多層面時空理論 作者：清華大學部分學者（1）

「我們現代的科學研究這個東西，還是差得很遠，和整個宇宙中存在著高級智慧星球那些生命比起來，我們人類的科技水平是相當低的。就在同時同地存在著另外的空間我們都突破不了…… ……物質在微粒下有分子、原子、質子，最後往下追查下去，如果每一層你能夠看到這一層的面，而不是一個點，看到分子一層的面、原子一層的面、質子一層的面，原子核一層的面，你就看到了不同空間中存在的形式。任何物體包括人身體都是和宇宙空間的空間層次同時存在、相通的。我們現代物理學研究物質的微粒，只研究一個微粒，把它剖析、分裂，原子核分裂之後再研究它裂變之後的成分。如果有這樣的儀器能夠展開，看它這一個層次中，所有的原子成分或者是分子成分在這一層中整個的體現，要能夠看到這個景象，你就突破了這個空間，看到另外空間存在的真象了。人的身體和外面的空間是對應的，它都存在著這樣的存在形式」。

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對於以上論述，現代科學界開始逐漸有了相似的認識。

縱觀人類時空觀發展，可以分為三個階段。

牛頓由經典物理學的成果出發，把宇宙看成是機械的，看成是一個以固定規律運轉的精密的機器，比如地球圍著太陽旋轉，星系如同一個巨大鐘表的很多齒輪。這就是機械的時空觀，是絕對時間、絕對空間的框架體系，把時間與空間完全割裂開來。

第二階段，以愛因斯坦的相對論為基礎，摒棄了牛頓的絕對時空的概念，將空時結合起來建立了相對論時空觀。對於任何一個慣性系，時間是用相對於這個慣性系靜止的、同樣構造的鐘來度量的。廣義相對論時空觀還取消了慣性系的概念，以彎曲的空間概念把物質、運動、時空聯繫在一起，否認了時間、空間割裂的思想。但是愛因斯坦的相對論是描述靜態的、孤立的、均勻分布的時空，沒有建立高維動態空時流形的物理概念，沒有分析時空結構的演變。而且新的觀測事實，如水星進動、X射線爆發源對愛因斯坦的廣義相對論發起了挑戰。

第三階段，現代科學已經認識到我們存在的時空世界事實上是十分複雜的，決不是只存在著我們人類用肉眼可以感知到的空間。在這基礎上，人們發展了現代時空理論。

1.現代時空論及量子物理時空觀

現代時空論的觀點是宇宙是由各種不同維度的空時結構組成。高維空時流形的實質是復能量流，即空間的實質是能量流。比如超弦理論認為：真實的時空是高維的，可能是10維，也可能是26維等。若以10維的為例，量子力學認為一切粒子均有波動性，其波長為l＝h / p,其中p為動量，h為普朗克常數。若粒子的波長比空間尺度l大許多，則這一維必將被緊緻。根據卡魯查克萊因理論，要在緊緻後的4維時空中獲得正確的引力常數G，則其餘6維的尺度l都要在普朗克線度lp之內（lp= h / (mp·c)，其中分母表示動量）。由此可見，要探測餘下的這6維時空，則發射的粒子應具有大於(mp·c)的動量，這樣使得l < lp，即餘下的這6維時空才能不被緊緻23。而這麼大的動量所需要的高能量在現代實驗室內是可望不可及的。人體特異功能者能夠發放外氣，經探測高功能的氣功師的外氣中有許多高能粒子，包括a、b、g粒子及熱中子等。那麼，人體特異功能者發放的高能量粒子，如果能量足夠大，就可能探測到另外的6維時空。最新的超弦理論研究還指出，宇宙相當於全息成像的產物。例如馬爾達塞納的模型認為4維的場可以認為是5維場的全息投影，就象激光全息攝影中三維物體被投射到二維的平面上一樣。在全息的宇宙里，某一體積內所有事物的信息會以某種方式顯示在表面。

關於量子物理時空觀，著名的量子物理學家、牛津大學教授德伊茲教授作了最好的表述，他說：「量子力學本質上是關於多個平行宇宙的解釋，有些宇宙和我們這個宇宙很相似，而另一些則很不一樣。在我們附近的宇宙可能只跟我們宇宙相差一個光子，而最遠的那些宇宙則跟我們的宇宙完全不同。」，「現實世界並不是由一個宇宙構成，但是我們只能在它的一個層面上活動。」

另外近十餘年來，隨著量子物理學和廣義相對論的交匯，特別是規範場理論中對稱破缺相變的最新進展，現代宇宙學提出了許多宇宙形成假說。宇宙大爆炸理論、暴脹宇宙論和宇宙弦理論就是這些理論中很重要的一部分。例如，根據1983年A. Linde提出的混沌暴脹宇宙模型，極早期宇宙中存在著若干個空間疇，每一個空間疇將作指數膨脹，形成大小超過可觀測宇宙的微宇宙泡。每一個微宇宙泡可以演化為一個對應的宇宙，而我們生活的這個宇宙只是由其中一個微宇宙泡暴脹演化而來的。

這些宇宙是連通的。根據1935年愛因斯坦提出的「蟲洞」（Wormholes）理論。蟲洞能扭曲空間，是宇宙的隧道，可以令原來相隔億萬公里的地方變成近在咫尺。也就是說不同的子宇宙空間可通過蟲洞聯結，但「蟲洞」的引力極其大，以至於可以毀滅所有進入它的物質27。

2.多層面時空理論

如前所述，現代科學已經認識到了多個時空的存在，並提出了以上各種理論，但是這些理論還存在很多問題。比如對於宇宙大爆炸理論，我們無法解釋0~10-43秒之間宇宙是什麼狀態？為什麼極早期宇宙中粒子和反粒子數目不對稱？為什麼宇宙中光子數和粒子數之比為10-9數量級22？1964年發現的所謂的「大爆炸火球」，在1992年後的觀測中有溫度的波動，即其密度是在密與疏之間波動，這與宇宙大爆炸理論的推論不相符。

又例如，1997年1月9日，權威科學雜誌《Nature》上的一篇關於星系分布的文章指出，超級星雲是按規則晶格排列的，每個長方形的格子邊長三億六千萬光年。據Estonia的Tartu觀測中心的J. Einasto博士報道，超級星雲的整個分布就象一個三維的棋盤。1990年2月，英國Durham大學天文學家T.J. Broadhurst和一個多國科學家組成的小組，在範圍不大的一塊天空區域向縱深觀察，觀測範圍至60億光年。他們使用一種筆心式(Pencil Beam)掃描儀器確定，星雲間是以3億光年間隔的密度按周期分布的。天文學家已經知道星系會組成片狀或絲狀的星雲，圍繞著沒有星系的空間運轉，但周期性的結構卻是非常出乎意料的。所有這些觀測結果向我們原先對宇宙的認識提出了挑戰。根據宇宙大爆炸理論，星雲應該是隨機地分布在整個宇宙中的。加州大學伯克利分校的Marc Davis博士說，如果星系的分布真的是周期性的，那麼完全可以說，我們對宇宙的早期情況實際上一無所知。

超弦理論也存在困難，比如弦論提出的量子色動力學（QCD）的標準模型能把強作用力、弱作用力、電磁力統一起來，但很難將引力也統一進去。再有，是不是宇宙間就只存在這四種基本作用力？宇宙間的g射線超能爆發就不能簡單歸結為這四種力的作用。超弦理論對此也無法解釋。另外，弦論中維數的概念本身沒有解釋宇宙演化的物理本質，它的結論是不可檢驗的（物理學家必須建造一個周長為1000光年的粒子加速器，而整個太陽系的周長才一光天）。超弦理論在物理學領域把數學工具用到了極致，被稱為「數學之舞」，把宇宙的演化變成了純「數學遊戲」，甚至失去了物理意義，成了「美學」的作品。

總之，現在人類對於宇宙、時空的認識還有待於進一步完善。

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（卷二）中明確指出：「宇宙最根本上就是能量構成的」，這段話深刻地揭示了宇宙的本質，啟示我們應該從能量本質的角度去分析宇宙的不同層次空間。事實上，現代時空論也已經認識到空間的實質是能量流23。另外量子力學告訴我們，微觀粒子在不同條件下可以分別表現出波動性和粒子性，此即「波粒二象性」。然而在亞原子層面，波粒的分界消失，物質不能只被作為其中的一種來解釋，它們既是波又是粒子。波是一種能量，它不表現為我們可見的粒子狀態，但是不能說它不是物質。此時物質的概念發生了變化，也就是說能量也是物質。愛因斯坦相對論的質能關係式E=mc2告訴我們，物質的質量是能量的一種表徵形式，所以物質即能量。物質與能量是統一的，「波粒二象性」就是這種統一性的證明。既然能量是物質的本質，那麼也就是宇宙的本質。宇宙從 根本上來說，就是由能量構成的。

現代科學已經認識到，物質是由分子、原子、原子核、電子、質子、中子、各種介子、超子、共振態粒子、一層一 層一直到中微子等組成的 。宇宙不同層次中各種物質狀態維持依靠的是能量，粒子越微觀，能量越大，宇宙的演化就是能量在同一層次間、不同層次間的相互作用、轉移和轉化。不同層次能量包括：龐大天體（宇宙島、銀河系、恆星系）的運動動能、我們周圍物體的機械能、生物能、分子間的作用能（如熱能、化學能）、原子間的作用能（如核能）、 被夸克禁閉的空間的能量、中微子放射能（可輕鬆穿透1000光年的鋼板），還有更微觀的及更宏觀的未被認識的能量狀態等。晶體和生物分子之間對應幾電子伏 特；一般無機和有機分子對應幾千電子伏特；原子核對應幾百萬電子伏特；質子、中子對應幾十億電子伏特；夸克、中微子對應更強大的能量級別，是現有科技水平無法探知的。

現代科學只能研究微觀粒子的點狀存在，不能看到微觀粒子存在的整個面，是因為研究越微觀的粒子要求越高的能量去探測。目前在實驗室中的最高能量可以探測到中微子，雖然中微子離物質的本源相差還很遠很遠，但再往微觀下去就無能為力了。而在微觀上，物質內部不同粒子的不同整體層面、 不同能量級別就構成了相應的不同空間。