量子动态宇宙及其基本观念

1）宇宙大爆炸事件

关于量子动态宇宙理论中空间与时间形成4维空时的过程，这里可以提到两种描述。一种是，无论何时何地，只到回缩到Planck尺度，那里就存在着由混沌状态的体积、面积量子形成有序空时的过程。这种过程从何时开始，将持续到何时结束，实际上是目前物理学（不使用假设）并不能回答的问题。另一种则是，在微观Planck尺度由无序的体积与面积量子形成初步有序的空时的过程，早已完成。目前空时已进入到形成之后的漫长发展与演变的时期。不过，无论是如上哪种描述，都可以讲，空时均是由混沌之中的各种离散量子（或自旋网）经编织而成。顺便指出，空时自身在演变过程中，亦允许存在尺度上的巨大激发与改变，甚至是爆炸式的改变；不过，这并非是“点的大爆炸”、也并非是“宇宙的起源”，而是在有限尺度上空时自身自然发生的突变。

我们知道，相对论本身逻辑上并不预示空间是否有限和无限；也不认为物理时间的流逝有起点与终点。由爱因斯坦方程及其验证得到的信息是，相对论是个定域和局域性理论。广义相对论自认它研究的4维流形M'是“时空”或“弯曲时空”；即使是如此，那么最大可能也只是这一“弯曲时空”仅是宇宙的一个部分，广义相对论无法证实这种时空是全部真实的宇宙。量子动态宇宙理论的空时观与广义相对论的时空观，在这方面具有某些一致性。现有体制下，它也得不到宇宙空间有限，物理时间有始点和终点的结论。这一特征，与宇宙大爆炸是创生真实宇宙的物理事件的断言是不能相容的。

对于物质粒子的产生，我们认为，大爆炸理论目前给出的只是一种十分粗糙的说法，从构建真实物理理论的角度，这种说法是无法被接受的。目前圈量子引力的创始人，如Rovelli和Smolin等认为，可以把物质粒子看成是来自于宇宙中的某种激发，而并非是机械式的爆炸。这种激发可以起源于空时曲率、引力场、能量以及其他的未知宇宙要素。虽然这种思路的展开，需要大量研究成果出现，但它的理论深度及其在物理学中的地位，被一些探索者认为，是一种颇具物理智慧的构想。

我们知道，量子动态宇宙是从微观Planck空时尺度入手，建立起来的理论。这一宇宙理论认为，在宇宙的这一尺度，空间时间是以离散的量子单元聚合而成。空时的明显特征是具有非连续性。从而数学上的传统解析分析和取连续极限的手段，在体制上为空时本身所不允许，故而即使采用连续思维手段从宏观广义相对论的时空向微观方向追溯，得到的有效结果，也是达不到Planck尺度，更达不到作为一个点的微观零尺度的。所以，类似产生大爆炸奇点的这种东西，在这种宇宙模型中是无有存身之处的。这一观点与目前以Ashtekar为首发展出的圈量子宇宙学理论，存在不谋而合之处。双变量度量理论目前认为，空时和物质各有自己的本源，它们是彼此独立的，各有自己的运行与演化规律。把它们二者捆绑在一起从“零”进行爆炸，这种事情在这一理论中从根本上是无法想象的。

2）R-W度规理论

我们知道，在数学和物理假设下，宇宙学走上了R-W度规引导的发展道路。R-W度规理论取得的最为重要的物理成果，是以它为指导观测到的宇宙膨胀以及用R-W度规对宇宙膨胀的解释。对于宇宙膨胀的发现，R-W度规理论做出了贡献。但我们认为，宇宙膨胀本身似与宇宙具有整体形状，特别是具有有限的封闭3维空间，并无必然联系。R-W度规中的空间尺度因子（参见（1.5）式）与物质平均密度，可以对宇宙膨胀进行某种描述，不过把这种描述当作对它的根本解释，这并不具有严格的唯一性。宇宙论的研究中，对宇宙空间的膨胀和缩小，也存在着其他的描述方法和解释方式。

比较R-W度规（参见（5.31）式）与广义相对论的时空度规（参见（5.45）式）不难知道，R-W度规中出现了专门用以描述4维空时中的3维空间尺度的特征，而且它在宇宙学的空时研究中，几乎代替了广义相对论的时空度规。迄今为止，R-W度规近乎离不开这种特征来描述空时的宇观尺度，在对这一尺度的研究上，它取得了大量的理论成果以及等待验证的预言。我们已指出，对于双变量统一理论而言，在选取一定条件后，可以在开放的体制下得到类似的局部结果和预言。即，从双变量理论角度，则意味着这些结果目前尚无充分的理由认为是，对整体宇宙所作出的结论。

对于宇宙微观尺度的研究，尚未发现R-W度规较为公认的成功使用。在宇观面向无穷大尺度的探索上，R-W度规得到的结果是，构成宇宙的3维空间可以是有限封闭的和无限开放的两类。这里我们说，宇宙是一切事物中最具崇尚意义的东西，如此结果，好似宇宙的命运可以被把握在研究者股掌之中一样，曾被一些作者认为是R-W度规的“万能”；但也有学者指出，这体现的只是R-W度规在假设下的一种数学不确定性，说明这种宇宙理论尚处于发展的初期。这种结果是否是对真实宇宙足够中肯和完整的描述，是个尚需进一步验证和获得更多理论支持的问题。作为真实的物理结果，应当具有更严格的要素。特别是对宇宙而言，哪怕是进展看似不大，但逻辑唯一和本质明确的论断，才适于对它的描述；含糊不清的可能性，并不排除可能导致对宇宙探索的重大偏离。量子动态宇宙理论认为，只从广义相对论和量子力学的基本原理出发建立的宇宙理论，得不到宇宙存在终极奇性和整体形状的结果（该理论目前的发展战略，也不体现在这一问题的探索上），并且认为这些结果的得到，不论在理论上和观测上都显得缺少事实上的完备性。而且，对于真实宇宙而言，R-W度规使用的假设，显得过于具有目的性和人为体制局限性；从而，双变量理论中无法存在有关宇宙空间有限和时间有起点的观点。同时认为，R-W度规理论的主要成果，仍是集中在对宇宙空时的局部探索上以及对宇宙学发展的阶段性推动上。R-W度规理论需要用宇宙观测作为依据或进行自身的修订，这表明它仍是一种离不开以宇宙局域特征做根据的理论。我们认为，这是这一理论成功的一面，正是这一方面，使得它在宇宙论中取得了非凡的建树。而它对宇宙所进行的整体几何描述，则是它的另一面，这一方面却摆脱不了是数学手断所致结果的干系，与对宇宙图景的真实刻画，可能还相差尚远[1]。从发展上看，R-W度规得到的结果即使作为模型，目前也并不完全适用于全部宇宙尺度的根本和全面的描述。宇宙只存在一个，任何有限条件下的局部结果，都不能用来代表真实的宇宙；否则，将会对宇宙的研究从根本上带来疑难。

我们知道，R-W度规满足爱因斯坦方程，它具有广义相对论的血统。它虽然可把3维空间从4维空时中层层剥离开来；然而，从双变量理论看来，它的3维空间与广义相对论中的所谓3维空间并不做区别。也就是说，R-W度规理论中研究的3维空间，仍是纯空间自身与引力构成的二元流形。用它解释观测到的天体（如类星体等）的相互远去和探求远去的原因，仍然离不开使用广义相对论框架下的引力（含斥力）作用的理念。从而，根据R-W度规得到的宇宙膨胀以及对宇宙膨胀的解释，通常是仅限于在考虑物质的行为以及引力的作用方面，实际上，并未涉及（甚至不知道）是否是考虑到了双变量理论认为的空时自身。换言之，对由R-W度规得到的宇宙膨胀、特别是巨大的膨胀而言，这种膨胀标志的确立以及对膨胀原因和意义的解释，据目前所知，是尚需进一步明确的问题。

从双变量统一理论的角度而言，宇宙膨胀可以存在空时膨胀和引力膨胀两种可能的机制。我们曾指出，其中的空时膨胀，在特定条件下，可得到与R-W度规类似的对宇宙的描述结果。也就是说，据双变量理论，不排除R-W度规描述的宇宙膨胀其实是空间自身膨胀的可能。

顺便指出，由于双变量统一理论认为，在微观Planck尺度量级广义相对论连同R-W度规理论都是不能适用的，故空时奇点定理对真实宇宙而言，实际上是无效的。(www.xing528.com)

3）空间的均匀性与各向同性

我们知道，空时的概念在双变量理论中和广义相对论等理论中，是截然不同的；空间的概念也是如此。广义相对论中的空间通常可以含有引力存在，即把含有引力的空间也说成是空间（或弯曲空间），所谓的“空间均匀性”，实际上也往往指的是其中引力场分布的均匀性。而双变量理论认为，这种均匀性并非是真正空间本身的均匀性，而且，广义相对论中引力场的存在是受爱因斯坦方程控制的。

对于双变量统一理论而言，空间的概念中并不存在引力扰动，它的性状是由统一理论的空时方程控制的（见（5.29）式），并非由引力方程控制。在这一理论中，空时与引力不仅是完全不同的概念，而且对于空间而言，并不对它的均匀性或非均匀性进行预设；简言之，它是怎样的都行（这应看成是空间本身的面貌），都可以按自然状态进行探索。这一理论在宇宙宏观尺度阶段，不排除作为研究条件认为空间是均匀的，但这只是各别条件下的特殊结果，与把整个宇宙空间都如此表述，是根本不同的。而在微观Planck尺度附近以及宇宙趋向无穷大的尺度，该理论目前也并不需要空间均匀的总体假设。这是因为，这一假设与前一尺度在原理上存在某种意义下的背反；而与后一尺度则于事无补。因为后者正是展现宇宙中空时与引力的多变和浩大演化的尺度。

对于空间各向同性而言，与空间均匀性类似，这一性质的存在与否，在双变量理论中也用不着由假设来决定，而是由空时方程以及独立的空时变量而决定。我们已指出，由于圈量子引力所使用的几何是非对易几何，这将促使人们在不排除空间各向同性可以局部存在的同时，更加面向空间各向异性的探索。这里指出，不对空时与引力加以区别，认为宇宙空间中任意两点等价并以此为基本原理奠定宇宙学的研究，这在根本理念上是与双变量理论不相容的。

总之，空间各向同性与均匀性，除概念上不同之外，这两种性质并非是统一理论的永久条件，更不是理论成立的基础；然而，这一理论并不排除一定条件下，利用这些人为手段进行探索，得到某些具有局部意义的结果。不过再次指出，这种手段得到的结果，在双变量理论中，是关于空时自身的局部和个别的结果；并非是引力场的结果，也并非是关于整个宇宙的结果。

4）空间中的物质分布与马赫原理

物质的存在状态，作为它在宇宙中所代表的一个方面，能够较为精确地写出质量张量并通过爱因斯坦方程求出引力度规解的，并不多见。但人们并不怀疑，物质决定引力这样一个结论。即使是在广义相对论中，也是物质决定了度规张量gμν（x）中的引力扰动。这是因为，广义相对论得到的验证虽然并不普遍，但爱因斯坦方程在质量张量Tμν和爱因斯坦张量Gμν之间建立的相互关系，在物质分布及运动状态更为一般的情况下的成立，并不包含概念上的转换和适用范围的扩张。从而，爱因斯坦方程在局部条件下的确立，并不失其普遍意义。

对于双变量理论而言，在物质决定引力（并非空时）的意义下，与广义相对论是一致的。而且双变量理论认为，物质分布均匀只是对物质分布的一种局部和有限条件下的最为简化的处理手法，并非必须把物质分布真的当成均匀的，更无必要认为整个宇宙的3维空间中，物质分布是均匀的。而是相反，该理论认为，在任何宇宙尺度物质都不是均布的，而且这是物质分布的基本特征。在双变量理论或其他理论中，如果一味地认为全部空间中物质分布是均匀的，将在很大程度上失去理论的意义与活力，甚至导致对疆板的空时图景的过度追求与迷恋。事实告诉我们，即使是在广义相对论的体制下，物质分布均匀作为假设来应用，它的适用性也是十分有限的，并且所得结果的真实性也是需要审慎对待的。例如，对于马赫原理在广义相对论中是否成立的问题，一些研究者获得的是负面的结果。其中Adler等人（1975）认为，在相同物质分布条件下，通过爱因斯坦方程，将可以得到两种不同的度规解，一种是R-W度规；另一种则是Gödel度规。Adler等人指出，这两种度规所描述的空时几何是不同的。也就是说，通过爱因斯坦方程，在广义相对论中并不能建立马赫原理。从而由3维空间中物质分布的均匀性并不能得到它决定了空时自身均匀性的结果。这一结论，恰是在双变量理论出现之前的相对论条件下，对马赫原理的一种否定。这说明，爱因斯坦方程对宇宙中引力的描述，可以得到被物理观测验证的精确结果；但把它对引力的解释当成对空时自身的解释，无论是对广义相对论中的时空还是对双变量理论中的空时，都将会出现问题。

从双变量空时与引力统一理论看来，马赫原理认为的一个物体的惯性是由宇宙中所有物体的存在所决定的说法，实际上是抛开了空时，只从物体存在的角度表达的惯性。而事实上，缺少了物体或缺少了空时参与，都无惯性可言。双变量理论则认为，惯性是空时原始对称性在经典运动学意义下通过物体运动的一种再现。惯性的存在，依据于空时及其性质，而表现在物体的运动之上，它作为媒介传达的是空时与物质二者间的一种原本关系。即，惯性并非是可以脱离空时特征的、只由物体（或物质）决定的属性。在弯曲空时的条件下，将不存在惯性运动。也就是说，惯性不可能成为宇宙中所有物体的存在在一个物体上所产生的一种抽象物理结果。如果以马赫原理来表达惯性的动力学生成，则将无法找到它的真实物理根据。同时，也不利于对空时、物质、引力及运动之间，原本关系的深入探讨。我们认为，只要空时是弯曲的，纯空时自身就将通过它的度量规定物体的测地运动，这种运动，将不是经典的惯性运动（见本章节6.2之3））。

双变量统一理论还认为，物质在3维空间中的分布状态，所决定的只是引力场的性状，与空时自身并不相关。在宇宙理论的研究中，局部范围和局部条件下得到的结果，都不能用来代替对整个宇宙的认识。