四维空间

宇宙的四维空间结构及演变历程
关键词 经典时空观念，大爆炸宇宙学说，四维弯曲体
引言
大爆炸宇宙学说详细地阐述了宇宙由一个温度极高、压力极大、密度极大的原始核演变而来，基于宇宙正在膨胀及微波背景辐射事实的存在，这一学说正在被越来越多的人接受。这里根据质能相当原理统一起来的质量、能量守恒定律，论证原始核如何演变而来及最终演变去向，现存宇宙物质主要集中在一个三维弯曲封闭空间内，我称之为“四维弯曲体”。尽管大爆炸宇宙学说的追随者和爱因斯坦已经提出了相似甚至相同的思想，“正在膨胀的吹气球”、“有限无边的三维弯曲空间”、“超圆体”，但这里的论证相信更深刻和更具说服力。
1 何为四维空间和四维弯曲体
1.1 何为四维空间
这里说的四维空间明显地与相对论指的四维时空不同，所谓四维时空是指三维空间与一维时间融洽而成为一个复合体，相对论认为时间和空间是分不开的，是一个整体的不同部分，这里说的四维空间是指不含时间在内的空间，认为宇宙中除了我们熟悉的三维空间外，还有一维我们根本不知道存在的空间，它就在我们身边，与“长”“宽”“高”一样实实在在地存在着，可是却极难察觉，以致以目前极为强大和极为复杂的物理实验也未能发现。这里的理论认为空间与时间是各自独立的，而且为了方便理解，可以认为空间和时间是完全刚性的，就象牛顿提出的经典时空定义那样，因而这里的理论建立在经典时空观念之上。事实上，不管你是多么的不愿意承认，只要你联想着大爆炸宇宙学说，你就想到了经典时空观念，而不是相对论时空观。
在具有长宽高的立体空间里，由于经过一点只能找到三条两两互相垂直的直线，无论采用哪种坐标系，都必须且只须用三个坐标数，我们说它是三维空间，是我们已知的维数最多的空间。在想象的“四维空间”中，经过一点，不但可以找到三条两两互相垂直的直线，而且可以另外找到一条直线与这三条直线两两互相垂直，也就是说，经过一点有且只有四条直线两两互相垂直。
1.2 何为“四维弯曲体”
可以从“圆”的角度理解四维空间。圆的直角坐标方程是 ，它是二维平直空间中一维弯曲空间（弯曲线），球面的直角坐标方程是 ，它是三维平直空间中二维弯曲空间（弯曲面），同样可以在四维平直空间中设想一种三维弯曲空间，这就是我说的“四维弯曲体”，其直角坐标方程是 ，其中 、 、 、 分别代表四条两两互相垂直的坐标轴上的坐标值， 表示离坐标原点的距离（半径值）。
四维弯曲体究竟是什么呢？我们的观念仅仅知道三维平直空间，所以我们只能从三维平直空间观念中理解四维空间的有关现象，这就得借助比喻、推理和想象。设想以经过原点且垂直 轴的平面横截球面 （这相当于令 ），我们得到一个圆 ，同样，以经过原点且垂直于 轴的平面横截四维弯曲体 （这相当于令 ），我们得到一个球面 ，所以四维弯曲体是一个类似于球面（或者圆）的东西，只是这个“球面”除了“长”、“宽”二维空间外，还多了一个“高”——第三维空间。
2 存在四维空间的依据
2.1 平直空间和弯曲空间对于坐标系的建立是等效的
在平面上，可以用两个坐标值确定某一位置，在球面上，我们同样可以建立坐标系，然后用两个坐标值确定某一位置。推及三维空间，即使我们认知的三维空间不是平直的，而是四维平直空间中一个较为特殊的弯曲空间，同样可以用三个坐标值对某点的位置加以确定，基于这点，我们才可以假设存在着第四维空间。
2.3 自然界中存在的某些神秘现象
一方面事例来自于某些人的神秘失踪和再度出现，这类例子至少可以举10个，这里只提及1978年5月20日发生在美国南方的新奥尔良城一所中学操场上的一件事，当时体育老师巴可洛夫在教几个学生踢足球射门，14岁的巴尔莱克突然一球射入球门，他高兴地跳起来一叫，当着众人的面，眨眼功夫就失去了踪影。[1] 另一方面的事例是某些特异功能者特异搬物。1986年4月5日，钱学森在京接受香港记者采访时说，他曾亲眼见过一次特异功能演示：一瓶未开封的药，抓到手中，从中漏出23粒；再开瓶查验，其中剩下的正好77粒，而药瓶完整无缺，并且，每粒药片又做了特殊记号，可以防止魔术似的将其他药片混入充数，药瓶为特制材料，一旦破损，不能复原，这种“物体穿壁”的过程，还以每秒400张的高速连续摄影的设备进行拍摄，所有这些都有力地证明了整个演示的真实性。钱老对记者说：我是学科学的，事实就是事实，我被说服了！[2]
信服神秘现象存在的不仅有钱学森，还有爱因斯坦。爱因斯坦和一位物理学家曾经进行这样的对话。那位物理学家说：“我倾向于相信传心术（Telepathy）。”爱因斯坦说：“它同物理学的关系也许比它同心理学的关系更密切。”那位物理学家说：“是的。”[3]看来，神秘现象已经不能再简单否定，也许需要冷静地思考，想想我们是不是已经发现了全部物理规律，这些现象是不是真的不可以用物理学进行理解。就我个人的感觉而言，只要假设存在着第四维空间，上述神秘失踪现象及“特异搬物”便可以理解。
3 现存宇宙物质集中在一个四维弯曲体内的依据
一般地，人们总认为水的表面是一个平面，一碗水、一个湖就是这样，但海水表面却显然不是平坦的，这点人们可以根据光线进行判断，而不是根据水平静（不流动）其表面就是平坦的（连通器原理）。如果没有直线传播的光，人们就不能断定海水表面是弯曲的。假定光在更大尺寸上的行为不再保持严格的直线传播，即不承认“光沿直线传播”观点，或者说光子永远被限制在四维弯曲体内，如果我们知道的空间弯曲得很微小，我们是不能凭借光传播加以认识的。而事实上，宇宙物质空间分布的巨大程度已经很好地保证四维弯曲体曲率非常小，所以我们根本不知道这一弯曲事实的存在。其实地球是球体，很早以前人们也不知道，只是在天文学家和航海家证实以后，人们才知道和确信这一点。
4 宇宙物质的从无到有的过程
根据能量守恒和质量守恒，能量和质量是不会创生的，然而我们禁不住要问，宇宙中现实存在的硕大无比的能量和质量当初从何而来？或者大爆炸宇宙学说中原始核是怎样演变而来的？显然我们不愿意放弃能量守恒定律和质量守恒定律，我们不会接受“上帝创造论”，也不愿意接受“宇宙永恒论”，但我们必须说明宇宙的能量和质量是怎样演变而来的。带着这个问题让我们考虑两个物理过程。
5 宇宙物质的从有到无的过程
关于宇宙发展的最终结局问题，天文学家们即根据万有引力阻止宇宙物质的膨胀和宇宙目前的膨胀速度，提出一个临介密度，认为如果宇宙物质的真实密度大于临介密度，宇宙物质膨胀到一定程度后将停止膨胀，开始收缩，然后再膨胀，再收缩，如此循环演变下去，而如果宇宙物质的真实密度小于临介密度，宇宙物质将一直膨胀下去，永不停止。倘若上文关于宇宙能量、物质的来源分析得比较接近事实情况，那么宇宙的发展状况将介于上述两种情形之间：宇宙继续膨胀下去，而宇宙物质将以能量的形式消失于宇宙的四维空间。这一过程分两步进行。
6.自然之谜
6.1 关于自然之谜
这篇论文引用了较多例子说明存在四维空间，其中最可能引起争议的是一些神秘自然现象的引用，可能有相当多的科学工作者完全排斥这些神秘现象，压根儿不愿意把它们纳入科学领域。但我个人却深信这类现象是客观存在的，而且我认为，如果我可以在科学领域取得成功，很大程度是因为我敢于把自然之谜与自然科学结合起来，努力寻找那些看似神秘的自然之谜存在的可能，并试图作出物理学方面的严格解释。我希望所有人都愿意相信这样的一个事实：我们并未认知全部物理规律，有些现象暂时无法解释，但它们却可能是物理事实，就象以前的人们压根儿不会相信“始终向着东走会回到原来的出发点”那样。
我得承认，直到现在为止，人们并未找到相关自然之谜的有力实验证据，也许它们确实太过于扑朔迷离，但这不等于不存在，我希望人们愿意把它们看作一个重大课题进行研究，深刻认识这些自然之谜的理解对物理学革新具有的重大意义，更广泛地论证和寻求实验依据。
6.2 关于离开四维弯曲体隐形的物理机制
一个重要的事实是特异功能者可以在精神高度集中的情况下使物体离开我们熟悉的三维物质空间发生隐形，而物理学进行的高温、高压和高能量实验从来没有使物体隐形，这是为什么呢？我们看看桌球是怎样飞出桌球台的。打过桌球的人都知道，如果水平用力推动主球，无论用力多大，主球和被碰撞的子球都只能在桌球台平面上来回运动，如果用力偏向下或偏向上，就会有桌球腾飞跳出桌球台。受此启发，要使物体隐形，必须有不与三维物质空间平行的力参与，也就是这个力必须涉及第四维空间，物理实验不管涉及的能量多大，运动速度多快，只要是平行于三维物质空间，就不会引起物体离开三维物质空间，而特异功能者经过训练，相信具有某种能力，运用意识驱动“场”运动，因为是场运动，涉及第四维空间，产生的力可以不平行三维物质空间，致使物体隐形。意识如何驱动场运动，如何产生力推动物体，这是整个问题的关键，要搞清隐形的物理机制，首要问题是如何提出合适的理论，指导试验者训练，成功地运用意识推动物体。当然，实验必须具备可重复性。
离开三维物质空间隐形后，所处空间位置的标量引力场已经改变（极其稀薄），电磁相互作用和惯性必将随之改变，那么物体如何恢复原有的原子体系结构以便重现呢？这是另一个必须解答的问题，可是这一问题不好回答，只是我相信，如果自然界中真的可以隐形和重现，那么这种现象必然有其存在的科学道理，那怕也许我们一辈子也弄不明白。
6.3 四维弯曲体圆的程度和厚度
科学上有个不成文的公理，“数学的最完美图案在自然界中不存在”，四维弯曲体作为宇宙物质的存在场所，不可能就象表达式那样完美，那么，究竟有多“圆”呢？
四维弯曲体圆的程度首先取决于宇宙大爆炸的瞬间，然后取决于爆炸后的演变。我们假设大爆炸前能量的收缩在四维空间内进行，这种收缩可能存在某种机制，使得波动能量几乎同一时刻到达四维空间的一个点上，然后爆炸，又“同一时刻”离开这个“点”，形成初步的四维弯曲体外形。随后，由于物质的引力场被限制在四维弯曲体的三维弯曲空间内，能量之间的相互作用，包括粒子间的引力、斥力和碰撞，光子的传播等，都被引力场的存在位置限制在四维弯曲体的三维弯曲空间内进行，从而保证了四维弯曲体不至于解体。
光子的远程传播是导致四维弯曲体变得更圆的直接原因。光子的远程传播一方面“试图”是直的，另一方面又依赖引力场的存在，这反过来影响引力场的空间分布，使其分布的曲率变得更小、更均匀，从而促使四维弯曲体变得更圆。
由于未能观察到第四维空间，人们总是假设物质存在的第四维空间线度非常小，小于 m，其实不然，物质存在的第四维空间也许比这一数值大了许多，只是我们寻找不到存在这一维空间的物理机制。设想两个半径差值很小的球面之间在些纸碎，并富于它们感知能力，它们就会从相互碰撞过程感知彼此的二维几何形状，但由于离不开这个薄薄的二维弯曲空间，它们是不能感知第三维空间存在的。如果纸碎厚度很大，譬如大于1cm，只要它们仍然被限制在两球面之间，它们也同样不能感知第三维空间的存在，这就说明了四维弯曲体的厚度也许不至于那样小。
6.4 以太、场论、标量引力场和量子力学
我象许多二十世纪初的物理学家那样怀念以太，尽管机械式的以太已经被排除出物理学之外，但人们不会忘记以太曾经辉煌的一页，不会忘记麦克斯韦借助以太建立场方程从而奠定电磁学基础[10][11]，不会忘记最初菲涅耳依据以太推导出曳引系数公式 [12]。随着物理学的进展，人们又注意到真空不空，真空中存在着一种特殊的物质，这种物质导致了粒子波动性和真空极化的存在，导致了测不准原理的出现，导致了量子力学得到以成功地研究微观物体运动，不管我们称之为“以太”还是“场”，这一物质确实客观存在着。
本文依据标量引力场提出相对运动原理，如果成功了，那么我们可以相信，无论昔日的“以太”还是今日量子力学赖以存在的“场”，其真实身份都是“标量引力场”。标量引力场作为一种特别的物质，几乎没有质量和惯性，却能对粒子在其中的运动产生影响，它具有某种弹性形变的性质，使得粒子的运动引起一种不同于宏观介质的波动，波动频率正比于粒子能量，波长却反比于粒子动量，波动强度随着与粒子的距离增大而衰减，粒子的速度越大、质量越大，衰减得越快，最为奇特的是，粒子运动在标量引力场中引起的波动，在能量和动量等方面永远与该粒子融洽而成为一个整体，就像一个光子，无论传播的距离多远，它含有的能量和动量仍然是一个整体。粒子的运动在微观上已经不再独立，这使得电子双缝干涉现象得以存在，电子不管穿越哪一个缝，引起的波动总是同时穿越两个缝，这就引起了波动之间的干涉，但电子和这些波动能量又永远是一个整体，所以我们又能观察到一个个的电子。
尽管爱因斯坦认为广义相对论是一种场论，但相对论和量子力学显得很不协调，尤其是狭义相对论，纯属时空理论，与“场”没有任何关系，甚至排斥场，把真空看作没有任何物质——包括没有场——的空虚空间。本文提出的基于经典时空观念的相对运动原理，它同时建立在引力场基础之上，认为光的传播等物理事件依赖标量引力场而存在，这注定它与量子力学的关系融洽许多，一旦人们证实物质波也依赖标量引力场，找到普朗克常数与引力场标量积分或四维弯曲体特征半径的关系，并且获得光速C与纠缠态信息传递极大速度之间矛盾的深层原因，把两者联姻起来，物理学将重新回到一个整体。