空时、引力和物质的关系-《量子动态宇宙》探讨宇宙学基本问题

1）空时与引力各自的独立性

量子动态宇宙的空时与引力理论，并不排除在空时与引力之间存在联系。不过该理论认为，这种联系是在各自本源独立的条件下的联系。同时还认为，这种正确联系发现之前，必须首先明确什么是空时，什么是引力，不然，将无从谈起它们二者之间的真正联系。量子动态宇宙的空时与引力理论认为，空时尽管在微观与宏观具有不同的性状，但它最基本的属性是：空间的广延和时间的持续。对于引力，研究认为，它是由物质（及其所携带的某些属性）所激发出的一种力。爱因斯坦是把引力与惯性力在质量上所表达出的等效性作为原理，建立起来了广义相对论。然而，按双变量统一理论，引力并不能单独支承空时的基本广延性和持续性。在空时与引力统一的世界中，由节5.1.4可知，引力和空时的运动规律，是分别由不同动力学方程掌控着的。故，在对物质的关系上，空时与引力存在着根本差别。广义相对论某些研究中提到的所谓“弯曲时空”的行为，我们已知道，实际上描述的只是依托Minkowski空时M'所表达出来的引力的行为。所谓的“时空对称性”，实际上也只是空时中分布的引力场的对称性所造成，并非是Minkowski空时M'的对称性，也并非是一般空时M的对称性。从而，双变量理论中，正如前述，空时与引力在本源和性状上，都具有相互独立的各自性质。这些性质的分别揭示，也就是说，对引力与空时的分离表述，是深入发展有关空时与引力理论的前提条件，有了明确的空时与引力的概念，才能正确地找到二者间的联系。不把空时与引力做彻底分离，将是在一定程度上，续延以引力替解空时的惯悟。

2）空时、引力与物质的运动

我们知道，物质连同物质粒子间的相互作用力，都存在于空时之中。我们认为，广义相对论与量子力学和量子场论三者研究的引力与粒子和场所存在的空时，都可视为是相同种类的Minkowski空间M'。物理学已经验证，Minkowski空时M'对于粒子物理所建立的量子力学和量子场论而言，作为空时背景是恰当的。双变量理论认为，这是因为在微观粒子存在与相互作用的十分微小尺度下，空时M的非平坦起伏，在地球上的物理实验中，并不能显现出有效作用所致。(www.xing528.com)

平坦Minkowski空时作为背景，便于描述微观粒子的运动规律以及它们之间的强、弱和电磁三种基本力的作用。这三种力，是物质粒子间的相互作用力，它们与物质粒子一样，只是作为客体存在于空时之中，并没有确凿的证据表明，它们与空时之间存在实质上的相互干涉。就是说，空时对这三种力提供的只是存在的条件。对于引力而言，我们认为，它也不是空时几何产生的一种力，但对于引力，空时不但提供了它存在的场核，而且还在它的产生和行为上，提供了描述上的依托。在双变量统一理论新近的关于空时和引力的量子化研究中，空时M的曲率甚至被引入到引力量子化的程式之中，用以消去引力量子化产生的发散。空时与引力组合度量gμν（x）表式（5.8）的存在，以及广义相对论中度规张量gμν（x）表式（5.7）的存在，都充份地揭示了对引力行为的表述是离不开对空时的依托的。引力与空时的特殊关系，使得物理学不能如粒子理论那样，大范围上利用Minkowski空时和Poicaré不变性相对独立地建立引力理论；而是在利用Minkowski空时的同时，在大范围上采取微分同胚不变性代替Poncaré不变性（以便实现张量计算），来建立理论，得到的即是广义相对论。然而广义相对论的不同特征是其中还存在另一原理，即等效原理，这成了使空时与引力存在联系的一种纽带，并常常使一些研究者把引力也当成了空时。从而，引力质量与惯性质量的等效，或者说，引力与惯性力由质量表达出的等效，成了相对论的另一块基石。它也是宇宙中空时与引力关系的一种根本链接，同时也是爱因斯坦的伟大发现。关于微分同胚变换在广义相对论以及双变量统一理论中的地位与作用，我们在节5.5中，还将进一步阐述。

空时与引力组成的二元世界M，是对量子动态宇宙中空时与引力相互关系的一种新表述。我们曾指出，广义相对论只揭示了宇宙中引力的宏观行为；而对于空时，它在作为背景的抽象Minkowski空时之外，并未揭示出任何新的信息。物质在广义相对论描述下偏离直线的测地（运动）行为，实质上演绎的仅仅是由引力作用决定的行为。而在世界M的图景中，我们已指出，目前研究条件下，物质并不能决定空时，空时的演化是宇宙的另一基本自由度；物质只能决定引力，或称物质是嵌入在引力场之中。而且我们还认为，物质的测地行为将由组合（或绝对）度量决定。从而，与广义相对论的体制不同，这一理论描述的宇宙物质的测地运动，除有引力扰动hμν（x）参予决定之外，空时度量ημν（x）也具有决定作用。即，在不存在引力的条件下，空时M自身将决定其中物质的运动。不过，不同物质对空时M作用的应答，允许存在不同。换句话讲，只是在世界M的双变量理论中，才充分地表达了空时对物质运动的决定作用。这一性质，使作为量子力学纯关系的空时，具有了可能的物理效应。对这一效应进行预言，是双变量空时与引力统一理论的重要特征。广义相对论在宇宙的宏观尺度，利用引力作用，成功地解释了行星的进动、光线轨道的弯曲以及光谱红移等现象。然而，不能排除，由于在地球周围的这一宇宙宏观尺度还不够大，空时度量ημν（x）=εμν（x）ημν中的演变参量εμν（x）的改变处于不活跃的状态，使得空时M的性状对物质和物质粒子运动的影响并不明显。不过，也同样不能排除，在空时的宇观和趋向无穷大尺度，以及微观几近Planck尺度，空时度量演变参量εμν（x）会显现作用，甚至起主导作用。在如此思考下，并无须引入体制之外的其他假设，目前宇宙学中的一些基本问题，例如第2章中的标志性问题，会得到从不同角度的探讨与求解；同时，对宇宙也将带来新的描述图景。关于这一问题，在下一章中还将继续讨论。