中，K介子和反K介子衰变出现显著的不对称性。 华威大学的MarkHadley博士发表在EPL（欧洲物理学快报）上的论文主要解释了CP破坏的一种新研究，即我们星系的旋转对亚原子粒子的衰减会产生重大影响。我们银河系的自转效应造成了我们时空的扭曲，星系产生的引力场将使得星系内部的时空产生扭曲，这种扭曲也包括太阳系 在内，而这个时空扭曲效应的影响将是不容忽视的。如此巨大质量的星系自转所具有的速度和角动量拖拽着星系内部的时空，造成时空形状的变形以及时间的膨胀效应，这种扭曲程度足以影响到对实验结果的评定。 对于星系自转所产生的效应是一个人们比较容易忽视的问题。因为我们一直以来都是处于地球和太阳的引力场中，整个星系的旋转对于我们地球周围的时空所产生的效应比地球本身的自转要强100万倍。当CP破坏在介子衰变中被观察到时，星系旋转效应有助于解释在相同粒子物质与反物质的分裂基于不同的衰变率。银河系的自转所产生的“拖拽”效应是显著的，造成的时空扭曲足以引起每个粒子结构的不同，使其经历不同的时间膨胀效应，而这正是衰变以不同方式进行的原因。 这就是说，在每个粒子进行衰变时，时空扭曲所造成的不同时间膨胀所带来的整体效应必须被考虑，CP破坏的消失和宇称守恒也应该与此相关。在欧洲核子研究中心已经收集到了大规模的数据阵列，显示出在衰变的过程中CP破坏是存在的，同时还能检验出星系的自转所产生的“拖拽”效应对其的影响。 很显然，在第三章我们提到了一个聚合而生的宇宙模型，同时我们提到宇宙有旋转中心的一些证据。在一个多宇宙状态下，我们的宇宙拥有中心，宇宙围绕着中心做旋转运动，这符合物理学的规律。因为从原子到电子，从光子到地球、星系都有类似运动。一个旋转的宏观宇宙，必然对于微观粒子产生更多的影响，大多数粒子都具有左旋倾向，而宇称不守恒的原因，不仅仅与银河系有关系，而且还应该与一个旋转的宇宙有关系，宏观宇宙星系有微观量子组成，宏观宇宙的运动状态必然影响微观量子的行为。 宇宙常数错了 爱因斯坦在提出相对论的时候，一开始将宇宙常数代入他的方程。他认为有一种反引力能与引力平衡，促使宇宙有限而静态。后来爱因斯坦取消了这个常数，当哈勃得意地将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时，爱因斯坦感觉很羞愧，认为自己一生所犯下的最大错误是从自己理论中去除了宇宙常数。 爱因斯坦发表相对论，包括宇宙常数的初衷，并不认为其是万物之理，只是对物理学的一个总结、一个推进、一个对宇宙的新的认识，所以其出于不断修改与完善才删除了宇宙常数。正如爱因斯坦开始相对论基础认为宇宙是有限而静态的一样，后来因为很多科学观测符合相对论的预言，相对论也加入了其他科学家及科学的解释与证据后，很自然地被神圣化了，因为它太符合天文观测与一些科学验证了。但是爱因斯坦本人却追求一个相对论在内的大统一理论，至少爱因斯坦本人认为相对论是不完美的。 2005年4月北京青年报的一篇文章指出，物理常数不“常”、爱因斯坦相对论面临挑战。该文提出爱因斯坦证明牛顿物理定律并不准确，但爱因斯坦自己也许并不正确。对一个重要物理常数的新研究表明，它可能是随时间变化的，也许我们可以期待一场对相对论进行修正的物理学革命。 顾名思义，“常数”应是恒定不变的，如果物理学常数随时间而变化，就意味着宇宙中的物理规律也在变化。宇宙诞生至今已有100多亿年，这期间是否发生过这样的事？ 有关争议的焦点之一是精细结构常数，它对电磁相互作用极其重要。如果精细结构常数随时间发生变化，其他一些基本物理原则如光速也会变化，这将给相对论带来挑战，因为广义相对论不允许这种变化。 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。” 澳大利亚的数学家们从数学角度，扩展了狭义相对论，为超光速现象给出了数学方向。物理学不断地在进步与重新验证中。牛顿时代与爱因斯坦时代，与现代科学的证据是不同的。假如1927年索维尔会议前，爱因斯坦与玻尔如果知道量子可以测量两种状态，电子是可以分裂的，那么就不会出现爱因斯坦惨败的结局。同样，如果爱因斯坦知道现代对于暗物质、暗能量及更多的观察证据，也许他也会带头研究及修改自己的相对论，并同时对量子力学提出更具有说服力的发现来。很多时候，包括牛顿的力学公式，相对论公式继续拥有其适用性及精确性的特点。同样的公式，不同的物理学定义及物理现象本质探索却具有不同的地位，甚至完全使物理学具有颠覆性的发现。 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。 霍扎瓦的灵感来自于电子在石墨烯中的运动，石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料：只有一个碳原子厚度的二维材料。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为：热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，此发现立即震撼了凝聚态物理界。石墨烯有很多非常奇怪的性质，比如说在常温下电子在石墨烯中的运动远远低于光速（光速的1/300，已远超过电子在一般导体中的速度），但是描述它的运动没有必要考虑相对论，只要用量子力学就可以了。 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。” 与另一将空间时间以更小的片段缝合在一起的，被称为因果动态三角化（CDT）的量子重力方法相比，霍扎瓦的方法或许占了上风。CDT方法是由丹麦哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的简·安比约恩和他的同事首先提出来的。他们通过计算机模拟来分析空间时间行为的同时，却在为他们的模型中所发现的某些现象而困惑。他们发现当进行放大和缩小时，空间的三个维度和时间的一个维度各自的贡献并不相同，这令他们大惑不解。在缩小时，空间和时间表现相等，符合洛伦兹对称；而在放大时，时间比空间扮演了更重要的角色。 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.org/abs/1002.3298）。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。 这样物体在空间的运动只不过反映了有多少时间里运动发生了转移。物体在空间的运动有一定的极限，假如物体在时间里运动完全转移到空间来了，物体在空间的运动就能达到时间维度的速度——光速，也就是说以光速在时间维度里运动的物体，现在已转移到空间里并以光速运动了。因为物体在时间里的光速完全被转移了，所以光速是物体所达到的最高速度，因此光不会变老，从大爆炸出来的光子在今天仍然是过去的样子，在光速下没有时间流逝。时间与空间是不可分割的，物体在空间的运动，影响它的时间历程。 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。 另外，中微子以接近光速的速度在宇宙中穿梭，按照相对论中微子应该是稳定的，但是根据实际观察，中微子在传播过程中却非常不稳定，容易发生中微子震**，变成其他性质的中微子，这显然违背了相对论寿命永恒的原则。 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。 科学研究表明，决定我们宇宙的主要是暗物质与暗能量，我们目前能够认知的物质，比如原子、光、等大概只占宇宙的4%左右。暗物质占了宇宙的23%，宇宙剩余的73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。