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9.量子力学的时空观

量子理论是描述微观物质世界的物理理论的总称.量子力学是描述微观粒子运动规律的学科，是在旧量子论（1901—1913年由普朗克、爱因斯坦及玻尔等人创立）基础上，在1923—1926年间，由德布罗意、薛定谔、海森堡及玻恩等人创立.量子场论是描述微观物理场运动规律的学科，是将经典场加以量子化的理论.它是经典场论（如电磁场理论……）、相对论与量子力学结合的产物（如量子场论中的量子电动力学、正在研究进行的量子色动力学、量子味动力学、量子引力论……）.量子理论的研究范围是微观物质（粒子和场）的高速运动.在宏观低速的条件下也可以退化为经典理论.

量子理论及现代宇宙学在探讨宇宙起源的问题上表现出的时空观主要有以下几点：

①现在时间空间观念可能存在量子化问题——即时间、空间间隔可能存在一个最小限度，超过这一最小限度，现有的物理时空观已不能适用，可能面临着新的变革.1927年海森堡提出量子力学的一个重要结论——测不准关系.它表明，对微观粒子不可能同时准确测量其坐标和动量（或速度），即不可能精确确定微观粒子的轨道.实验证明测不准关系是正确的，是微观物质本身固有的特性（微观粒子具有波粒二象性）决定的.不是仪器或测量方法的缺陷造成的.这是否预示着现有物理时空观的适用范围有个最小界限？即时间、空间间隔也存在量子化问题？海森堡首先提出了这一想法.他曾设想原子核尺度10^-15米是最短的“基本长度”，但被后来的实验否定了.也有人认为强相互作用的特征时间10^-23～10^-24秒可能是时间的“量子”，但一直没有可靠的依据.但是，现代宇宙学在宇宙（应指“我们的宇宙”）起源问题上的探讨，却预示着有时空量子化的存在.在“大爆炸宇宙模型”中，将广义相对论运用于宇宙起源t=0时刻，会得到宇宙起源于“奇点”的结论：即宇宙起源于半径R=0（几何点），而物质密度ρ=∝的状态.这显然是一种错误的结论.其错误的根源，是对广义相对论做了不合理的外推.正如爱因斯坦指出的：“人们不可假定这些方程对于很高的场密度和物质密度仍然是有效的.也不可下结论说‘膨胀的起源’就必定意味着数学上的奇点.总之，我们必须明白，这些方程不可扩展到这样一些区域中去.”广义相对论对宇宙起源状态已不适用，则意味着与广义相对论并存的现有的物理时空观也有它的一个最小的时空适用范围——即存在物理时空的量子化问题.那么，现在较公认的时、空最小间隔是多少？“大爆炸宇宙模型”只在解释爆炸秒以后是成功的.而在秒（渺观）情况遇到许多困难.在1980年，美国物理学家古斯提出“暴胀宇宙模型”，考虑了物质量子化，引入量子理论，较好地解决了秒～秒时“大爆炸宇宙模型”暴露的问题.该理论并且预言，宇宙在这一期间处于一种现今未知的物质形态——“假真空”态.对这种状态现有物理学理论只是假设，这是一种极高温、高压，能量密度极大的状态.而在小于秒时，现有物理时空观念均不适用.因此，目前较为公认的最短时间是秒（称为普朗克时间）.相应的最小长度是米（称为普朗克长度）.与此对应的宇宙温度为，物质密度.从小的方面，超过时空量子化的这一界限，则现今的物质密度，是未知物质形态.现有物理学理论已不适用.这即所谓“奇点”时期.应该认为，这一界限并非否定了哲学“无限可分”的观点，它只体现了现有物理时空观的局限性.所以，宇宙并非起源于数学上的“点”，而是物理学上的“点”——“原始火球”.它虽小，但；物质密度极大，但.须指出的是，对渺观领域的“奇点”，现有的物理时空观念消失了，但哲学的时空观念仍然存在，不是没有时间、空间观念的世界.恰恰需要用物理学的发展，用新的物理时空观去丰富哲学的时空观念.

②宇宙并非起源于没有时间、空间，没有物质的“虚无”，时间，空间仍是物质存在的形式.首先“假真空态”并非是物质的“虚无”.它只是现今未明的物质形态.量子场论有一种设想将“假真空态”对应的物质形态称为黑格斯场（预言它是一种标量场.其能量密度很大，可能为.即为一个原子核能量密度的倍.并具有巨大的负压力，产生强烈的引力排斥效应.这正是导致“原始火球”爆炸的起因）.其次对“奇点”领域虽然现今物质不存在，但仍有未知物质存在，并且会以另外一种物理时空观形式出现.甚至如物理学家M．玻恩所说：“我们所知道的宇宙的起源可能是物质另外发展形式的终结——即使我们实际上永远不可能对这种发展形式有所了解.因为全部痕迹都在崩溃与再造的混乱中被毁掉了.”至于渺观领域未知物质形态的物理机制，以及它如何向我们已知的物质最小层次（光子、轻子、夸克等）的转化，正是当今物理学的任务（例如，力图在“假真空态”中将宇宙四种相互作用场统一的“超统一、超引力理论”，将实物粒子场和相互作用场统一的“超对称性理论”等等）.

③“真空”有复杂的物质结构，否定了脱离物质的“绝对真空”的存在.从而彻底地否定了牛顿的与物质脱离的“绝对时空”观点.

量子场论明确指出，“真空”并不空，反而有更复杂的物质结构.“真空”内只是没有任何可观测到的实物粒子，但却存在各种处于基态的量子场.从微观看来，“真空”内物质还处于一种剧烈的运动之中.量子场的运动，形象地说像一个波涛汹涌的虚粒子海洋.当它从外界吸收一定能量时，可以转化为可观测到的实物粒子（与激发的量子场对应）.量子场间的相互作用，会使虚粒子不断产生、湮没及相互转化，造成“真空”的起伏和自发破缺，形成“真空”的不对称.“真空”对称的突变称为“真空”相变（如可能引起“夸克囚禁”问题）.“真空”还可以与外电场的微观粒子发生作用，改变虚粒子—反粒子对的分布，引起真空极化…….“真空”背景虽然对宏观粒子不影响观测结果，但对微观粒子的性质必然引起影响.这已被实验证实.因此，“真空”的物质结构在微观物理学中是绝不可以忽略的.没有物质的时空确实是不存在的.

量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题.量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择.这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的.因此用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的.空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似.

参考文献：

【1】吴国盛：《时间的观念》，194-195，北京，中国社会科学出版社，1996年12月第1版.

【2】[英]胡·普赖斯：《时间之矢与阿基米德之点——物理学时间的新方向》，p112，肖巍译，上海科学技术出版社，2001年11月第1版.

【3】转引自霍尔顿：《物理科学的概念和理论物理导论》下册，p128，北京，人民教育出版社，1987年版.

【4】[比]伊·普里高津：《从存在到演化》，p186，曾庆宏，严士健等译，上海科学技术出版社，1986年3月第1版.