對相對論時空觀的批判和改造

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文作者: 譚強
上傳時間:2009/10/27 15:24:00

  一、時空概念的危機


  物理學是研究物質的最簡單運動規律的科學,其最終目的是:找到物質運動、變化與相互作用的內在聯系,以最少的假設,通過分析、推理解釋所有相關實驗結果,預言新的實驗現象。

  在各自領域內都分別取得極大成功的量子力学和相對論,是20世紀物理學乃至整個自然科学的兩大支柱,但是,在人們企圖把它們結合的時候卻遇到了難以克服的困難。

  大量實驗證实,非定域性是量子力學的一個基本屬性,但是,非定域性將意味著超光速傳播,這與狹義相對論的基本假設矛盾。

  當前,量子引力理論中的超弦理論的時空背景相關性,與圈量子引力理論中的時空背景無關性同時存在,是物理學中潛在的對於時空本質不同態度的一次大碰撞,这種困難預示著物理學需要一次概念的變革,首當其沖的就是時空。時空觀念是物理學中最基本的也是最重要的概念,不同的时空觀念將導致不同的理論研究方向,任何對於時空概念的更新和深化,势必對整個物理學產生巨大的革命性的影響。

  “愛因斯坦時間膨胀”和“洛侖茲長度收縮”,是支撐相對論時空變換和相對論整個演繹推理的基礎。

  為了比較物質運動的快慢程度,人們用“速度”這一概念來描述物質的運動狀態,而为了定義“速度”這一導出概念,又必須引進兩個更基本的概念:“時間”和“空間”。

  比如,一個人在時間t內跑過的路程是s, 則他的速度是:v=s/t

  更具體些,比如,有甲和乙兩個人,甲在時間12秒內內跑過的路程是120米, 則甲的速度是:

  V甲=120米/12秒=10米/秒

  乙在時間10秒內內跑過的路程是110米, 則乙的速度是:

  V乙=110米/10秒=11米/秒

  由此我們可知:乙跑得比甲快。

  在這裏,描述空間的路程是如何定義的呢?這个好辦,只要大家統一約定一米有多長就行了,制作這個一米長的標準尺之後,就可以復制許多把與標準尺一樣長的尺子,如果把一米分成100份,则每一份的長度成為厘米;如果再把一厘米分成10份,則每一份的長度成為毫米……

  那麽,時間又是如何定義的呢?

  時間自古就作為最基本的概念引入到人們的日常生活中。在日常生活中,我們是采用地球圍繞太陽公轉一周作為時間“年”的單位、月球圍繞地球公轉一周作為“月”的單位、地球自轉一周作為“天”的單位。在科學上,1967年第十三屆國際計量大會,采用以原子內部辐射頻率為基準的時間計量系统,按新規定,“秒是銫-133原子基態的兩個超精細能級之間的躍迁所對應輻射的9192631770個周期的持續時間”。

  可以看到,不論在生活中還是在科學中,我們對时間的定義都是采用“物體運動变化”的某種周期作為時間定義的方案。這種“周期”必須是穩定的,人們對“周期”的測量必須是準確的,由此而得到的“時間”概念才能夠具有客觀性、可操作性。

  由此看出,我們為了描述“物體的運動變化”,必須定義“時間”這一概念,但為了定義“時間”这一概念,又必須借助“物體運动變化”的某種周期。這種做法显然已經陷入了循環邏輯這一“泥潭”。這也充分說明,雖然“時間”的概念對人們来說有些模糊因而不十分準確,但人們定義的“時間”概念必定與“物體的運動變化”密切相關,不可分割。

  由此可见,“時間”和“空間” 這兩個概念的地位是不平等、不對稱的。“空間” 的概念较形象、客觀、準確,“时間” 的概念較抽象、主觀、模糊。我們必须牢記這一點。

  但是,有一點是可以肯定的,那就是:“時間”和“空間” 的概念,都是人們為了描述物質的運動狀态而建立起來的。雖然用空間尺寸可以描述物質的形狀和大小,但空間不是物質;雖然我們可以同時使用“時間”和“空間” 概念来描述“物體的運動變化”,但時間也不是物質。

  物理學所指的物質脫離不了時間,因為如果沒有物質及其運動變化也就沒有“鐘”,就無法定義時間。但“空間”卻是一種固有的存在,它可以脫離物質及其運動而獨立存在。雖然,沒有物質就沒有“尺”,因而無法測量空間的大小,但空間依然客觀存在。物质總是存在於某一空间之中,它依賴空間,而空間的存在并不依賴物質。比如,一塊冰必须占據一定的空間,但当這塊冰不存在時(溶化或蒸發),它原來所占据的空間依然存在,并且,此空間的大小和形狀不會因為觀測者的運動而改變。


  二、相對論 “時空”的矛盾


  愛因斯坦建立狹義相對論基于兩個基本原理:“光速不變原理”和“相對性原理”。由這兩個基本原理,很自然得到在不同慣性坐標系關於時間和空间的變換關系——洛淪茲變換,在此基礎上,物體在不同惯性坐標系中的速度、質量、動量、能量的變換式都因此而可求出。

  如果慣性坐標系S'相對於固定在地球上靜止的坐標系S,以速度u沿x軸方向運動,x'與x在同一軸上, 且當t=0時,O'與O重合(如下圖):

对相对论时空观的批判和改造
  洛淪茲時空變換為:

  x’=(x-ut)[1-(u2/c)]-1/2     ……(1)

  t’=[t-(ux/c2)][1-(u2/c)]-1/2……(2)

  洛沦茲時空逆變換為:

  x=(x’+ut)[1-(u2/c)]-1/2     ……(3)

  t=[t’+(ux’/c2)][1-(u2/c)]-1/2……(4)

  設k= [1-(u2/c)] -1/2 ,在運動坐標系S’內的某一時刻(△t’=0),有一觀測者A靜止在S’系內,他測量一條沿x’軸放置的棒,測得該棒的長度為L0,由(1)得到:

  L0=△x’=k(△x+u△t) ……(5)

  在靜止坐標系S內的某一时刻(△t=0,表示“同時”觀測),有另一觀測者B靜止在S系內,他測得該棒的長度為△x =L,則(5)式可以寫為: L0=kL,或者

  L=L0[1-(u2/c)]1/2……(6)

  因為[1-(u2/c)]1/2≤1,所以L≤L0,即運動的尺子縮短,此即尺縮效應。

  另外,在運動坐標系S’內的某一地點(△x’=0),發生一個事件(如兩次閃光),觀测者A測得事件發生的時间間隔為△t’,則由(2)式得

  △t’=[△t-(u△x/c2)][1-(u2/c)]-1/2

  在靜止坐標系S的觀测者B,測得事件發生的時間間隔为△t,則由(4)式得:

  △t=△t’[1-(u2/c)]-1/2……(6)

  因為[1-(u2/c)]1/2≤1,所以△t≥△t’,即運动的鐘走時慢,此即鐘慢效應,也稱“時間膨脹”。

  关於“鐘慢尺縮效應”,虽然聽起來是非常荒唐的,但由於根據狹義相對論所作的一切推論,理論與實踐相符得非常好,因而狹義相對論的相對時空观念完全被人們接受,牛頓的絕對時空觀念完全被人们拋棄。

  為了将“相對性原理”推廣到非慣性系,爱因斯坦利用黎曼幾何這一數學工具,建立了引力場方程,得出“時空”依賴於其周圍的質量分布,而具有“彎曲”的性質。我認為,黎曼空間的存在,在幾何上仍然存在嚴格的邏輯前提,然而,廣義相對論的整個理論體系非常缺乏形式表達與物質對象之間的严格對應。一系列實驗上的巧合給了我們“空間大小可以變化”,甚至可以“彎曲”的假象,實際上,這种看法是十分荒唐的,我們不能僅僅因為廣義相對論的理論與實驗相符,就認為它是正確的。

  由於狭義相對論的時空概念只具有相对意義,則“鐘慢尺縮效應”也是相對而言的。也就是說,在静止坐標系S的觀測者B,通過觀测得到運動坐標系S’的“钟慢尺縮”; 在運動坐標系S’的觀測者A則認為自己是静止的,A看到坐標系S的運動速度為-u,A通過觀測得到坐標系S的“鐘慢尺縮”。 觀測者A和B都認為對方的鐘走慢了,尺子縮短了。這一結論顯然是矛盾的,因而是不能令人滿意的。

  為了進一步揭露以上時空概念的矛盾,我們再來看一個例子(請看下圖):

  对相对论时空观的批判和改造

  ABCDE為较粗的、裸露的理想銅導線,按圖中連接則回路中有電流I通過。现將上圖作些改動:

  (1)     該理想實驗在遠離一切力場的地方进行;

  (2)     電路静止在慣性坐標系S內;

  (3)     將A點斷開,然後在該處串接一個燈泡;

  (4)     将C、D斷開,在S系內測得C、D的距離為1米;

  (5)     有一條靜止在惯性坐標系S’內的銅棒,在S’內測得其長度為L’=1.1米,兩個端點为C’和D’;

  (6)     在惯性坐標系S觀測,水平放置的銅棒C’D’緊貼銅導線,由C左端向D飛行,運動速度為u=0.99c;S系的觀測者測得銅棒C’D’的長度為L=0.155米<1米,燈泡不亮。

  (7)     在慣性坐標系S’系的觀測者測得銅棒C’D’的長度為L’=1.1米,測得CD的長度L’’=0.14米,<1.1米,燈泡亮。

  顯然,依據狹義相对論,在不同坐標系觀測我們得到了互相矛盾的結果。但是,这種矛盾是不允許的,是被禁止的,因為事件的結果是唯一的——燈泡要麽发光,要麽不發光,二者必居其一。一個正確的物理理論必須對此進行選擇並進行令人滿意的解釋。

  這充分暴露了狹義相對論時空观念的深刻矛盾。

  在前面我們已經发現,人類關於“時間” 的概念是抽象、主觀和模糊的,關於“空间” 的概念則是形象、客觀、和準確的。因而,我們有理由相信:銅棒C’D’的客觀長度L0=1.1米,CD的客觀距離為LCD =1米。事件的結果應該是:燈泡能發光!

  三、對“時空”概念的重新審查


  也許,如果沒有迈克爾孫—莫雷的光速實驗,人们永遠不會接受“相對時間”的觀念,但是,這個實驗是無可挑剔的,“光速不變”(光速是一個恒量,與光源的運動、觀測者的運動無关)是鐵的事實,因此,“相對時间”是不可避免的。

  在慣性坐標系S’觀測,光速是c,x’=ct’;在慣性坐標系S观測,光速也是c,x=ct。因為x>x’, 所以,

  t>t’,即“時間膨脹”是客觀、真實、必然的。

  “光速不變”正是由於時间的這一神秘原因引起的。但是,時間是一维的,它具有絕對的不可逆性,時間顺序的絕對因果律,在本質上不同於量子力學中的因果律,更不同於錄象倒放的逆過程。用於描述微觀粒子行為的“幾率”概念,違反了宏觀物体行為的因果律,那是允許的,它違反“常識”但不違反邏輯。而錄象倒放使我們能夠观看復制的歷史資料,但我們却一點也不能幹預、改變歷史事实。因而,錄象倒放這种“時間倒流”不具有真實的意義。只要是一個心智健康的人,決不會相信“時間倒流”。如果對“時間倒流不可能”這一基本邏輯不具有堅定的信念,我們就無法建立任何科學定律。企图制造“時間機器”的人,我奉勸他們連想都不要想,因為這比企圖制造“永動機”的人愚蠢萬倍。

  時間是連續的,它無始無終;宇宙是固有的存在,沒有開始,也沒有結束。

  就算“宇宙大爆炸”是真的,那麽,大爆炸前也是宇宙存在的另一種形態。

  但是,“長度收縮”這一空間性質是主觀、虛假的,是由於人们在測量過程中的不慎引起的假象,通過適當的數学處理即可校正。

  慣性坐標系S’相對慣性坐標系S的速度為u(向右)。在S’系觀測直尺的長度为L’=L0,當u不同时,在坐標系S中觀測到無窮多個直尺長度L1,L2,L3……在這些所有的直尺長度的數值中,只有L’=L0是唯一正確的,其余的值都是錯誤的,因而必須修正。錯誤的原因是:當我們位於一個相對直尺运動的參照系時,測量其長度不能“同時”測量直尺的兩端。正确的測量方法是(分為兩步):

  第一次測量:“同時”測量直尺的兩端;測得銅棒C’D’的長度為

       L1=L0[1-(u/c)2]1/2……(7)

  第二次測量:“延時”測量直尺的右端。“延時”的時間为:

  △T=△t{1-[1-(u/c)2]1/2}……(8)

  校正長度為△L=X2-X1

  由(1)、(3)兩式得

  L0=X2’-X1’=[△L-u△T][1-(u/c)2]-1/2

  校正長度△L= L0{1-[1-(u/c)2]1/2}……(9)

  由(7)、(9)兩式得到經過兩次測量後,得到校正後銅棒C’D’的長度為L=L1+△L=L0

  既然我們通過“同時”測量銅棒两端的坐標,而得到銅棒長度偏短的錯誤結論,說明我们在測量D’點的坐标時,已經“提前”進行了,這種“提前”是客觀真實的,而用“同時”的方法反而成了主觀、錯誤的了。出現這種錯誤的根本原因是人們在定義“時間”的概念时的主觀性、模糊性、抽象性所帶來的,是因為人類目前的語言缺陷造成的。這有点象目前我們用語言来描述微觀粒子的量子行為一樣,用的是主觀、模糊、抽象语言,甚至於已經破壞了我们在日常生活中所建立起来的因果律,但是,量子力學并不因此而失去它的價值,反而更加闪耀著人類智慧的光芒。

  在物理上,標尺的長度必須為大家公認,从而能夠為整個科學世界制定一個共同的標準,根本無需也不可能對于實驗中決定於不同操作所出現的不同“觀測效果”作出同一化認定。

  “空間”從屬於獨立的抽象形式系統,它僅僅是表現物質運動的一個舞臺,是完全抽象定義的一種獨立存在,它僅僅是對一切物質及其運動“空間尺度”所必須的量度,它與真實存在著的物質世界完全無關,也與物質对象是否存在“質量”這樣的邏輯前提無關。“空間”的這種“共同量度基準”的存在,是一切科学陳述的必需。“空间”純粹是用來表現物质世界的一個表述工具,是一個為表述物質和物質運動所提供的、具有抽象意義的獨立舞臺。

  在“宇宙大爆炸”之前,宇宙當然是有“空間”的,“空间”提供了“宇宙大爆炸”之後的一個背景舞臺,只不過,此時的“空間”無法用“尺”這一“物質”去量度,也沒有具有智慧的“人”進行操作罷了。

  因此,作為表觀物質世界的自然科學中一個最簡單和最原始的概念,根本無需對作為度量標準的“空間”進行特別的討論。

  “時間”和“空間”作為形式系統中兩個必須的、最原始概念,比對於“質量”的認定更為基本,範围也更為廣闊。

  由此可得到以下結论:在不同慣性坐標系中观測,物體的長度不變,即空間具有絕對性。

  黎曼幾何所描述的彎曲空间並不是真實的空間,黎曼幾何只是描述物理現象的一種數學手段,但絕不是唯一手段,甚至可以認为它是一種錯誤的數學手段,因为它將科學引導到了一條錯误的道路。

  愛因斯坦將不同單位的物理量構造一個抽象的几何“時空”,造成了科學史上從未出現過的空前邏輯紊乱。光線真實存在的彎曲狀況,是由大質量星体的萬有引力(改造後)造成的,不可能決定於“廣義相對論”中那個未知量和方程數都不同一、處處需要補充新的人為假設、演繹邏輯充滿紊亂的“度量張量”場。

  因此,牛頓關於空間具有客觀絕對性的觀點是正確的:“絕對的空間,就其本性而言,是與外界任何事物無關、永遠是相同的和不動的。相對空間是絕對空間的可動部分或者“量度”。

  “空間”不是物體,它只是物體表演(運動)的一個“舞臺”,這個“舞臺”是人們根據物質的存在和運動而抽象出來的概念,“空間”既看不见,也摸不著。只有物體才有“大小”、“平直”、“彎曲”之分,“空間”不是物體,故无“大小”、“平直”、“弯曲”之分。

  空間是絕對的、均勻、连續性的;宇宙空間並非“有限無邊”,而是“無邊無際”的。

  但是,牛頓關於時間具有絕對性的观點是錯誤的: “絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著,而且由於其本性而在均勻地、與任何其它外界事物無關的流逝着,相對的、表觀的和通常的時間是……通過運动來進行的量度,我們通常就用諸如小時、月、年等這種量度以代替真正的時間”。

  時間是一維的,即用一個參數就能夠表明所有事件發生的先後順序,時間標架方向的选擇是確定的,不帶有觀察者的隨意性。為了給出在空间不同點的事件的先後順序和時间間隔,需選取時間標架,即在已定空間標架的固定點選擇標准鐘,並使空間所有相對静止點上的鐘與標準鐘同步。選擇不同的標準鐘記錄同一事件的時刻可能不同,但是兩事件发生的先後順序和時間間隔不會因钟的不同而改變。但是,當我們考察空間非相對靜止點上的鐘的時候,兩事件發生的先後顺序仍然不會因鐘的不同而改变,時間間隔卻是不同的了!

  四、絕對静止參照系和慣性參照系


  狭義相對論認為,所有物體的運动都是相對的,所有惯性坐標系中都是平等的,绝對靜止參照系是不存在的。在所有慣性坐標系中,一切物理定律相同,在反映物理規律的數學形式上保持不變。因而,你無法通過物理實驗證明你所在的參照系與别的參照系有何區別。

  我认為,物體的運動既有相對性,也有絕對性,所有慣性坐标系中不是平等的,絕對靜止参照系是存在的,“相對性原理”不具有普遍性,可以通過物理實验證明你所在的參照系與別的參照系有何區別。

  首先,運動的相對性大家都清楚,不必多說。關於運動的绝對性,我們來看一個簡單的例子:

  在地球上有一個正在旋转的陀螺,最大半徑為5cm,相對太陽的轉速為4圈/秒,陀螺作圓周運動的線速度为:v=rω≈1.3(米/秒)。但是,如果以旋轉的陀螺為參照系,太陽作圓周運動的線速度為:

  V’=Rω=1.5x10118π≈3.80x1012(米/秒)

  這一速度遠大於光速。顯然,我們不能把以上兩種相對运動看成是等價的。

  其次,所有惯性坐標系中都不是平等的。例如:在遠離一切力場的地方,有兩個以相對速度u運動的慣性坐標系S 和S’,對於固連在其上的觀測者A和A’而言,到底是誰的“鐘”走時更快呢?雖然這是一個理想實驗,但我們必須回答以上问題而不可借故回避,就象伽利略的斜面慣性實驗和愛因斯坦的電梯實驗一樣,不能因为他們是理想實驗而否定其重大意義。

  要回答以上問題就必需要確定“絕對靜止參照系”:

  在地上觀測,地球是一個精確度較高的“靜止參照系”;

  在太陽系觀測,太陽的中心是一個比地球精確度更高的“靜止參照系”;

  在銀河系觀測,銀河系質心是一個比太陽中心精確度更高的“靜止參照系”;

  總星系的質心是一個比銀河系質心精確度更高的“靜止參照系”;

  ……

  隨著時間的推移,人類的智慧不斷提高,人們可以不斷地繼續尋找下去,得到越來越精確的“靜止參照系”。也許,宇宙大爆炸的起點才是真正意義上的“絕對靜止参照系”—— 這是宇宙間唯一優越的慣性參照系。也許,憑著人類的智慧永遠無法找到真正意義上的“絕對静止參照系”,但是,我們確信人類可以不斷逼近“絕對静止參照系”,就象“绝對零度”和“理想氣體”不可能達到一樣,但我們可以不斷逼近它。確定“絕對靜止參照系”的意義在於,它有利於我們對物體的運动進行精確的描述。

  一旦確定了“絕對靜止參照系”,我們就可以定义慣性坐標系了:凡是相對絕對靜止參照系作勻速直線運動的參照系,就是慣性坐標系。

  在牛頓力學和相對論中,定义慣性坐標系時都存在循环邏輯的矛盾。

  有了近似的“絕对靜止參照系”,我們就可以比較慣性坐標系S 和S’的速度,比較兩者中哪一個相對“绝對靜止參照系”的速度教大,則這個坐標系的“鐘”走时較快。

  例如,從宇宙中高速飛向地球的μ子,比靜止在地球上的μ子壽命更長;相對地球被加速(作高速勻速圆周運動)的μ子比靜止在地球上的μ子壽命更長。

  五、“相對性原理”不具有普適性


  大自然既具有簡單、和諧、統一的一面,也具有復雜、混亂、形式多樣的一面。要求所有物理定律在一切坐標系中具有相同的形式(協變性),是人們美好的願望,這是人类的主觀要求,這種主觀愿望必須服從於大自然的客觀實際。因此,對於“相對性原理”不具有普適性的事實無須大驚小怪。

  我們知道,在不同慣性坐標系中觀測,天空中飛鳥的運動軌跡,結果是不一樣的,“飛鳥的運動軌跡”算不算是一種“物理规律”呢?在不同慣性坐標系中觀測,物體的坐标、長度、速度不同,同一事件所經歷的時間間隔不同。下面我們將看到,在不同慣性坐標系中觀測,物體的質量不同,物体所受的萬有引力也不同。

  相比之下,一種真實的存在,比一種人們主观上要求的“協變性”更为重要。科學的任務正是使得我們建立的理論與“真實的存在”之間取得盡量小的誤差。“自然、簡單、和諧、统一”的科學美絕非大自然的客觀真實,它屬於意識範疇。

  六、關於光速不變原理

  從理論上看,麥克斯韋電磁理論要求光速不變;從實踐上看,邁克爾-莫雷的光速實驗說明光速不变。因而,從表面上看,狹義相對论的時空觀就是“光速不變原理”的必然推論,其實應該倒過來說:正是“時間膨脹”這一原因,導致“光速不變”這一結果。因为,我們只有定義了“時空”概念,才能得到“速度”的概念。所以,只要我們承認“时間膨脹”,對“光速不變”就不會感覺到奇怪。當然,我們還可以從以下角度對“光速不變”進行更深入的理解:

  (1)     靜止质量為0的物體,其在真空中的速度必為c。c為物質运動的“極限”速度,它充當了“無窮大”的角色,因此靜止質量為0的光子,它從静止加速到c是瞬間完成的(不需要時間)。當光子的運動速度達到c後,就不能再加速了,因為作用力的傳播速度也被限制在c之內,這樣就沒有一個力能夠從光子的背後作用於它。但是,力能夠從光子的前面和側面作用於它,故光子可以減速,也可以彎曲。

  (2)     在真空中速度为c的物體,其靜止質量必為0。物體的運動質量與靜止質量的關系滿足下式: m=m0/[1-(u2/c)]1/2

如果物體靜止質量不為0,當它在真空中速度為c時,其運動質量無窮大,而這是不可能的,所以在真空中速度為c的物體,其靜止質量必為0。

  (3)     靜止質量為0的物體,慣性為零,保持原來运動狀態的屬性為零;

  例如,光子靜止質量為0,當光源的運動速度為v时, 光子並不能保留原來運動狀態v。光子的運動與光源不運動時的情況一模一樣。另一方面,從運動學的角度看,運動具有相对性,即“觀察者靜止而光源的運動速度為v”,與“光源靜止而觀察者的運动速度為v”是等價的,因此,“光在真空中的速度恒為c,與光源的運動无關,與觀察者的運動無關”。

  (4)     光是波,当波源靠近觀察者時,波長λ變小,頻率ν變大,但波長與頻率的乘積λν不變,等於c,即λν=c;當波源遠離觀察者時,波長λ變大,頻率ν變小,但波长與頻率的乘積λν不變,等於c,即λν=c。

如果有一天人類發現宇宙中存在運動速度大於c的粒子,我們可以肯定它不是從靜止加速而來的,而是它本來的運動速度就大於c,而且,它的運動速度永遠无法降低到c。

  七、廣義相對論的缺陷

  1、廣義相對論“奇点”的存在  廣義相对論的引力場方程為:

        对相对论时空观的批判和改造

  這個方程是高度非線性的,一般不能嚴格求解。只有在对時空度規附加一些對稱性或其他要求下,使方程大大简化,才有可能求出一些嚴格解。

  在引力場球對稱的假定下,可以得到方程的史瓦西解:

  对相对论时空观的批判和改造

  顯然,度規在r=2MG/c2和r=0處奇異(趨於無窮大)。但是,r=2MG/c2處的奇異是由於坐標系帶來的,可以通過適當的坐標系变換來避免。r=0處的奇點是本質的。在奇點上,時空曲率和物質密度都趨於無窮大,時空流形達到盡頭。不僅在宇宙模型中起始的奇點是這樣,在星體中引力坍縮終止的奇點也是這樣。在奇點處,“一切科學預見都失去了效果”,沒有時間,也沒有空間。無窮大的出現顯然是廣义相對論的重大缺陷。

  另外,對於廣義相对論的數學形式復雜性,世界著名物理學家波恩說:“它的形式復雜得可怕”。

  把時间和空間這兩個具有完全不同抽象內涵和不同物理學量綱的概念同一化,帶給人們的困惑和不解是無法揮之而去的,晚年的爱因斯坦不時流露對他那只時時需要加以校對的鐘,和那把處处需要校正的尺不滿。


  2、廣義相對論與量子理论不相容


  量子理論是非常完備的科學理論,而廣義相對論和量子理論彼此間並不相容。

  1920年,韋爾提出了一個将電磁場和引力場聯系起來的電磁場几何化的理論,他的基本想法是:把電磁場與空間的局部度规不變性聯系起來。韋爾的理論不僅沒有得到學術界的認可,而且也與實驗結果不符。之後,瑞尼契、惠勒、米斯納等人也作了很多將電磁場几何化的嘗試,都沒有獲得成功。

  人們也曾試圖將引力場進行量子化,並從中尋求引力場與電磁場的本質聯系,企圖用量子論的方法實現引力場與電磁場的統一。電磁場的場量子是光子,類似地人們欲將量子化的引力場的場量子稱為引力子。但經過幾十年的努力,引力場的量子化嘗試連連失敗。

  广義相對論運用數學工具“黎曼几何” 和“張量分析”得到“空間彎曲”的結論,但我認為,“彎曲的空間”只是一種運算符號,它沒有物理意義,更不能描述真實的空間。例如,在分析簡諧振動和簡諧波的規律時,用復數進行運算的結果描述可以簡諧量,但復數並不是简諧量,復數本身沒有物理意義。又如,在量子力學中用“波函數” 進行運算能得到可觀測量,但“波函数” 並不是可觀測量,它本身沒有物理意義。
  

  八、對萬有引力定律的改造


  顯然,牛頓万有引力定律是有缺陷的,我們認為該定律是一個正確定律極好的近似。為了便於進行类比,我們來看一個電磁學現象:

  在一個範圍內,同時有一個恒定的電場和磁場(磁感應強度為B),其中,電场由帶電量為-Q(場源)的均勻球體產生。距離球心r处,有一靜止檢驗點電荷,帶電量為+q(q<<Q),其對場源的影響可忽略不計。則点電荷不受磁場的作用, Fc=0;所受電場力(庫侖力)為有心力,大小為:

  Fe =Qq/4πεr2……(10)

  如果點電荷以速度v運動,則所受電場力仍滿足(1)式,同時,它還要受到磁場力(洛侖滋力)的作用,大小為:

  Fc =Bqvsinθ……(11)

  θ為B与v的夾角,洛侖滋力Fc不是有心力,其方向恒與速度v的方向垂直,由左手定則確定。可知,洛侖滋力Fc对點電荷不做功。

  萬有引力F1=(GMm/r2)與(1)式很相似,因此,我们假定,在萬有引力場中運動的物體,除受引力F1之外,同時受到另一個類似洛侖滋力力(暫稱為附加力)F2的作用,F2是速度v的函數,其方向恒与速度v的方向垂直,在v 與r構成的平面(密切面)之內,指向曲率中心一方,大小為:

  F2=(GMmv2/r2c2)

  由此得到萬有引力的精確表達式為:

  F=(GMm/r2)[1+(v2/c2)]

  =(GMm/r2)+(GMmv2/r2c2)……(12)

  其中,c為真空中的光速,m為物體的運动質量。

  m=m0/[1-(v2/c2)]1/2

  我们稱第一項(GMm/r2)为愛因斯坦引力,第二項(GMmv2/r2c2)為附加力。

  因為“相對性原理”不具有普適性,所以改造後的萬有引力定律並不滿足洛侖滋協變性,就是一種正常的現象。

  至此,我們已經完成了對萬有引力定律的改造,下面對新理論進行檢驗。


  九、對新時空理論的檢驗


  我認为,在考慮“引力場”和“變速運動”的情况下,時空仍然是平直的。

  1、太陽光譜線“紅移”


  根據改造的萬有引力定律和光的波粒二象性,就可以得到太陽光譜線“红移”的結果。

  當光子從太陽(r0=R)運動到地球(r=∞)時, 對於速度为c的光子, 太陽的愛因斯坦引力f1對光子作負功,地球的爱因斯坦引力F1對光子作正功, 太陽、地球附加力(F2)對光子不作功。f1引起光子的能量變化為:

  ΔE1=-∫f1dr=-GMm∫(1/r2)dr(光子的質量m变化很小,故可提到积分號外)

  以太陽為參照系,當光子从太陽(r=R)運動到地球(r=∞)時, 将r從r=R到r=∞積分得:

  ΔE1=-GMm/R

  光子的能量E=mc2=hν, ΔE1=hΔν=-GMm/R

     Δν=-GMm/hR

  F1引起光子的能量變化為:

  ΔE2=∫F1dr=-GM’m∫(1/r2)dr

  =-(GM’m/r)+C’

  以地球為参照系,當光子從太陽(r=∞)運動到地球(r=R’)時,

  ΔE2=GM’m/R’

  ΔE2=hΔν’=-GM’m/R’

     Δν’=-GMm’/hR’

  光子的能量總变化為:

  ΔE=ΔE1+ΔE2

  =-GMm/R +GM’m/R’

  =Gm[(M’ /R’)-(M/R)]

  相對而言,地球的引力比太陽的引力小很多,地球的質量與半径的比值(M’/R’),比太陽的質量與半徑的比值(M /R)小4個數量级,故對光子能量總變化的主要貢獻來自太陽的引力,ΔE≈ΔE1,Δν=-GMm/hR

  而E= hν0,ν0=E /h=mc2/ h

Δν/ν0=-GM/Rc2=-2.12x10-6

  負號表示光從太陽運動到地球頻率變小。這就是太阳光譜線“紅移”的理论值。實際觀測結果為 -2.12x10-6。

  對天狼星伴星光線的引力紅移,理論值為:

  Δν/ν0=28x10-5

  1971年,格林斯坦(J.L.Greenstein)利用衍射技術,得到實際觀測結果为: (30+5)x10-5。

  我們必須注意,雖然新理論的結論與廣义相對論一樣,但原因卻不相同。

  我們知道,光源的固有頻率是指,相對光源靜止的觀測者检測到的光源所發出的光子的頻率。例如,某原子的固有頻率取決于該原子的能級結構,它是該原子的固有屬性,與引力場的大小毫無關系。無論是黑洞、太陽、地球上的氫原子,還是遙遠太空中遠離引力場的氫原子,對于相對氫原子靜止的觀测者,它們在躍遷時所發出的頻率大小都相同,等於氫原子的固有頻率。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com   如果光源遠離觀測者,觀测者檢測到的光源所發出的光子的頻率將變小(頻率“紅移”)——這是多普勒效應,

  但是,廣義相對论認為,太陽光譜線引力“紅移” 的原因是:太阳表面的引力場比地球表面的引力場強,因而太陽表面的鐘走得較慢,當用某種物质從太陽發出的光譜線的頻率,與同一物質從地球發出的光譜線的頻率進行比較時,結果是,從太阳發出的光譜線的頻率較小(“紅移”)。

  新理論認為,太陽光譜線“紅移” 的原因是:從太陽表面的光子運動到地球時,由於其受到的力主要是來自於太陽的引力,而该引力對光子做負功,引起光子能量的減少,但光速大小不变,只能是光子頻率減少了(E=hν)。當用某種物質從太陽发出的光譜線的頻率,与同一物質從地球發出的光譜線的頻率進行比較時,结果是,從太陽發出的光譜线的頻率較小(“紅移”)。

  從太陽發出的光譜線到達地球的觀測者,將同時產生多普勒“藍移”效應。

  钟的快慢與固定在它之上的坐標系的速度和加速度有關,與觀測者的坐標系有關,與它所處在的引力場強弱无關。

  2、地球光譜線“藍移”


  1959年龐德等人在哈佛大學首次在地面上直接驗證了引力频移。利用 在塔頂發射 射線,在塔底接收。塔高H為 。

  此實驗在地面上,故可忽略太阳對光子的作用。地球的愛因斯坦引力F1對光子作正功,地球附加力(F2)對光子不作功。F1引起光子的能量变化為:

  ΔE1=∫F1dr=GMm∫(1/r2)dr

  =-(GMm/r)+C , 將r 從(H+R)到R積分,

  ΔE1=(GMm){(1/R)-[1/(R+H)]}

  在地面上,(GMm/R2)=mg, GM=gR2,

  ΔE1=hΔν

  Δν=gHm/h[1+(H/R)]≈gHm/h
 [(H/R)<<1],而E= hν0,ν0=E /h=mc2/ h

Δν/ν0=gH/c2=2.46x10-15

  這就是光譜線“藍移”的理論值,表示光從塔高H為对相对论时空观的批判和改造射到地球表面,光頻率變大。實際觀測結果為2.46x10-15。

  我們必須註意,雖然新理論的結論與廣義相對論一樣,但原因卻不相同。

  廣義相對論认為,对相对论时空观的批判和改造射線“藍移” 的原因是:塔高H為对相对论时空观的批判和改造處的引力場比塔底的引力場弱,因而塔高H為对相对论时空观的批判和改造處的鐘走得較快,故在塔底接收來自对相对论时空观的批判和改造射線的光譜线頻率較大。

  新理論認為,对相对论时空观的批判和改造射線“藍移” 的原因是:从塔高H為对相对论时空观的批判和改造處的对相对论时空观的批判和改造射線運動到塔底時,由於其受到的力主要是來自於地球的引力,而該引力對光子做正功,引起光子能量的增加,其相應的頻率增大(E=hν)。

  如果從塔底將对相对论时空观的批判和改造射線射向塔高H為对相对论时空观的批判和改造處,由於其受到的力主要是來自於地球的引力,而該引力對光子做負功,引起光子能量的減少,其相應的频率減少(E=hν),出現“紅移”現象。

  為了檢驗關於对相对论时空观的批判和改造射線“藍移”的正確與否,我們可以做兩個實驗:

  (1)在珠慕朗瑪峰大約8000米海拔高度,或者1萬米高空的飛機上,原地測出(不要從高射向低,也不要從低射向高)以上对相对论时空观的批判和改造射線的频率;

  (2)在廣西的北海銀灘原地測出以上对相对论时空观的批判和改造射線的頻率。

  如果在高低兩處測出以上 射线的頻率滿足以下關系式

  (高處的頻率較大):

       Δν/ν0=gH/c2

  則說明廣義相對論正確,否則錯誤。

  3、恒星光線的偏折


  以遙远恒星光子的運動速度的前進方向为x軸負方向,建立平面坐標系x-o-y,在太陽引力場中,光子的運動速度非常大,運動質量m很小,它的偏角θ非常小, 光子在y軸方向的分運動速度非常小,所以:

  F1sinθ+ F2=may=m(dvy/dt)

  F1=(GMm/r2),

  F2=(GMmv2/r2c2),對於光子,v=c,F2=(GMm/r2)

  F1与F2大小相等,但方向不同。

  光子在x軸方向的速度可以認為不變,為c≈dx/dt

  sinθdx=rdθ, sinθ=R/r(R為太陽半徑,r為光子與太阳中心的距離),在t时刻,光子運動速度與x軸負方向的夾角為dθ,當光子从+∞遠處運動到-∞远處時(θ從而到π),光子的總偏角為:

  θ=(GM/Rc2)∫(sinθ+1)dθ

  =(2+π)GM/Rc2=2.2"

对相对论时空观的批判和改造

对相对论时空观的批判和改造
  1919年5月,兩組科學觀测隊分別進行第一次實際觀測到, 恒星光線擦過太陽边緣到達地球的“總偏角”為1.98"+0.30 和1.61+0.12"。在各次日蝕中,至今已對400多顆恒星作了這種测量,觀測數據的範圍是從1.57" 到2.37",平均值是1.89"。

  4、水星的“附加進動”

   对相对论时空观的批判和改造

  水星是離太陽最近的行星,它受太陽的引力場影響最大。實際觀測表明,水星近日點的進動角為5600.73"/百年,其中,根據牛顿理論得出的進動角為5557.62"/百年(5025"來源於天文坐標系的旋轉,占89.7%;約532"來源于其他行星的引力攝動,占9.5%,)。用牛頓理論,無法解释多余的進動角(附加進動)43.11"/百年(占0.8%)。

  在太陽引力作用下,質量為m的水星作橢圓運動(當分析附加力的方向时,可認為水星作圓周運动,附加力近似指向圆心),F≈(GMm/r2)[1+(v2/c2)],

  取單位制c=1,引力勢為:V=(GM/r)[1+v2]

  水星軌道方為:                                                                                                                                                                                                                                      

  (1/2)(dr/dt)2=E+(L2/2r2)+(GM/r)+(GMv2/r)

  E為總能量, L=rv為單位質量的角動量。

  利用(dψ/dt)=L/r2把上式化為r對ψ的微分方程:

[d2(1/r)/d2ψ] +(1/r)=(GM/L2)+(3GM/r2)

令u= GM/r,則得到軌道方程:

(d2u/d2ψ)+u=(GM/L)2+(3u2)……(13)

u =(GM/L)2[1+ecosψ+keψsinψ]

≈(GM/L)2{1+ecos[(1-3(GM/L)2 ]ψ}

  該軌道的近日點將發生進動,近日點進動的标誌是:

[1-3(GM/L)2]ψ=2nπ(n=0,1,2,3……),

ψ=2nπ/[(1-3(GM/L)2) ]≈2nπ[ (1+3(GM/L)2) ]

兩個相鄰的近日點方位角之差為:

Δψ=6π(GM/L)2)

代入水星數據,水星100年的“附加進動角”為:

ΔΦ=43(")

實際观測結果為:ΔΦ=43.11" ,

  對於太陽系內的行星,都可認為作圓周運動,受到太陽的引力為:

F=(GMm/r2)[1+(v2/c2)]

其中, m=m0/[1-(v2/c2)]1/2

將下式展開,1/[1-(v2/c2)]1/2

F=(GMm0/r2){[1+(3v2/2c2)]+(7v4/8c4)+……}。

  當行星的公轉速度v<<c,二階及其以上的小量被忽略時, F≈(GMm0/r2),新理論還原為經典力學的引力。

  5、μ子和孿生子寿命

  實驗表明,μ子靜止時的平均壽命為2.197X10-6秒,如果使μ子在磁場中作高速圓周運動,發現其平均壽命变為26.69X10-6秒, 壽命延缓了12倍多,與狹義相對論的理论值相符。以上分析問題是以地球為参考系的。

  如果以固定在磁場中作高速圓周運動的物體作參考系,觀測者看到,靜止在地面上的μ子也是作高速圓周运動的,這樣,靜止在地面上的μ子平均壽命變为26.69X10-6秒, 壽命延緩了12倍多。

  從表面看,以上兩種結果似乎是矛盾的,實際上並不是如此。因為狹義相對論讨論問題被限制在慣性參考系範圍之內,而速度只具有相對意义,但物體運動的加速度卻有絕對的意義。當我們選擇地球為近似慣性參考系的時候,即意味著,在磁場中作高速圓周運動μ子的加速度必須有绝對的意義。結論是:有絕對加速度的μ子的壽命延緩了,具體延緩了多少,與μ子相對地球的速度有關。

  同理,當我們選擇地球為近似慣性参考系的時候,雙生子中的哥哥以接近光速的速度乘坐飛艇到太空旅行,返回後發現他弟弟比他老了許多。那是因為哥哥启航和返航時相對慣性參考系有絕對加速度,故哥哥壽命延緩了,具體延緩了多少,與哥哥相對地球的速度有關。

  我們知道,在非慣性參考系(相對慣性參考系有加速度的參考系)中,要使經典力學定律仍然適用,必須引入慣性力的概念,而慣性力並不是一個真實的力,你根本無法知道慣性力的施力者是誰。雖然,相對非慣性參考系來說,慣性參考系是有加速度的,但在慣性參考系中却不能、也不需要引入慣性力的概念,這說明慣性參考系与非慣性參考系的地位是不平等的,物體運動的加速度有絕對的意義

  6、雷達波延遲

  在分析恒星的光線經過太陽表面被偏折的情況時,我們的新理論與廣義相對論的結果是非常近似的。因而,在分析雷達波延遲的情況時,兩者的結果也應該是非常近似的。不同的是,新理論認為,雷達波延遲是因為它經過星體表面附近时,受到星體引力發生偏折而多走了一段路程,但雷达波的速度不變,所以雷达波延遲。廣義相對論認為,以上原因使雷達波返回時間延遲一半,另一半時間延遲是由于空間彎曲造成的。

  7、引力波形式的一種可能


  類比麥克斯韋電磁場方程的積分形式,我們假設引力場方程的積分形式為:

  ∮(S)E.dS=4πGM0

  ∮(L)E.dL=∫∫(のB/のt) . dS

  ∮(S)B.dS=4πGM0v2/c2

  ∮(L)B.dL=4πGv2/c2∫∫(のE/のt) . dS

  设E的方向為x軸正方向,E與 B組成的平面在xoy

  平面内,E與 B的夾角為θ,B在y軸的投影為Bcosθ,則

  z轴正方向為引力波的傳播方向。

  我们假定,引力波的波動方程為:

  (の2E/のz2)=k (の2E/のt2)

  (の2B/のz2)= k(の2B/のt2)

  其中,の為偏微分符號,k=4πG v2sin2θ/c2

  則引力波的傳播速度為:

  Vy=1/k1/2=c/2v(πG) 1/2sinθ

  對於水星:公轉平均速度V=4.79x104(m/s), 橢圓軌道半長軸a=5.79x1010(m),偏心率e=0.2056, 半短軸b=5.67x1010(m),焦距c’=1.17x1010(m),光速c=3x108(m/s),萬有引力恒量G=6.67x10-11,

  水星運動到y軸上時,tgθ=(c/b)=0.206,sinθ=0.202

       对相对论时空观的批判和改造

       Vy=3.33 x108 c (m/s)≈c2

  水星運動到其它位置時,sinθ的值更小,引力波的傳播速度Vy更大。對於包括地球在內的其余8大行星,偏心率e更小,運行軌道更接近圓,sinθ的值更小,引力波的傳播速度Vy更大。由此可推斷:引力波的傳播速度遠遠大於光速c。

  對於以黑洞引力中心為圓心,以黑洞半徑為半徑作圓周運動的物體,sinθ趨向零,黑洞引力波的傳播速度無窮大。

  引力子的靜止質量為負數,表明它所受外力的方向与其加速度的方向相反。

  在我的另一篇論文《超光速物體的基本特性》中曾推算得如下結論:超光速物體具有穿透性!對於這種穿透性有兩種理解:一是超光速物體完全表現為波動的性質,波具有穿透性;二是超光速物體完全表現為粒子的性質,當該超光速粒子與一普通物體正面碰撞時,將以無窮大速度沿物體表面到達物體背面,然後在瞬間改變為碰撞後的速度。

  太陽的引力波可以完全穿透擋在它前面的水星以及其他任何星體而迅速抵達地球。否則,地球將嚴重偏離它的運行軌道,後果不堪设想。

  由此可見,鑒於目前人類的科技水平,引力波是不易被探测到的。

  8、黑洞的假設

  如果某恒星引力場足夠大,經過恒星附近的物体將被它吸引而與之融為一體,即便是光子經過恒星附近時也將被俘獲而沿恒星表面作圓周運動,在新理論中,光子所受引力為F=F1+F1=2GMm/r2,此即光子作圓周運動所需要的向心力為2GMm/r2=mc2/r,引力半徑為:r=2GM/c2                    

  如果恒星半徑R≤2GM/c2,则恒星表面所發出的光將不能傳播出去,從而遠處的觀測者不能看到這顆恒星。

  恒星因为不斷吸收其他物質而不斷增加自己的質量,同時增加自己的引力場,物質被強大的引力向恒星內部擠壓,恒星半徑不斷缩小。如果恒星物質的密度均勻,引力中心在球心。在球內部的任何地方包括引力中心,物體受力大小都是有限值,絕對不會出現无限大的密度,也不會出現運轉無限慢的時鐘,不會出现一切物理定律都失效的奇點。

  數學公式是我們表達“物理”意義的比較好的方式,而不是認識的出發點。為了描述 “水星的附加進动”、“恒星光線的偏折”和“太陽光譜線紅移”,新理论只用三維平直空間的簡便數學方法,邏輯簡單,直觀明了,形式優美,通俗易懂,並沒有運用高深難懂的“黎曼幾何” 和“張量分析”。

  對新理论能否進行量子化,用新理論能否對宇宙學的眾多問題進行解释,並進行科學預測等等,还需要進一步研究,靠大家共同努力。

  參考文獻:

  1、《廣義相對論引論》——俞允強編著,1987年北京大學出版社出版;

  2、《相對論》——愛因斯坦著,周學政、徐有誌編譯,2007年北京出版社出版;

  3、《電磁學》——陳熙謀著;

  4、《電動力学》——郭碩鴻著。

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