 宇代表空间，宙代表时间。所以，宇宙的概念从广义上讲是非常宽泛和抽象的，它包括了天地万物，类似于我们通常所说的自然界。然而，根据自然哲学第一定律自然界的变化是不连续的，所以宇宙的概念从狭义上讲，就是人类所能感知和归属的那部分自然界，这是一个由确定的参量和常数所描述的具体世界。因此，只有狭义的宇宙才具有现实的认识意义。所以，为了使探讨宇宙具有一定的认识意义，我们将只探讨狭义的宇宙，将宇宙的概念限定在以下的范围。 限定1：宇宙在时间、空间和能量等方面都是有限和可度量的。 限定2：宇宙以大爆炸的方式开始，经历了约140亿年的演化，目前宇宙的半径大于140亿光年，宇宙的平均温度约为2.7K。 限定3：宇宙的有限性来自自然界的不连续性，我们的宇宙只是无数个具体的宇宙中的一个，只是自然界的一部分，这一局部的自然世界对于其余部分的自然世界，在其消亡之前是相对封闭的。 如果将自然界比作一池清水，那么相互独立且有限的宇宙，就像是因投入一块石子而产生的一系列大小不一的水泡。在这些水泡破灭之前，每个水泡都是一个相对独立的封闭体系。当水泡破灭之后，水泡就又重新还原为水，等待着下一次水的涌动，以便再次产生水泡。所不同的是，水泡中封闭的是空气，而一个具体的宇宙所封闭的是构成宇宙空间的量子。 所谓封闭与被封闭，是由于能量上的差异而产生的不连续性。比如，存在着这样一类天体，当该类天体的能量密度大到一定的程度时，就会将包括光子在内的一切物体都封闭于其中，使它们无法逃离，这类天体就是黑洞。实际上，我们的宇宙也曾经是一个巨大的黑洞： 在大爆炸之前，宇宙坍缩为一个奇点，是一个由白变黑的过程；而大爆炸则是一个由黑转白的过程。 因此，宇宙与自然界的其余部分在本质上是相同的。同理，在我们的宇宙中，物质与空间以及不同的物质之间的相互差异，也仅仅是由于能量状态的不同而产生的封闭体系。当封闭体系被破坏后，它们彼此之间就会再次融合在一起，成为彼此不可分辨的空间量子，由自然界的对象退居为自然界的背景。正是这种离散与封闭、连续与不连续的存在和变换，导致了自然界的多样性与统一性。 既然我们的宇宙是一个具体、有限、封闭和演化的有机系统，那么该系统必然是可度量的，一定存在着度量这个系统的参量和常数。根据现代物理学的认识，这些参量及常数是普朗克常数h、宇宙外部空间的膨胀速度即大爆炸速度C、宇宙内部空间的传播速度即光速c、背景温度T0、万有引力常数G、哈勃常数H0、空间量子间的距离r0以及空间量子的静质量m0和密度ρ0等。接下来，我们就从有机的观点来探讨宇宙的演化及其参量和常数。 关于光速c 在宇宙大爆炸时，宇宙内部只有一种状态，即离散的空间状态。在大爆炸之初，空间的密度和能量（背景温度）都非常高，空间各向同性，具有高度的一致性。各种相互作用、光速和光子的半变换距离都等于零，只存在量子间的弹性碰撞。此时，宇宙的膨胀速度（大爆炸速度）C远大于宇宙内部空间的传播速度（光速）c。不过，前者会随着宇宙的膨胀而变小，后者会随着宇宙的膨胀而变大。于是，当宇宙的膨胀速度等于宇宙的传播速度时，就产生了一个临界点： 在此之前，宇宙内部的空间熵会随着宇宙的膨胀而变小，使空间变得越来越不平衡；在此之后，宇宙内部的空间熵会随着宇宙的膨胀而增大，使空间逐步恢复原有的平衡。 在临界点之前，由于空间的不平衡无法靠内部的相互作用来消除，所以在一定的背景温度和密度的条件下，会在局部产生封闭状态，将局部高于空间的能量暂时封闭起来，以维持空间的平衡。于是，在宇宙中，除了原有的离散状态之外，又生成了一种新的状态，即封闭状态。这就是我们通常所说的物质，形象地说就是能量包。由此可见，作为封闭体系的物质，只是宇宙在其膨胀的过程中，为了保持空间的平衡而临时形成的一种过渡性的产物。 作为封闭体系，物质的能量有两类存在形式。一类是物质的内在能量，即被封闭着的能量，这就是通常所定义的静质量；另一类则是物质的外在能量，也就是通常所说的动质量。外在能量也有两种基本的存在方式，其一是反映物质与空间差异的动能，该能量由代表被封闭能量的质量m和描述相对于空间差异的速度v来表示；其二是反映物质与空间协同的势能，该能量需要由一定的速度来维持（速度产生空间效应），由代表空间的普朗克常数h和描述相对于空间协同性的弛豫时间τ来表示。 物质的外在能量在最初主要是以动能的形式存在，此时空间效应最小，只表现出物质相对于空间的差异性。这种只有动能存在的极端情况，属于封闭体系很大的宏观物质在低速状态下的情况，其外在能量的变化表现为只与速度v相关，而与弛豫时间τ无关。反之，当外在能量进一步增加，其速度接近于光速c时，空间效应就会变得很大，使物质的外在能量开始以势能的形式增加从而逐渐地过渡到另一种极限情况，即此时外在能量的变化只与弛豫时间τ相关，而与速度v无关。 由于光子不具有封闭性（静质量非常小），恰好属于这种极限情况，其与空间的差异性和被封闭的内在能量可以忽略不计，所以光子的能量变化只表现为外在势能的变化。这就是为什么人们通常看不到光速实际变化的原因，光速c只是相对于一定的空间维持光子势能的速度，表现为一个仅与空间效应有关，而与其自身能量无关的常数。 从极限的角度来看，质量为零时要求维持势能的速度无穷大，质量无穷大时则自身的速度等于零。无穷大只是一个抽象的概念，在现实世界是不存在的。所以，宇宙中的一切物体（小到光子，大到星辰）的静质量都是介于零到无穷大之间的有限量值。通常，人们总是困惑于为什么光速是宇宙中的最高速度，答案就是光子的静质量在宇宙中最小。而光速之所以具有相对其能量的不变性，是因为光子的能量变化主要是相对于空间势能的变化，其维持空间势能的运动速度虽然会随着其能量的变化而变化，但是这种变化相对于光速而言是微乎其微的，因为光子的静质量实在太小以至于其动能相对于势能是微不足道的。因此，光速的大小主要取决于空间的密度和光子的静质量，成反比关系；而能量对于光速的影响，取决于光子的动能与势能之比。由此说明，光速并不是一个与能量绝对无关的常数： 高能光子的运动速度总大于低能光子的运动速度。对于不同能量的光子，它们的速度和速度差在空间效应为零时最大（属于经典情况），但随着空间效应的增大而逐渐变小，直至全部都趋近于零（属于非经典情况）。 从宇宙演化的角度来看，光速c并不是一个物理常数，而只是一个与宇宙演化相关的参变量。由于宇宙的空间效应会随着宇宙的膨胀及其空间量子的密度ρ0和温度T0（或τ-1）的减小而相应地变小，所以光子维持其空间势能的速度c必然要发生相应的改变，会伴随着宇宙的膨胀而不断地提高，以弥补空间效应的减小。 于是，如果宇宙是膨胀的，则遥远的恒星发射的光子会在其漫长的传播过程中，随着时间的推移发生频率的红移，由该光子的部分势能转化为该光子的动能。对于这种红移，我们称之为膨胀红移。类似于水的比重越小，需要维持赤脚划水的速度就越大。比如，在河水和海水要求赤脚划水的速度是不一样的，前者要求划水的速度更高。 膨胀红移与运动红移的共同特点是总能量不变，只是动能与势能的比例发生了变化，此消彼长。它们的不同则在于，膨胀红移在发光时频率不同，在观测时频率相同，即只与空间的密度相关；而运动红移在发光时频率相同，在观测时频率不同，即只与光源的速度有关。所以，如果星光的系统红移是由空间膨胀造成的，那么虽然不同时间发出的光由于空间密度的不同而不同，但是对于观察者而言，在接收光信号时它们都具有相同的频率，即由原初的不同频率红移至相同的频率。因此，对于我们而言，是观察不到星光的膨胀红移现象的。 在20世纪初期，天文学家哈勃在宇宙的尺度上发现了星光的系统红移，即距离我们越远的天体，其光谱的红移就越大。参照多普勒运动效应（如火车在驶离我们时汽笛声调的由高变低），哈勃认为，上述系统红移是光的运动红移，说明所有天体都好比是在一个膨胀的气球表面上，它们正在不断地相互远离。由此，引出了宇宙大爆炸假说。在这一假说中，宇宙被认为是以恒定的光速c膨胀着。然而，作为常识，大爆炸是不可能以一个恒定的速度发生的，必然存在着一个减速的过程。而且，由于绝大多数天体中的基本元素（轻元素）都是在100多亿年以前产生的，所以宇宙速度变化的临界点以及宇宙因膨胀产生的空间早在宇宙生命的初期就形成了。因此，当基本元素经过数亿年的进化聚集成天体时，宇宙膨胀的速度C已经越过了临界点，远小于光速c。所以，相对于宇宙的生命周期，宇宙在其绝大部分的时间内是近似于静态的。 这与小到基本粒子大到星系等物质的百十亿年的稳定存在相一致。大爆炸只是“瞬间”的事件，百亿年来宇宙只是在缓慢地膨胀，属于相对平稳的时期。如果宇宙在其前1%的时间（1.4亿年）平均膨胀速度是光速的100倍，而在其后99%的时间（140亿年）平均膨胀速度是光速的十分之一，则宇宙在这140亿年期间因膨胀而增加的空间十分有限，不足原有空间的千分之一。由于我们所观察到的天体大多在百亿光年以内，所以星光在其漫长的传播过程中，既不可能产生可观的运动红移，也无法观察到任何膨胀红移。 由于宇宙是一个有机系统，光子在该系统内运动的过程中，必定会与该系统的其他组成部分（如基态量子构成的离散空间）发生相互作用，使光子在其漫长的传播过程中将部分能量转移给空间。这种因能量耗散所造成的红移，我们称之为耗散红移。由此我们认识到，由于宇宙是近似静态的，所以哈勃观察到的星光系统红移是另一种红移效应，即耗散红移。 除了上述三种红移，还有一种红移是我们比较熟悉的，即引力红移。这是由爱因斯坦在广义相对论中首先提出的。引力红移就是当光子离开物质时，由于空间因该物质的存在产生不对称的分布，即由空间量子的不对称碰撞形成的引力场，因而会消耗离开引力场的光子的能量，将其部分势能转移给空间。由此，我们知道，光子有四种不同机制的红移，它们是运动红移、膨胀红移、耗散红移和引力红移。这四种红移属于两个不同的类型。前两个红移为形式变化红移，光子的能量没有发生增减，变化的只是其能量的存在形式，由部分势能转换为一定的动能；而后两个红移则为能量变化红移，光子的能量降低了，其部分能量（主要是势能）转化为空间的能量。 综上所述，虽然在一定的时间尺度内，光速c表现为一个不变的常量，但这只是局部的近似情况。光速c不仅相对于其能量是变化的，而且从宇宙演化的整个进程来看，光速c还是一个描述空间状态的参变量，是一个随宇宙的演化而变化的参量。 关于膨胀速度C 根据天文观测，宇宙最古老天体的年龄约为140亿年，而最初的天体大约是在宇宙大爆炸后数亿年的时间内诞生的。所以，宇宙的年龄可以参照最古老天体的年龄估算出来，也在140亿年左右。又由于宇宙在其大部分的时间内都是近似静态的，所以星光的传播速度大体上就是现在的光速c。于是，我们能够观察到的最远距离约为140亿光年。这一距离被称为视界半径，会随着时间的流逝而逐渐地增大。就目前而言，宇宙的半径要比视界半径大得多。只有当我们不再能随着视界的扩大发现新的天象或者我们在相反的方向看到了相同的景象时，才说明我们看到了宇宙的尽头。那时，宇宙的半径才会与视界的半径大致相等。 根据现有的认识，宇宙中的基本粒子是在宇宙膨胀30万年时产生的。这一时刻，应该略早于外部膨胀速度等于内部传播速度的临界点。这意味着宇宙的膨胀主要是在30万年间完成的，其以后的膨胀速度C根据目前的观测应小于光速的十分之一（以保证百亿年来空间的相对稳定）。所以，前30万年的膨胀才是真正意义上的大爆炸，其平均膨胀速度C至少等于140亿光年除以30万年，约为光速c的4.67×104倍。膨胀速度C也是一个随宇宙的膨胀而不断变化的参量，在最初的30万年内急剧增大和减小，在其后的140亿年间低速且缓慢地变小。（待续） |
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