人類對時間和空間的認識經歷了壹個漫長、復雜和曲折的過程。在古代，人們認為宇宙是圓的。後來牛頓的絕對時空觀、愛因斯坦的相對論時空觀都建立起來了。近年來出現了基於“光速變化”(VSL)理論的新時空觀，基於“超弦理論”的多維時空觀更讓人感慨。
關鍵詞:絕對時空相對時空混沌分形光速變化超弦理論多維時空
經過壹百年物理學和現代高科技的飛速發展，人類進入了壹個全新的時代。但是，物理學仍然面臨著許多亟待解決的問題。愛因斯坦的統壹理論，他壹生都沒有解決，至今沒有解決。此外，弦理論也需要改進。BIGBANG的理論對普朗克的時間無可奈何[0。(42個零)宇宙誕生前1秒】和黑洞，還有壹些重大的物理實驗和觀測到的現象是現有理論無法解釋的。隨著新世紀的到來，物理學面臨著和壹百年前壹樣的層層迷霧，超越愛因斯坦理論的物理學理論可能會出現。人類對時空的認識是壹門不斷發現、修正、完善和挑戰前人理論成果的科學。下面筆者就從阿拉伯天地的扁平時空觀到愛因斯坦的相對論時空觀，以及基於超弦理論的多維時空觀進行簡要介紹和討論。
壹、古代“圓地方”的扁平時空觀
人類自產生以來，就被期望對自己的生活環境有壹定的了解，對時空的概念有初步的印象。中國古代神話中，盤古開天，清朝升天。濁沈於地，他們以為天是圓的。因為* * *大神推倒山頭，撐起天柱，天向西北傾斜，地向東南傾斜，日月星辰東升西落。人類自產生以來就壹直在研究時間和空間的問題。人類為了生存和發展，需要了解宇宙和天氣的變化，想知道風暴、雪、雷電是如何產生的，壹年四季如何變化，什麽時候播種，什麽時候收獲。天地本來就是壹個巨大的空間，激發了我們無限的想象力和興趣。但在封建社會，人們總認為自己生活在壹個絕對的平面上，地球是平的。有人把這個時期的宇宙規律稱為勾股定理(中國人稱之為勾股定理)，即a2+b2 = c2。“勾股定理不僅在數學美上是合理的，而且在近代通過對它的研究產生了著名的費馬定理。費馬大定理在上世紀八九十年代才被證明。A2+b2 = c2不僅具有幾何美，還體現了人類對時空美的理解。是平面思維的時空觀。是人類認識自然的第壹個重大而完善的定理。”(轉到朱和朱的熱抽象P7)
到了近代，由於航海等因素的發展，人們看到遠處出現的船只並不是簡單的由小到大，而是好像從遠處海平面以下鉆出來的，於是人們開始懷疑海平面是否真的是平的，地球是否真的是壹個無限大的平面。由於對地球形狀的各種猜測，畢達哥拉斯從球體是最完美的幾何形狀的觀點出發，認為地球是球形的，太陽、月亮和行星以均勻的圓周運動。他認為，地球在太空中沿著壹個球體圍繞壹個固定的“中心火”旋轉，另壹邊有壹顆“對地星”與之平衡。這種“中央之火”，人類是永遠看不到的。他認為天空中必須有十個發光體，這十個天體與中心火的距離與音節有著同樣的比例關系，才能維持群星的和諧，才能奏出天體的音樂。這讓人們想起了現在的超弦理論。(參考朱和朱的熱抽象P5)。
第二，基於“經典力學”的絕對時空概念
希臘人用幾何方法解釋行星的運動，公元2世紀出現的托勒密地心說就是這些理論的代表。這個體系統治了十四個世紀，直到16世紀出現了哥白尼的日心說，17世紀出現了伽利略的基於慣性系的相對論原理。由此建立了基於牛頓三大運動定律和萬有引力定律的經典力學，也建立了基於經典力學的絕對時空概念。牛頓認為，絕對真實的數學時間，就其本質而言，永遠均勻地流逝，與任何外部世界無關。絕對空間，就其本質而言，與任何外部世界無關。它從不移動，也永遠不會改變。認為空間是三維的，OX，OY，OZ構成三維空間，他把空間和時間分開。空間沒有明確的時間定義，而是自然流動的統壹軸。經典時空認為同時性的絕對性、時間間隔的絕對性、空間距離的絕對性和質量的不變性。所以時間、長度、質量這三個基本物理量與經典力學中的參照系(觀察者)的運動無關。
3.基於“光速不變”理論的相對論時空觀
從65438年到0905年，愛因斯坦連續發表了五篇文章，其中狹義相對論徹底改變了人們的時空觀。根據這壹理論，“時間或空間因地而異，會膨脹或被沒收”。後來這個理論發展成為解釋宇宙現象的引力理論，也就是廣義相對論。狹義相對論的兩個基本假設是:第壹是相對性原理。在不同的慣性參考系中，所有的物理定律都是壹樣的；第二個是光速不變的原理。不管是哪種慣性參考系，真空中測得的光速都是壹樣的。
“同時相對性原理”的解釋要從“愛因斯坦的牛夢”說起。愛因斯坦少年時有壹個非常特別的夢想。夢是這樣的:在壹個風景如畫的牧場裏，有許多奶牛懶洋洋地在帶電的柵欄附近吃草。當農夫給柵欄通電時，農夫看到三頭牛依次跳躍，而站在對面的愛因斯坦看到三頭牛壹起跳躍。(參考超光速/P11-P8/Joo馬古尤(Jo？那麽誰是錯的，農民還是愛因斯坦？答案是誰也沒有錯。這就是相對性原理。如圖1，當A位置的農民打開電源開關時，電流以光速向牛的方向移動，B牛觸電跳躍的場景回到農民眼前所用的總時間為:其中C為光速，同理， 農民看到牛在位置C的跳距開關打開的時間是:農民看到牛在位置D的跳距開關關閉的時間是。 因為三頭牛離農夫的距離不同，所以三頭牛不會同時跳向農夫。對於農夫對面的觀察者E來說，因為光和電的傳播速度相同，所以他同時看到三頭牛在跳躍。對於同壹類事件，由於觀測者的位置不同，發生的時間也不同。這就是相對性原理。愛因斯坦認為宇宙中不會有絕對靜止的地方，從而否定了牛頓的絕對坐標。他認為任何慣性系(靜止或勻速運動的系統)與靜止的地方(坐標)沒有什麽不同。這是狹義相對論的基礎之壹，相對性原理。狹義相對論的另壹個基礎是光速不變原理。即使觀察者或光源在運動，對於觀察者來說，光總是以每秒30萬公裏的速度傳播。
相對論的壹個核心問題是時間不是絕對的，高速(接近光速)運動的物體有壹個緩慢的時間流速，用壹個公式來表示。其基本原理如圖2所示。如果飛船以接近光速的速度向前飛行，飛船內就有壹束從A到B的光。根據相對論原理，在飛行過程中，飛船上的人觀測到光運動的時間是:不僅光相對於飛船上的觀測者沿直線傳播；對於看到飛船在飛船外運動的觀察者來說，這種光從A發射到D，光運動所用的時間是:明顯是因為SAD？SAB=SCD，那麽還有t2？T1，也就是說對於飛船外的觀測者來說，光運動的時間變得比飛船內更長。
相對論的另壹個核心問題是，物體高速(接近光速)運動時，空間(長度)會收縮。用公式表示。基本原理如圖3所示。A處的觀察者首先看到的是飛船的船頭C，而此時的船尾在e處，觀察者看船尾時，船尾已經移動到D點，船頭已經移動到C點，所以對於觀察者來說，他看到的飛船長度只是SCD長度，而不是飛船原來的SCE長度，飛船在運動方向上是被壓縮的。
狹義相對論的壹個驚人預言是，宇宙中任何物體的運動都有壹個速度上限，這個上限就是光速。也就是說，無論用多麽先進和先進的技術來加速壹個物體，物體的速度都不可能超過光速。當物體加速時，它的質量增加，所以物體越接近光速，就越難加速。根據公式，讓物體達到光速幾乎是不可能的。我們只能通過光子在運動中有質量而靜止時沒有質量這壹事實來理解這壹點。質量和能量是時間問題。有了公式，不僅很小的質量可以轉化成非常大的能量，這也是狹義相對論的壹個關鍵點。
綜上所述，愛因斯坦關於同時性相對性、運動時鐘變慢、運動空間縮小、運動質量增大的四個觀點，徹底顛覆了牛頓的絕對時空觀。愛因斯坦發展了狹義相對論，並把重力考慮在內。廣義相對論提出的四個原理讓我們對時間和空間有了新的理解。廣義相對論的原理是這樣的:第壹，等效原理是在加速運動的地方觀測到的慣性力和引力沒有區別。比如在下落的盒子裏，重力被慣性力完全抵消，重力滑走，這就是等效原理。第二，引力使光發生彎曲，因為光在運動時有質量，所以也受到引力的影響，所以光在地球或太陽附近發生彎曲，這可以通過日全食時觀察隱藏在太陽後面的恒星來證明。黑洞也是光被彎曲或受到引力的證明。第三，引力使空間彎曲，大質量天體使光彎曲，光在空間的彎曲部分以直線傳播。結果，空間在大質量天體附近彎曲，或者說整個宇宙是壹個卷曲的空間。第四，重力減緩了時間的流動。引力越強，時間流動越慢。離引力特別強的黑洞附近的天體越近，時間的流動就越慢。如果妳旅行到黑洞視界，時間甚至會停止。與狹義相對論不同的是，在重力較強的地方，時間流動不是相對緩慢，而是必然緩慢，這壹點在全球定位系統的運行中已經得到證明，除非科學家修正重力變化帶來的時鐘效益，否則衛星系統定位不會準確。
第四，基於“混沌分形”理論的新的時空概念
自然界大部分不是有序平衡的，而是處於無序、不平衡、隨機的狀態，無序的狀態數不勝數。在非線性世界中，隨機性和復雜性是其主要特征。但表演之下還是有壹些自然規律的。混沌分形理論以新的手段處理這些問題，通過混淆混沌現象和不規則形態，揭示隱藏在復雜系統中的規律和部分與整體的關系。
偉大的物理學家約翰？惠勒(黑洞的名字)說，在未來，壹個人如果不能熟悉混沌和分形，就不能算是科學文化人。分形理論是美國科學家曼德爾布羅(B？b？Mandel brot)1975首次提出“分形”是壹個集合。分形理論的建立和迅速發展幾乎涉及了整個自然科學和社會科學。從字面上看，分形是極其零碎和復雜的，但它也具有自相似性和自模仿性，這些在自然界中無處不在。如變幻莫測的雲朵，壯麗的地貌，蜿蜒的海岸線，生物神經網絡，分支的支流，河流和支流，等等。面對這些事物和現象，傳統科學顯得束手無策，而分形理論則成為研究這些復雜事物的有力武器。所謂分形最簡單的例子就是壹棵樹，比如把它的樹幹、樹枝、小樹枝折疊起來，妳會發現它們有驚人的相似之處。小樹枝很像大樹的模型，大樹就像小樹的放大；另壹個例子是河流三角洲的相似性。從地圖、飛機和地面上，我們可以看到河流、小溪和溪流，它們的分支形式類似於三角形的幾何形狀。再比如，人體從動脈、靜脈到毛細血管，其走向和分支形態具有相同的相似性。這就是大自然給我們展示的分形理論。我國有壹句名言，“管理家庭，治理國家，夷平世界”，就是壹個人如果能管理好壹個家庭，就能管理好國家，夷平世界，這就是分形理論在社會學中的體現。而“頗為關鍵，壹芽知春”也是分形理論的早期應用。就連《三國演義》的開篇“都說天下大勢，長則分，長則合”也是分形理論在歷史發展中的應用。綜上所述，分形理論是對我們時空觀的新認識。
對混沌的探索早在20世紀初就被許多研究三體的科學家提出來了。我們知道用牛頓力學很容易計算出兩體運動的軌道，但是太陽、地球、月球之間的運動規律至今沒有得到很好的解釋。這就是所謂的三體，也是混沌研究的壹個重要開端。因為這個問題包含了很多我們對自然認識的基礎的、原始的、直觀的、創新的東西。這就需要新思維、新理念、新方法、新理論。在這種歷史背景下，出現了人類對自然和時空新認識的理論混亂。“蝴蝶效應”作為研究混沌的著名例子，成為很多人了解混沌的壹個窗口。“蝴蝶效應”是指在既定的軌道上，在輕微的幹擾下，運動軌道會發生很大的變化。為了描述混沌復雜系統的極端敏感性，洛倫茲打了個比方。在南半球，壹只蝴蝶偶然扇動翅膀引起的小氣流可能會在幾周內變成席卷北半球的龍卷風。“十月革命的壹聲槍響，把馬克思列寧主義帶到了中國”，是引起中國革命和世界社會主義革命的“蝴蝶效應”。而壹顆馬蹄釘落到壹個王子身上，壹個王子失去了壹場戰爭，壹場戰爭失去了壹個王國，卻也改變了整個世界，這就是歷史發展中的“蝴蝶效應”。混沌研究的是無序中的有序，很多現象即使遵循嚴格的確定性規律，仍然是不可預測的。混沌事件在不同的時間尺度上表現出相似的變化模式，這與分形在空間尺度上的變化模式非常相似。混沌主要討論非線性動力系統的不穩定性和發散過程，但系統在相空間總是收斂到某個吸引子，這與分形的生成過程非常相似。混沌和分形理論在很大程度上依賴於計算機的進步，對傳統數學提出了新的挑戰。由於混沌理論的不確定性、未來的不可預測性和無序中的有序性，人們難免會聯想到中國的易經、外國的占星術以及壹些宗教活動和預言。是否可以概括為人們經過幾千年的探索才解決的混亂現象？在撲朔迷離的宇宙論中，人們只想用現有的宇宙規律來解釋觀測到的天文現象，而最新的研究有很多宇宙中我們不知道也無法解釋的現象，比如麥克。？邁克·布朗等科學家發現的新天體是否可視為太陽系第十大行星，為什麽海王星外存在大角度傾角的軌道天體，海王星外發現的1000多顆行星的運動存在怎樣的規律，宇宙學中有多少現象只能用混沌和分形理論來探索和解釋。
5.基於“光速的變化”(VSL)這壹新理論的時間和空間概念
隨著新世紀的到來，物理學面臨著和壹百年前壹樣的層層迷霧，超越愛因斯坦理論的物理學理論可能會出現。以及Joao Maguyou博士(Jo？o Magueijo)提出的VSL理論是近年來詮釋宇宙本質的壹個超乎尋常的瘋狂想法，因為它挑戰了愛因斯坦理論的核心。VSL的理論是早期宇宙中的光速比現在快。如果是這樣，至少壹些宇宙問題可以不用暴脹理論來解釋。事實上，在用改變光速的理論來解決宇宙之謎時，宇宙幾乎告訴我們，過去光的傳播速度更快，最基本的物理理論似乎不得不建立在比相對論更廣的結構上。令人興奮的是，澳大利亞國立大學的物理學家最近利用稀土元素鐠的矽酸晶體制造出了壹個“超光阱”。成功“凍結”光束壹秒。既然光束可以凍結，並不是要從實驗上否定光速不變的理論，證明光速是可以改變的。根據VSL理論，光速不僅會隨著宇宙的演化而變化，而且會在不同的空間中發生變化。當接近行星和恒星時，這種效應幾乎察覺不到，但當接近黑洞時，會發生更劇烈的事情。研究方程表明，光速本身可能在視界處變為零。根據保守的VSL理論，就像狹義相對論壹樣，光速應該是壹個速度極限，但它可能因地而異。妳的速度必須始終低於當地的C，所以當限速降到零時，妳會遇到終極紅燈，妳必須停在VSL黑洞的地平線前。在懸崖邊上，妳的自殺企圖會被初步阻止。為了防止災難，VSL黑洞將被關閉。無論我們如何定義時間，這些時鐘在接近黑洞時都會發出不同的滴答聲。但生物過程本身具有電磁性質，這意味著人衰老的速度其實是壹個優秀的電子鐘。我們發現，當我們接近黑洞時，我們會衰老得更快，這不是因為愛因斯坦的時滯效應，而是因為更快的電磁作用。因此，當我們接近VSL黑洞時，我們的心臟會加速衰老，或者相反，當我們以自己的生活節奏來衡量時，我們會發現我們向地平線的運動將會減慢。也就是說，就我們而言，接近視界需要永遠，但如果C不變，可能只閃壹秒。在VSL的領導下，地平線更加接近，但也更加難以企及。VSL黑洞的視界就像壹個無限的目標，就像壹個不可觸摸的空間邊緣，在邊界後面有壹個奇妙的永恒。
VSL理論更驚人的理論意義在於，當C可能在時空中發生變化時，可能會出現壹條“快速軌道”，這條軌道是基於VSL場論和宇宙弦的形式。沿著這些弦的光速可能會更高，弦附近的光速會變得更大，仿佛是壹個包含宇宙弦的超光速罩，會創造出壹個延伸到宇宙的速度極限極高的走廊，這正是太空旅行所尋求的快速軌道。但這比快車道還要好！沿著VSL宇宙弦，時間仍然滯後，但只有當旅行者的速度與光速(即本理論中C的局域值)相比時，這種效應才會變得明顯。由於沿著VSL宇宙弦的C值可能更高，當它已經在高速移動時，它可能仍然比C的本地值慢得多，因此時間滯後將可以忽略不計。所以人類可以沿著高速公路移動，探索宇宙最遠的角落，但還是比當地光速慢很多。他將能夠避免“雙子座悖論”的影響，當他回來時，他將與他的孿生兄弟同齡。他不僅能在有生之年造訪遙遠的星系，還能在同時代人的有生之年回到家鄉。VSL理論將改變我們在宇宙中對自己的看法，也將改變我們與外星生命接觸的預期。
6.基於超弦理論的多維時空
目前有壹種新的理論認為，在亞原子世界中，也就是在極其微小的超微觀空間中，基本粒子已經不是我在現實中所能觀察到的粒子，所謂基本粒子的存在只是微觀世界中壹根微小的振動弦的表現，就像我們在現實生活中看到的弦樂器中的壹根普通的弦，它能演奏出各種美妙的音樂。在超微觀世界中，有許多我們用任何現代儀器都無法觀測到的弦振動，形成了豐富多彩的微觀基本粒子家族。根據超弦理論，世界是多維的，我們現在生活在壹個三維空間或者壹個有時間軸的四維空間。按照它的理論，應該還是有六維甚至十維時空的。令人費解的是，根據這個多維時空理論，愛因斯坦的狹義和廣義相對論可以很容易地用數學方法推導出來。相對論不再是基於愛因斯坦假設的理論，而是從嚴謹的數學理論中得出的結論。在作為弦理論基礎的多維時空理論下，宇宙中的四種基本力(強相互作用、弱相互作用、電磁力和萬有引力)得到統壹，困擾物理學多年的大統壹理論在這個多維時空理論的基礎上得到了完美的解決。超弦理論和多維時空理論雖然完美，令人費解，但它們需要近幾個世紀人類無法獲得的巨大能量(1028電子伏特，是我們的加速器現在所能獲得的最大能量的1015倍)。所以這個理論屬於人類似乎永遠無法通過實驗驗證的理論。這個理論能不能長久，可能只有天知道了。
說到多維時空，我們得從壹維世界說起。在這裏，如果有壹個“直線國家”，生活在那裏的每個人都生活在壹個像直線壹樣的壹維時空裏。他們只能生活在壹條直線上，在他們國家沒有平面的概念。如果有壹天，壹個直線國家的人突然離開直線，很難理解為什麽這個人會突然在他們國家消失。二維世界應該只是壹個平面。如果真有這樣的“平面國家”，生活在這個國家的人只有平面的概念，我們可以給他們畫個圈。只要妳畫了壹個圈，他們就永遠不會離開這個圈，因為在他們的世界裏，沒有向上的概念。如果壹個球穿過他們的世界，他們只能看到壹個由小到大的圓圈，最後，三維世界就是我們現在生活的世界。在這個世界上，人們認為空間是絕對的。對他們來說，四維是不可想象的，也是不存在的。這就好比牛頓的絕對時空觀。他把時間和空間分開，認為空間是絕對的，時間是統壹的、永恒的。愛因斯坦打破了牛頓的絕對時空觀，建立了由空間和時間組成的四維時空。他認為時間和空間是相對的。那麽，有五維時空嗎？從數學的角度來看，早在20世紀50年代，德國數學家黎曼就超越了歐幾裏得幾何，提出了四維空間的概念，並創造性地提出了壹個全新的概念，叫做黎曼幾何，為統壹所有物理定律做了理論準備。20世紀，多維理論再次成為科學界的熱門話題。壹些科學家重新提出了多維時空的概念，並進行了有效的計算。值得壹提的是，愛因斯坦相對論中精彩的質能方程，來源於早期的數學弦理論，不得不讓人感受到大自然的奇妙。
最近弦理論成為物理學的熱門話題，物理學家認為。宇宙中不僅有五維時空，還有六維時空，甚至十維時空。在早期宇宙中，它是絕對真空中的壹個奇點。這個時候有壹個十維時空，但是不穩定，導致了我們宇宙的產生。在宇宙創造時期，十維時空被分解成四維時空和六維時空，六維時空收縮成無窮小的奇點，四維時空處於宇宙大爆炸階段。於是就有了我們現在膨脹的宇宙，主張十維時空理論的科學家認為我們的宇宙是在爆炸中被創造出來的，未來會變成壹個收縮的宇宙，會再次收縮成壹個奇點，然後重復宇宙創造的場景，這就是宇宙的未來。多維時空理論可以完美地解釋愛因斯坦的大統壹理論，這個理論最終沒有得到解決，統壹了人類目前所知道的自然界中的四種相互作用力。物理學家、《時間簡史》的作者霍金認為，宇宙最終會用量子理論來解釋。我們生活的宇宙是眾多平行宇宙中的壹個。對於宇宙來說，就像空氣中漂浮的許多肥皂泡壹樣，每個肥皂泡都是壹個宇宙，它們之間沒有任何聯系。這是霍金最近對宇宙的新看法。他認為我們只是壹個生活在多維平行宇宙中的人。如果有可能在兩個宇宙之間打開壹個洞，
七、超越時空的三種外太空文明
在結束本文之前，我們先了解壹下，前蘇聯的天文學家卡爾徹曾經對人類未來的文明進行過如下分類。他認為壹個文明控制著整個星球的能源。這個文明可以控制氣候，防止地震，在地殼中采礦，在海洋中收獲。這個文明已經完成了在太陽系的探索。第二種文明是控制太陽本身能量的文明，並不意味著被動獲取太陽能。這個文明可以利用太陽能。這個文明的能源需求如此之大，以至於直接消耗太陽能來驅動機器。這個文明將開始殖民當地的星系。三種文明是控制整個星系能量的文明。就能量而言，它控制著數十億恒星系統的能量。它可能掌握了愛因斯坦的方程，可以隨意操縱時空。也許這種對未來文明的分類是錯誤的，但他確實從能量的角度對物理定律給出了合理的解釋。我們人類的科技只經歷了短短幾百年的歷史。目前，我們還不具備第壹種文明的條件。人類進入第壹類文明還有很多路要走，還有很多風險。如核危機，人類儲存的核武器足以毀滅地球上的現代文明數次。如果人類瘋子發動核戰爭，地球會在核冬天走向沙漠，也許今天的火星就是明天地球的命運。現在，隨著人類現代化進程的加快，人類的生存環境越來越脆弱。隨著人口的爆炸式增長和現代化建築的增加，人類賴以生存的土地將會越來越少，地球將會變成壹座鋼筋混凝土的城堡。環境汙染、能源危機、自然災害等諸多因素會讓這個看似強大的人類變得比以往更加脆弱。任何意外或意料之外的自然和人為突發事件，都可能使這個藍色星球處於極度危險甚至毀滅的境地。最後，作者衷心祝願人類能夠珍惜環境，珍惜和平，珍惜自然的和諧發展，祝願人類擁有安全、精良的文明和高度的現代化。
主要參考資料:
1，超光速/Joo馬古尤(Jo？O Magueijo趙文譯/湖南科學出版社/2005年5月/長沙
2.熱抽象/朱朱/廣東經濟出版社/2003年9月/廣州
3.愛因斯坦的時間旅行/作者/J .理查德·戈特/劉軍譯/長春出版社/65438+2004年10月/長春
4.超越時空/加來道雄/劉禹錫曹誌良/上海科技教育出版社/65438+May 0999/上海。
5.現代物理與高技術/何/廣義相對論原理與應用/張學榮/廣東科學技術出版社/65438+2000年10月/廣州。