量子动态宇宙：宇宙学中的空时演变与宇宙膨胀特征

1）宇宙膨胀

在宇宙学的大尺度研究以及关于空时与引力的实验验证上，宇宙膨胀的观测结果，占有特殊重要的地位。在节2.2中我们曾指出，传统的宇宙膨胀主要指来自宇宙空间的膨胀。观测表明的事实是，越是在宇宙的大尺度上，这种宇宙膨胀显得越明显。至于对于宇宙膨胀产生原因的解释，宇宙论的研究中，存在不同观点，其中最具代表性的是暗能量与暗物质等的参与所引起的宇宙膨胀，我们曾在节2.2中，把这种膨胀称为引力膨胀。就是说，这种膨胀中并没有明确表述出纯空时自身的膨胀行为。

在节5.4.1中，我们曾表明，双变量空时与引力统一理论的研究尺度，也适于宇观和宇观面向无穷大尺度。并且认为，这一尺度将是揭示宇宙空时大范围演变特性的最佳尺度。由于从观测做出的结论表明，宇宙物质将随着协动坐标系一起，在相互不断地远离，而远离的原因尚不能确定。这对于双变量理论来说，提供了用它的空时度量部分的功能加以解释的机会。对于双变量理论，它的空时与引力是相互独立的，在不必考虑（也不排除）引力膨胀的情况下，空时膨胀可用于自行解释随动坐标系的产生，并且将裹挟其中宇宙物质相互远离。从而可把这种远离的信息，当作引起空间膨胀的信号加以研究[2]。也就是说，对双变量理论而言，宇宙中可能存在空时自身的非引力膨胀（含空时自身定域的不规则的特性膨胀）。双变量空时与引力统一理论甚至认为，由于这一理论认为空时是开放的，在趋向无穷大的空间尺度上，允许思考可能有多样的甚至不尽的空时与引力特性的存在。双变量理论以及广义相对论，都只是这多种多样理论中的一种。也不排除，人类认识的世界，无论怎样扩大，它始终是宇宙的一部分。

量子动态宇宙理论，不排除空时自身具有明显的（甚至是极端的）膨胀特性的可能。无论是在宇观或在微观，空时自身的膨胀都可以存在。这实际上也是空时方程（5.29）的结果，我们知道，Minkowski空时M'、Rμν=0空时以及其他特殊空时，都是方程（5.29）的特解。而对于类似后种的空时而言，它在空时的某种尺度（例如微观尺度）上，不排除产生巨大的（甚至是机械爆炸式的）空时膨胀或空间爆胀的可能。这在有观测证据的条件下，对宇宙某种特殊形态的膨胀，将给予理论的支持。当然，无须详细说明，这种爆胀一定是在有限的空间区域中进行的，而且是空时自身的性状所允许的自然演绎。

2）宇宙膨胀的特征及暗物质与暗能量

宇宙膨胀的减速与加速，也是来自宇宙学理论及其观测的一种结果。在节2.2中我们曾指出，目前宇宙学大量研究工作是企图利用暗物质与暗能量的存在，来解释宇宙的动态行为及空间膨胀特征的。按现行宇宙学理论，宇宙中被发现的物质只占总量的4％，占总量96％的是暗物质与暗能量。宇宙中如此巨大的未被发现的物质与能量的存在，引起了物理学家、宇宙学家的深切关注，并试图从多方定义和发现它们，同时也试图找到其他途径助以解决。暗物质与暗能量的引入，其突出的目的是用来维系各种宇宙结构的稳定存在，并解释宇宙膨胀及膨胀的减速与加速，所利用的机制仍然主要是宇宙中的引力（含斥力）的作用，而且目前尚无有公认的明确理论推出。引力作用通常只能通过宇宙中引力物质的有关行为来进行观测与推断，物质的行为又是发生在空时之中，故空时自身的膨胀以及膨胀的减速与加速，对宇宙中引力物质行为的直接影响是不言而喻的，这种膨胀（含负膨胀）不可避免地会使其中（作为膨胀标志的）物质分布状态受到改变，而出现随动效应。甚至可使由物质形成的宇宙结构发生巨大变形。宇宙将是引力与空时度量两种作用下的动态平衡体系。空时的作用，将是影响天体在宇宙中获得位置的原因之一。从而，不但双变量度量的引力部分可以用来解释这一观测结果；而且空时部分同样也可以用来解释这一结果。特别是对于宇宙膨胀速度改变十分巨大的宇宙阶段，空时自身的膨胀特征将具有更为明显的效果。也不排除，宇宙巨大范围上结构的形成及膨胀状态，是受到统一理论空间时间张量与引力的质量张量共同支配而产生的结果。空间时间张量的构成，在双变量理论中仍是个需要进一步探讨的问题。不过，据双变量理论可以设想，这一张量的载体显然不能发出被接收到的辐射，并且它的物理效应将出现非通常粒子相互作用的传递方式。这种载体与暗能量和暗物质具有某些相似之处，但原则上是不同的，它是双变量理论预言并通过空时方程来决定空时自身膨胀特征的。这种载体我们暂称为鸿汤能量。这是一种另类的能量，它可能与使空时成为高度激发态的动因或其他深层宇宙要素有关。通常的探测手段，并不能直接发现它，但在未知的宇宙“浮图”上，它可能会以无法抗拒的魔力，摆布着现实世界。这样一来，也就是说，宇宙学现行研究中对暗能量与暗物质（通常属于引力作用范畴）的某些依赖，将会被减轻（甚至不排除并不需要用某些这样的概念来解释宇宙中星系团和超星系团等的稳定存在及宇宙膨胀的特征，而是用这里的空时自身膨胀或引力叠加机制取代）。

3）光谱红移与测地运动

目前，物理学发现的光谱红移有多普勒红移和引力红移两种，这两种红移与发光体的运动速度和所走过的路径中能量的消耗有关。按双变量度量理论，一定条件下，这两种光谱红移下光所走过的空时可视为是Minkowski空时，光只是在以这种空时为背景的引力场中进行运动。一些宇宙膨胀的断言，主要靠光谱红移观测及所做的结论而得。双变量理论还认为，光谱的移动除具有与广义相对论中经常讨论的如上两种红移类似的移动原因之外，尚存在由弯曲空时M的度量ημν（x）（或εμν（x））引起光谱移动的可能。即认为空时度量演变参量εμν（x）将携带空间时间联手形成4维空时的原始节律所赋予的密码，进入到空时度量ημν（x）中来。这将从更为根本的角度（来源与坐标系无关），提供全面解释光谱红移以及进行光谱观测的可能。

对于宇宙中物质的运动而言，广义相对论认为，物体或质点的运动是测地运动。我们有时称这种测地运动为引力测地运动。这是因为，引力存在与否以及怎样存在，决定了这种测地运动对平直空间中测地运动轨迹（即直线）的偏离。当然，这并不意味着空时度规在这种测地运动过程中，并未起作用；而是说，空时是以Minkowski度规ημν的形式在不变地起着某种支撑作用。一旦引力不存在，质点将在度规ημν几何的允许下，做测地（直线）运动而不能自行改变。在双变量理论描述的宇宙中，物体或质点的测地运动，在引力不存在时，依然存在。我们认为，空时M自身的度量ημν（x）将具有支撑质点测地运行的能力。在空时弯曲的条件下，这种测地运动将偏离直线。在空时平坦条件下，这一运动将是直线和匀速运动，并且不能改变；物质的这一运动特征，便是它的惯性。

或者说，在空时与物质的关系上，惯性既是空时性质的一种根本体现，也是物体存在的一种固有显在属性。也可以说，物体的惯性运动（或惯性系）将形成运动等价类。惯性系对表达惯性，即物体运动速度不变，是等价的，所不同的只是，不被改变的速度各异。这种速度，则是区别等价类成员的标志。这等于说，在无有力作用的条件下，惯性意味着自然界中的物体将处于空时中的相对运动之中。这是空时与物质二者作为自然存在，能够溯源回归的一种天然裸关系。故，惯性也可说成是物体从空时那里得到的表征空时及自身运动特征的一种属性。它表明的实质是，运动是世界的根本特征，运动是物质存在的固有状态。

这里，我们把改变物体惯性运动所需的力，统称为惯性力。它在起源上与引力并不属于同一种力；但广义相对论认为，一个物体展现惯性力的质量与展现引力的质量，是等效的。从而，物体的惯性运动与引力运动，以及二者在组合度量下的改变，具有了共同表述下的同一“质荷”。这样，空时（弯曲）、惯性力、引力，在运动的根基上，获得了支撑世界的共同节点。这一节点的存在，是自然界创生之初原始基因构成的一种基本链接结构的体现。正是这种基因结构，从根本上规定和主宰着世界的基本秩序。从而，引力在世界中与惯性力以及空时度量，共同具有了可以明确区分并进行叠加描述的本源。简略而言，从根本上说，双变量理论认为，由物体的惯性运动表达出来的惯性力在自然界中可能存在并进行演绎的根由，归根结底是源于（或离不开）空时及其性质，物质则是体现惯性力的载体；而引力的存在，则是起源于物质。可以讲，空时是惯性存在的依据，质量则是衡量惯性大小的量度。

这样一来，决定和改变物体运动的除了引力扰动hμν（x）之外，自然还有弯曲空时M的度量ημν（x）。不过，不能排除空时M的度量与引力扰动二者在宇宙中产生的效应（含对同一物质和对不同物质运动的影响）并不相同。就是说，在双变量度量描述的宇宙中，是组合度量或绝对度量

在支配着宇宙中物质的不同运行与演化运动[3]。从而除了引力的存在可使物质的运动产生测地偏离之外，空时自身的弯曲也有使物质的运动产生测地偏离的可能。显然，按双变量理论，广义相对论中物质的运动其实并非由空时决定，空时在这一理论中的作用是处于受限的被动不变状态。而双变量理论则认为，其中的空时（与引力一起）对物质的运动起到了积极地支配作用。同时，这也可能是导致以往观测结果计算上，使宇宙被认为膨胀的一种原因。不过，这里进一步指出，利用双变量理论解释观测到的天体的光谱红移（如类星体的红移），不一定都得到其远离速度必定是那么大（甚至超光速）的结论。

这种作用体现的将是作为动力学系统的空时对其中物质（含尚未被发现的物质形态）运动的一种固有的影响，它与自然界中存在的强、弱、电磁和引力四种力对物质的作用具有某种共同的性质，但它们之间是根本不同的。这里把产生这种可能动力学效应的作用，类称为宇宙中来自空时的“第五种作用”。

4）关于黑洞存在的质疑

双变量理论把空时与引力纳入了同一个体系，即二者形成了统一体M，以便于对二者的区分和联系进行深入的探索。这意味着广义相对论描述它的世界M'使用的度规(www.xing528.com)

在双变量理论看来，都应当用它描述的世界M的度量

替代。这将为宇宙中寻找空时演变参量εμν的存在，提供大量的机会。我们知道，在我们了解到的通常状态下，它可能隐藏得很神秘；但不能排除在物理实验与理论结果不能完全符合的“缝隙”中，在未知的空时尺度以及已知空时尺度的不明事件中，或在与尚未发现的物质和运动形态的联系中（即这种尚未发现的物质或运动形态，对空时度量的作用具有感知效应），存在它的身影。

这方面可举的事例相当多，这里以黑洞视界的存在问题加以讨论，并把由广义相对论预言的黑洞称为广义相对论黑洞。我们知道，广义相对论黑洞是由它的度规表式（6.2）的具体坐标形式的计算而得的（参见（2.2）式和（2.3）式），即这种黑洞视界的存在是利用有如（2.2）式和（2.3）式的度规形式所预言的。当认为世界是空时与引力统一的世界时，同样可以讨论其中黑洞能否存在的问题，但使用的度规应为度量（6.3）式。该式中决定黑洞视界的变量不仅有引力扰动hμν（x），还有空时度量ημν（x）参加。由于εμν（x）和hμν（x）构成的是统一世界M的统一度量，参量εμν（x）的参予将对引力扰动hμν（x）的作用结果有所加强或抵消，故这将对广义相对论黑洞视界的形状及其存在产生实质性影响。从而，可得到的一个初步结论是：广义相对论黑洞在理论体制的考虑上，有可能是缺乏充分与严谨的保障的。对于这一问题，我们进一步的研究则表明，虽然不排除临界条件下（参见节6.3之1））对广义相对论黑洞存在的探索，然而我们深入探索得到的认识是负面的，即目前流行的广义相对论黑洞代表理论告诉我们的是，这种理论可能都存在根本问题，它们目前都无法作为黑洞存在的真实理论被采纳。从而不能排除广义相对论黑洞视界无法出现，以致根本上不能接受广义相对论黑洞存在的结果。即简言之，迄今为止，广义相对论黑洞理论自身，只能是使我们认为，这种黑洞在自然界中其实并没有存在。

然而，研究表明，可能会存在另一种结果，即不能排除，由于εμν（x）和hμν（x）的相互抵消，会使恒星周围的世界M变成局部迷向世界，或使光的坐标速度为零，这样将存在使恒星变成节2.2中所提到的隐星的可能。隐星存在的空间区域可称为暗区。同时，由于隐星是空时度量ημν（x）和引力扰动hμν（x）发生微观量子关联所致，也不排除，隐星周围可以漏射出十分微弱的辐射来。

黑洞是空时在宏观坐标化后，通过坐标系所预言的结果。坐标系在物理学中，通常被当作参照系使用。参照系的基本功能只是起参考对照作用，并不与所描述的对象发生干涉。如果发生干涉，则坐标系便进入了既是参照系又是被描述对象的双重角色。这将无法排除，把来自坐标系的信息当成被描述对象性质的可能。似乎物理学并没有先例告诉我们，坐标系在具有这种双重角色下，提供的信息也肯定是真实的。若坐标系在任何情况下都作为参照系而不与所描述的空时系统发生干涉，则这种坐标系起的是客观描述的单纯作用，所描述的结果无论正确与否，与坐标系是相对独立的。这种独立性，反映了结果存在的客观性。对于相对论理论，据我们所知，情况比较复杂。广义相对论的重大实验中，坐标系（即坐标）通常是用以提供真实物理空时并表达其某种性质的，但它所描述的直接对象并非空时自身，而是空时中物体（或物质）的某种运动。是通过这些客体及其运动，反映了空时的特征。在这里，被描述对象的运动特点，由空时特性决定，坐标系可视为起的是参照系的作用。即坐标系本身及所描述的区域本身并非直接是被研究的对象。而对于黑洞而言，视界表面以及视界之内，坐标系或坐标所起的作用与如上实验中的作用却存在不同。该区域的坐标集合不仅代表了真实物理空时，并携带了空时（引力场）的特征，而利用坐标研究的也正是引力场，引力场又唯一地决定这种弯曲空时。就是说，坐标一方面是对被研究对象即空时的一种标定，这种标定的意义与参照系的意义具有一致性；但另一方面，坐标本身又有了与被描述对象间的直接联系。粗略地讲，这一空时区域转变成了点的坐标的集合，而坐标集合描述的引力场又直接与这一空时区域相干。在空时自身的主动微分同胚变换下，坐标体现的就是空时中点的运动性质。所以，坐标在这种描述中的作用，并非单纯。它一方面是参照的工具，一方面又在一定意义下代表了被描述的对象。它的这种“身兼二职”（甚至“多职”）的现象可能与物理学通常参照系中坐标的作用存在不同。这是关系到节2.2中提到的“物理坐标系是否忠诚（即坐标系提供的是否是真实的物理）”的问题，在作者看来，这也是需要讨论和进一步经受验证的物理学基本问题，特别是在特强引力场的区域更应如此。我们认为，这些问题是关系到广义相对论黑洞是否存在的根本问题。这些问题未得到澄清之前，额外地宣谈黑洞的存在、特别是以其为根据进而描述繁褥和离奇的宇宙演化图景，是没有更多意义的。也就是说，在坐标“身兼二职”的状况下，不能排除会存在把坐标系本身的数学信息当成空时自身物理性质的可能。而且，在当前有关黑洞形成的某些经典理论中，似乎存在把假设的物理过程中物质的坍塌运动特征当成空时特征的臆想作为物理根据的思考。而这将带来空时坐标、空时本身及空时中物质运动特征三者的混淆。进一步可指出，目前黑洞理论的根本向题还在于，对恒星（或星系）的坍塌和黑洞中心奇点的形成过程这一基本问题，无法做出符合现代科学或令人信服的解析表述。实际上被给出的只是一种抽象的极限思辨式的笼统推理。这种非本诚的推理及得到的结果，我们认为，是不能被当作根据来发展理论的。而且，这与当代物理学在观念上是不能相容，也是在现实上无法实现的。对于如此重大的科学论题，存在这样的内在致命缺欠，是不容回避和不能允许的。而且，利用经典坐标对空时从宏观到微观零尺度进行统一表述的思维方法与空时描述上结构所招示的改变是不一致的，这种做法的可行性和真实性是遭到圈量子引力空时与引力量子化理论的根本质疑的。从而，在这样一些问题未被论证清楚之前，理论上过早地肯定广义相对论黑洞存在，这是不符合科学发现的基本逻辑的[4]。这里指出，附加信息，实际上是可大量存在的，只不过在正常情况下，它是应与空时自身性质相一致的，或根本不相干。

我们认为，利用广义相对论自身质疑黑洞的存在，还是会受到广义相对论体制的限制的。双变量度量理论研究表明，广义相对论是在空时与引力量子化临界状态下的一种对引力进行描述的经典表观理论。换句话说，它是一种只能将Minkowski平坦空时作为结合的背景、靠自身信息不能量子化的非微观小尺度上的引力理论。以史瓦茨西尔德黑洞为例，广义相对论的研究认为，这种黑洞物质在其周围所建立的度规解，将存在两种奇异；它们分别发生在史瓦茨西尔德半径和坐标系原点。并认为前者是种数学奇异，从而可以被清除；而后者则为内在奇点，是无法被解除的。而从双变量理论而言，这一理论认为，即使是在以Minkowski空时为背景的条件下，不但前一个奇异可以消除；而对后一个所谓内在奇点而言，得到的结论是：它实际上不能被认为是真正存在的。这是因为该理论研究表明，从广义相对论得到的度规解，只适于对世界表观（或宏观）尺度进行唯像描述，而不适于对微观Planck尺度附近的空时与引力进行描述。或者说，这一内在奇点的存在，只是一种经典的说法；从空时与引力量子化的角度，这一说法是无效的。世界在这一尺度上的特征，是利用自旋结网圈提供的等价类量子态的组合手段描述的。自旋结网圈态的组合结构不允许自身被挤压成一个零尺度的点。从而，那里并不存在由广义相对论预言的曲率无限大和物质密度无限大的奇点（或黑洞中的奇点）。也就是说，这样的黑洞内部的物质即使可以收缩，但由于所产生引力场的强度会受到其他限制，物质的收缩并无法总是会肆无忌惮地为之（或者说，引力扰动无穷大的“点”，可能导致它的空间体积为无穷大）。

这一图景也可简单地说成，由于在微观Planck尺度附近空时与引力要用量子理论进行描述，由经典广义相对论对这种尺度进行的模糊描述和得到的勉强结果，将会是不起作用的。

5）关于黑洞存在理论的考察

总之，双变量度量理论在自身体制下，不排除对空时与引力二者共同作用下“黑洞”问题的研究。但必须避免重蹈广义相对论经典黑洞理论研究方法粗失与空做的失败复辙。为此，我们认为，在未有把微观尺度的空时与引力彻底区别之前，在未有把空时量子信息的形成与传递规律阐明之前，在未有把粒子与Planck尺度附近的空时与引力量子特征的关系弄清之前，只指出所谓“黑洞”中有能量与信息的释放等命题，虽然比广义相对论经典黑洞理论的真实性有所前进，但若只是止步于此，这仍不外乎是一种未有量子理论支承的经典（或半经典）估测。它似乎并不具有对空时与引力的重大标识作用，它的真正目的，目前也似乎并不在于提出一种新理论，而只在于对过去理论的否定。从而可以讲，物理学对这样的“黑洞”的研究与考查路程，还十分的长。这里对这一问题而言，与其说是研究“黑洞”，倒不如说首先着手探索的应是空时与引力二者的量子特征。

而且，我们还认为，从命题的真实性而言，也无充分的理由必定期待这样的“黑洞”在宇宙中一定会是如此的存在。因为，从探索程序的先后关系而言，得到它存在与否的明确和可靠的结果，显然应当在空时与引力的量子化完成之后。在此之前，可以断言，对这种“黑洞”的任何具体描述，都有可能招致又一次被颠覆的命运。

从双变量度量理论而言，我们曾指出，自然界中是物质决定了引力。空时不仅与引力全然不同，而且具有与物质相对独立的性质。从而，已往黑洞形成过程中某些由物质的特定运动特征决定所谓时空特征的构想，以致得到空间与时间坐标互换的结论，对于双变量理论而言，是根本无法接受的。这将导致对空时本身的描述与空时坐标及物质运动特征的无物理学先例的奇异混淆。甚至可认为，空时自身不仅被坐标代替，而且还被物质的运动所取代。我们认为，这种图景将造成空时观念的混乱，它的真实性是必须受到质疑的。或者说，这样的图景不会描绘出真实的结果。

双变量理论还认为，空间自旋网可以传递的是量子信息，这近乎是它理论上的固有性质。然而，这种信息与已知物理事件、物质过程具有的信息及一切所知的秩序，是根本不同的，它们也并不存在于相同的世界尺度与能量等级。至于信息或能量是由怎样的天体逃离出来的，虽然其真实性是不容忽视的重大物理问题，但在今天，谈论这些已并非是什么难言之事了。不过，这将为人们带来更加关注与费解的疑难却是，在微观尺度，它们将以怎样的形式在与什么样的粒子结构、事件因果、空时秩序的什么样的联系与蜕变中，获得了自身又被释放了出来。显然，这已经成为在恒星内部的强引力条件下，探索空时、物质与引力间相互关系的根本物理学问题。不言而喻，这些问题已与过去的经典黑洞从根本上脱离了关系，它的进一步解释，现有物理学理论是无能为力的，只能是依靠物理学的明天。从而，可以不无感慨地讲，昔日几十年光阴寻找的黑洞，已在远离我们而去；它往日的风采，对当今物理学的发展而言，将一去不再复返。

不过，由于空时度量演变参量的存在，在双变量理论的极端条件下，这一理论将预言隐星（或隐物质）的可能存在。对于隐星内部而言，除来自物质自身的作用之外，由于空间可以膨胀，这种膨胀也可具有抵消引力对星体内部物质的压缩作用；同时，理论上空间圈线可能有限制引力圈线无限增加的能力，隐星内部物质可以具有不必义无反顾地都奔向坐标系原点的无限坍塌的奇异行为。从而，这种星体内部的空时、引力及物质的运动，可得到各自合理的描述。这将使这种星体避免了都将变成与所谓中子星相类似的星体；也会使物质不必演绎被“吞噬”或“消化”后，变成密度无穷大的奇点或以“粒子”的方式再吐出来的艰难过程；同时还会使宇宙理论摆脱由黑洞连同大爆炸做扮演工具的使物质和空时一同打包进行生与灭反复诋毁的人为“拉风箱”式并沾沾自喜的匪夷骇世之结局。

顺便指出，对于黑洞视界表面的可能物理性质，不同理论，多有大量不同描述。虽然双变量理论可自然地认为那里的空时与引力能够存在量子起伏，但建立完整的理论，特别是宣称结果的存在，还为时过早。例如，认为那里物理上产生实际上的虚粒子对，并认为有粒子向外射出的霍金辐射的存在，从双变量理论而言，这是涉及空时与引力的量子真空态定义的深刻而复杂的物理问题，而目前由广义相对论确立的仅仅是引力的经典真空。这在理论条件上，与事实相差甚远。我们认为，这里首先需要的是，从空时与引力量子化的角度提供进一步的根据，而不能只用假说和移植的直观方法，简单地做出这种结论。