乘坐霍金的时光机能看到什么

林左鸣

教授,中国航空工业集团,北京100022;北京航空航天大学,北京 100083

乘坐霍金的时光机能看到什么

林左鸣

教授,中国航空工业集团,北京100022;北京航空航天大学,北京 100083

时间 空间 信息影像 超光速 效应能量

立足于以信息态为基础的容介态理论,对时空概念进行深入剖析后可以得到如下认知：时间是物质从初始运动到终止运动的度量,是随着物质运动的初始到终止而连续增量的空间概念值,是不可倒流的;物质态空间是运动着的,只能以直线(或径向)的趋势,作膨胀或收缩运动;时空并非一体,时间不是三维物质空间的更高维度。光子中单奇子的统一互变特性决定了光速不变,也决定了物质的能量只能使物质运动速度达到光速。光子粒子接收了外源信息,完全变成信息粒子的运动速度就会远远超过光速;以信息态能量速度运动的效应能量可以使物质的速度超过光速。所以人类不能穿越时空到达未来或置身于已经过去了的真实社会之中,但可以通过超光速飞行去追赶过去了的事物的信息影像。

2010年5月媒体报道：英国著名物理学家史蒂芬·霍金称,人类可以乘坐时光机飞入未来或返回历史。作为当代著名科学家的这一论断,又把人们的思想带回了中世纪的囚笼,即认为未来是上帝这个全能的造物主预先安排的,因此有了时光机就可能与造物主同行,去探秘人类的未来。人类的未来是既定的,还是未定的,这可是个重要的问题。如果人类未来真是既定的,命运之神不可摆脱,那么今天人们为创造美好的未来,包括为保护环境、保护地球家园的一切努力岂不都是枉费心机吗?其实,人类正在进行的一切活动包括保护自然的努力,说明人们并不接受宿命论。难道这样的质疑是“双生子佯谬”和“杀父佯谬”之后的又一个佯谬?不管怎样,这一切都是时间和空间的问题惹的“祸”。千百年来,时间和空间的问题困扰了无数哲学家和科学家。20世纪初,科学巨匠爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论的理论体系,几乎就要给时间和空间的问题盖棺定论了,然而其后不断面临着人们提出的一个个悖论所带来的质疑和挑战。尽管科学家们的释疑总是使相对论理论“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”,但是笔者认为,基于信息态为基础的容介态理论视野[1],新的质疑和挑战又必然要出现了。那么,在信息态和物质态二元容介态的理论体系下,乘坐霍金的时光机又能看到什么呢?要回答这个问题,恐怕首先还是要理清时间和空间的问题。

1 时间的定义

霍金在探索如何建造时光机,并利用时空的第四维时间去做超越现实的旅行时提到,如果科学家建造了虫洞,“通过虫洞,这位科学家可以看到一分钟前的自我。如果这位科学家利用虫洞,向以前的自我开枪,会发生什么事情?他现在已经一命呜呼。那又是谁开的枪呢?这便是一个悖论……”[2]看来,即便是写出《时间简史》这样一部科学巨著的霍金,也不得不面对这个所谓的“杀父佯谬”的挑战。这个问题之所以成为佯谬,是因为有科学家提出了“平行时空”的观点,认为“时空不是唯一存在的,而是无数个时空平行存在,它们彼此之间一般情况下是无法产生联系的,每个时空都依照它本身的规律和顺序演变。”[3]不过“平行时空”观点的出现,又使回到历史中去旅行成为悖论。因为“如果每个时空都平行存在,那么在这个时空存在的人未必在另外的时空也存在。也就是说你在另外的时空压根就找不到你的祖父,更谈不上杀掉他了……”[3],既如此,所谓“返回历史”又从何谈起?因而又产生了许多其他的佯谬,比如“薛定谔的猫”,等等。

尽管这样,霍金还是坚持认为时间有缝隙。在他看来,“任何物质都不是完整无瑕和实心的,如果仔细观察,会发现它们上面都存在小孔和缝隙,这是一个基本的物理原理,同样适用于时间。即便像台球一样的东西,上面也有裂缝、褶皱或空洞。现在容易说明这种情况也存在于第一个三维中。我相信,这一原理同样适用于第四维。时间也存在许多微小的裂缝、褶皱和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小,我们来到一个称为量子泡沫(quantum foam)的地方,这是虫洞存在之处。”[2]

看来,要弄清楚是否确有“虫洞”存在,首先要弄清楚时间究竟是什么?牛顿在《自然哲学之数学原理》一书中曾对时间作出了他所理解的定义,他指出：“绝对的、真实的和数学的时间由其特性决定,自身均匀地流逝与一切外在事物无关,又名延续;相对的、表象的和普遍的时间是可感知和外在(不论是精确的或不均匀的)的运动之延续的量度,它常被用以代替真实时间,如一小时、一天、一个月、一年。”[4]现在看来,牛顿三百多年前对时间所做定义的物理意义并不十分明确。

笔者在“自然容介态——以自然信息为基础的进化机理的假说”[1]一文中已经阐明,时间源于物质的合成和运动。如果我们一定要定义一个绝对时间,那么它只能是完全信息态空间里的时间。在完全信息态空间里,物质及其运动尚未诞生,因此时间即绝对时间等于零,它只不过是时间的零点。可见,人们对时间之所以一直是摸不着头脑的,完全在于没有认识到物质之外的存在,即没有认识到物质态空间之外还有信息态空间。由于信息态空间中自然信息的聚合运动形成了最基本的物质粒子单奇子,而正是这一刹那,时间开始产生,并成为物质运动的度量。因此,时间是因物质运动而产生的,如果没有人为设定的话,时间永远只有一个度量,那就是单奇子互变一个周期所用的时间即10-15s,故而时间是不变的、恒态的。这是因为,大爆炸形成单元区的过程是相同的[5],单奇子又都是来自于信息态空间,也就是说各个单元区的单奇子也是相同的。由于我们定义时间是物质运动而产生的度量,因此信息态空间合成单奇子的时间为宇宙初始时间。各单元区所使用的时间,都是以单奇子合成的时间为标准时间,也就是说,宇宙的时间是统一的!不同的是,每个单元区形成时的时间各不相同。所谓的“量子泡沫”可能和“波粒二象性”一样,都是缘于单奇子在进行物质粒子和信息粒子两态性互变时出现的现象。当单奇子变成信息态的一刹那,就出现了波的现象或“量子泡沫”。

综上所述,我们可以把时间定义为：时间是物质从初始运动到终止运动的度量,是随着物质运动的初始到终止而连续增量的空间概念值。时间也是人为选择的一种长久不变地运动着的物质规律,是在这种物质规律中,依照长久不变的原则所设定的物质运动规律的度量。按照这个定义,时间是一种特定的增量形态,是不可倒流的一种度量。

物质从生成时就开始运动,物质运动一开始,时间也开始。物质运动是连续的运动,因此时间也就是随物质运动形成的连续形态,连续的时间是没有缝隙的。在“0”以后的实数是时间范围的量值。一方面在运动中的物质没有完全静止下来时,时间是没有间隔和缝隙的。另一方面,物质由完全静止状态(自然界不存在完全静止的物质,这里仅仅是一种比拟,实际上指的是一种物质由“无”到“有”的瞬间临界状态)到物质运动的初始状态之间(用“之间”这种表述或许也有失严谨),是没有时间的静止态,没有时间,自然也就不会存在所谓的“时间缝隙”。我们这里所说的物质是宇宙单元区中所有物质的集合,是一个宏观概念。在其中的微观粒子运动中,由于单奇子二态性互变所形成的物质粒子之间的间隔(信息态)相比之下显得突出了,因此出现了“波粒二象性”和“量子泡沫”,然而在单奇子转化为信息态那一刹那,对单奇子而言不过是时间等于零的状态,而不是什么“时间缝隙”,时间等于零,也就没有了时间,当然也就不存在时间的缝隙。实际上,把时间设定成如同物质体一样具有界面的属性还缘于人们对空间认识的误区。因此接下来我们有必要阐明空间的概念。

2 空间的定义

史蒂芬·霍金指出：“一切物体有时间以及空间长度。时间旅行意味着我们要经过第四维。要想搞明白这一点,我们可以想象正在从事一种日常活动,比如开车。开车沿直线行驶,是在一维中旅行。是左转或是右转,则是二维旅行。驱车上下山意味着又多增加了高度,所以是在三维空间内。”[2]霍金认为,要实现时间旅行,则是在第四维中活动,他甚至借用科幻电影中的时光隧道概念,以此作为人们通向第四维的假想通道。这里就涉及到空间定义这么一个非常重要的问题。众所周知,自爱因斯坦相对论理论诞生以来,现代物理学基本上认为时空是一体的,其中时间是第四维。对此霍金说到：“相对论迫使我们从根本上改变了我们的时间和空间观念。我们必须接受,时间不能完全脱离和独立于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓的时空的客体。”[6]这里的关键在于“时空的客体”,即不但把空间和时间视为紧密相联系,并且实际上是一体的。关于这一点牛顿在《自然哲学之数学原理》一书中就提出了雏形,他认为空间由绝对空间和相对空间所构成,显然绝对空间指的是“与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。”“相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构……”[4]其实至今我们在物理学上研究的空间概念都是指相对空间。绝对空间在过去的概念里,那几乎就是上帝的家。那么,既然相对空间是在绝对空间中运动的空间,而运动又必然和时间相联系。所以“绝对空间与相对空间在形状与大小上相同,但在数值上并不总是相同”[4]。牛顿这里所说的数值上不总是相同,就是指时间数值的变化。因此牛顿也认为通常情况下空间(相对空间)和时间密不可分。

对于时空一体,时间是第四维,最早借助数学方法提出成体系的理论观点的,应该是以爱因斯坦为代表的近代科学家。在爱因斯坦提出狭义相对论之后,德国数学家闵可夫斯基提出了一种四维空间表达式,即“闵可夫斯基空间”,这就为狭义相对论导出时空一体的概念提供了强有力的数学武器。再加上运用“洛伦茨变换”进行运算,就使狭义相对论在数学基础上“铁板钉钉”了。在时空一体的理论框架下,又推导出了两个曾经骇世惊俗的结论,即“钟慢效应”和“尺缩效应”。

时间与速度的关系是恒态与动态的关系,即单位时间是恒定的,而单位速度是可以动态变化的。时间和速度之间既存在“等对”(时间和速度之间始终为相对应的)的关系,又有“相对”(时间不变,而速度变化)的关系。这就是说,时间对于速度而言不是相对关系,而是绝对关系。把时间认为是本质可变的,似难成立。在时间同速度的关系中,只有速度是可变量,而时间则是随着速度的变化而等对的量。速度的变化取决于使用的时间的多少,而在某一时间内的速度则可以无限变化,但一个速度内的时间,却是恒定不变的。使用时间的可变性和时间本质的可变性完全是两个不同的概念。

因此,“钟慢效应”的问题就在于把剩余时间说成是“钟慢”,即时间倒流。也就是说,一个飞行器在作光速运动时,需要10 s走完的一段路程,而在超光速飞行时,则仅用了8 s的时间就走完了这段路程,8 s到10 s时间之差是2 s,这2 s就是超光速飞行相对于光速飞行走完这段路程的剩余时间。不论10 s也好,8 s也罢,时间永远是一秒一秒地过去,不会1 s变成0.8 s,不能因为速度的变化错误地认为是时间的变化,把因速度变化时产生的剩余时间说成是“钟慢”或者时间倒流。由于误认为时间可以倒流或变慢,双生子在不同的坐标系运动而出现代差问题的所谓“双生子佯谬”也就出现了。实际上宇宙的时间是统一的,“双生子代差”问题是不可能出现的。

爱因斯坦在经过狭义相对论充分的理论准备后,进而提出了广义相对论,并认为时空是弯曲的,而且引力也要弯曲。一些科学家由此认为穿越弯曲的时空时可以通过“虫洞”走捷径。爱因斯坦关于时空的一系列假说尽管不断地面临着挑战,但也基本上为现代科学界所接受,显然霍金也是接受这一假说的,并且写入了他的《时间简史》中。

现在我们来分析,如果时空弯曲,那么时空中的物质就应该都要随着弯曲的时空进行弯曲运动,物质弯曲运动的结果是作圆周运动,最后会由于一个时空区的引力作用,使整个宇宙空间都形成黑洞效应,而这显然不符合实际情况,也是一个悖论。

为了不使整个宇宙空间形成黑洞效应,爱因斯坦又假设引力可以弯曲。问题在于如果引力真的可以弯曲,就会使现在宇宙空间中的物质因为引力弯曲改变自旋方向。而且如果引力弯曲,地球上的所有生物或植物就都只能匍匐在地壳表面上了,地球上的生物就都是爬行动物,植物就都是贴地面的藤蔓植物,当然人类也只能做爬行运动,而不能直立行走了。引力弯曲还会使物质的引力消失,因为在这种情况下,粒子的引力只能在粒子体内部形成弯曲作用,引力线不能向外延伸同其他粒子发生作用。这样,粒子之间合成为物质时就减少了一种合成力。那么宇宙的运动就不会形成现实中的单元区空间、银河系和太阳系。作为这之中的行星地球也就不会存在,当然更不会有其上的生物和植物了。从这个意义上看,爱因斯坦所提出的这个广义相对论理论似乎又成了一个否定自身存在的悖论。

为了说明上述判断,我们可以设想,在粒子进行合成的过程中,信息态能量将起主要作用。这是因为信息态能量的光色随向性,会使得粒子自身带有的信息态能量成为与其他粒子合成为物质体的先决能量。其次,由两个单奇子合成的贝粒子流会在粒子之间形成引力,这种引力存在于相同性质的物质体之间,形成相互引动作用。所以信息态能量是粒子合成的主作用力,引力是粒子合成的辅作用力,二者缺一不可。同时我们可以设想,物质粒子形成自旋运动,其原因是合成粒子的单奇子在互变时,按照一定的方向互变,出现了位置移动,形成了物质粒子自旋的动因。如果引力弯曲了,那么原有的贝粒子流的直线运动变成了绕核运动,在大质量体粒子与小质量体粒子相互产生引力作用时,就会使贝粒子流之间的循环方向产生迭加现象,这样原本直线运动的贝粒子流,会在大、小质量体粒子之间形成循环拉动而融合成“8”字形贝粒子流,这时小质量体的粒子就会在这样不正常的引力拉动下出现受力差而导致改变原来的自旋方向。

由此可见,时空弯曲、引力弯曲的理论从本质上完全改变了整个宇宙的自然运动规律,把只能适用于曲线运动和直线运动中时间和速度的相对关系的“虫洞效应”作为时间和空间一体化后的宇宙运动“走捷径”的手段,这就难免要挂一漏万,有不能自圆其说之嫌。

那么我们应该怎样认识现实的空间呢?在物质态空间,时间与空间确实存在紧密的联系,因为时间是物质运动的度量值,就这个意义上来讲,可以认为时空紧密联系不可分割,然而就此认为时间是物质的一个维度,而且是三维物质之外的更高维度(第四维),那就意味着时间包含了物质形态,而这显然是不对的。笔者认为,空间维度实际上是一种形态界面的表示,这样的界面形态由有形态(三维固态物质)和无形态(包括四维液态物质等)所构成。时间并不表示形态界面,它是紧密伴随着物质运动的一个度量值,是一种增量态,或者可以认为增量态的时间是一种膨胀的形态,是随物质空间的运动而膨胀的形态,既没有像物质那样有长短的区别,也不可能倒流,只是一个恒定状态的度量值。因此,把时间硬塞入空间维度的范畴,在学理上和感知上都难以使人信服。在狭义相对论中,正是由于把时间视为和空间一样本质可变,才导致了在其一系列论断中一个又一个悖论的出现。

综上所述,准确的空间(物质态空间)定义应该是：能够容纳物质的地方称为空间(物质态空间)。空间是运动着的,但空间只能以直线(或径向)的趋势,作膨胀或收缩运动。

3 时光机的作用

由于物质运动的根本属性,物质态的地球、太阳系乃至宇宙的演变过程必然遵循其内在的基本规律,因此其未来状态理论上应该是可以大致确定的。但即便是这种可以大致确定的纯粹物质范畴的“未来状态”也绝至于地球人外,更主要地致的一切后法确定更不创造的。对憧憬和规划,的“尚未存到达”都需要”目的地确实来”的说法都的“时光机”隙去探究未然,也不可能金所谓的对,乘坐时光机乘坐时光机像,但是绝不因为,随时间倒流的形式运动,从而让我们人类返回过去的真实社会。也就是说,任何企图使人类超越历史到未来社会或倒转历史到达过去的社会的想法都是完全违背自然规律的。如果把通过宇宙飞船追赶过去历史的信息影像,说成是人类可以返回历史的过去,则完全是一种由错误认识导致的概念混淆。

实际上,地球上的人们可以直接看到(视维到)的人类活动、物质运动和事情的变化过程,都是单奇子在10-15s的周期内互变时产生的影像,我们以此为事物初始时间信息影像。正常情况下,可以把10-15s至1 s的时间内的影像形成过程,作为事物影像由初始到光子运动达到均衡状态的信息影像。也就是说,人们通过直接视维可以看到的一切,是由光子反射形成了可直接视维的形态,而光子反射所形成的影像的运动速度等于光子运动达到均态时的速度。我们把这种以光速运动的影像称之为光速影像。

可见,光速影像每10-15s由影像形成区发送出一次,并且是连续发送的。我们把单奇子在10-15s的周期内互变所形成的初始影像称为：真实影像。在真实影像形成后1 s时,人们可以看到的影像应是真实影像后的影像,而人们在2 s时看到的影像,则是1 s时后的影像。如果要在2 s的时候看到1 s以前的影像,就要通过一定的位移速度来实现。这个位移速度要大于影像本身的运动速度2～3倍,称为超影像运动光速速度(2 c或3 c速度)。只有这种速度才能达到光速影像的连续位移速度,在两种速度的汇合区,并实现位移等速度时,就可以直接看到过去的时间影像。

那么,要怎样才能追赶上已经过去了的历史信息影像呢?这就必须要有能够超越已经过去了的事物初始时间信息影像运动速度2～3倍,即能以2～3倍光速飞行的宇宙飞船,我们姑且就称它为“时光机”吧!因此,只有乘坐“时光机”,才可能赶上信息影像的运动速度。也就是说,如果我们要想看到过去1小时的现实信息影像,那就要有一艘能以6×105～9×105km/s的速度飞行的“时光机”,才能在1小时的时间赶上1小时前运动着的信息影像。这是因为,信息影像在时光机运动1小时的时候,已经过去了的信息影像又运动了1小时,要追赶运动着的影像,必须要超越信息影像运动速度的2倍或3倍,才能追赶上运动着的影像。追赶上之后,还要减速到和信息影像运动速度相同的速度,只有这样才能看到1小时以前的真实社会。但这个真实社会只是以信息形式存在的全息影像,而不是具有物质形式的真实社会。

时光机要追赶的这个全息影像又是什么呢?它是怎样形成的呢?实际上这个全息影像是一个光子影像。是由光子在影像形成区,把不同形态的物质结构,按不同反射点反射出影像形成区的结构形态的影像。也就是说,所谓的全息影像,是一种从任何角度都能看得到,而且又能显示空间位置的完全立体影像。这种影像看似实物,却并非真正的实物存在,是一种名副其实的光子构成的虚幻影像。这样一种影像可以称之为：自然态光子影像,也就是一种可直接视维的影像。这样一种可直接视维的影像,因为是由光子反射形成的影像,因此影像的运动速度是随光子运动而运动的,所以这是一种光速影像。

这种光速影像形成机理是怎样的呢?我们知道,光子带有的信息为载体信息,其信息态能量的光色量和光色纯度低,光子在同影像形成区的物质表面的分子、原子撞击作用时,由于被撞物质表面的分子、原子的体积、质量大于光子,被撞物质表面的分子、原子的单奇子数和信息态能量的光色量多于光子,使光子中的光色信息态能量产生随向性运动,从而失去部分与被撞物质表面分子、原子中相同光色的信息态能量,成为了单光色、少光色的光子。由多个同影像区的单光色、少光色光子同时反射,就会构成有光色(颜色)的结构形态影像。这种因光子失去部分光色信息态能量,形成的单光色、少光色的光子反射影像,就是可直接视维(看到)的光色影像。由于这种影像为光子的单光色、少光色信息影像,所以也可以把这种光子信息影像称之为：载体信息单光色、少光色影像。实际上人们眼睛所能看到的各种事物,都是视网膜捕捉到反射进去的单光色、少光色影像的光子所致。

接下来的问题就是,到底能不能制造出超过光速2～3倍的“时光机”,制造出超光速运动“时光机”对于物质运动不能超过光速的理论来说是不是一种悖论?

4 超光速运动

物质运动的极限速度是光速 c,这已是人们的一个科学常识。光的速度是近似于每秒三十万公里(299796 km/s),那么光的速度为什么只能达到此速度,而且恒定不变呢?这就需要我们了解光运动的微观机理。我们设想,光速不变的原因,是因为合成光子的全部单奇子会以一种特殊的形式进行互变,也就是说如果合成光子的全部单奇子,在单奇子互变时间内形成同一时间统一互变的运动方式,就会使得光子只能在统一互变中,保持一种速度运动,即以光速 c运动。或许在自然界中,所有由单奇子合成的粒子中,可以进行统一互变的只有光子。单奇子进行统一互变的光子其速度不变,是因为在统一互变、单奇子统一变成信息态时,所形成的信息态能量全部作用在随之而后统一互变为物质态的单奇子之上,全部的信息态效应能量作用在全部物质粒子上,由于每一次互变成信息态时所产生的效应能量是恒定不变的,因此由此能量所导致的物质粒子的运动速度,就只能是以一个不变的速度运动,而这个速度就是光速 c。

光速恒定不变,甚至不为光源的运动所影响,原因在于：当单奇子进行统一互变时,会在(10-15/2)s内同时使光子变成非物质的信息态(即波态光子),而这时候原先由运动中的光源所加在物质光子(粒子态光子)上面的初速度瞬时变成失去了所作用的物质对象(粒子态光子),当波态光子再重新统一互变成粒子态光子时,作用于其上的只是信息态效应能量,而这个效应能量给予粒子态光子的速度就只能是 c。所以无论光源的速度多快,光子离开光源时的一瞬间,会立即形成一个化解掉加在光子之上的初速度的信息态(波态)隔离区,也就是说人们能够测到的光子,一定是始于一个初始速度等于零,甚至可以理解为时间等于零的信息空间之中(当然,这样的理解无非是做一个极端的想象),所以在实测光子的运动速度时,光源给予的初速度完全被单奇子统一互变时所形成的信息态“屏蔽”掉了。而且,即便光源以光速 c进行运动,当第一个光子粒子离开光源才二千万亿分之一秒时就变成信息态了,那么在这个时间内,光源顶多也只运动了150 nm,所以在测量光子的运动速度时,在粒子态光子离开光源后到变成波态光子的一刹那间,对于任何速度远远小于光速 c的光源来讲都可以近似于看作是静止不动的,等到波态的光子再重新变成粒子态的光子时,这时光源的运动状态已经和光子的运动毫无关系了。可见,光速恒定不变,完全缘于光子在运动中,构成光子的单奇子具有统一互变的特殊运动机理。

实际上,如果光子粒子接收了外源信息,使之完全变成信息粒子的话,那么它的运动速度就会远远超过光速 c,达到3719c[1]。所以当光子的全部单奇子统一互变成信息态单奇子粒子时,那一刹那的运动速度就不再只是 c了,而是3719c;当信息态单奇子粒子又互变成物质态单奇子时,会使信息态粒子以3719c的速度运动这样的巨大能量转化为驱使物质态粒子运动的能量,而以这样的能量作用于物质态粒子时,我们从实测可知,在这种情况下物质粒子的运动速度最多只能达到光速 c,或者说只能恒定达到光速 c。所以我们可以理解为,任何一种物质 m,使该 m在某一时间内全部转化为信息态时所形成的效应能量,都最多只能使物质 m在同一时间内以光速c的速度运动。

那么我们做一个假设,如果在光子统一互变为物质态粒子的一刹那,我们外加一个同样的信息能量作用于光子上,也就是说这时的物质态粒子除受自己互变成信息粒子时产生的效应能量作用外,还额外加上一个大小相同的信息态能量作用于它,那么结果会怎样?显然,这个光子粒子的运动速度势必会超过光速 c。也就是说,物质并不是只能按光速 c的速度运动,关键在于作用于其上的能量,如果一种物质受到额外的运动速度超过光速的信息态能量作用,其运动速度就必然会突破光速c,给出这个速度的能量由于是单奇子在互变中接受了外源信息而产生突变,完全变成信息粒子时所带来的一种效应现象,所以我们称之为效应能量。

现在我们有必要来讨论一下爱因斯坦提出的质能公式与效应能量的关系。我们知道,爱因斯坦在狭义相对论中,基于时空一体的假说,借助闵可夫斯基空间的数学工具,经过严密的数学推导得出了以下公式：

式中,第一项 mc2是静能,即物质 m全部转化为能量时的表达式,mv2/2是动能,这在传统的牛顿力学中已揭示。如果把 mv2/2忽略不计,那么公式可以简约为我们熟悉的

式中,其单位量纲是焦耳,是功的单位。可以把公式看成是

式中,2.99×105km/s2是光速加速度,因此 m·(2.99×105km/s2)是质量 m的物质以光速加速度运动时所产生的力,它的单位量纲是牛顿(N),所以 E的物理意义就是,以 m·(2.99×105km/s2)(N)的力运动了2.99×105km距离所做的功,单位量纲为焦耳(J)。

不过引入了光速加速度以后,我们要理解 E=mc2的物理意义就出现了问题,因为推导出 E=mc2的数学边界条件是 c不变,为恒定值。也就是说物质 m(光子)的速度恒为 c。一旦出现了光速加速度,则意味着光子在运动开始的瞬间其速度必然要经过小于 c的值,然后才达到c,这就违背了光速不变的原则。如果假设把光速定义为其极限速度恒定为 c,那么在这种情况下,光速从零到c的第一秒内可能存在光速加速度。可是当光子在第一秒钟后继续以光速加速度运动时,则从第二秒开始光子的运动速度必然超过 c,这也违背了光的极限速度为 c的原则。反之,如果说光子的速度从零到 c无需时间,即速度 c是光子与生俱来的固有属性,光子出现的同时其速度即为 c,那么,没有了时间变化率因素,加速度的概念又从何谈起?总之,无论从什么角度来看,都难以理解 E=mc2的物理意义。笔者把这种情况称之为“光速加速度悖论”。其实如果质能公式表述为 E=mc,也就是改为质量为 m的物质以光速运动的动量,以kg·m/s作为它的单位量纲,其物理意义就更容易被理解,然而按时空一体的假设却推导不出 E=mc来。

既然按照时空一体的假设只能推导出的是 E=mc2,那么就应对该公式的物理意义有一个合理的解释,即当一个光子从初始运动速度为零,在瞬间达到光速 c后,在一秒钟内就运动了2.99×105km的距离,所以这个运动中的光子做的功为 E。这样的解释只能在光子的极限速度为 c,且在光子运动的速度达到光速 c时是没有问题的,不过在达到光速 c之前后,都必然出现前面所说的“光速加速度悖论”。

在研究质能公式时,目的是要了解某一物质 m所具有的总能量,或者说假设把某一物质 m全部分解成光子时,它所具有的总能量是多少?这个总能量应该是物质 m按光速加速度运动所做的功呢?还是应该为物质 m以光速运动时的动量呢?如果说应该是做功,那么“光速加速度悖论”无法逾越,如果是动量,则按光速不变的原则,虽然一切都顺理成章,但却缺乏学理根据,无法导出。说到这里我们只能说,时空一体的假设并非天衣无缝,无懈可击,而没有时空一体的假设,爱因斯坦就推导不出 E=mc2。

然而不管怎样,E=mc2已为人们耳熟能详,物质m的总能量这样一种局限于光速c运动的总能量往往只有阶段性意义,我们更应该感兴趣的是以信息态能量速度运动的效应能量。因此把两种可能的物质总能量作出某种区分：

假如在 E=mc2中把能量定义为 EA,而在 E=mc中把能量定义为EL,则：

有了以上甄别后,就能够给出效应能量 En的计算公式。笔者在“自然容介态”一文中基于 EA提出

这里的 E为EA,为绝对标识。

在以上公式中,表示了效应能量 En绝对与物质能量 EA,以光速为标准的速度倍率 c2和能量释放倍率时间 t2有关系。t2表示了信息态能量速度同光能量速度(c)所对应的倍率时间。由于不管是信息态能量的运动速度,还是光的运动速度,都是以每一秒所运动的距离计算的,所以这个倍率也称之为秒速度倍率。由于信息态能量速度是光速 c的3719倍,所以信息态能量也应该是物质态能量的3719倍。

如果把c2·t2表示为计算公式中的相应倍率系数,则我们可以设定计算 En的时间速度倍率为 Lv=3719,计算 En的能量倍率为 Ln=3719c,则：

或者

由以上论述可知,并不是物质的最大速度真的只能以光速为自己的运动极限速度,而是物质本身的能量只能使物质运动速度达到光速c。所以c并不是物质的最大速度,而只是物质的能量不能使物质速度大于 c。要使物质的速度大于 c,就必须有足够的信息态效应能量。这就是说,如果我们的时光机有足够的信息态效应能量En,那么要以超过光速2～3倍的速度截获并看到过去了的全息影像是可能的。

5 结束语

2010年9月媒体报道,斯蒂芬·霍金在其与人合写的新书《伟大的设计》中提出了宇宙的诞生不需要上帝的观点[8]。尽管霍金祸从口出,引来了世界宗教界的不满,但笔者认为霍金的这个观点倒是更容易使人信服,虽然这与几个月前同样是他提出的,乘坐时光机可以探究未来的观点的本质是相悖的。可见霍金也在与时俱进。必须指出的是,爱因斯坦无疑是人类有史以来最伟大的科学巨匠之一,斯蒂芬·霍金的思想威力也早已为世人所知,他们在顶端科学领域的不懈追求和卓越建树令人赞叹!然而在探索宇宙科学的过程中,由于地球人类受既有认知水平、科技能力的局限,只能基于很多的假设,于是伟大如是者们的学说也就难免会出现一个接一个的悖论。这其实是正常的,也是必然的。毕竟,他们并非上帝,也没有全能的上帝。对他们的理论提出一些疑惑或不同看法,并不会抹杀他们应有的光芒,更非对他们不敬。因为笔者坚信,质疑和辨析实乃人类最重要的天性之一,人类正是在这样的一个个悖论被破解而去伪存真的过程中,增进了对宇宙科学的认识。鉴于此,笔者也冒昧提出本文的一些假说和观点,以求抛砖引玉,为繁荣宇宙科学探索尽绵薄之力。正如霍金所说的那样：“对于我们而言,这些答案也许有朝一日会变得和地球围绕着太阳公转那么显而易见——或许也会变得和乌龟塔一样荒谬,只有时间(不管其含义如何)才能裁决”[6]。

(2010年9月29日收到)

[1]林左鸣.自然容介态——以自然信息为基础的进化机理假说[J].前沿科学,2010,2.

[2]新浪科技.霍金撰文探讨如何建造时间机器[EB/OL].http：//tech.sina.com.cn/d/2010-05-05/07424146053.shtml.

[3]百度百科.佯谬[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/710122.htm,2010-9-28.

[4]伊萨克·牛顿.自然哲学之数学原理[M].王克迪,译.陕西：陕西人民出版社,2001.

[5]高歌.宇宙演化总论[J].前沿科学,2009,(3)：4.

[6]史蒂芬·霍金.时间简史[M].许明贤,吴忠超,译.长沙：湖南科学技术出版社,2007.

[7]赵展岳.相对论导引[M].北京：清华大学出版社,2002.

[8]美联社.霍金认为宇宙诞生没上帝啥事[N].参考消息,2010-09-04.

(责任编辑：温文)

What to See by the Time Machine of Hawking LIN Zuo-ming

Professor,Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100022,China;Beihang University,Beijing 100083,China

Discovery can be made by studying the concept of time and space in the theory of Rong-jie state which is based on information,that time is a sort of measure for the movement from initiation to termination and is a spatial concept which is continuously incremental with the movement and cannot flow backwards.Substance space is in motion,moving for expansion or contraction only in a straight line(or radial direction);Time and space does not exist in one form.Time is not the higher one within the three-dimensional material space.Characteristics of unity and change about singulars in photons not only determines the speed of light,but also determines that the energy of matter can only make the movement of substance reach the speed of light.However,as particles in photon absorb information and completely turn into particles of information,its speed will be far more than the speed of light;the effect energy moving in the speed of information energy can make the movement of material faster the light speed.Conclusion：humans can not pass through time and space to reach the future or the past,but can catch the information images of passed things by flying beyond the speed of light.

time,space,information image,beyond of light speed,effect energy

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.009