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物理学的哲学意义(第二十三章)

(2020-09-18 10:58:00)
分类: 物理学的哲学意义

第二十三章 宇宙的形成与演化

我们经常谈起宇宙,但什么是宇宙,它是什么样子的?四方为宇,古今为宙。看来宇宙指的就是时空,而时空只是心灵的建构,所以,宇宙也只是心灵的建构。宇宙不是自在永存的,相对不同的心灵建构存在不同的宇宙。了解宇宙时空,就是为了解我们自己的心灵。心灵——或者说理性具有认知的内在趋动性。我们渴望了解我们所处的自然世界,为此我们必须建立一个认知的平台,这就是一个时空的基础。定义一个基础,然后与之相比,以了解自然不同的存在。

我们习惯把自己放在一个简单的地位做为思维的开始。它就是静止的时空,一个惯性系,并规定它为平直均匀时空——基础坐标系(通常以我们的位置——地球为基础坐标系)。那么在这个基础之上,宇宙这个时空是什么样子?它是平直均匀的,还是弯曲的、不均匀的?

无论我们如何选择参考系,总有一些物质的速度 u>0。什么是第一推动力,是上帝吗?这显然不符合科学精神,好在宇宙大爆炸学说给我们提供了答案。宇宙可能起源于奇点的大爆炸,它给予物体第一推动力,使之拥有了初速度。而且这个初速不全相等,否则我们总可以选择某个参考系使之等于零。大爆炸发生后,从地球——一个静止时空看,首先是那些初速相等的物质聚合成为星体,然后是那些小质量的,初速低的被大的星体吸引,堕入大的星体——聚合。而那些质量大的, 初速大的,不能为别的星体吸入,但被星体捕获,而环绕星体做圆周运动——捕获。其它的物质逃逸。那么, 聚合、捕获、逃逸的条件是什么?

设一个大星体 M 静止于某个静止的惯性系中,一小星体 m 从旁边经过,初速为 u。见图 23-1。

图 23-1

M 位于 o 点,过 Mm 连一条直线 op 为 X 轴,op=r, 过 o 垂直 x 轴连一条直线为 y 轴,u 为 m 的初速度。

对 m 来说它的命运只有三种,一是被 M 吸引堕入 M 而聚合;二是被 M 捕获,绕 M 做圆周运动;三沿抛物线逃逸。

当 m 被捕获做圆周运动时,由于 M 与 m 的距离不变, 其离心力为F=mu2/r。而其离心力是由两质点的万有引力提供的,故有

mu2/r=GMm/r2

所以,M 对 m 的捕获条件是。u=(GM/r)1/2

当 u>(GM/r)1/2 时 m 逃逸,所以,m 的逃逸条件为。u>(GM/r)1/2 。

同理,它们的聚合条件为。u<(GM/r)1/2 。小星体逃逸后,在新的初速下继续运动,或被其它星体捕获、聚合,或继续逃逸。当 m 相对 M 的速度大于等于 c 时,在我们的当下——当前坐标系下,它们不会被发现,这可能就是黑洞——另一个宇宙。 可见,我们宇宙之物存在一个极限,那就是物体的线密度M/r<Gc2。或者M/r<4πε。c2。并不是所有的物质都能存在于我们的宇宙。

用时空理论一样可以研究宇宙的状态。选择一个基础坐标系,时空中一定存在引力场的作用。设时空中的一点,相对基础时空(起点坐标系)的静场势差为 U,动场强度为 B。那么时空——宇宙中任意一点的时空变化在上节中我们已经讨论过了。根据

l=l。(1-2U/c2)1/2

T=T。/(1-2U/c2)1/2

R=(2U)1/2/B

当 U=c2/2 时,时空会缩为一点,时间会变得无限漫长。这就是时空的奇点。可见,宇宙之中存在一些不被我们认知的点——黑洞。当 U=0 时,即时空的一点与基础时空位于等静场中时,该点时空中的质点(星体) 静止于基础时空之中。当 0<U<c2/2 时,若 B=0,质点(星体)作直线运动;若 B≠0,B=常数时,质点(星体)作圆周运动。若 B=变量,质点(星体)作曲线运动。

从地球的观点看,宇宙就处于演化的中期,大爆炸后世界正在趋于秩序,一些物质聚合而成为星球,而一些物质被捕获组成星系,一些正在聚合之中(陨石),而一些正在奋勇逃窜。

根据宇宙学第一定律,宇宙中的物质是均匀分布的, 也就意味着宇宙中任意一点的引力场是相同的,E=常数, B=常数。也就说宇宙中任意一点是不受静场力的作用, 而相对运动的点受动场力的作用。宇观尺度下,在宇宙中任选一点为基础坐标系,时空中任意一点的坐标系都是惯性系。所以,宇宙中时空的变化只有(a)平移、(b) 转动、(c)伪转动 3 种情况,及其组合。我们在宇宙中任选一点(比如地球)设为基础坐标系,时空中任意一点,相对于基础时空只有三种情况。

一是静止于基础时空。即平移、转动两种情况,它相对于基础时空是静止的。从地球上看那些星光总是挂在相同的位置(把地球看成一个质点——无自转观者)。此时,静场的作用为零。

二是绕基础时空或时空中的某点做圆周运动。转动与伪转动的复合。从地球上看,宇宙中的物质总是绕某个时空点做圆周运动。卫星绕行星运动,行星绕恒星运动,星系绕星系运动。此时,静场的作用为零,动场作用不为零。时空中的点受到惯性力的作用,或者说具有惯性。那么,这个惯性的来源是什么?首先,惯性与基础坐标系的选择有关,任何惯性系都可以通过适当的选择基础坐标系来改变其惯性。可见,惯性不是时空或者物质的内禀属性,或者说惯性也是相对的,它与观者的角度有关。其次,不管我们如何选择基础坐标系,一切物质(时空)都有惯性。那么惯性的第一推动力,就是宇宙大爆炸。可以这样说,时空(物质)从一开始就是不平衡的,大爆炸后,时空中各点是不平权的,物质体系之间是存在速度差的。

三是相对基础时空做匀速直线运动。平移与伪转动的复合。从地球上看,一些物质总是远离我们——宇宙膨胀。此时,静场的作用为 0,动场作用也为 0。这可能意味着,这些物质的运动方向就是动场的方向。所以,宇宙的现在状态可能是,不管你从宇宙中的那一点观测, 总有一些物质静止于天空,有些物质绕某个点转动,有些点在远离我们。宇宙是个大惯性系,任何物质的运动速度相对于任何点都是恒定的。空间有可能是弯曲的,但是时空是均匀的,这使我们观测宇宙成为可能。

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