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第7章 宇宙的时空之谜(3)

对类星体超光速膨胀现象的解释除上述兰登·贝尔模式外,还可举出“传播条件发生变化论”和“花环模式”等。而北京天文台的梁宝鎏和崔振兴提出了“视超光速现象”的相对论激波模型。但北京师范大学的曹盛林和中国科学技术大学研究生院的刘永镇、邓祖淦等三人则认为洛伦兹变换只能描述亚光速运动,狭义相对论不能否定超光速运动存在的可能。如果假定物质可以存在一种真实的大于真空中光速度的运动,则可以建立起一种新的理论。他们讨论了史瓦西场中的超光速运动,并以3C34,3C273和3C120为例,表明史瓦西场中的类空测地线,只要适当选择中心场的质量,即可与上述三个河外射电源的超光速膨胀的观测数据很好地符合。他们还计算出这些射电源的质量为太阳质量的1012~1013倍。

如果一个物体的速度超过光速又会怎样呢?狭义相对论的有关方程告诉我们,这个物体的长度和质量,将不能用一般的实数来表示,而必须引用虚数。人们曾认为这是无法想象的,因此断定这种东西是不可能存在的。但是,把不可想象的东西认为是不能存在的东西,似乎有点武断。

光速不变,在建立相对论时并没有什么实验依据,这完全是爱因斯坦的一个大胆的假设。爱因斯坦把光速放到这种与众不同的特殊地位,当然直接破坏了人们十分熟悉的速度合成关系,因此曾遭到众多的非议。然而,到目前为止,有很多实验都证实了它的正确性。

爱因斯坦的相对论同样也要遵守事件发生的因果律。根据因果律的要求,有因果关系的两个事件发生的先后顺序,无论从哪个参考系来看都是不容颠倒的,也就是说,一切物体的运动速度小于光速才能保证因果关系不会颠倒。事实上,首先是因果关系在任何情况下不容许颠倒,才导致了光速是任何物质运动的极限速度,也是一切相互作用传播的最大速度;反之如果物体的速度大于光速,就会出现因果颠倒的荒谬局面。相对论明确指出,任何物体(或粒子)的速度总是小于c,最多等于c,这个理论上的结果已被大量实验所证实。然而,狭义相对论只对物体的运动速度,或者信号传播和作用传递的速度给出了极限,而并没有限制任何速度都不能超光速。同样我们要认识到狭义相对论也并非万能的理论,它也有其使用的条件和范围,因此,我们不能仅根据一个光速不变原理而去排除自然界本来就存在超光速粒子的可能性。尚未发现的粒子——快子。

导言:宇宙如此广袤,在它中间任何事情都可能发生,极能发挥人们的想象。一些被观察到的宇宙现象又总是引发出许多假设,从而推论出许多理论。可是若没有这些假设和推论,正确的结论又从何而至?我们只能拭目以待。近年来,有人将自然界的粒子分成慢子、光子和快子三类,按静止质量(m0)的大小,慢子m0>0,光子m0=0,而快子m0<0,快子就是比光运动得还快的粒子。

最先假定快子存在的是美国科学家比拉纽克和苏达珊,直到1967年,美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格才确定了快子在科学中的地位。他认为快子应该存在,只不过它具有负重力的性质,它完全不同于我们这个宇宙中的物质性质,并不是靠万有引力相互吸引,恰恰相反,而是相互排斥的。如果把我们的宇宙称作“慢宇宙”的话,那么,由快子构成的宇宙,则是“快宇宙”,光速是“慢宇宙”。在“快宇宙”中,会出现许许多多在“慢宇宙”中看来荒唐滑稽的事情。譬如,在“慢宇宙”中,不动的东西能量为零,一旦它获得能量,便会运动得越来越快,如果它的能量到了无限大,它就以光速运动。但在“快宇宙”中,情况恰恰相反,如果快子的能量为零,它就以无限大速度运动,它得到的能量越大,反而跑得越慢,当它得到能量为无限大时,快子的速度就降低到光速。在快宇宙里,光速是快子最小的运动速度;而在“慢宇宙”里,光速则是物体运动的极限。

“快子”是不是真的存在呢?有什么迹象可以证明它的存在呢?科学家们认为,确实有可能存在一个并不违反爱因斯坦狭义相对论的“快宇宙”。而如果快子以超光速在真空中运动,那么必然会在飞过的地方留下一条发光的蓝尾巴,物理学家称这种现象为“切伦科夫辐射”,它是由前苏联物理学家巴维尔·切伦科夫在1934年宣布发现的。1937年,另外两位物理学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆解释了这种现象,结果这三位科学家分享了1958年的诺贝尔物理学奖。现在,物理学家正在想方设法抓住快子这条发光的蓝尾巴,以此来证明它的存在。当然人们想要把这种速度的一条尾巴捉住是十分不易的,比光还要快几百万倍;用“一溜烟”、“稍纵即逝”这些字眼都难以描述快子的快速程度。一般情况下,当人们发现快子的蓝尾巴时,它早跑得无影踪了。

尽管有的科学家把快子描写得栩栩如生,有的科学家却把它视为子虚乌有。看来,除非捉到它,否则人们无法接受快子及超光速这两个新朋友。

目前关于超光速的实验观测是非常令人关注的,类星体的超光速膨胀现象很可能是宇宙中的正常事例,预计将会不断有新的发现。虽然并未揭开它的神秘面纱,但对它的研究观察将激发人们对超光速现象的探讨,并在地球上想方设法探测“超光速粒子”或“快子”的存在。“超光速粒子”或“快子”的主要领域多集中在天文现象方面,但尚无具体结果。

我们的宇宙正在膨胀,根据“哈勃定律”,离我们越远的星系其远离我们而去的速度就越大,照此推理宇宙总会有一个界限,在此界限以内,星系的退行速度不会超过光速,而在界限及界限以外的星系,它们的退行速度又如何呢?自然界究竟是否存在超光速及超光速粒子呢?这还是个谜。空间到底有多少维?

导言:在人类生活的空间里,目之所及,不过三维。但对科学理论来说,人只有三维认识是不能解释浩渺的宇宙现象的。要想挣脱三维空间的束缚,那就只有学习,学习,再学习。“维”是一种度量,是我们在物理学中描述某一变化着的事件时所必须依据的变化的参数。一维:只有长度,只是一条线;二维:只有长宽,是平面世界;三维:有长宽高,是立体世界。我们亲自感觉到看到的世界三维空间是点的位置由三个坐标决定的空间。客观存在的现实空间就是三维空间,具有长、宽、高三种度量。数学、物理等学科中引进的多维空间概念,是在三维空间基础上所作的科学抽象的描述。

四维,则表述了一个时空的概念,它不只包含了空间,还有时间的概念。日常生活所提及的“四维空间”,大多数都是指阿尔伯特·爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系,是在空间的架构上与普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴,而这条时间的轴是一条虚数值的轴。根据阿尔伯特·爱因斯坦相对论所说:我们生活中所面对的三维空间加上时间构成所谓四维空间。在三维空间坐标上,加上时间,时空互相联系,就构成四维时空。现在科学家的理论认为整个宇宙是十一维的,但我们只能感知到三维。零维:没有长宽高,单纯的一个点,如奇点。

因为人的眼睛只能看到三维,对于另外的维度就很难解释。正如一个智力正常,先天缺少一只眼睛、一只耳朵的人(太悲哀了,这样就没有双眼效应、双耳效应),他就很难理解距离了,他很可能认为这个世界是两维的。所以可以说N维就是N条直线两两垂直所形成的空间。因为,人类只能理解到三维,所以后面的维度可以通过数学理论构建,但要仔细理解就很难。在量子力学中,目前仍在建立的膜理论,认为宇宙是十一维的。

理解了宇宙的空间有更多维存在,再回过头来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的,我们就很容易理解了:这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的,它们的矛盾是必然的,只有在高维空间里才能得到统一。

为了解释清楚,还是先举一个二维和三维的例子。我们首先假设有一些生活在二维平面世界的生命,它们的世界里只有长和宽,根本无法理解第三维——“高”这一维。因此,它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影,或者三维物体与平面世界的接触面,试想一想,一个平面生命怎么能够理解投影和想象三维物体的丰富性和完整性呢?当三维物体与平面世界接触时,三维物体在平面世界上的零碎片段,比如一张桌子的四根脚柱、人印在地面上的两双鞋印,更让平面生命摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢?它们根本无法想象,四片互不相连的印迹怎么会构成一张完整的桌子呢?那断断续续的鞋印上怎么会有一双完整的鞋呢?更不要说在鞋上面还有一个具体的人了!用二维的眼光来打量这些碎片,你永远不可能将它们拼成一个整体。于是有一天,一个足智多谋的平面生命偶然想出一个绝妙的主意。它宣布,平面世界之外还有一个“向上”的第三维,如果顺着这些碎片“向上”看,其实碎片是一个完整的整体!这个惊人的见解更让平面生命无法理解。

相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似,在我们的三维空间里,它们就像两块互不相干的碎片,永远也拼合不到一起。但把空间“向上”抬一抬,把宇宙变为十维空间,相对论和量子理论这两块看似互不相干的碎片就会令人震惊地结合得天衣无缝,成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱!虽然我们在三维空间中无法想象和描述一个多维的空间,好在有数学这门科学,可以通过它推导出那个多维的存在。平行空间理论。

导言:有时科学所推论出的许多场景,让唯物主义者听起来像是地道的迷信,不知是否有人能从中给自己找出什么理论上或对现实生活以什么“活生生”的解释。但理论是真实的,而理论推断出的结果却是“想当然”。有些科学家提出新的观点:也许我们这个空间不是唯一的,而是有另外一个或者几个同时存在的空间,它们彼此间平行,互不相扰,但是它们当中发生的事情却是相似的。这就是著名的令人惊奇的平行空间理论。

让我们先来看一个著名的“祖母悖论”。其大意是说:如果我们通过时空隧道回到了过去,遇见了我们的祖母,而我们又不幸害死了祖母,那么既然祖母在年轻的时候就死了,未来的我又从哪里来?既然没有了我,我又怎么会回到过去害死祖母?这样便产生了一个悖论。

平行空间之谜这个悖论是建立在爱因斯坦的广义相对论的基础上。广义相对论认为我们的宇宙是平行相通的,中间有一个相通的孔洞。正如所设想的一样,如果回到过去成立,就必然产生上述的悖论。在爱因斯坦的狭义相对论中,我们又被告知时间和空间是彼此联系的,由于光速恒定,所有运动,甚至时间本身都必须与之相对应,由此时间也是相对的。于是,人们为解释上述悖论,提出“平行宇宙”的概念,这就是霍金的“平行空间理论”。

如果在另外一个空间里正有一个和你长得一模一样的人在做着你现在正做事情,那个家伙并非你自己,却生活在一个有着云雾缭绕的高山、一望无际的原野、喧嚣嘈杂的城市,和其他七颗行星一同围绕一颗恒星旋转,并且也叫做“地球”的行星,他一生的经历和你每秒钟都相同。然而也许他此刻正准备停下来,你却要继续。

这种“分身”的想法听起来奇怪而又难以置信,但似乎我们不得不接受它,因为它已为各种天文观测的结果所支持。如今最流行同时也最简单的宇宙模型指出,离我们非常遥远之处存在一个和我们的银河一模一样的星系,而那其中正有个一模一样的你。虽然这距离大得超乎人们的想象,却毫不影响你的“分身”存在的真实性。该想法最初起源于很简单的“自然可能性”而非现代物理所假设:宇宙在尺寸上无限大(或者至少足够大),并且像天文观测指出的那样——均匀地分布着物质。既然如此,按照统计学规律便可以断定,所有的事件(无论多么相似或者相同)都会发生无数次:会有无数个孕育人类的星球,它们之中会有和你一模一样的人——一模一样的长相、名字、记忆甚至和你一模一样的动作、选择——这样的人还不止一个,确切地说,是无穷多个。

最新的宇宙学观测表明,平行宇宙的概念完全不是一种想象。因为空间是无限大的。如果真是这样,一切可能会发生的事情必然会发生,不管这些事有多荒唐。在比我们天文观测能企及范围远得多的地方,有和我们一模一样的宇宙。天文学家甚至计算出它们距地球的平均距离。

那些和我们一样的在另外一个空间生活的人也许永运不会和我们见面。我们能观测到的最远距离也就是自大爆炸以来光所行进的最远距离:大约140亿光年,即4×1026米——定义了我们可观测视界的大小,或者简单地说,宇宙的大小,又叫做哈勃体积。同样,另一个我们所在的宇宙也是个同样大小的球体。以上便是对“平行宇宙”最直观的解释。每个宇宙都是更大的“多重宇宙”的一小部分。

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