什么是时空量子

大桃子 2024-05-24 22:28:07

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众所周知，对称产生和谐，而和谐则产生美；这既是经典美学中的一条最著名的基本原理，同时更是千百年来物理科学在其发展历程中所遵循的一条最基本的发展原则。在物理科学中，对称就意味着某种物理量的守恒，对称性的产生就意味着物理科学中的某种守恒量的存在，至于对称结构的揭示则意味着物理科学必将呈现出新的发展和超越。纵观物理科学的发展，无不充满对称性的思想。诸如，波动性与粒子性，量子光场的波、粒二象性与实物粒子的波、粒二象性，正电子与负电子，基本粒子与它的反粒子，以及物质与反物质等等，甚至于暗物质的概念也被提了出来。尽管目前物理科学的基础理论具有如此优美的对称性，然而当人们一旦涉及到时空对称性与时空对称结构问题时便遇到了实质性障碍。诸如，量子体系的时间演化及其复杂性问题，时间是否可逆以及时空是否倒流的问题，时间的结构、空间的结构以及时空的结构问题，时空对称性与时空对称结构问题等等，这些既是物理科学领域同时又是整个自然科学乃至哲学领域的重大基础性理论问题。在物理科学领域中，只有为数较少的基本物理方程具有优美的时空对称性和时空对称结构。例如，量子力学中的克莱因—戈登方程，达兰贝尔(d′alembert)方程，自由电子的狄拉克方程以及麦克斯韦电磁理论中自由空间的电磁波动方程等等。特别是，人们对自由电子的狄拉克方程的解的性质所进行的深入研究，直接导致了正电子的发现。除此而外，绝大多数物理学基本定律或者基本物理方程则不具备上述的时空对称性和时空对称结构。例如牛顿的动力学定律，爱因斯坦的相对论，以及量子力学中的薛定谔方程和有心力场中的狄拉克方程等等。但是，上述所有这些理论只是关于对称时间的可逆时间理论(即具有时间反演对称性)，它们只适用于宇宙局部的特定的一些区域，而不适用于整个宇宙。也就是说，将其应用于宇宙局部的某些特定的区域之中，所得结论是正确的，而将其应用于宇宙中的大尺度范围或者应用于整个宇宙，所得结论可能是荒谬的(甚至是错误的)。这是因为，用对称时间的可逆时间理论来描述具有非对称时间和不可逆时间的宇宙，这种做法本身就是荒谬的。在已往的科学理论中，往往包含有时间变量或者隐含着时间概念；但所有的科学理论在对时空的描述过程中往往对事物及其因果关系发展演变过程中的空间特性描述得较多(并且，相对而言揭示得比较彻底)，而对其时间特性描述得较少(确切地讲，人们关于“时间”及其本质问题的认识还是比较模糊的)；这本身就是科学理论在其发展过程中所表现出的一种不对称性。再则，由国际著名理论物理学家、量子宇宙论的创始者、英国剑桥大学卢卡逊数学教授stephen w．hawking所创立的量子宇宙学，目前在宇宙的大尺度范围内已成功地将空间量子化问题基本解决，但是关于时间量子化问题虽然有人做过一些工作，但并无一人真正解决，这又是科学理论在其发展过程中所表现出的另一种不对称性。因此，科学的美学原则(即对称性的思想)要求人们必须尽快建立与空间量子化相对应的时间量子化理论；而我们所建立的这套时域量子化理论正是为了弥补上述不足而做出的一种积极尝试。不仅如此，科学的发展还要求人们必须尽快建立非对称时间的不可逆时间理论，而建立这套全新理论体系的核心和关键就在于必须首先创立既不同于相对论又不同于量子力学的全新的时空观念，并在此基础上进一步建立起一套全新的时空结构理论。这套全新的时空结构理论必须是因果决定论与或然性(即几率性)的有机统一体；同时，在这套全新的理论体系中，必须对时间的确切指向、时间的不可逆性、以及时空的不可逆性等作出明确的科学规定。尤为重要的是，这套全新的时空结构理论，必须能够将时间和空间摆在同等的地位上进行统一描述。有鉴于此，笔者对这一问题进行了初步探讨，其主要观点如下：笔者认为：不仅空域具有量子化的结构特征，时域也具有量子化的结构特征。量子化的时域与量子化的空域以某种(或者某些)确定性的关系非线性的缠结在一起，其结果形成了一个量子化的时空结构。在量子化时空结构中，只存在局部对称和局部非对称结构；当某个局部的时域与空域处于等同地位时，便形成了局部的量子化时空对称结构，它具有局部的量子时空对称性；而当某个局部的时域与空域所处的地位不等同时，便形成了局部的量子化时空非对称结构，它具有局部的量子时空不对称性。在量子化时空结构中，量子时空可具有一定的时空量子涨落，其结果使得一个局部的量子化时空对称结构的出现，必然导致另一个局部出现量子化时空非对称结构；反之，亦然。在量子化时空结构中，量子化时空对称结构与量子化时空非对称结构在同一局部可以互相转化；即在同一局部，量子化时空对称结构的打破，意味着量子化时空非对称结构的产生，反之亦然。在量子化时空结构中，时空只有起点而无终点，它既不可逆也不倒流；但在一定条件下，时域和空域却可以互相转化。笔者还认为：量子时空是实物粒子和场量子存在的形式(即存在方式)和存在的状态，实物粒子和场量子只能在量子时空中运动，量子时空贯穿于实物粒子和场量子运动、变化的全过程。实物粒子和场量子的运动、变化对量子时空产生直接影响，而量子时空的结构对实物粒子和场量子的运动、变化过程具有强的约束作用。实物粒子和场量子的量子统计涨落必将导致量子时空出现时空量子涨落；而量子时空中的时空量子涨落也会导致实物粒子和场量子产生量子统计涨落；实物粒子和场量子的量子统计涨落与量子时空中的时空量子涨落这两者之间相互作用、相互影响和相互制约的结果，必将导致在量子时空中恒呈现出局部量子化时空对称结构与局部量子化时空非对称结构这两者之间相互转化的稳定的动态图景。这就是笔者所提出的量子时空观与量子化时空结构的基本观点。 20210311

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