宇宙边界和时间的相对性

0宇宙边界和时间的相对性——膨胀的“时间球”作者：郭丙善摘要：揭示宇宙空间问题是一件庞大的认识工程。“距离是一个时间概念”“时间是三维的”，通过改变人们对“距离”、“时间”概念的固有认识，建立了“时间球”宇宙模型。从“时间球”角度揭示了宇宙是什么样子的，何为宇宙的中心和边界。同时指出了时间在时空中的相对性的原因，阐述了光线运动轨迹问题、光线弯曲及曲率函数问题，解释了背景辐射现象和光速不可叠加现象。并且根据“时间球”宇宙模型对宇宙现象作出了一些推论和解释。关键词：宇宙边界、“时间球”、时间流逝相对性、速度叠加原理、光速不变作者简介：郭丙善，河北石家庄人，1970年10月10日出生，男，工程师职称。电话：[phone]，Email：[e-mail]。0引言随着科学不断取得成就，人类认识和改造自然的能力得到不断提高。广义相对论和量子力学为人类认识宇宙带来了曙光。霍金和彭罗斯根据奇性定理预言宇宙存在一个奇点，那里是时间和空间的开始。奇点的存在，很好支撑了宇宙大爆炸理论，也支持了20世纪的伟大发现——宇宙在膨胀这一事实。虽然人们对宇宙的认识不断加深，但仍然没能给出像宇宙边界这样问题的终极解答。人们在认识宇宙的道路上受到了太多固有认识的束缚，这些固有认识限制了人们认识观念的飞跃。认识宇宙更多地应靠理性，而不能完全依赖固有原理。举个例子，勾股定律没人怀疑过，可要把它放在宇宙这样大的时空尺度它未必就是正确的。认识宇宙的过程，其实是人们对自己观念的一个整理过程。正确的理论来自正确的认识观念，人们对宇宙的认识主要来自感觉，尤其是视觉，它是人们获取遥远数据信息的主要渠道，所以人们必须对距离、时间、光线等概念进行认真的分析，从而辨别出这些概念的实质。“距离是一个时间概念”、“时间是三维的”、“光线是以渐开线轨迹运动的”，人们树立这些观念是建立“时间球”宇宙模型的基础。本文观点是建立在霍金和彭罗斯的宇宙存在开端的观点之上的，同时也是以宇宙大爆炸观点为基础的。11、时间球概念1.1、距离是一个时间概念在日常生活中，距离是一个与我们生活活动密不可分的概念。河北石家庄距离北京250公里。如果有人问你河北石家庄在哪里，你可能回答：从北京西客站坐火车向南行驶250公里就到了。250公里成了区分北京和石家庄两个城市的地理依据。我们已经非常习惯用距离来区分两个地点，所有人从来都没有探究过距离的实质。如果所有火车都是按照100公里/小时的速度在行驶，人们也都知道这一情况并且从来都没有怀疑过，再遇到有人问石家庄在哪里的问题时，是否也可以这样回答：从北京西客站坐火车向南行驶两个半小时就到了。距离其实是一个时间尺度，在石家庄在哪里这个问题里，250公里和两个半小时的答案都对，250公里等于两个半小时。这点很重要，在宇宙时空这样大尺度的问题上，距离变得越来越没有意义，最终时间变成了区分两点的标准（见图1）。距离传统观点认为：两点不同是因为两点间存在距离时间差本文观点认为：两点不同是因为两点间存在时间差ABAB图1在现阶段我们还从未发现有比光速更快的速度，我们完全可以把光速设定为计算两点距离的标准。两点距离即使再近，光线从一点运行到另一点，也总是要发生时间，所以说距离其实是一个时间尺度。假设A、B两点相距5光年，以光速为标准，以后我们可以回答A、B两点距离为5年。若A、B两点距离为0年，A、B两点就撞在了一起。两辆汽车之所以会发生碰撞，是因为它们的距离变为0年。下面我们进一步探究两点间的时间差问题。我们知道，光线从太阳运行到地球大概需要8分钟，站在地球上的人看到此时的太阳光其实是太阳8分钟前发出的，人们可以认为太阳距地球的距离为8分钟。假设观察者站在地球上，地球上的时间是现在时刻，可以认定为0分钟时刻，此时太阳是地球过去的8分钟，可以认定为-8分钟时刻，它们的差是8分钟。若观察者站在太阳上，情况正好相反，太阳上的时间是现在时刻，可以认定为0分钟时刻，此时地球是太阳过去的8分钟，可以认定为-8分钟时刻，它们的差也是8分钟。宇宙中的时空点是有时间性质的，它们是时间性和空间性完美的结合。宇宙中时空点的时间性质是相对的。上述太阳和地球距离的例子中，观察者站在地球上，地球处的时间性质就是0分钟时刻，太阳处的时间性质就是-8分钟时刻；若观察者站在太阳上，则太阳处的时间性质变为0分钟时刻，而地球处的时间性质变为-8分钟时刻。这不影响它们间的距离。2在上述太阳和地球距离的例子中，观察者看到的所有景象都是过去时刻发生的，他所看到的所有其它物体距他的眼睛都存在距离，哪怕距离再小，光线的传输也需要时间，所以他看到的都是过去的事情。他眼睛处那一点的时间性质为零，它之外所有时空点的时间性质都是负值，都是过去。距离我们越远发来的光线，事件过去的时间越久远。可以这么说，观察者的“视觉宇宙”其实是过去不同时间发生的事件，其影像在现在这一时刻传到我们眼睛处的组合，我们被过去事件所包围。“视觉宇宙”是由看到的过去事件的影像组成的（见图2）。观察者层层久远的过去事件图2：观察者被过去事件层层包围我们看到的五彩缤纷的世界其实都是过去发生的，甚至你看到你自己的双手也都是过去的。由于光线传输的速度很快，我们看到的世界离我们又如此近，以至于我们感觉一切都在同时发生。正是这一点使我们认识宇宙过程中总是把时间和空间分开看待。认为时间是沿一个维度从过去向将来运行，而空间中的万物变化与时间毫不相干。事实上，抛开了时间因素，把时间看成静止的一刻，我们就会产生很多错觉，最终影响我们对宇宙问题的深入了解。比如，在较短距离上，我们可以不计较空间点的时间性质，五米加五米等于十米，勾股定律符合的非常好。可在大尺度上，时间性质就不能被抛弃，五米和五米就不能相加，勾股定律也失灵了。我总提勾股定律，是因为狭义相对论在推导过程中用到了勾股定律，我认为他的结果是有局限性的。我们再把时间尺度放得大一点。引言中已经说了，本文观点是建立在宇宙大爆炸观点基础之上的，认为宇宙有一个开端一直发展到现在，宇宙是从一个点开始的。我们假设宇宙从开端到现在已存在200亿年。从理论上讲，我们向前看，只要我们有足够的耐心，就一定能够看到200亿光年处发射过来的光线，那是宇宙起始的一刻，是奇点。同样的道理，我们回过头来向后看，也应能够看到200亿光年处的事件，也是宇宙起始的一刻，是奇点。我们向四周看，在四周方向都应能看到200亿光年处发来的一束光线，都是宇宙的开端，是奇点。200亿年前宇宙爆炸时几乎是从一个点开始的，浩淼无垠的宇宙怎么竟被一个点包裹着呢？我们四周从最远处传来的光线怎么起源于一个共同的点子（奇点）呢？3事实也确实是这样。在我们的视觉里我们的宇宙确实被一个点子包裹着（见图3）。宇宙怎么会是这样的，我们四周从最远处飞来的光线它们的起点怎么会扭结在一起，光线是什么时候开始弯曲的，是什么使光线弯曲的。要想明白其中的道理，认清宇宙的真实面目，我们的观念必须飞跃。观察者200亿年前奇点200亿年前图3：观察者看到浩淼无垠的宇宙竟被奇点包裹着1.2、时间是三维的学过几何知识的人都知道，直线是一维的，平面是两维的，空间是三维的。维是指独立的时空坐标的数目。一维是线，定义“点”需要一个坐标参数（X）。二维是一个平面，定义“点”需要两个坐标参数（X，Y）。三维是体积，定义“点”需要三个坐标参数（X，Y，Z）。随着人们对宇宙认识的深入，人们开始努力把时间和空间联系起来看问题。通过研究，人们认识到空间和时间不是孤立存在的，而是彼此存在关联的。但它们究竟存在什么样的联系，还一时闹不明白。于是有人在三维空间之外又增加了一个时间维，定义“点”需要四个坐标参数（X，Y，Z，t）。在如此的四维空间里，时间维度垂直于其它三维，并沿着一个方向从昨天到达今天，并不可逆转地走向明天。霍金的时间箭头，认为时间像一列火车一样沿单维度运行，由过去走向将来。时间维果真像上述四维空间描述的那样沿一维方向发展的吗？时间坐标参数t果真能够和其它三维坐标参数X、Y、Z并列在一起吗？问题恐怕就在这里。如果我们的假设出了错误，那么建立在错误假设基础上的结论可想也是错误的。本书观点认为，时间是三维的，它和空间的三维性是完全统一的，甚至可以说时间的三维性决定了空间的三维性。请看下面对时间三维性的论证。在上一节“距离是一个时间概念”中已经介绍过，宇宙空间的每一点都有时间性质，且各点时间性质是相对的，在我们的“视觉宇宙”中，只有我们眼睛处那一点可以认为时间性质为零时刻，之外四周其它所有的点的时间性质都是过去时刻，观察者被过去事件所包围。距离越远，过去的时间就越久远。这些过去事件的影像以光的形式从四周向观察者聚拢过来，直至聚拢到眼睛上那一点。显而易见，观察者被一层层过去时间球面所包围，一层层过去时间球面形成了“过去时间球面空间结构”。以观察者为球心，向四周方向都是过去方向，时间呈现出三维性质来（见图4）。4“距离是一个时间概念”是认识宇宙的关键，“时间是三维的”是认识宇宙问题的基础。观察者过去过去时间球面过去过去过去图4：时间呈现出球面空间性质，是三维的1.3、“视觉宇宙”的组成我前面一直在提“视觉宇宙”这个概念。所谓“视觉宇宙”，就是观察者应该能够看到的宇宙事件影像的总和。在当前时刻观察者看到的宇宙影像我们称之为“在视宇宙”，它就是一张宇宙相片。我们观察宇宙就像在看电影一样，是一张张宇宙相片的连续播放。随着时间的延续，宇宙事件在不断地变化，我们看到的相片也在不断地变化。由于光线传递需要时间，在当前时刻观察者看到的是“在视宇宙”，另外两部分“视觉宇宙”不能看到。一部分是“将视宇宙”部分，这部分宇宙事件的光芒还在传递路途中，还没到达观察者眼前。另一部分是“已视宇宙”部分，这部分宇宙事件的光芒已经经过观察者眼前，观察者已看过的那部分。“已视宇宙”、“在视宇宙”、“将视宇宙”一起囊括了宇宙的全部事件的景象（见图5）。由于宇宙空间点的时间性质具有相对性，所以不同的观察者站在宇宙中不同的位置观察到的宇宙景象是不完全相同的。就像两个人站在道路的两侧，一个人感到道路在左侧，另一个人感到道路在右侧。同是一个宇宙，观察到的景象不同是因为观察者所处的位置不同。将视部分在视部分已视部分图5：视觉宇宙由三部分组成我们收集宇宙信息主要靠视觉。前面谈到，视觉看到的都是过去的事件。在宇宙事件中，时间5具有相对性，站在A事件处观察，认为B事件是过去；而反过来站在B事件处观察，A事件又变成了过去。把时间尺度放得再大一点，假设A、B两点相距200亿光年，站在A事件处观察，认为B事件是宇宙的开端；而反过来站在B事件处观察，A事件又变成了宇宙的开端。话说回来，观察者看到的都是影子，都是过去时间发生的事情。观察者站在A处，看到了在B处宇宙爆炸那一刻的景象，那已是200亿年前的事了，那B现在又在干什么呢？B现在的光线还未到达，我们无法知道。上述对宇宙的性质讲了很多，但还不能囊括宇宙现象，宇宙的整体容貌还不能展现在我们面前。下面介绍“时间球”概念。1.4、“时间球”概念在第一节“距离是一个时间概念”中，根据大爆炸理论，距离观察者越远，当时的宇宙越小，空间尺度应该越小。而在第二节“时间是三维的”中我们提到“过去时间球面空间结构”这个概念，它是从纯视觉角度来审视宇宙，它以观察者为中心，以时间（距离）为半径建立起来的球面空间结构，离观察者越远空间尺度应该越大，它和我们现实中对宇宙的感觉是一致的。以上两种现象，一个感觉离观察者越远空间尺度应该越小，一个感觉离观察者越远空间尺度应该越大，孰对孰错呢？这是我们认识宇宙必须攻克的非常重要的一环，只有攻克了这一环，宇宙的全貌才会呈现在我们的面前。下面介绍“时间球”概念。按照大爆炸的观点，宇宙是从一点开始的。从宇宙开始的那一刻，产生了时间，时间具有三维性（而不是一维性），所以时间从奇点位置沿球面向四周扩展。随着时间的延续，时间球面像一个吹起来的气球一样不断膨胀，并且随着时间的延续还将继续发展下去，这就是我们说的宇宙膨胀。本观点认为时间是宇宙膨胀的根本动力，这是时间的特性，也是我们要转变的固有观念之一。在时