毕达哥拉斯模型纸

人类对时间和空间的认识经历了一个漫长、复杂和曲折的过程。在古代，人们认为宇宙是圆的。后来牛顿的绝对时空观、爱因斯坦的相对论时空观都建立起来了。近年来出现了基于“光速变化”(VSL)理论的新时空观，基于“超弦理论”的多维时空观更让人感慨。

关键词:绝对时空相对时空混沌分形光速变化超弦理论多维时空

经过一百年物理学和现代高科技的飞速发展，人类进入了一个全新的时代。但是，物理学仍然面临着许多亟待解决的问题。爱因斯坦的统一理论，他一生都没有解决，至今没有解决。此外，弦理论也需要改进。BIGBANG的理论对普朗克的时间无可奈何[0。(42个零)宇宙诞生前1秒】和黑洞，还有一些重大的物理实验和观测到的现象是现有理论无法解释的。随着新世纪的到来，物理学面临着和一百年前一样的层层迷雾，超越爱因斯坦理论的物理学理论可能会出现。人类对时空的认识是一门不断发现、修正、完善和挑战前人理论成果的科学。下面笔者就从阿拉伯天地的扁平时空观到爱因斯坦的相对论时空观，以及基于超弦理论的多维时空观进行简要介绍和讨论。

一、古代“圆地方”的扁平时空观

人类自产生以来，就被期望对自己的生活环境有一定的了解，对时空的概念有初步的印象。中国古代神话中，盘古开天，清朝升天。浊沉于地，他们以为天是圆的。因为* * *大神推倒山头，撑起天柱，天向西北倾斜，地向东南倾斜，日月星辰东升西落。人类自产生以来就一直在研究时间和空间的问题。人类为了生存和发展，需要了解宇宙和天气的变化，想知道风暴、雪、雷电是如何产生的，一年四季如何变化，什么时候播种，什么时候收获。天地本来就是一个巨大的空间，激发了我们无限的想象力和兴趣。但在封建社会，人们总认为自己生活在一个绝对的平面上，地球是平的。有人把这个时期的宇宙规律称为勾股定理(中国人称之为勾股定理)，即a2+b2 = c2。“勾股定理不仅在数学美上是合理的，而且在近代通过对它的研究产生了著名的费马定理。费马大定理在上世纪八九十年代才被证明。A2+b2 = c2不仅具有几何美，还体现了人类对时空美的理解。是平面思维的时空观。是人类认识自然的第一个重大而完善的定理。”(转到朱和朱的热抽象P7)

到了近代，由于航海等因素的发展，人们看到远处出现的船只并不是简单的由小到大，而是好像从远处海平面以下钻出来的，于是人们开始怀疑海平面是否真的是平的，地球是否真的是一个无限大的平面。由于对地球形状的各种猜测，毕达哥拉斯从球体是最完美的几何形状的观点出发，认为地球是球形的，太阳、月亮和行星以均匀的圆周运动。他认为，地球在太空中沿着一个球体围绕一个固定的“中心火”旋转，另一边有一颗“对地星”与之平衡。这种“中央之火”，人类是永远看不到的。他认为天空中必须有十个发光体，这十个天体与中心火的距离与音节有着同样的比例关系，才能维持群星的和谐，才能奏出天体的音乐。这让人们想起了现在的超弦理论。(参考朱和朱的热抽象P5)。

第二，基于“经典力学”的绝对时空概念

希腊人用几何方法解释行星的运动，公元2世纪出现的托勒密地心说就是这些理论的代表。这个体系统治了十四个世纪，直到16世纪出现了哥白尼的日心说，17世纪出现了伽利略的基于惯性系的相对论原理。由此建立了基于牛顿三大运动定律和万有引力定律的经典力学，也建立了基于经典力学的绝对时空概念。牛顿认为，绝对真实的数学时间，就其本质而言，永远均匀地流逝，与任何外部世界无关。绝对空间，就其本质而言，与任何外部世界无关。它从不移动，也永远不会改变。认为空间是三维的，OX，OY，OZ构成三维空间，他把空间和时间分开。空间没有明确的时间定义，而是自然流动的统一轴。经典时空认为同时性的绝对性、时间间隔的绝对性、空间距离的绝对性和质量的不变性。所以时间、长度、质量这三个基本物理量与经典力学中的参照系(观察者)的运动无关。

3.基于“光速不变”理论的相对论时空观

从65438年到0905年，爱因斯坦连续发表了五篇文章，其中狭义相对论彻底改变了人们的时空观。根据这一理论，“时间或空间因地而异，会膨胀或被没收”。后来这个理论发展成为解释宇宙现象的引力理论，也就是广义相对论。狭义相对论的两个基本假设是:第一是相对性原理。在不同的惯性参考系中，所有的物理定律都是一样的；第二个是光速不变的原理。不管是哪种惯性参考系，真空中测得的光速都是一样的。

“同时相对性原理”的解释要从“爱因斯坦的牛梦”说起。爱因斯坦少年时有一个非常特别的梦想。梦是这样的:在一个风景如画的牧场里，有许多奶牛懒洋洋地在带电的栅栏附近吃草。当农夫给栅栏通电时，农夫看到三头牛依次跳跃，而站在对面的爱因斯坦看到三头牛一起跳跃。(参考超光速/P11-P8/Joo马古尤(Jo？那么谁是错的，农民还是爱因斯坦？答案是谁也没有错。这就是相对性原理。如图1，当A位置的农民打开电源开关时，电流以光速向牛的方向移动，B牛触电跳跃的场景回到农民眼前所用的总时间为:其中C为光速，同理， 农民看到牛在位置C的跳距开关打开的时间是:农民看到牛在位置D的跳距开关关闭的时间是。 因为三头牛离农夫的距离不同，所以三头牛不会同时跳向农夫。对于农夫对面的观察者E来说，因为光和电的传播速度相同，所以他同时看到三头牛在跳跃。对于同一类事件，由于观测者的位置不同，发生的时间也不同。这就是相对性原理。爱因斯坦认为宇宙中不会有绝对静止的地方，从而否定了牛顿的绝对坐标。他认为任何惯性系(静止或匀速运动的系统)与静止的地方(坐标)没有什么不同。这是狭义相对论的基础之一，相对性原理。狭义相对论的另一个基础是光速不变原理。即使观察者或光源在运动，对于观察者来说，光总是以每秒30万公里的速度传播。

相对论的一个核心问题是时间不是绝对的，高速(接近光速)运动的物体有一个缓慢的时间流速，用一个公式来表示。其基本原理如图2所示。如果飞船以接近光速的速度向前飞行，飞船内就有一束从A到B的光。根据相对论原理，在飞行过程中，飞船上的人观测到光运动的时间是:不仅光相对于飞船上的观测者沿直线传播；对于看到飞船在飞船外运动的观察者来说，这种光从A发射到D，光运动所用的时间是:明显是因为SAD？SAB=SCD，那么还有t2？T1，也就是说对于飞船外的观测者来说，光运动的时间变得比飞船内更长。

相对论的另一个核心问题是，物体高速(接近光速)运动时，空间(长度)会收缩。用公式表示。基本原理如图3所示。A处的观察者首先看到的是飞船的船头C，而此时的船尾在e处，观察者看船尾时，船尾已经移动到D点，船头已经移动到C点，所以对于观察者来说，他看到的飞船长度只是SCD长度，而不是飞船原来的SCE长度，飞船在运动方向上是被压缩的。

狭义相对论的一个惊人预言是，宇宙中任何物体的运动都有一个速度上限，这个上限就是光速。也就是说，无论用多么先进和先进的技术来加速一个物体，物体的速度都不可能超过光速。当物体加速时，它的质量增加，所以物体越接近光速，就越难加速。根据公式，让物体达到光速几乎是不可能的。我们只能通过光子在运动中有质量而静止时没有质量这一事实来理解这一点。质量和能量是时间问题。有了公式，不仅很小的质量可以转化成非常大的能量，这也是狭义相对论的一个关键点。

综上所述，爱因斯坦关于同时性相对性、运动时钟变慢、运动空间缩小、运动质量增大的四个观点，彻底颠覆了牛顿的绝对时空观。爱因斯坦发展了狭义相对论，并把重力考虑在内。广义相对论提出的四个原理让我们对时间和空间有了新的理解。广义相对论的原理是这样的:第一，等效原理是在加速运动的地方观测到的惯性力和引力没有区别。比如在下落的盒子里，重力被惯性力完全抵消，重力滑走，这就是等效原理。第二，引力使光发生弯曲，因为光在运动时有质量，所以也受到引力的影响，所以光在地球或太阳附近发生弯曲，这可以通过日全食时观察隐藏在太阳后面的恒星来证明。黑洞也是光被弯曲或受到引力的证明。第三，引力使空间弯曲，大质量天体使光弯曲，光在空间的弯曲部分以直线传播。结果，空间在大质量天体附近弯曲，或者说整个宇宙是一个卷曲的空间。第四，重力减缓了时间的流动。引力越强，时间流动越慢。离引力特别强的黑洞附近的天体越近，时间的流动就越慢。如果你旅行到黑洞视界，时间甚至会停止。与狭义相对论不同的是，在重力较强的地方，时间流动不是相对缓慢，而是必然缓慢，这一点在全球定位系统的运行中已经得到证明，除非科学家修正重力变化带来的时钟效益，否则卫星系统定位不会准确。

第四，基于“混沌分形”理论的新的时空概念

自然界大部分不是有序平衡的，而是处于无序、不平衡、随机的状态，无序的状态数不胜数。在非线性世界中，随机性和复杂性是其主要特征。但表演之下还是有一些自然规律的。混沌分形理论以新的手段处理这些问题，通过混淆混沌现象和不规则形态，揭示隐藏在复杂系统中的规律和部分与整体的关系。

伟大的物理学家约翰？惠勒(黑洞的名字)说，在未来，一个人如果不能熟悉混沌和分形，就不能算是科学文化人。分形理论是美国科学家曼德尔布罗(B？b？Mandel brot)1975首次提出“分形”是一个集合。分形理论的建立和迅速发展几乎涉及了整个自然科学和社会科学。从字面上看，分形是极其零碎和复杂的，但它也具有自相似性和自模仿性，这些在自然界中无处不在。如变幻莫测的云朵，壮丽的地貌，蜿蜒的海岸线，生物神经网络，分支的支流，河流和支流，等等。面对这些事物和现象，传统科学显得束手无策，而分形理论则成为研究这些复杂事物的有力武器。所谓分形最简单的例子就是一棵树，比如把它的树干、树枝、小树枝折叠起来，你会发现它们有惊人的相似之处。小树枝很像大树的模型，大树就像小树的放大；另一个例子是河流三角洲的相似性。从地图、飞机和地面上，我们可以看到河流、小溪和溪流，它们的分支形式类似于三角形的几何形状。再比如，人体从动脉、静脉到毛细血管，其走向和分支形态具有相同的相似性。这就是大自然给我们展示的分形理论。我国有一句名言，“管理家庭，治理国家，夷平世界”，就是一个人如果能管理好一个家庭，就能管理好国家，夷平世界，这就是分形理论在社会学中的体现。而“颇为关键，一芽知春”也是分形理论的早期应用。就连《三国演义》的开篇“都说天下大势，长则分，长则合”也是分形理论在历史发展中的应用。综上所述，分形理论是对我们时空观的新认识。

对混沌的探索早在20世纪初就被许多研究三体的科学家提出来了。我们知道用牛顿力学很容易计算出两体运动的轨道，但是太阳、地球、月球之间的运动规律至今没有得到很好的解释。这就是所谓的三体，也是混沌研究的一个重要开端。因为这个问题包含了很多我们对自然认识的基础的、原始的、直观的、创新的东西。这就需要新思维、新理念、新方法、新理论。在这种历史背景下，出现了人类对自然和时空新认识的理论混乱。“蝴蝶效应”作为研究混沌的著名例子，成为很多人了解混沌的一个窗口。“蝴蝶效应”是指在既定的轨道上，在轻微的干扰下，运动轨道会发生很大的变化。为了描述混沌复杂系统的极端敏感性，洛伦兹打了个比方。在南半球，一只蝴蝶偶然扇动翅膀引起的小气流可能会在几周内变成席卷北半球的龙卷风。“十月革命的一声枪响，把马克思列宁主义带到了中国”，是引起中国革命和世界社会主义革命的“蝴蝶效应”。而一颗马蹄钉落到一个王子身上，一个王子失去了一场战争，一场战争失去了一个王国，却也改变了整个世界，这就是历史发展中的“蝴蝶效应”。混沌研究的是无序中的有序，很多现象即使遵循严格的确定性规律，仍然是不可预测的。混沌事件在不同的时间尺度上表现出相似的变化模式，这与分形在空间尺度上的变化模式非常相似。混沌主要讨论非线性动力系统的不稳定性和发散过程，但系统在相空间总是收敛到某个吸引子，这与分形的生成过程非常相似。混沌和分形理论在很大程度上依赖于计算机的进步，对传统数学提出了新的挑战。由于混沌理论的不确定性、未来的不可预测性和无序中的有序性，人们难免会联想到中国的易经、外国的占星术以及一些宗教活动和预言。是否可以概括为人们经过几千年的探索才解决的混乱现象？在扑朔迷离的宇宙论中，人们只想用现有的宇宙规律来解释观测到的天文现象，而最新的研究有很多宇宙中我们不知道也无法解释的现象，比如麦克。？迈克·布朗等科学家发现的新天体是否可视为太阳系第十大行星，为什么海王星外存在大角度倾角的轨道天体，海王星外发现的1000多颗行星的运动存在怎样的规律，宇宙学中有多少现象只能用混沌和分形理论来探索和解释。

5.基于“光速的变化”(VSL)这一新理论的时间和空间概念

随着新世纪的到来，物理学面临着和一百年前一样的层层迷雾，超越爱因斯坦理论的物理学理论可能会出现。以及Joao Maguyou博士(Jo？o Magueijo)提出的VSL理论是近年来诠释宇宙本质的一个超乎寻常的疯狂想法，因为它挑战了爱因斯坦理论的核心。VSL的理论是早期宇宙中的光速比现在快。如果是这样，至少一些宇宙问题可以不用暴胀理论来解释。事实上，在用改变光速的理论来解决宇宙之谜时，宇宙几乎告诉我们，过去光的传播速度更快，最基本的物理理论似乎不得不建立在比相对论更广的结构上。令人兴奋的是，澳大利亚国立大学的物理学家最近利用稀土元素镨的硅酸晶体制造出了一个“超光阱”。成功“冻结”光束一秒。既然光束可以冻结，并不是要从实验上否定光速不变的理论，证明光速是可以改变的。根据VSL理论，光速不仅会随着宇宙的演化而变化，而且会在不同的空间中发生变化。当接近行星和恒星时，这种效应几乎察觉不到，但当接近黑洞时，会发生更剧烈的事情。研究方程表明，光速本身可能在视界处变为零。根据保守的VSL理论，就像狭义相对论一样，光速应该是一个速度极限，但它可能因地而异。你的速度必须始终低于当地的C，所以当限速降到零时，你会遇到终极红灯，你必须停在VSL黑洞的地平线前。在悬崖边上，你的自杀企图会被初步阻止。为了防止灾难，VSL黑洞将被关闭。无论我们如何定义时间，这些时钟在接近黑洞时都会发出不同的滴答声。但生物过程本身具有电磁性质，这意味着人衰老的速度其实是一个优秀的电子钟。我们发现，当我们接近黑洞时，我们会衰老得更快，这不是因为爱因斯坦的时滞效应，而是因为更快的电磁作用。因此，当我们接近VSL黑洞时，我们的心脏会加速衰老，或者相反，当我们以自己的生活节奏来衡量时，我们会发现我们向地平线的运动将会减慢。也就是说，就我们而言，接近视界需要永远，但如果C不变，可能只闪一秒。在VSL的领导下，地平线更加接近，但也更加难以企及。VSL黑洞的视界就像一个无限的目标，就像一个不可触摸的空间边缘，在边界后面有一个奇妙的永恒。

VSL理论更惊人的理论意义在于，当C可能在时空中发生变化时，可能会出现一条“快速轨道”，这条轨道是基于VSL场论和宇宙弦的形式。沿着这些弦的光速可能会更高，弦附近的光速会变得更大，仿佛是一个包含宇宙弦的超光速罩，会创造出一个延伸到宇宙的速度极限极高的走廊，这正是太空旅行所寻求的快速轨道。但这比快车道还要好！沿着VSL宇宙弦，时间仍然滞后，但只有当旅行者的速度与光速(即本理论中C的局域值)相比时，这种效应才会变得明显。由于沿着VSL宇宙弦的C值可能更高，当它已经在高速移动时，它可能仍然比C的本地值慢得多，因此时间滞后将可以忽略不计。所以人类可以沿着高速公路移动，探索宇宙最远的角落，但还是比当地光速慢很多。他将能够避免“双子座悖论”的影响，当他回来时，他将与他的孪生兄弟同龄。他不仅能在有生之年造访遥远的星系，还能在同时代人的有生之年回到家乡。VSL理论将改变我们在宇宙中对自己的看法，也将改变我们与外星生命接触的预期。

6.基于超弦理论的多维时空

目前有一种新的理论认为，在亚原子世界中，也就是在极其微小的超微观空间中，基本粒子已经不是我在现实中所能观察到的粒子，所谓基本粒子的存在只是微观世界中一根微小的振动弦的表现，就像我们在现实生活中看到的弦乐器中的一根普通的弦，它能演奏出各种美妙的音乐。在超微观世界中，有许多我们用任何现代仪器都无法观测到的弦振动，形成了丰富多彩的微观基本粒子家族。根据超弦理论，世界是多维的，我们现在生活在一个三维空间或者一个有时间轴的四维空间。按照它的理论，应该还是有六维甚至十维时空的。令人费解的是，根据这个多维时空理论，爱因斯坦的狭义和广义相对论可以很容易地用数学方法推导出来。相对论不再是基于爱因斯坦假设的理论，而是从严谨的数学理论中得出的结论。在作为弦理论基础的多维时空理论下，宇宙中的四种基本力(强相互作用、弱相互作用、电磁力和万有引力)得到统一，困扰物理学多年的大统一理论在这个多维时空理论的基础上得到了完美的解决。超弦理论和多维时空理论虽然完美，令人费解，但它们需要近几个世纪人类无法获得的巨大能量(1028电子伏特，是我们的加速器现在所能获得的最大能量的1015倍)。所以这个理论属于人类似乎永远无法通过实验验证的理论。这个理论能不能长久，可能只有天知道了。

说到多维时空，我们得从一维世界说起。在这里，如果有一个“直线国家”，生活在那里的每个人都生活在一个像直线一样的一维时空里。他们只能生活在一条直线上，在他们国家没有平面的概念。如果有一天，一个直线国家的人突然离开直线，很难理解为什么这个人会突然在他们国家消失。二维世界应该只是一个平面。如果真有这样的“平面国家”，生活在这个国家的人只有平面的概念，我们可以给他们画个圈。只要你画了一个圈，他们就永远不会离开这个圈，因为在他们的世界里，没有向上的概念。如果一个球穿过他们的世界，他们只能看到一个由小到大的圆圈，最后，三维世界就是我们现在生活的世界。在这个世界上，人们认为空间是绝对的。对他们来说，四维是不可想象的，也是不存在的。这就好比牛顿的绝对时空观。他把时间和空间分开，认为空间是绝对的，时间是统一的、永恒的。爱因斯坦打破了牛顿的绝对时空观，建立了由空间和时间组成的四维时空。他认为时间和空间是相对的。那么，有五维时空吗？从数学的角度来看，早在20世纪50年代，德国数学家黎曼就超越了欧几里得几何，提出了四维空间的概念，并创造性地提出了一个全新的概念，叫做黎曼几何，为统一所有物理定律做了理论准备。20世纪，多维理论再次成为科学界的热门话题。一些科学家重新提出了多维时空的概念，并进行了有效的计算。值得一提的是，爱因斯坦相对论中精彩的质能方程，来源于早期的数学弦理论，不得不让人感受到大自然的奇妙。

最近弦理论成为物理学的热门话题，物理学家认为。宇宙中不仅有五维时空，还有六维时空，甚至十维时空。在早期宇宙中，它是绝对真空中的一个奇点。这个时候有一个十维时空，但是不稳定，导致了我们宇宙的产生。在宇宙创造时期，十维时空被分解成四维时空和六维时空，六维时空收缩成无穷小的奇点，四维时空处于宇宙大爆炸阶段。于是就有了我们现在膨胀的宇宙，主张十维时空理论的科学家认为我们的宇宙是在爆炸中被创造出来的，未来会变成一个收缩的宇宙，会再次收缩成一个奇点，然后重复宇宙创造的场景，这就是宇宙的未来。多维时空理论可以完美地解释爱因斯坦的大统一理论，这个理论最终没有得到解决，统一了人类目前所知道的自然界中的四种相互作用力。物理学家、《时间简史》的作者霍金认为，宇宙最终会用量子理论来解释。我们生活的宇宙是众多平行宇宙中的一个。对于宇宙来说，就像空气中漂浮的许多肥皂泡一样，每个肥皂泡都是一个宇宙，它们之间没有任何联系。这是霍金最近对宇宙的新看法。他认为我们只是一个生活在多维平行宇宙中的人。如果有可能在两个宇宙之间打开一个洞，

七、超越时空的三种外太空文明

在结束本文之前，我们先了解一下，前苏联的天文学家卡尔彻曾经对人类未来的文明进行过如下分类。他认为一个文明控制着整个星球的能源。这个文明可以控制气候，防止地震，在地壳中采矿，在海洋中收获。这个文明已经完成了在太阳系的探索。第二种文明是控制太阳本身能量的文明，并不意味着被动获取太阳能。这个文明可以利用太阳能。这个文明的能源需求如此之大，以至于直接消耗太阳能来驱动机器。这个文明将开始殖民当地的星系。三种文明是控制整个星系能量的文明。就能量而言，它控制着数十亿恒星系统的能量。它可能掌握了爱因斯坦的方程，可以随意操纵时空。也许这种对未来文明的分类是错误的，但他确实从能量的角度对物理定律给出了合理的解释。我们人类的科技只经历了短短几百年的历史。目前，我们还不具备第一种文明的条件。人类进入第一类文明还有很多路要走，还有很多风险。如核危机，人类储存的核武器足以毁灭地球上的现代文明数次。如果人类疯子发动核战争，地球会在核冬天走向沙漠，也许今天的火星就是明天地球的命运。现在，随着人类现代化进程的加快，人类的生存环境越来越脆弱。随着人口的爆炸式增长和现代化建筑的增加，人类赖以生存的土地将会越来越少，地球将会变成一座钢筋混凝土的城堡。环境污染、能源危机、自然灾害等诸多因素会让这个看似强大的人类变得比以往更加脆弱。任何意外或意料之外的自然和人为突发事件，都可能使这个蓝色星球处于极度危险甚至毁灭的境地。最后，作者衷心祝愿人类能够珍惜环境，珍惜和平，珍惜自然的和谐发展，祝愿人类拥有安全、精良的文明和高度的现代化。

主要参考资料:

1，超光速/Joo马古尤(Jo？O Magueijo赵文译/湖南科学出版社/2005年5月/长沙

2.热抽象/朱朱/广东经济出版社/2003年9月/广州

3.爱因斯坦的时间旅行/作者/J .理查德·戈特/刘军译/长春出版社/65438+2004年10月/长春

4.超越时空/加来道雄/刘禹锡曹志良/上海科技教育出版社/65438+May 0999/上海。

5.现代物理与高技术/何/广义相对论原理与应用/张学荣/广东科学技术出版社/65438+2000年10月/广州。