[凉宫ハルヒの忧郁] 所涉及的世界观和物理学理论基础

作者: Aion 日期: 2006-06-25 20:05

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我对普通的人类没有兴趣,你们之中要是有外星人、未来人、异世界人、超能力者的话,就尽管来找我吧!以上……
凉宫春日华丽的开场白 ^_^ 其实凉宫周围的人除了虚其他都不是普通人。
作者所设计的世界观是有一定物理学理论基础，以前看过一些弦论理论的文章，在此总结一下《凉宫春日的忧郁》中所涉及的一些理论：

1。长门有希 yuki [ 外星人]
文艺社唯一的社员，因社团活动室被凉宫霸占已经被众人默认为sos团的一员了，后面会提出正式入团申请，不过那是后话。少言寡语，酷爱读书（全是莫名其妙的书，到底是什么书请见ps1)。真实身份是银河系资讯统合思念体于三年前制造出来的与有机生命体接触用的生化机器人终端，说白了就是外星人。任务是观察凉宫春日，将得到的信息上传给资讯统合思念体。而所谓的资讯统合思念体就是在宇宙广大的资讯大海里存在着的许多没有肉体的超高知性资讯生命体，最初是以资讯的型态诞生，然后各种资讯相互结合后产生意识，最后再靠撷取其他资讯进化。对于资讯统合思念体而言，有机生物那低下的信息获取能力根本难以产生知性，所以一直以来他们对有机生命都采取漠视的态度，直到人类诞生后，资讯统合思念体发现这种生物可将依靠能力有限的感官获得的信息大量加工存储，然后急速自律进化，因此他们认为说不定可以借着观察，来解开自身深陷的自律进化闭塞状态。

三年前资讯统合思念体发现地球表面出现了不同于其他人类的异常资讯亮点，大量资讯由此点向行星外扩散，而中心就是我们伟大的团长大人。部分资讯统合思念体认为凉宫就是资讯生命体自律进化的关键，格外注意她。而咨询生命体因为没有语言能力，无法和有机体生命直接接触，所以制作了YUKI来近距离观察凉宫。
简单说来，YUKI这边就是这样，而这个世界观的理论依据就是目前在现实世界中火热异常的全息理论。

唯物主义告诉我们世界是由物质构成的，可自从质能方程E=MC^出现后，人们发现既然物质和能量可以相互转化，那么是否可以说世界的本质不是物质，而是能量。接着，随着物理、生物、计算机科学的发展，特别是关于DNA的研究，人们认识到信息同样是世界一个不可或缺的组成部分。实际上，现在就有一个学派认为物理世界是由信息构成的，它的创始人是美国普林斯顿大学的John A. Wheeler。该理论认为信息才是最重要的，物质和能量不过是附属物而已，即全息理论。依据此理论，宇宙也许并不是一个我们所认为的那种三维空间，它很有可能是某种“写”在二维表面上的全息图形。我们对日常世界的三维认知要么是一种玄奥的幻觉，要么就是观照现实的方式之一而已。这种观点引发了对许多古老问题的重新审视。如：描述整个宇宙需要多少信息？这种描述能被装入计算机的内存中吗？

近期理论物理学的进展解答了上面的部分问题。
首先，1877年美国应用数学家香农提出了被后人称为香农熵的概念，并将其描述为一团物质在保持宏观特性不变的情况下，其中所包含的粒子所有可能具有的不同微观状态数就是熵。一条消息的香农熵就是编码这条消息所需二进制位即比特的个数。从概念上来说，热力学熵和香农熵是等价的：热力学熵所代表的不同组成方式的数目反映了为实现某种特定组成方式所必须知道的香农信息量。另外，通过研究黑洞的神秘特性，科学家提出了黑洞熵值正比于其视界表面积的理论。特别是广义第二定律（简称GSL，即黑洞熵值的增加总能补偿或者过补偿该物质所“丧失”的熵，或者说黑洞的熵值及其外面的普通熵值之和永远不会变小）的证明，让我们有可能为任何孤立的物理系统设定信息容量的限度。将这两者结合我们就可得到结论：最大可能的熵值取决于边界面积而不是体积（ps2)。

如果全息原理是正确的话，信息容量取决于表面积这一令人吃惊的结论就将得到自然解释。在日常世界里，全息图形是一种特殊的胶片，当用合适的方法将它曝光时，它就将产生一个真正3维的影像。描述3维图景的所有信息都被编码到2维胶片上的明暗相间的图样上。用这个胶片随时都可以复现该3维图景。全息原理指出，这一视觉魔术原理可以类推到对任何一个占据3维区域的系统的所有物理学描述之中，另一个在该区域的2维边界上定义的物理学理论能完全描述该3维区域的物理学。如果一个3维系统能被运作于其2维边界上的物理理论所描述，我们就有理由推测该系统的信息容量不可能超越其边界上的描述。

全息论发展过程中的一系列论证推理让某些科学家提出，物理学的最终理论考虑的不是场，甚至不是时空，而应该是物理过程之间的信息交换。如果真是这样的话，把信息看成世界的组成部分的观点就体现了它的价值。可以看出，如果世界的本质真如全息理论所述，是信息的话，那么存在一个没有物质实体，完全由资讯构成的生命体是完全有可能的，这种生命体有独特的不同于位于物质层面的人类的进化方式、思维方式。而yuki的作用就好比全息照相机，构成了三维物质世界二维信息世界之间的桥梁，而凉宫虽为物质层面的生物，却和资讯统合思念体一样具有产生操控删除资讯的能力，受到外星人的关注也是可以理解的了。以上就是，对yuki这方面世界观的解释。

2。古泉一树（超能力者）
转学生，被凉宫以“在学期中转学的人有非常高的比例是有问题的人。”为由半强迫地加入sos团，后来被凉宫册封为副团长，常年挂着人畜无伤的微笑，很喜欢各种桌面游戏，但水品很差，差到连阿虚都赢不了。真实身份是一名超能力者，隶属于一个被称为“机关”的超能力者组织。

古泉这一方认为整个世界是由某个人在三年前创造的，也就是说这个世界只是那个人的一场梦而已。也正因为是一场梦而已，对那个人而言，创造、改变世界如同儿戏一般，只要那个人对这个世界厌烦了，就会去创造一个新的更令其满意的世界。

如你所料，这个如同神一般的人正是凉宫春日。每当我们的团长大人内心的纠结到达某个临界点就会产生闭锁空间, 同时在闭锁空间内出现蓝色巨人（“机关”称之为“神人”）对这个时空夹缝中的灰色世界进行破坏，若放任不管，闭锁空间会越来越大，直至取代现阶段的现实世界，成为新的世界。而“机关”的任务就是及时地阻止“神人”在闭锁空间内的破坏，可以说是世界的守护者罢。当然为了随时掌握状况，有必要安插人员到凉宫身边，尽可能的了解凉宫的精神状态，尽可能的创造各种条件使凉宫保持对现实世界的兴趣，防患于未然么。

嗯，超能力者这边的世界观大概就是这样，而其理论依据就是超弦理论应用在在宇宙学上的产物——膜宇宙理论。

超弦理论是一个试图统一自然界所有相互作用的理论，有时候干脆被称为 Theory of Everything (TOE)。在超弦理论中，时空的维数变成了十维而不再是四维的。在这样的一幅时空图景中，我们直接观测所及的看似广袤无边的宇宙不过是十维时空中的一个四维超曲面，就象薄薄的一层膜，可怜的我们就世世代代生活在这样一层膜上，我们的宇宙论也就变成了膜宇宙论。

高维时空的观点并不是超弦理论所特有的，早在 1919 年， T. Kaluza 就把广义相对论推广到了五维时空，试图由此建立一个描述引力与电磁相互作用的统一框架；1926 年， O. Klein 发展了 Kaluza 的理论，引进了紧致化的概念，由此建立了所谓的 Kaluza-Klein 理论。此理论与膜宇宙论的主要差别在于：Kaluza-Klein 理论中的物质分布在所有的维度上，而膜宇宙论中只有引力场、引力微子场、 Dilaton 场等少数与时空本身有密切关系的场分布在所有的维度上，由标准模型描述的普通物质只分布在膜上。也就是说，在 Kaluza-Klein 理论中普通粒子的量子波函数可以填入额外维度中，而在弦理论中额外维度上的粒子是模糊不清的，只有少数与时空有密切联系的已知理论适用于所有维度。

如此，弦的图像应该比Kaluza-Klein 理论来的复杂。其实，弦论的数学结构仍是一致完备的。因为Kaluza-Klein 理论的中心思想仍保留着：可见的物理定律取决于隐藏的额外维度的几何特性。在五维的Kaluza-Klein 理论中四个平坦的大维度加上一个任何尺度的圆圈可以满足爱因斯坦方程式。（如此方可与广义相对论中的时空观一致）一个维度只能绕成一个圆圈，而在弦论中由于有数各个维度，产生了更多的可调参数，所以整束维度外可以有许多不同的形状（专业术语称为拓扑），像是球形、甜甜圈形，或是两个甜甜圈连接在一起等，每个甜甜圈环具有长度和周边，为小维度造就了一大堆各式各样可能的几何形状。但这众多的解并不是每个都相等的：每个组态都具有由通量、膜与卷曲的维度自身曲率所产生的位能，称其为真空能量。这种能量是时空能量，所以即便在没有物质或场的状况也存在。小维度的几何会试着调整，令真空能量变得最小（这样才能形成稳定的空间），就如同摆在斜坡上的球会滑到较低的位置一样。为便于理解，可以使每一个可能解的能量对应一组定义了与解相关的六维流形参数，以函数表述，即E=f(a1,a2,a3,a4,a5,a6).其中E表示真空能量，a表示六维流行的参数。

如此一来会造成两种情况：
1.隐藏空间的参数经调整使真空能量处在极小值；
2.隐藏空间的参数趋于无穷大，真空能量趋于无穷小（此时隐藏空间的大小将无止境的增加）。而每一个极小值都对应一个稳定组态。很显然，目前我们的宇宙的真空能量处于极小值，隐藏空间的大小并不随事件而改变，因为它如果变化，我们将看到大自然的常数也随着变化（严格说来是看不到的，因为如果我们的时空不稳定的话，大家早就死翘翘了）。（ps3）

现阶段人们尚无法确认究竟存在多少稳定真空，但此数目可以非常大。除了影响真空能量，这许多解中的每一个都能借由限定可出现的粒子与它们所具有的质量或作用强度是四维宏观世界呈现出不同的现象，正如前文所述：物理定律取决于隐藏的额外维度的几何特性。如此说来，我们的世界应该稳定异常，但最新研究（应该是2000年罢）表明世界并不是紧守着一个小维度的组态，因为有一个极少发生的量子程序，允许小维度从一个组态跳到另一个，即穿隧过程（ps4）。

如前面所述，每一个稳定真空的特征在于它所拥有的隐藏空间参数。但现在我们考虑这些元素的每一个个体都可以被创生或毁灭，因此在经历一段稳定的时期后，世界会进入另一个不同的组态。穿隧过程首先在三维世界的某一点开始，造成一个新的低能量组态泡泡，然后再迅速膨胀。这就是“膜宇宙论”。依这个理论，一般所说的开启宇宙的大霹雳只不过是最近再此位置上的宇宙演进至新的弦组态势所发生的迁跃。

显然，被称为“神”的凉宫可以使隐藏空间的参数发生变化，使目前的宇宙发生迁跃，使真空能量变为一个新的极小值。而且，因为“物理定律取决于隐藏的额外维度的几何特性”（之所以多次提到这句话，是因为这是理论成立的前提），所以具有新的隐藏空间参数的世界将具有新的物理法则，凉宫正是凭借改变额外维度的几何特性来创造她满意的世界。同时，因为广义相对论暗示了宇宙可迅速成长，其速度快到光都无法逃逸出，所以在现实世界的人们是无法观测新生世界的，而古泉等超能力者的能力就在于进入闭锁空间，并且因为两个世界的物理法则不同，成为那个世界中超越物理法则的超能力者。虽然目前的世界很可能就是春日抛弃了之前那个不合意的世界重构的，但“机关”却不愿意却成全下一个新世界（换我我也不愿意），毕竟那是一个未知的世界，可能是天堂，更有可能是地狱。保住现在，这就是“机关”的动机。这样一来，“机关”的行为也是可理解的了。
以上就是对古泉这一方世界观的解释。

3。朝比奈实玖瑠 1096（未来人）
北高二年级学生。被春日以“基本上，推理故事里都会有个诱人且惹人怜爱的角色”为理由绑架而来，被迫成为sos团的“loli巨乳萌系吉祥物”。真实身份是来自未来时代的人，就是未来人啦。在未来的人们看来，时间跟不停流动的河水不同，每段时间都是由不同的平面构成的。时间与时间之间，有所谓的断裂空间。虽然那个断裂趋于零，但确实存在。就好比动画片一样，虽然人们看到的是连续的动作，但其实是一张张静止的画面，只是人们感觉不到而已。因为时间不具有连续性，所以就算在过去改变了历史，也不会影响未来。所有的一切都会在这个时间平面上终止。也只有这样，时空穿梭才不会产生逻辑上的悖论（ps5），从而具有可行性。三年前，未来世界的人们侦测到了一场时空震，当他们前往调查的时候惊讶的发现他们根本无法回到更远的过去。于是未来人得出结论，有个巨大的时空断层出现在两个时间平面之间，位于四次元中间的，即将通往过去的道路封锁起来的正是我们伟大的团长大人（团长大人，您真是无所不能啊，我对您的崇拜犹如.......以下省去马屁废话共2万字）。而观察凉宫，找出时空断层发生的原因就是1096接近凉宫的原因。

简单来说，这就是1096那方面的世界观设定，而其理论依据就是圈量子引力理论。100多年前，绝大多数人和科学家认为物质是连续的。尽管自古以来一些哲学家和科学家曾经推测如果把物质分解到足够小的块，就会发现它们是由微小的原子组成。几乎没有人认为能够证实原子的存在。今天我们已经得到了单个原子的图像，也研究了组成原子的粒子。物质的粒子性已经是过时的新闻了。之后，人们又发现即便是光这样的事物仍然具有量子性（爱因斯坦因为发现了光电效应而获得了诺贝尔奖，这很奇怪，他竟然不是因为相对论的发明而获奖，真是有趣的评奖委员会）。于是人们开始思考时间和空间是否也具有量子性。而关于时空的理论最经典的便是广义相对论，所以将广义相对论与量子理论相结合成了最重要的课题。（广义相对论可是一个非量子化的理论哦）

为了避免破坏量子理论和广义相对论的成功预言，除了量子理论和广义相对论都预期起明显作用的极端条件下，完整理论中的新事物不应该在实验中看到。沿着这个思路，试过很多不同的方法，比如扭子理论，非对易几何，超引力等的理论。但是结果并不令人满意。
上文所介绍的那个弦论也曾被物理学家们用以构建量子理论与广义相对论之间的桥梁。一些研究者认为弦论包含在称为M膜理论中[参见Michael J. Duff著“曾名‘弦’的理论”《科学》1998年5月]。不幸的是一直没有给出这个推测得出理论的准确定义。因此，很多物理学家和数学家认为必须研究其他替代理论。

圈量子引力理论就是这样诞生的。
在圈量子引力理论中没有做任何超出已被实验检验过的广义相对论和量子力学以外的假设；特别是将广义相对论的两个关键原理保留在计算的核心中。第一个被称作背景无关性原理。该原理认为时空的几何构型不是固定的，相反它是变化、动态的量。为了找到这个几何构型，必须解出包括物质和能量所有效应的方程。显然弦论并不满足背景无关性原理，因为描述弦的方程建立在已定义的经典（也就是非量子）时空中。
第二个原理称为微分同胚不变性，与背景无关性紧密相关。这个原理指出与广义相对论之前的理论不同，人们可以任意选择任何坐标系来映射时空和建立方程组。时空中的某点仅仅是由该点在物理上发生了什么来定义，而不是通过它在一套特殊坐标系中的位置来定义（没有什么坐标系是特殊的）。微分同胚不变性是广义相对论的重要基本原理。

通过量子力学的标准方法仔细将这两个原理结合起来，可以提出一种数学语言，这样就可以通过计算来判断时空是连续还是离散的。计算结果揭示出空间是量子化的。（别问我到底是如何计算的，我完完全全没看懂，要是看懂的话我早进中科院，也不会在这里了）。圈量子引力在物理学的发展中占据非常重要的地位。它是可以论证的广义相对论的量子理论，因为它在量子理论和相对论基本原理之外，没有做任何额外假设。它不同寻常的出发点是提出了通过自旋网络和自旋泡沫描述不连续性的时空，这出自该理论本身的数学推理，而不是特别引入了假设。圈量子引力理论虽然还未经实验证明（也许这要等很久很久），但确实在数学上给出了时空是量子化的证明。
实际上圈量子引力理论是可以说是《凉宫春日》中最重要的理论了，只有在这个理论成立的基础上，《凉宫春日的消失》以及《凉宫春日的暴走》的故事才有可能成立。因为只有基于此理论，过去的长门才能自由的存取现在的长门的资料。而且，只有在时间不是连续的情况下，关于时间无限轮回重复的设定才有可能实现。（在《凉宫春日的暴走》中凉宫让暑假最后的15天轮回了15479次）

那么这三重世界观哪个才是正确的呢，在现实中科学家们依旧在为此而努力，而在虚拟世界中作者也还没有给出一个答案。也许这三者都是错的，也许像牛顿力学那样只在特定条件下是正确的，如果是后者，那就必定存在一个统一理论可以将这三种，甚至所有的物理法则纳入其中，可以很好地解释宇宙的起源，世界的本质，时空的法则等等问题。在统一理论的提出方面，我们当然不能指望一个小说家，但小说家的构思也许会给我们以启发，而且思考诸如世界的本质这样的问题，我觉得真的是很有意思的。
我想这就是称《凉宫春日》为神作的最重要的原因之一罢。

下面的是ps：

PS1：
第2集出现的书：
这本是Dan Simmons(原著),酒井昭伸(翻译) 『ハイペリオンの没落』由早川書房出版发行于1995/06

第3集出现的两本书：
第一本是Simon Singh(原著),青木薫(翻译)《暗号解読―ロゼッタストーンから量子暗号まで》由新潮社出版，发行于2001/07/31，这书发行过台版，还有海南出版社……
第二本是由这本是Dan Simmons(原著),酒井昭伸(翻译)《ハイペリオン》由早川书房出版发行于1994/12

第4集也出现了2本书：

第一本是笠井潔(著)的《哲学者の密室》由東京創元社出版发行于2002/04
第二本也是笠井潔(著)的《オイディプス症候群》由光文社出版，发行于2002/03

第5集图书馆中有希拿的书很难确定，在这里要佩服一下日本人，他们能根据原作书中的一句话找出了这本书，书中的话翻译过来：“名字超拗口的外国作家写的哲学书”，再结合手上的书他们得出的结论是黑格尔所写的長谷川宏翻译的《精神现象学》

第6集的书也是2本

第一本是由peter antony写的永井淳翻译的《衣裳戸棚の女》由東京創元社出版，发行于1996/12,第二本是阿佐田哲也(著) 《麻雀放浪記（一）青春編》出版社是角川書店(角川文庫緑 459ー51)

第7集了，这次的书是由神林长平所写的《膚(はだえ)の下》早川书房出版，发行于2004/04

第5集时又开始打广告了:手上的书是谷川流的书《学校を出よう》

这个ps1的目的就是希望大家能了解什么叫做精益求精什么叫做京都动画

ps2:让我们设想将计算机内存芯片堆成一个大堆。晶体管的数目（即总的数据存储容量）随着堆体积的增加而增大。所有芯片的热力学熵之和也同样增大。然而值得注意的是，这堆芯片所占据空间的理论终极信息容量仅仅随表面积的增加而增加。因为体积的增长远远快于表面积的增长，到某一程度，所有芯片的熵值之和将超过全息界 (又称熵界，它是依据gsl得出的并确定了特定尺寸特定质量的物质所能包含信息量的界)。
看起来无论是GSL还是我们通常意义上的熵和信息容量都失效了。实际的情况上，真正失效的是堆积过程本身,在上述情况出现之前，芯片堆就将因为本身的引力而坍塌并形成一个黑洞。在此之后每增加一个芯片都将增大黑洞的质量和表面积，但这都将遵循GSL。

ps3:人类在观测宇宙时发现，许多常数只要有微小改变人类就不会存在，一切都是那么得恰到好处，人们甚至觉得宇宙的存在就是为了智慧生物观测，这种理论成为人择原理。人择原理分为弱的人择原理和强的人择原理。弱人择原理认为我们生存在众多个宇宙演化模型中一个，假如我们不是身处现在这模型，即宇宙会以不同方式演化，我们也不会在这里。而强人择原理就更肯定宇宙一定会生出有智慧生物，不允许宇宙以其他不能够令我们生存之选择出现。当我们出现后，文化将会以一种有智慧的形式存在下去并传遍宇宙，并终会达到极点和其他宇宙进行交流。

ps4:量子效允许流行在某一时刻突然改变状态，从一个真空能量的极小值变化为另一个极小值，好比从山峦（有较高的真空能量状态组成）穿隧而出，到达邻近的稳定状态。

ps5:假若过去的改变会影响未来，那么会出现逻辑上的悖论。比如，a想杀死b,但直接动手无法成功，只好他回到过去杀死了b的祖先，于是b不复存在，就像从没存在过一样，可人们根本不会讨厌一个根本不存在的人，这样一来a就没有杀死b的祖先的动机，于是b的祖先活了下来，b仍然存在，a还会想杀死b，又会回到过去杀死b的祖先,b又不复存在，a就不会回到过去，于是.......这就是在时空连续的情况下时间穿梭逻辑上的悖论。

参考文献：
http://www.iogoo.com/ShowTopic-11919-4.htmlhttp://bbs.fzdm.com/v87888_1.htmlhttp://nkbbs.org/up2/f/cartoon/0531/弦论与宇宙学.pdf
http://nkbbs.org/up2/f/cartoon/0531/introstring.ppthttp://nkbbs.org/up2/f/cartoon/0531/弦论通俗演义.pdf