广义相对论存在的问题

                                                                              ——原理上的问题

志勰


一、引言

    对于在宇宙中两个均速运动的并且状态是恒定的物体,或者我们把它们看作两个惯性参照系,姑且我在这里把它们叫做A和B参照系。如果我们从物体A上来测定另一个物体B的存在状态,那么问题将会反映在如下两方面:

    1、在物体的存在状态上

    我们从A物体去测定B物体,B物体的存在状态只能依赖于我们的观测。我们所观测到的B物体上的状态是以A物体惯性参照系作为标准,这是我们所可能得到的唯一的结果。另一方面,如果B物体上同时有人来观测物体A的状态,那么物体B上的人所观测到的结果是以B物体参照系作为标准。

    2、在物体的计量标准上

    我们不论从A物体去观测B物体,还是从B物体去观测A物体,被观测物体的结果总是以观测物体的标准作为标准,那么在科学上,我们需要通过相同的单位体系来对两个惯性参照系中的物体进行定量,不论是A参照系还是B参照系,在科学的计量上,我们需要的是统一的计量单位。

    这个问题,爱因斯坦先生通过相对论的方法进行了统一。即:在狭义相对论的相对性原理的基础上的时间膨胀和空间收缩的方法进行处理,并统一不同惯性参照系中的计量单位。(关于这个问题,这里不再叙述,可参见相关的文章)在某种意义上来说,这是一种理论的方法。

    这种处理方法不同于日常生活中两个相对运动的物体的运动情况。在日常生活中,两个相对运动的物体的运动状态我们通常可以采用第三观测参照系进行定量,即通常我们所说的静止参照系进行计量,或者说标准参照系进行计量。实际上我们在日常生活中也一直在应用这种计量方法来对两个不同运动状态的物体进行计量。

    通过如上的方法,在理论上建立了两个惯性参照系的联系,那么对于物体的存在状态处理上,保持恒定状态或者两个物体的存在状态不变的情况下就已经建立了确定的描述方法。那么,在宇宙中存在的物体在非恒定状态或者说物体存在状态在变化的情况下,物体存在状态的描述则是另一种重要的问题。

    关于狭义相对论的问题,本站中已经有不少文章探讨过这方面的问题,这里主要探讨在宇宙中存在的物体在非恒定状态或者说物体存在状态在变化的情况,即广义相对论存在的问题。

二、引力质量和惯性质量

  1、物体的属性

    一个物体的存在必然要反映在这个物体存在确定的属性,否则我们将不能确定这个物体的存在。物体的属性对于物体的存在来说是一种必然。

    我们在这里来探讨一下所有的物体所共有的属性。我们已经司空见惯了物体的存在,对于物体的存在,首先从物体给与我们的经验感觉来考虑是一种必然的逻辑之一。那么,一个物体会给与我们什么样的经验感觉呢?

    如果我们排除掉特殊物体所具有的特殊的属性之外,那么剩下的物体所共有的属性则只有剩下两种属性了。

    一种属性是物体所占据的空间体积,这种属性是所有物体所共有的属性,并且表现在物体的存在上。只要一个物体在存在,那么则必然以确定的空间体积存在。不过,空间体积属于几何的范围,或者说属于数学描述的范围,至少传统的观念上是这样。因此,本文将忽略对这个问题的讨论。

    另一种属性则是物体的存在状态属性。这个属性是较为复杂一点的属性。它是随物体的存在状态而反映出来的一种特性。并且可以采用确定的方法对物体的这一属性进行描述。下面我们就来看看物体的这种属性。

  2、物体的质量

    一个物体在存在的过程中,如果没有外力作用于这个物体,我们通常认为,这个物体会保持这种存在状态。这就是著名的牛顿惯性定律。这是一种建立在人类对自然界物体大量接触基础上的经验。我们可以看作经验约定上的规律。实际上,如果没有外来物体给与这个物体作用,或者这个物体也不能产生新的作用来改变这个物体,那么我们也不能找到这个物体存在状态进行改变的任何理由,因此对于这个定律,我们是无须怀疑的。

    从逻辑上来说,牛顿运动定律是一种典型的因果规律,同时也是物质世界因果律存在的根据,在这种意义上来说,它是一种物质世界因果律的根本。但是,在其存在上,我们只能看作经验约定,没有比这个更为基本性解释了。

    如果一个物体存在确定的状态,要改变这种状态,必然要对它施加作用。通常我们把施加的叫做作用力。采用作用力的方法来定量的物质的这种属性我们通常把它叫做质量。质量一词在其物理意义的内涵上并不仅仅是采用作用力来衡量物体存在状态改变的某种数量,它还表示一种质的存在。实际上,在20世纪以后,随着人类对物质微观属性的认识的进一步加深,尤其是进入到原子领域之后,微观粒子的研究将物质这一词推广到物质质的某种存在的形式。比如光子、引力子等,只要具备存在的某种属性的存在,并且反映在质的存在形式上,我们曾笼统的都称之为物质。但在物理学中,最初的物质的定义确来自于采用力的方法定量物质的属性。这种定义我们可以看作在建立能量守恒定律之前,物理学中的物质属性的定义就是这种定义形式。当然,20世纪以前的物质的定义形式还是非常笼统的,并且并不明确。即便在哲学上也是这样。那么,我们在这篇文章中探讨范围限于物理(物质运动变化的原理)中的物质的形式以及定量的特点。

3、引力质量和惯性质量

    我们排除掉特殊的物质所具有的特殊性,比如电荷具有的电的作用,具有磁性的物质具有的磁的作用,而仅考察所有的物质所具有的共性。大量的经验事实使我们可以得到两种获得物体质量的方法。

    一种方法是利用物体本身具有的惯性,给这个物体施加一个矢量的作用力,那么这个物体会在这个作用力的作用下发生存在状态的改变。这一点是所有特定质量的物质都具备的。我们通常将这种方法所测得的质量叫做惯性质量。具体的方法则是:

    在物体处于特定存在状态的时候,如果要改变这种存在状态,那么必然要对这个物体施加作用力,根据牛顿第二运动定律,我们可以得到,在物体所受到的作用力不变的情况下,物体的质量同加速度成反比。我们只要测定了作用力的大小和物体加速度的大小,那么就可以确定物体的质量。

    另一种方法是处于引力场中的具有质量的物质,都会受到引力的作用。在同一引力场强度下,物体所受到的作用力同物体的质量成正比。我们通常将这种方法得出的质量叫做引力质量。我们现在所应用的质量模式可以认为是引力质量模式。因为引力质量是我们采用质量的定义所得到的最初的模式。

    但实际上,这样的一种经验结论是通过大量的处于地球引力场中的物体进行观察所得出的结论,开创性的贡献可以认为是由牛顿先生来完成的。

    在质量的应用历史上,我们甚至不能分辨引力质量和惯性质量的应用的先后。因为我们通过引力质量的模式确定物体的质量,但是在实际的应用过程中,我们通常都是将两种模式的质量通用。具体表现在如下的方面:

    最初我们所采用的质量都是采用引力质量的方法测定的,具体的方法则是采用天平的模式建立的。即:建立一个标准单位质量,然后通过这一标准单位质量去在地球的引力场中去衡量其它物体质量的模式来确定物体的质量。我们利用这种方法得到的质量来对物体的运动变化进行计量,比如牛顿第二运动定律的量的模式,就是采用这种方法来确定的。采用引力质量来确定物体的量,然后再采用惯性质量的模式来建立物质的运动变化规律。

    我们虽然可以采用两种方法得到物体的质量。但是这两种物体的质量定量的模式在属性上都是相同的,都是采用作用力的方法进行定量。不论是引力场给与物体的作用力得到质量的特点,还是给物体施加作用力改变物体运动状态所表现出的物体质量的特点。只要作用力的属性是相同的,那么物体的质量属性就是相同的。但实际上物体的质量和作用力都是采用循环定义的。用作用力去定量物体的质量或者用物体的质量去定量作用力。另一方面是,不论是引力还是我们给物体施加的作用力,都是力,都具有力的属性,在这方面,是没有区别的。因此两种质量是没有区别的。或者惯性质量和引力质量的属性是相同的,甚至可以说,两种质量没有任何的区别,唯一存在区别的是采用的定量方法不同。

  广义相对论的一个公设

    在广义相对论中,惯性质量和引力质量相等并作为一个公设的论据这一点是没有疑问的。另一方面也有点小题大做。在爱因斯坦先生所写的《狭义与广义相对论浅说》中(P58),有这样对引力质量和惯性质量的看法:“......我们对相对性原理的推广隐含着惯性质量和引力质量相等这一定律的必然性,......”。我们可以看到,爱因斯坦先生是将引力质量和惯性质量相等当作一种定律来看待的。

    我们在上面已经探讨了这个问题,惯性质量和引力质量作为我们得到的物质特点从属性上来说,两者是没有区别的,当然作为一个定律来看待这个问题,是不合适的。在这里需要说明一下:爱因斯坦先生得到引力质量等效于惯性质量来自于对处于地球引力场中物体运动情况的观察。可以认为来自于自由落体运动。

4、引力质量和惯性质量定量过程中的区别

    虽然引力质量和惯性质量作为物体存在的属性来说没有区别,但在定量的方法上来说还是存在区别的。这种区别就反映在引力与时间的无关性上。

    在地球的表面上,我们通常将地球的引力常数定义为9.8米/秒,地球表面上的所有的物体由于受到地球的引力产生的加速度都近似为这个数值。我们采用引力的方法来定量物体的质量,只要采用一个标准质量来和物体的质量在相同的引力场中做比较就行了。因此,引力质量和物体的运动变化是无关的。或者换句话说,与时间无关。

    但是采用给物体一个确定的作用力,那么物体的质量同加速度成反比,这一点是与时间有关的。我们必须测定一个物体在加速过程中所经历的时间和空间,相对来说,物体的惯性质量比引力质量的测定要繁琐一些。

三、物体的变速运动状态和引力状态所形成的描述体系同匀速运动状态的描述体系的区别和问题

1、广义相对论的目的

    我们已经探讨了引力质量和惯性质量的特点和属性,下面我们再探讨一下物体在存在过程中的引力行为和惯性行为的描述。这个问题的最初探讨可以认为是相对论要讨论的范围。我们知道,在狭义相对论中,时间和空间已经作为一种和物质的运动状态相关联的物理量。那么在物体的变速运动状态和引力状态下,我们将如何进行处理呢?我在其它的文章中已经探讨了狭义相对论存在着物理的逻辑问题,表现在采用物理的方法来解决物理问题,这样的描述体系和物质的实际运动变化并不是很协调,或者说违背物理的原理。关于这些看法您可参见其它的文章,比如时间与空间中的文章,空间与物质的运动中的文章。这里不再对狭义相对论进行探讨了。

    从描述宇宙中恒定状态的物质的存在的狭义相对论中并不能解决非恒定状态的物质的描述问题,因此,爱因斯坦先生对狭义相对论进行了扩展,现在我们通常把这种扩展到对物质非恒定状态(严格的说是匀变速运动状态)的进行描述的理论叫做广义相对论。

2、广义相对论对物体存在状态进行处理的途径

    相对论是以数学之美而著称的一个物理理论,但是在这里我们要滤掉数学的描述和意义,而仅从物理的角度来探讨广义相对论对物质世界的描述问题,我想这对于物理的本身而言是很重要的。

    单纯的从物理的含义上来说,物体的运动状态保持不变的状态和物体的运动状态在变化的状态在存在的本身上来说,是没有区别的。但关键是我们采用什么样的定量体系对物体的存在进行描述。由于狭义相对论将光速不变作为一种公设,那么不能避免的改变了传统的采用时间、空间和物质的描述体系对物体的存在状态进行描述,这样一种描述体系也必然要扩展到对非恒定状态的物质进行描述。恒定状态的物质存在和非恒定状态的物质的存在在物理学的属性上来说是不同的,相对论是怎样在两种不同的物理属性的物质存在状态上建立描述呢?

    我们知道狭义相对论是通过光速不变建立不同的时间和空间定义体系对恒定物质的参照系属性进行处理的,这样一种方法对于变速运动状态或者进一步扩展到引力状态是行不通的。因为变速运动状态或者引力状态任意时刻我们都可以使两个不同存在状态的物体处于可定量的第三参照系中,对于变速运动状态,我们只要让它们经过相邻的空间点就可以达到这个目的,两个物体存在状态改变的区别仅仅反映在作用在物体上的力的属性上;对于不同引力状态中的物质,我们只要以这个引力场建立一个通用的参照系或者外界的某一个恒星就可以了,比如处于地球引力场中的物体。毫无疑问,物体的不同的恒定存在状态的描述仅仅反映在物体存在的力学属性上,不论是采用特定的方法给物体施加作用力,还是引力场给与物体的引力。物体处于不同的变速运动状态和物体处于不同的引力状态,一个事实就是它们所处于的作用状态是不同的。

    在广义相对论的实际应用上,是采用一种叫做等效原理来对这个问题进行处理的。通俗的讲,就是引力场给与物体的引力作用等效于物体加速运动过程中我们给物体所施加的作用力。这一点我们在前面已经间接讨论过,就是引力质量等效于惯性质量。

    这就是狭义相对论扩展到广义相对论的途径,从而满足相对论从恒定物体存在状态的描述到非恒定物体存在状态的描述的过渡。那么,这样一种处理方法是否有效呢?我们先来看一下这种处理方法的区别。

3、从物理的角度来看待物体的恒定存在状态和非恒定存在状态

    (1)物体恒定自由的存在状态(匀速运动状态)

    物体在处于恒定存在状态的时候,狭义相对论是这样处理的:各个惯性参照系是平权的,参照系之间的物理属性没有任何区别。这一点在狭义相对论的第二个假设中就已经确定无疑,即:在所有的惯性参照系中,物理定律都是相同的。那么,不同惯性参照系的区别只能是不同的时间和空间定义体系,或者换句话说,不同惯性参照系之间的区别来自于我们所采用的相对论的这种对恒定存在状态的物体的描述体系决定的。不同惯性参照系之间的物体的属性没有任何力学的差异。

    我们可以暂时将这种不同惯性参照系中的物体的存在状态反映出我们对它进行描述的属性叫做物体的存在属性与力学的无关性。不同运动状态物体间描述的在时间、空间和质量上的差异,来自于我们所采用的定义体系。

    (2)物体的非恒定运动状态(加速运动状态或者说引力状态)

    物体处于非恒定运动状态的时候,会受到力的作用属性。这一点和狭义相对论所描述的匀速运动状态是不同的。这一点会反映在物体的结构会因为力的作用而发生改变。如左边的图:

    当我们推一个物体的时候,这个物体会产生形变,形变的大小依赖于物体的结构属性、作用点和(纠正2001.6.18,原为“电荷”)作用力的大小。不论我们采用任何一种力来加速一个物体,这个物体都会产生一种形变。这表明,物体的结构属性发生力学的变化。如果这种加速的作用力是恒定的,那么,物体中微小单元间的力学分布会随着不同的作用力的大小而发生变化。 gyxdldwt.gif (3033 字节)

    引力场给与物体的作用力也不例外。如图:

    引力场给于引力场中物体引力的时候,物体中的物质在靠近引力场位置所受到的引力要大于较远处的物质所受到的引力。这样,引力的不同会形成物体中物质单元不同的作用力的分布。此外,当物体在引力场中静止时,比如地面上的物体,物体中的物质单元会形成不同的重力分布。这些,都可以说明,在不同的引力场中,物体的力学属性是不同的。

    我们可以暂时将这种加速运动状态或者说引力状态中的物体的存在状态反映出我们对它进行描述的属性在物理属性上存在的力学区别叫做物体的存在属性与力学的相关性。

    (3)根据上图我们可以得到,引力场给与物体的作用所形成的物体中微观单元力学的分布特点,和引力场给与物体的作用所形成的物体中微观单元力学的分布特点,没有任何的相同点。这依赖于物体的结构属性、作用点和作用力的大小和方向。我们人为施加的加速物体运动的力和引力是不同性质的力。有兴趣的朋友可以再多分析分析,这里就不再多举例了。

4、广义相对论和狭义相对论的矛盾

    狭义相对论和广义相对论在处理物体存在的属性上所存在的区别已经是毫无疑问。狭义相对论对物体的描述体系表现为与力学的无关性,广义相对论则恰恰是与力学相关的。这种定义体系处理的角度不同,是否会影响相对论的描述体系的有效性呢?

   (1)狭义相对论物体的力学属性特点

    狭义相对论我们已经讨论了很多,并且做了很多比较性的说明,对此您可参见时间与空间相关的文章,这里就不再作分析了,而仅提几个相关的结论。狭义相对论对物体运动的描述表现在时间、空间上的不同仅仅是我们所采用的定义体系的不同,这一点依赖于我们所采用的定量方法。至于是否在这种不同惯性参照系间的描述是否存在力学上的区别。我想这一点是肯定的。举个例子来说,如图:

gyxdldwt-1.gif (1378 字节)

   假设图中所画的两条线的长度是在第三惯性参照系中观测到的物体在一秒的时间里理论运动的结果,两条直线上标出的两个小的间隔表示两个惯性参照系中的空间长度定量单位。两个惯性参照系的速度在第三惯性参照系中的速度分别为0.9C和0.95C。与此同时,在第三惯性参照系中的质量为一个单位的物体,在如上两种惯性参照系中的质量则不再是一个质量的理论单位。定义体系的不同,必然伴随着在定义体系中力学的属性存在不同,我们通常所说的光速只能远远趋近,却不能到达就是这个道理。但在运动物体本身的惯性参照系中,物体的力学行为和其他惯性参照系中的力学行为没有任何的区别。但毫无疑问,力学属性在这种惯性参照系中的描述体系变换中是存在不同的。这种不同是描述本质上的不同,并表现在物体质量的变化上。

   狭义相对论在不同惯性参照系中的这种力学的区别可以看作完全是由参照系在描述体系上的变换造成的。而不是物体力学属性的本身发生了改变,是一种相对的数值变换。

    (2)广义相对论物体的力学属性特点

    如果我们确认广义相对论的定量描述体系,并且广义相对论中在物体变速运动状态或者引力状态上反映在定量物体时间、空间和质量上的不同定量当作客观存在。那么物体的时间、空间和质量的定量体系的不同只能来自于物体的力学属性的不同。除此之外,我们将没有别的原因可循。

    这是狭义相对论和广义相对论定量体系的区别。在这种区别中,我们不难看到狭义相对论和广义相对论之间的矛盾。

  在狭义相对论中,描述不同惯性参照系之间的协变形式只是来自于定义体系,并且是与物质之间的作用形式无关的协变。然而在广义相对论中则恰恰相反,广义相对论针对于非恒定物质存在状态形式间的协变形式则完全依赖于物体的变速运动形式、引力形式,或者更进一步的说,是来自于外界和物体的作用形式。我们没有任何的理由来确立这样的协变形式。如果我们确立这样的协变形式,那么物质本身和作用相关的属性,比如密度、压力等状态,我们没有理由不具有这种和定义体系相同的协变关系。换句话说,物质本身的属性也会改变这种定义体系。但是,相对论则恰恰没有将这种作用形式进行描述体系相同的协变,而仅在引力和变速运动形式上确立这样的协变形式。

   这样,广义相对论和狭义相对论就失去了我们对物质世界描述的标准。时间和空间以及物质的本身这样的描述体系就成了一个矛盾的定义体系。改变物质存在的某种状态的过程,我们所采用的描述体系会发生某种改变过程(也可以叫做协变),这种改变是力学属性引起的物理描述体系的改变,物质从一种状态到另一种状态也会发生这种定义体系的改变过程,这种改变则是狭义相对论的于力学属性无关的改变。这样我们就彻底的失去了定量物质定义体系对物质世界描述的标准。

 5、广义相对论原理的问题

    我们已经从对物质实际进行描述的原理上对相对论的原理进行了分析,并且得到广义相对论时间和空间对物质定义描述体系的协变形是来自于力学的原因,那么我们现在来从力学的模式上来分析一下广义相对论的原理,以及它们是否具有物理的价值和意义。

    (1)离心力和引力的等效性

     关于离心力和引力具有等效性,这一点我是从爱因斯坦先生在分析光谱线的红向移动时看到的。可参见爱因斯坦先生在研究引力场所形成的时间变化说明

     离心力和引力在物体作用的形式上是完全不同的。如图:

gyxdldwt-8.gif (2518 字节) gyxdldwt-9.gif (2085 字节)

    如上两个图是离心力和万有引力的受力比较,左边一个图是圆周运动简图,右边一个图是地面上的万有引力的一个简图。

    我们暂时将图中实心的一点当作一个物体,并且都看作固定在地面上。在作圆周运动的图中,会存在两种作用力,一种作用力是远离球心,这种作用力是惯性力。另一种作用力是向心力,是由物质之间的凝聚力提供。对于图中实心球的一点,作用力的结果则是趋向于实心球的密度减小。万有引力则不同了,则是趋向于实心球的密度增大。圆周运动和引力作用所形成的两种作用力的效果使物体存在的属性完全是相反的效果。从力所形成的物质的属性变化上来说,则是完全相反的。当然,这样的分析不是全部的。仅是针对于将图中的实心球和整个的球看作一体的作用结果。实际上,我们可以采用特殊的方法实现局部的物体和如上的分析中相反的效果。从物质属性的本身上来说,我们不能找到对物质描述体系变化形成物体属性变化的的力学原因。匀速圆周运动的物体和万有引力虽然在作用力上都存在一个向心力,然而它们使物质的存在属性可能是相反的变化,这一点不能作为根据。

    (2)引力和度规之间的联系——等效原理

    关于等效原理,我在这里引述《相对论》(W.泡利著 凌德洪  周万生译 上海科学技术出版社P197)的原文。

    等效原理原来只是在均匀引力场的情况下提出的,对于一般的情形,等效原理可以作如下的表述,对于没一个无限小的世界区域(在这样一个世界区域种,引力随空间和时间的变化可以忽略不计),总存在一个坐标系K0(x1,x2,x3,x4),在这个坐标系中,引力即不影响粒子的运动,也不影响其他物理过程。简言之,在一个无限小的世界区域中,没一个引力场都可以被变换掉。我们可以设想用一个自由飘浮的、充分小的匣子来作为定域坐标系K0的物理体现,这个匣子除了受力作用外,不受任何外力,并且在重力的作用下自由落下。

    显然这种“变换掉”之所以可能是由于重力场具有这样的基本属性:它对所有的物体都赋予相同的加速度;或者换一种说法,是由于引力质量总等效于惯性质量的缘故。

    在等效原理的应用过程中,引力对于物体的作用和我们给与物体施加作用力其效果总是存在着不同,当然,如果我们从作用力的大小以及力产生的物体的运动变化来看,似乎我们找不到两者的区别。但倘若从物体受力状态分布来看待加速度和作用力的区别,那么它们之间的区别则是必然的了。关于这个问题,前面在从物理的角度来看待物体的恒定存在状态和非恒定存在状态已经讨论过了。

  从数学上来说,我们可以对物质进行微分,把物质单元无限小化。在这样一个无限小的物体上,引力给与它内部的力学分布差异可以认为给“变换掉”,但对于整个物体而言,这种力学分布差异确是必然存在的微小的差异。从物理上来说,我们不能找到没于任何结构的一个物质点,物质只要存在这种结构,那么采用无限小化对于物质的这种结构进行引力场变换掉则是无效的。因为物理不是数学,数学上的无限小区域不能应用于物理上的一个物质无限小区域。因此,引力给与物体的作用差异则必然是存在的。

    在这种意义上来说,等效原理是数学上的原理。在物理上则只能是近似的。但物质原理就是物质原理,它不等同于我们在现实中应用的某中近似公式。大概是什么就行了。原理包含了严密性,严格成立。等效原理只能是一种近似的,我想“等效原理”在这种意义上来说不能叫做一种物理原理。

    当然,在处理引力和加速度上,物质间的作用仅涉及到引力时,还是可以这样近似处理的。但倘若要涉及到其它的作用形式,我想这必然是要失效的。我们来看这样一个例子。

    (3)关于引力和加速行为不能看作等效的一个理想试验

   鉴别引力不同于加速运动可采用如下的方法:

   如果我们采用普通物体来鉴别物体在引力和加速度状态下的区别,这一点是很难做到的。但好在自然界中存在的相互作用并不仅仅限于引力,这就给我们提供了鉴别引力和加速度之间的区别。

   具体方法是如图:

gyxdldwt-10.gif (1636 字节)     图中是一个正电场给与一个电子的加速运动,如果我们确认引力和加速度可以看作是等效的。那么我们根据电荷间的经验事实就可以确定了。

    电子在电场作用力下开始进行加速运动,电子的这个加速运动等效于它受到一个强大的引力场。

    但是,电子在加速运动过程中,它会产生一个电磁辐射,它会辐射出和它的加速度相对应的电磁波。这些电磁波可以对给它加速的电场这个参照系产生光子的作用,但如果我们将电子看作静止的,那么则是电场相对于电子作加速运动的了。理论上,这个电子参照系要接受到这个电场在加速过程中辐射的大量的光子。但实际上,这个电子不会接受到大量光子的作用,电子只会受到电场的作用,而不是受到大量光子的作用。

    这样,电荷和电场间的加速行为,则可以使等效原理原理失效。我们只需要在受到引力的物体和引力场上放置定量的电荷,在两个惯性参照系中各放置一个光谱仪进行分析就可以就可以判断这种差别。

    通过这个理想试验,我们可以看到将等效原理进一步推广到物理定律的普遍协变性是存在问题的。等效原理是对引力场中的自由落体运动而得出的结论,它并不能推广到电荷在电场中的加速行为。因此我并不认为物理定律的普遍协变性的这个假设是正确的。

    6、狭义相对论和广义相对论在原理扩展上的问题。

    我从不怀疑相对论是一种科学体系而存在,然而却怀疑它作为一种物理描述体系的有效性。

    我们知道,时间、空间和物质是定量物体存在的三个基本的物理量,狭义相对论所建立的定量体系将这三种量归之到参照系上,这一点在物理上也未尝不可,因为它们是与物体的力学属性无关的量。我们完全可以在这种与物体的力学属性无关的描述系统上来建立对物体存在的描述,并且建立一种统一不同存在状态的描述模式,虽然物体的力学属性因此而发生改变,但却可以看作一种特殊的定义体系而存在,在和牛顿力学的以物体本身的属性作为描述体系并列的体系。当然,很多人喜欢那牛顿力学和相对论相比,并且将牛顿力学看作是相对论在对物体低速状态的一种近似,这样的看法我是反对的。因为这是两种决然不同的对物理世界的描述体系。我们不能从一种描述体系中去以这种描述体系的标准去评价另一种描述体系。如果两种描述体系在处理物理关系上都没有错误,那么两种描述体系描述的物体运动变化的数值可能不同,但它们所描述的物理对象的运动变化应该是相同的。如同化学上的H2O和人们日常生活中的水是相同的物质一样,在深化到两种描述不同的本身,它们所代表的都是相同的物质,但化学上的精确性和人们日常生活中的水的笼统性是不能相提并论的。如果我们开发日常生活中的语言,比如采用水是由两个氢原子和一个样原子组成的。那么讲过这种改今后的描述,我想,化学上的H2O和水是由两个氢原子和一个样原子组成的并没有区别。相对论和牛顿力学也是同样的道理。

    但是广义相对论打破了我们对物质存在描述的基本模式。这种打破反映在将物体存在的力学属性化归到物体存在的基本的物理量的属性上。甚至扩延到整个的定义体系的属性上,这就违反了我们采用定义体系的方法来描述物体存在的本意。我们所建立的时间、空间和质量已经不再成为基本的物理量,甚至可以说使我们失去了衡量物体存在状态的标准和原则。这些都得自于相对论及其扩展性的推论。

    我们先来看一下相对论的两个推论:

    第一、光线在引力场中的弯曲

  普遍认为,光线在惯性参照系中运动是沿直线运动,但是当光线穿过引力场的时候,光线会发生偏转。

  这样一种现象,在牛顿力学和相对论之间存在着分歧。这种分歧就是在牛顿力学种,光线是由于引力场的引力造成的。但在相对论中,除了引力场造成的之外,还存在另一种原因,这种原因就是相对论预言的空间弯曲造成的。

  这里需要说明一下,牛顿先生的时代还没有将探索的领域深入到研究光的微观作用时代,因此采用纯粹的牛顿力学去解释这个问题,我想即便牛顿先生在世,他也不会同意这样做。

  但是,在20世纪初,英国皇家学会和皇家天文学会对相对论的这个推论进行了审查,并装备派出两个远征观察队——一个到巴西的索布拉尔,另一个到西非的比林西卑岛,并派出了英国几个最著名的天文学家,拍摄了1919年5月29日的日食照片,预料到在日食期间拍摄的恒星照片于其它用作比较的照片之间的相对差异只有一毫米的百分之几。《狭义于广义相对论浅说》 爱因斯坦 上海科学技术出版社 。通常认为,这证实了广义相对论的结论。

  我对这个观测结果仍然致以怀疑的态度。这主要取决于如下几个方面:一、我们对引力和光子的作用是未知的,它们之间的作用是否遵守普通物质在引力场中所受到的加速度一样,这一点是值得怀疑的。实际上,即便到现在,关于引力和光子的作用,除了我们从试验中得出的结论之外,对它们的了解可以说是一无所知的。如果我们采用引力子发射理论去解释引力对物质的作用,那么光子和引力子之间的作用是不能自圆其说的。至少我们可以肯定,这种作用我们是未知的。 二、我们知道,电磁场会对光子产生作用,并且会改变光子的运动方向。在太阳周围存在电磁场,这是不用怀疑的,此外太阳的黑子活动也会存在电磁暴。三、太阳外层的物质的存在,也提供一种和光子进行作用的可能。我们知道,太阳最外层的物质非常稀薄,不能排除它们的散射、折射等等一些作用。太阳和光子作用的环境未曾确定,也未曾在一些相关的话题中看到过此实验排除此方面物质作用的说法,因此这个试验结果是值得怀疑的。

  我个人认为,空间只是定量物质存在的属性所设定的某种标准,将物质运动变化过程中的异常现象归之到这种定量标准上还不如归到物质间相互作用的属性上更为合理。同时我们可以根据如上的一个试验得到相对论的一个结论,物质的作用会改变我们所采用的定量标准。下面,我们将继续来探讨这个问题。

  第二、由引力引起的谱线红移

  请参见爱因斯坦先生在研究引力场所形成的时间变化说明

    这里先首先说明一下,关于光谱线的红移在物理规律的解释上,传统的关于光谱线的红移需要重新考虑,因为已经有足够的事实说明,采用传统的波长和频率的描述模式存在问题。关于这个问题,请参见空间与物质栏目中的空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)(光的波动性),它证明了传统的光采用波长和频率的解释模式不能成立。

  下面我们来进入正题:

   爱因斯坦先生采用离心力引起的时间定义模式改变的方法,和引力引起的时间定量模式进行相类比,来判断引力可以形成钟表走时的变化。这依赖于广义相对论的一个公设——引力质量等效与惯性质量。或者进一步的外推,引力的引起的物体的行为等效与惯性引起的物体的行为。并表现在我们对物体描述的定义体系上。这里仅说明定义体系理论上的问题。

   引力的红移已经是不可否认的事实,但这并不能证明引力所引起的红移一定是由相对论理论所预言的这种时间和空间效应引起。我们知道,引力可以对物质提供引力的作用,并且还可能包括对空间传递的运动模式进行影响,比如光子。我并不认为,引力所引起的红移会支持相对论的时间和空间定义体系。实际上,光的属性已经不能被证明具有传统物理理论的波动性<空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)>,那么这将使试验中所观测到的引力红移对于相对论而言没有任何的意义。

 

   我们可以看到,通常看来的广义相对论的这两个支持性的试验都暴露出这样的问题,试验中证实的引力所引起的时间和空间定义体系所发生的改变都来自于物质间的作用属性,如果我们确认物质间的作用可以改变我们所采用的定量体系,那么,实际上我们已经失去了采用定义体系对物质世界进行描述的可能。因为我们所采用的定义体系在随着物质间的作用属性的不同而发生定义体系的改变,这将使我们失去定义体系,失去我们描述物质世界的标准,同样,也失去我们描述物质世界的原则。在物质世界中,物质世界是主体,我们只是如何去认识它们,为了对物质世界进行描述,我们采用了一种虚拟的定义体系标准去对物质世界的存在进行描述,如果物质的存在属性会改变我们所采用的这种虚拟定义体系的话,那么,物质世界对于我们而言将会是无限的复杂。这种对物质世界的虚拟的定义体系就是由时间、空间和物质三种基本的量组成的定义体系。我们所采用的定义体系对于物质世界而言是虚拟的,但在我们人类的理解中,这三种量却等效于物质世界的本身。

   时间和空间仅是定量物质的状态和属性的虚拟的量,它表明物质的存在状态和属性。它是一种标准的模量,而变化的则是物质。我们从时间的间隔和空间的位置来确定物质的运动变化,这样的一种物理定义体系是严格的,是无须怀疑的。实际上,这样的定义体系可以满足我们对所有的物质运动变化进行描述。但在实际应用过程中,我们总是采用物质运动变化、物质间作用的模式去定量物质世界的存在,那么我们所采用的定量工具必然也会受到我们所测量物质的影响,消除这种影响。我们是采用力学的模式去消除,确认我们的物质世界的运动变化依赖于力学的属性。还是采用相对论这种协变的方式去消除,将测量工具和被测量物质间的影响划归到我们所采用的定量体系的问题。我想这是两种不同的探索物理的途径。但很显然,前者更接近于物理的本身。

   作为我个人而言,我反对相对论这种定义体系。相对论这种定义体系,不能叫做一个物理定义体系。因为它所研究的不是物质运动变化的原理,而是研究的如何采用物质运动变化去确定时间和空间的协变形式。虽然其中也涉及到物质的运动变化,但这种物质运动变化却不是以物质的存在作为目标,而是我们采用什么描述模式作为目标。这是一种物理学上的弯路。我想如果将相对论作为一种数学更为合理。

  虽然相对论的描述是优美的。

2001年5月6日


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