從宇宙“軸線”到宇宙三旋分形應用

從宇宙“軸線”到宇宙三旋分形應用范爻黃摘要：“為什么不是二旋而是三旋？大于‘三’的‘旋’存在么？”回答是：拓撲學上環(huán)面與球面不同倫；理想的環(huán)面按自旋的對稱性定義，作自旋只能有三種類似：體旋、面旋和線旋。宇宙軸線后續(xù)探測的報告不多，為啥？宇宙的起源是一個復雜性問題，三旋分形對此為大爆炸宇宙學提供了新的思路。眾所周知，相鄰的圈子只交一次，要組成一個新圈，就象組成三角形要三條邊一樣，至少要三個圈子。關鍵詞：拓撲表面態(tài)、宇宙軸線、分形、三旋一、高次諧波輻射證實拓撲表面態(tài)與體相態(tài)2020年12月12日《中國科學報》記者黃辛報道，實驗上首次證實拓撲表面態(tài)貢獻的高次諧波輻射，并揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。三維拓撲絕緣體因其具有新穎的表面拓撲電子態(tài)，具有不同尋常的電荷和自旋的輸運性質，因而受到研究人員的廣泛關注----中科院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室，與南京大學固體微結構物理國家重點實驗室合作，在強激光電場與拓撲新物態(tài)相互作用新現(xiàn)象和新物理方面取得重要進展，成果在英文期刊發(fā)表。用強激光電場驅動拓撲表面態(tài)中的非線性電子動力學過程的研究，尚處于初始階段。理論研究工作表明強場驅動的高次諧波的產(chǎn)生過程敏感地依賴拓撲非平庸相，但目前拓撲態(tài)產(chǎn)生高次諧波的實驗現(xiàn)象尚未見報道。在該研究中，研究人員利用自行搭建的長波長超強激光脈沖裝置輸出的激光脈沖作用于拓撲絕緣體表面，以產(chǎn)生的高次諧波推演強場驅動的拓撲態(tài)電子動力學過程。實驗觀測到了延伸到9級次的高次諧波產(chǎn)生，并通過轉動拓撲絕緣體的方位角，測量了高次諧波光譜的調制，結果顯示奇級次與偶級次諧波的強度和偏振具有不同的角晶體方位角依賴關系。理論分析表明平行于驅動光方向的偶次諧波來自拓撲表面態(tài)中的自旋電流，而表面態(tài)中電子的面外自旋導致了垂直方向的偶次諧波產(chǎn)生。由于高次諧波光譜中奇級次與偶級次諧波不同的來源，本研究提供了一種可以區(qū)分表面態(tài)與體相態(tài)電子輸運過程的新方法，為研究三維拓撲絕緣體中拓撲表面態(tài)與體相態(tài)之間的相互作用過程提供一種可行的有效方案，并且為在亞周期的時間尺度內(nèi)研究拓撲態(tài)的強場非線性現(xiàn)象和強場作用下的拓撲相變過程提供了新穎的技術手段。二、宇宙的奇特“軸線”存疑把研究三維拓撲絕緣體中拓撲表面態(tài)與體相態(tài)的方法，延伸至太空—宇宙，有無拓撲表面態(tài)與體相態(tài)呢？早在2007年“騰訊科技訊”北京時間8月月25日記者范堯報道，在宇宙中似乎存在著一條巨大的軸線，而整個宇宙都環(huán)繞在它的周圍。該消息說，據(jù)國外媒體報道，美國“宇宙微波背景輻射探測器”日前傳回的最新數(shù)據(jù)在世界科學界引起了巨大震動----這條“軸線”有可能顛覆動搖當今所有有關宇宙誕生和演化過程的理論，這其中也愛因斯坦的“相對論”----在測量宇宙中各個不同區(qū)域背景輻射溫度的過程中，“宇宙微波背景輻射探測器”意外地發(fā)現(xiàn)，在遼闊的宇宙空間中居然存在著一條貫穿整個宇宙的奇特“軸線”----根據(jù)愛因斯坦提出的“相對論”，空間和時間的分布在“大爆炸”發(fā)生后便一直是非?；靵y的，而宇宙本身從總體上看應是非常均勻的并且存在著向各個方向擴展的趨勢。但是，美國“宇宙微波背景輻射探測器”傳回的最新數(shù)據(jù)卻從根本上否定了這一著名的假設。據(jù)專家們介紹，測量結果顯示，宇宙背景輻射溫度的分布并不是混亂無章的，它們所處的位置都相當確定，或者說是“有計劃的”。美國發(fā)射的“宇宙微波背景輻射探測器”，在2001年發(fā)射升空，主要用于探測“大爆炸”發(fā)生后殘留在宇宙中的各種背景輻射。幾年來，不僅拍攝了諸如白矮星、中子星、黑洞等大量星體、類星體、星系、星云的照片，而且繼發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景雙極現(xiàn)象之后意外地發(fā)現(xiàn)，在遼闊的宇宙空間中居然存在著一條貫穿整個宇宙的奇特“軸線”。不過，這并不是終極的原因，因為人們會問：宇宙微波背景雙極現(xiàn)象、宇宙雙螺旋微波輻射場、宇宙軸線，這些神秘現(xiàn)象是怎么形成的？2007年9月21日《科技日報》報道，英國杜倫大學的宇宙學家在《科學》雜志上發(fā)表最新研究成果提出，在宇宙早期，暗物質占據(jù)了宇宙的大部分質量，而早期星系形成的關鍵正是依賴于暗物質的特性，正是包括許多難以捕捉的暗物質粒子之間的相互作用，才導致宇宙早期結構的形成。這項突破性的成果為研究10億年前宇宙早期星系的形成提供了新的思路----80多年前，科學家首次發(fā)現(xiàn)了暗物質，但時至今日仍然沒能完全揭開它的神秘面紗。由于銀河系現(xiàn)在仍然存在著一些早期形成的星系，這次發(fā)現(xiàn)可使科學家進一步深入了解暗物質的特征。按照宇宙大爆炸理論，在宇宙大爆炸之后，宇宙變得“光滑”，暗物質變得比較均勻，僅有一些小的“波紋”。當引力作用于包含在“波紋”里的暗物質顆粒時，波紋就會變大。最后，在大爆炸的10億年后，氣體會進入新形成的結構中，導致早期恒星的形成。宇宙學家借助稱之為冷暗物質和熱暗物質的模型，利用計算機技術模擬早期星系的形成。結果發(fā)現(xiàn)，由于冷暗物質粒子的緩慢移動，早期形成的恒星相互分離，通過暗物質的相互壓縮，形成單個的巨大恒星。作為對比，由于熱暗物質的快速移動，不同大小、數(shù)量眾多的星系伴隨著恒星產(chǎn)生過程的大爆炸一同形成，爆炸發(fā)生在細長的“單絲”上。這些單絲有9000光年長，大約相當于今天銀河系長度的1/4。這些恒星的爆發(fā)會點亮黑暗的宇宙，形成壯觀的景象。由冷暗物質形成的恒星是巨大的。恒星愈大，生命就愈短，所以這些大星系不會存活到現(xiàn)在。然而，計算機模型卻表明，由熱的暗物質形成的低質量恒星可以活到現(xiàn)在。天文學家經(jīng)常問，最早恒星形成的發(fā)源地在哪里？答案就是，如果某些早期的恒星是由熱的暗物質形成，它現(xiàn)在還會藏匿在我們星系的周圍。與此同時，研究者對黑洞形成的方式也提出了新的見解：大部分恒星會聚集在巨大黑洞群周圍，一些黑洞的質量比太陽質量大10億倍。在熱的暗物質條件下，在稠密的“單絲”上發(fā)生的恒星碰撞將會導致黑洞種子的形成。通過對遠古恒星的研究，將使科學家更接近了解暗物質的本質。但類似宇宙軸線的后續(xù)探測的報告不多，為啥？三、三旋分形在宇宙系統(tǒng)中的應用宇宙的起源是一個復雜性問題，三旋分形對此為大爆炸宇宙學提供了新的思路。眾所周知，相鄰的圈子只交一次，要組成一個新圈，就象組成三角形要三條邊一樣，至少要三個圈子。用此規(guī)則聯(lián)系分形的自相似嵌套性質，取一個半徑為Rn的大圓作源多邊形，再取一個半徑為rn的小圓作生成線，在平面上畫一個有自相似嵌套結構的圖形。構造的規(guī)則是每一級的圓圈由三個相同的小圓圈組成。三個小圓圈的耦合相交，用它們之間的相切近似代表，并表示新一級的圈所能構成的最大內(nèi)空限度。這樣小圓圈的半徑rn與前面的大圓圈的半徑Rn必然有：rn＝Rncos30°＝（√3/2）Rn(n＝1、2、3…)（1）按此方法作圖，如此變形下去，隨著變形的進行，會發(fā)現(xiàn)小圓圈不但向外擴展，而且還向中心位置堆積，以及在其周圍形成等級式的成團分布等重要特征。這與實際觀察中的大爆炸煙云、癌細胞的生成、化學反應溶液濃度的擴散、原子里的原子核與電子云結構模型等極為相似。細心研究該分形，變換成以一個圓內(nèi)接正三角形為源多邊形，和以一條V字形折線段為生成線的圖形，折線段的每條線段長為Rn，生成線兩端的距離等于正三角形一邊的長：2rn＝（2×√3/2）Rn＝√3Rn（2）根據(jù)分形曲線的分數(shù)余數(shù)定義：設某分形曲線的生成線是一條由N條等長直線段接成的折線段，若生成線兩端的距離與這些直線段的長度之比為1/r，則這分形曲線的維數(shù)是：D＝1gN／lg(1／r)(3)按(3)公式，圈態(tài)結耦分形的D＝1gN／1g(√3Rn／Rn)＝lg2/lg√3＝1．26179。令人驚奇的是，圈態(tài)結耦分形的維數(shù)值，與國內(nèi)外一些天文學家研究宇宙的分形結構，測得的星系分布的分形維數(shù)約為1．2相近似。那么聯(lián)系三旋分形，宇宙是如何誕生的呢？標準大爆炸的創(chuàng)世觀，主張整個宇宙起源于一場異常巨大的爆炸，宇宙很快地膨脹了，在膨脹過程中它漸漸地冷下來，于是先是輕子，然后是強子、原子核、原子，最后是星系從中凝聚出來。新的天文觀測又揭示出宇宙中一些引人注目的、未曾預料到的結構，如宇宙中巨大的空洞和星系鏈，某些星系分布的“片”狀結構也是顯而易見的。這就是所謂的“不平等的宇宙”。目前解釋不平等的宇宙起源的有暴脹起伏模型和宇宙弦模型。而通過三旋圈態(tài)結耦分形的維數(shù)計算，證明這兩種模型實際是等價的。它們都是說的同一件事情的前后兩個不同側重點。因為按照圖態(tài)結輻分形的分析，基圓的圓圈必須要有適當大尺度的半徑，這正是由類似吐煙因式的暴脹來完成的。而吐煙圈可以用有少量蘭黑墨水的移液管在離開水面2至3厘米高處滴一滴較大的墨水到水中來演示，這也是一種分形的自相似嵌套結構：這滴大墨水滴在水中立即形成一個墨水線旋環(huán)，但這線旋環(huán)不久會變成幾個較小的線旋環(huán)，如此這樣不斷分裂下去。而宇宙的相變，正是按類似墨水線旋環(huán)的方式由時空點的量子環(huán)圈來結耦、結網(wǎng)的。如果基圓的圓圈太小，就只能形成輕子、強子、原子核、原子、分子等一類微觀粒子。正是由暴脹形成了基圓的大圓圈，宇宙弦圈結耦、結網(wǎng)才在一個新的基點上進行演化。其次，三旋弦圈聯(lián)絡結耦的支付選擇，也是一種起伏變化。因此說，暴脹起伏模型和宇宙弦模型都能用三旋圈態(tài)結耦的分形研究來綜合；并且該分維圖形還能具體地揭示大爆炸宇宙機制中過去未曾考察到的情況：即開始的爆炸不是象一個不斷脹大的氣球的表面那樣爆炸，而是象吐煙圈式的爆炸，然后才象水中線旋環(huán)的奇異變化一樣，所有的物質粒子才開始互相遠離，即宇宙在三維方向才開始作擴張，但同時又還有物質粒子向中心區(qū)域集聚，形成明顯的等級式成團結構的現(xiàn)象。原于有中心，太陽系有中心，銀河系有中心…就是這種等級現(xiàn)象的明證。即三旋大爆炸宇宙的分維分析，能形象地對宇宙膨脹作出說明。這里有人問：“為什么不是二旋而是三旋？大于‘三’的‘旋’存在么？”回答是：拓撲學上環(huán)面與球面不同倫；理想的環(huán)面按自旋的對稱性定義，作自旋只能有三種類似：體旋、面旋和線旋。即一個中間有孔的形態(tài)----拓撲出來就是圈體形態(tài)----叫“類圈體”形態(tài)的自我運動的方式。有：1.圍繞圈所在平面上的任意軸進行的自旋（類似地球擺動，受約束，即類似體旋）；2.圍繞圈孔的中線軸的自旋（類似地球自轉，即類似面旋）；3.圍繞圈的橫截面圓心點連成的中心圈的內(nèi)外翻轉；（類似地球的磁力線，即類似線旋）；類圈體只有這三種自我運動的方式。自我運動的意思是：不改變自我空間范圍的運動，自己在自己的空間中運動。希望這能夠說清楚了。參考文獻 [