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博文
从真空性质到光子结构到宇宙性质
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本文是为什么物体速度不能超过光速http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=537101&do=blog&id=419520的进一步扩展，因为讨论光涉及光子http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=537101&do=blog&id=419695，讨论光子涉及量子场论，真空场论（量子理论基础上又引入真空物质），相对论，我力图融会贯通主流物理理论。欢迎官科拍砖，我再改进。
一：近代对真空的认识
到了近代,关于真空的基本观念有两种,一种意见承认有真空.从牛顿的惯性定律到爱因斯坦的光速不变原理,均以空虚空间作背景,惯性定律肯定物体在空虚空间中能够保持静止或匀速直线运动,光速不变原理肯定光在空虚空间中能够保持以不变速度直线传播.
还有另一种意见,否认有真空,不承认有空虚空间,笛卡儿就持这种意见,他认为空间是广延性,没有离开物质的广延性.在近代,犹如古代一样,仍然是承认空虚空间的意见占优势.因为在当时宏观物理的实践与认识水平条件下,人们对时空与物质关系的认识,主要看到两者相对独立性的一面。
二：现代对“真空”的认识
到了现代,情况大不一样了,对于空间与物质的深刻联系的认识越来越清楚了,出现了几种新的理论.
第一个是广义相对论.广义相对论把空间看作为场的结构性质,从而否定了空虚空间,揭示了空间与物质的深刻联系.广义相对论既没有把物质几何化,也没有把空间物质化,因为空间仍然是物质的一种属性,弯曲空间是引力场的结构特征.真空并不是虚无一物,而是引力场的一种特殊形态,是物质的一种特殊形态.
第二个是量子力学,狄拉克在创立相对论性量子力学中,考虑了运动方程中出现的负能解,他并没有加以简单抛弃,而是提出了一种新的物理真空观念.根据量子力学原理,他设想负能级已由电子占满了,物理真空就是电子充满了负能级的电子海,这个观念从另一个角度显示了真空与物质之间的深刻联系,肯定了真空的物质性.由于自然界的一切物理现象与物理测量均相对于真空背景进行,因而通常仪器不能测得真空的表观现象.但在一些特殊情况下,仍然有可能发现真空中的一些物理现象,如真空极化现象(当真空中放入带电粒子会产生类似于电场极化现象)
第三个是量子场论,它认为微观粒子群体呈现波的效应（单个粒子仍是粒子），把粒子与场统一起来,提出了量子场概念,每一种基本粒子均对应一种量子场.量子场是物质的基本存在形态.量子场的激发态代表正反粒子的产生,真空则是处于基态能量即最低能量的量子场,其中仍然存在量子场的复杂运动.真空状态下，全空间充满虚粒子。在这里,真空的物质性,真空是物质的特殊形态就更加明确了.真空观念从狄拉克的电子海发展到量子场的基态,其普遍性大大提高了,从仅仅包括电子到包括各种基本粒子,相应的真空也是多种多样的.不仅如此,同一种量子场真空,在不同条件下,还存在不同的真空相.可见,真空不仅不是虚无一物.而且是非常复杂的.
场是比粒子更为基本的物质，粒子只是常处于激发态的表现。真空中在极小的时空尺度下会产生正反粒子对，迅速湮灭，不断的虚粒子对的产生和湮灭称为真空涨落。
三：怎样观测真空
真空乃是基态的量子场，它是物质的一种特殊形态；量子场的基态人们常称为真空态，真空态才是物质的一种特殊状态。
全空间同时充满各种场，每种场对应一种粒子，光子对应电磁场，电子对应电子场，中微子对应着中微子场。
当某种场处于基态时，场由于不可能通过状态变化释放能量而输出任何信号和显现直接的物理效应，观测者因此也无法观测到粒子的存在，也无法直接观测到真空，也就无法在真空测量与定义时间和空间。
真空没有动力学特性，比如质量和惯性，质量和惯性来自对宏观物体的观测。
真空没有基本粒子的性质，比如自旋，电荷。
可以把平直真空仍叫真空，形变后的真空叫做场。
形变分为弹性形变和塑性形变。
扰动/形变后的真空具有可观测性。
实验证实粒子可以消失于真空，也可以自真空中产生。
于是我们可以间接地研究真空的性质。
这很像对黑洞的研究，由于光线不能离开黑洞，我们无法看到黑洞，但通过观察黑洞对周围行星的赢利可以研究黑洞。
四。 从真空场的性质探寻光子的性质
1。传统的光子理论：
Maxwell说光是电磁波，普朗克1900提出辐射能量为不连续的量子，这样光同时具有波和粒子的特性。
光在传统量子力学里，可用量子力学波函数表述
2。真空场里光子的一维结构
如果真空长的一个微小单元受到强的扰动，会造成单元移动，产生纵波，这个纵波就是光子。
3。真空场里光子的四维结构
光子虽然是纵波，却不会发散，始终保持粒子的粒子状态。但是光子可以从球形状变为一维铉结构。
光子不带电荷
光子不带磁荷
光子几率波表现为光子的横波。
光子的反粒子是光子
光子具有传播方向上的动量，具有自旋。
具有运动的质量和重量。
光子波粒二象性：光子同时具有横波和纵波，纵波的非扩散性是光子表现出粒子性，而横波使光子中心点的相速度
呈现周期变化，对于观测呈现几率波的性质。（这是有争议的提法，见下面两段）
如果能知道真空场的所有边界条件，能严格而清晰的确定光子的传播轨迹，（其轨迹由（横）波函数准确描述？）
所以爱因斯坦的决定论是对的。
但是光子的中心点的轨迹我们无法测量，因为我们最精细的手段和工具，都会对光子产生致命的扰动。
我们只好用统计的方法表示光子的行为，所以波尔的统计说也是对的。
被测粒子存在轨道，如不测量我们对粒子出于无知状态；而测量使我们能知道t时刻粒子的位置，但扰动使我们
对粒子去向一无所知，测量前后的粒子位置完全无法比较。
五。真空场论下力的统一
四种基本的力：粒子的引力，电磁力，弱力和强力均源自于 真空场的形变，在物理图像上，比弦理论的振动图像更为直观。（超弦理论另有一套统一四种力的解释，现在都不是定论）
相对论与量子理论在三维空间里永远拼不到一起，但把宇宙抬为十维空间（不可想象，仅存在于数学推导中），相对论与量子理论就会结合得天衣无缝，成为一个更为完整的理论大厦的两根互相依存的支柱。
（不过，如果抬高维数，也许其他什么理论也会相容，我就不知道了）。
六。宏观微观的统一
狄拉克1937年证明，整个宇宙和原子都具有壳层结构，
原子中静电力与万有引力之比=静电场形变与万有引力场的形变之比=原子内禀时间与宇宙年龄之比。
计算得出，现在处于宇宙已经经过了2/3的寿命，宇宙的寿命是9.2*10^39.
爱因斯坦宇宙模型--四维封闭宇宙模型：
在通常的概念中，有限是有界的，但有界不符合宇宙的定义。
在通常的概念中，有限是有界的，但有界不符合宇宙的定义。
因而宇宙只能是有限无界的。
在现实世界中，有限无界的情形是存在的，如地球表面。
于是，宇宙就成了四维空间中的三维表面。
在现实世界中，有限无界的情形是存在的，如地球表面。
于是，宇宙就成了四维空间中的三维表面。
有人说宇宙的“外部“是什么？
但是对宇宙，“外部“也没有定义。
如果问，那宇宙灭绝以后宇宙到哪里去了？ 宇宙起源以前是什么样的？
嘿嘿，在“以前，以后“的概念是人类的经验，不适合超出人类经验的过于广大的宇宙，
对宇宙而言， “以前，以后“这个词没有定义。
爱因斯坦的广义相对论认为，空间和时间是柔软可塑的实体。在大尺度上，空间本质上是动态的，会随时间而膨胀或收缩；它承载物质的方式，就像海浪承载浮物一样。1920年代，天文学家观测到遥远的星系正在彼此远离，从而证实宇宙正在膨胀。
接着，物理学家Stephen Hawking(霍金)与Roger Penrose(彭若斯)在1960年代证明，时间不可能一直回溯下去。如果你把宇宙历史一直往回倒退，所有的星系终会挤到一个无穷小的点(称为即奇点)上，这与它们掉进黑洞的意思差不多。每个星系或其前身都被压缩到零尺寸，而密度、温度和时空曲率等物理量则变成无穷大。奇点就是宇宙万物的起点，超过这一界限，我们的宇宙谱系树就无法再往前延伸了。
值得注意的是，彭若斯和霍金在提出和证明‘奇点定理’的过程中，提出了极为重要的新思想：奇点应该看作时间的开始与终结！这就是说，他们的奇点定理证明了时间一定有开始和终结。”这也就是说，他们的观点表明了“……‘奇点’就是时间过程断掉的地方。
时间不仅有一个起点（大爆炸奇点），还有一个终点（大挤压奇点）。
爱因斯坦说，时间和空间是人们认识的错觉。时间是因为宇宙万事万物的变化，让人们产生了时间的概念。在奇点处，随着宇宙的诞生，开始有了变化，是宇宙的开始。经典广义相对论预言存在奇点，但由于现有理论在该处失效，也就是说不能用定量分析的方法来描述在奇点处有些什么。
接着，物理学家Stephen Hawking(霍金)与Roger Penrose(彭若斯)在1960年代证明，时间不可能一直回溯下去。如果你把宇宙历史一直往回倒退，所有的星系终会挤到一个无穷小的点(称为即奇点)上，这与它们掉进黑洞的意思差不多。每个星系或其前身都被压缩到零尺寸，而密度、温度和时空曲率等物理量则变成无穷大。奇点就是宇宙万物的起点，超过这一界限，我们的宇宙谱系树就无法再往前延伸了。
值得注意的是，彭若斯和霍金在提出和证明‘奇点定理’的过程中，提出了极为重要的新思想：奇点应该看作时间的开始与终结！这就是说，他们的奇点定理证明了时间一定有开始和终结。”这也就是说，他们的观点表明了“……‘奇点’就是时间过程断掉的地方。
时间不仅有一个起点（大爆炸奇点），还有一个终点（大挤压奇点）。
爱因斯坦说，时间和空间是人们认识的错觉。时间是因为宇宙万事万物的变化，让人们产生了时间的概念。在奇点处，随着宇宙的诞生，开始有了变化，是宇宙的开始。经典广义相对论预言存在奇点，但由于现有理论在该处失效，也就是说不能用定量分析的方法来描述在奇点处有些什么。
七。热力学的时间特性
热力学第一定律就是能量守恒定律，是后者在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。描述系统热运动能量的状态函数是内能。通过作功、传热，系统与外界交换能量，内能改变 。
他表示能量守恒，对应时间的均匀性。
热力学第二定律指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。相应的态函数是熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向，熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。
他对应时间具有单方向性。广义相对论认为是可逆的，不具有单方向性。
热力学第三定律指出绝对零度是不可能达到的。上述热力学定律以及三个基本状态函数温度、内能和熵构成了完整的热力学理论体系。为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，还引入了一些辅助的态函数，如焓、亥姆霍兹函数（自由能）等
他对应时间具有无限性，无始无终。这和奇点定理是有矛盾的，现在还无法解释。
热力学第零定律是说，如果系统A跟系统B处于热力平衡，B又和C平衡，那么A就会和C平衡。这条定律保证温度参量在各个热力系统中可以定义和比较。
他对应广义相对论“同时“的传递性，“同时“保证了时间可以定义。
狭义相对论证明，平直时空同一个惯性系下的时钟，同时有传递性。广义相对论的弯曲时空中同时不一定有传递性，不一定能相互校准。
个人觉得，热力学和相对论的一些矛盾，不是根本的矛盾，他们有各自成立的条件，条件和假设不同，结论就不同。
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