现代物理学基础的思考（3-6）_李学生数理教学研究网站

李学生专栏 >> 现代物理学基础的思考（3-6）

李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

六、引力场的 space-time 本质

摘要: 文章从space-time的相对性与绝对性出发，分析了广义相对论的时空观，充分肯定了Einstein晚年的工作，指明了引力场的space-time本质——相对space-time。

关键词：引力场的space-time本质、相对space-time、

（一） 广义相对论的时空观

一般认为，以太论已被相对论否定了。其实这是一种偏见。Einstein本人对以太论的心态是很矛盾的，他既意识到以太的存在，又搞不清它的真面目。1920年，他在专题演讲“以太和相对论”中曾指出：“依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的。因为，在这样一种空间里，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此，也就没有物理意义上的空间-时间间隔。但是，又不可认为，这种以太会具有那些为重媒质所特有的性质，也不可认为，它是那些能够随时间追踪下去的粒子所组成的，而且也不可把运动概念用于以太。”在这里，Einstein既指出以太的存在性，又对以太的性质提出了看法：1、以太是光的传播媒介。2、长度和时间的标准由以太决定。3、以太不同于一般的有质量的实物（重媒质）。4、以太不能用相对论时空观进行描述——他实际上是把以太（物理真空）描述成了四维时空连续体，而用相对论的时空观去描述相对论的四维时空连续体，好比一个人抓住自己的头发，要把自己提起来一样，不可能。由于这种不可能，Einstein对以太只能回避。在1938年，他与英费尔德合著的《物理学的进化》中有一段话：“我们力图发现以太的性质，但一切努力都引起了困难和矛盾。经过这么多的失败以后，现在应该是完全丢开以太的时候了，以后也不要提起它的名字了。我们说，空间有传播电磁波的性质。”在这字里行间，流露了他内心的无奈。为了应对这一无奈，他搬出了“场”的观念。在“相对论和空间问题”一文中，他说“当笛卡尔相信他必须排除空虚空间的存在时，他离开真理并不怎么远……为了揭示笛卡尔观念的真正的内核，就要求把场的观念作为实在的代表，并同广义相对性原理结合在一起；‘没有场’的空间是不存在的。”（《Einstein文集》第1卷，558页。）Einstein所谓的“场”是弯曲时空的“曲率场”，这有点类似于古希腊的笔达哥拉斯学派，他们认为数（包括几何形状）才是万物的本原。但这颠倒了数和物的关系。通俗著作《狭义与广义相对论浅说》（1916年原版）推出第15版之际，Einstein结合对于相对论的历史性总结，把自己晚年对于时空问题的新见解及其新思路，补写到一个新的附录即附录五《相对论与空间问题》之中。Einstein特别提出：“在这个附录中阐述了我大体上对空间问题以及对我们的空间观如何在相对论观点影响下逐渐改变的看法。我想说明，空间—时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。这样看来，关于‘一无所有的空间’的概念就失去了意义。”【4】时空不是独立的存在，时空是物质的时空，时空是物质世界的表象，物质本体改变了，其表象必随其变。空间与时间在表述物质时，各有侧重：空间侧重于表述物质相对静止的状态，时间侧重于表述物质相对变动的过程。物质的存在是相对变动中的存在，静止是变动中相对的静止，从这一角度可以认为：物质是变动与静止的统一体，是时间和空间的统一体。

Einstein晚年通过《相对论与空间问题》回顾了人类时空观念的变化过程，委婉地指出“关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念”，“甚至在现代科学思想中也远未起到重要的作用”。在回顾人类与原始经验相关的时空观念的变化过程时，Einstein有意将法国古典科学家笛卡儿关于一无所有的空间并不存在的见解与自己的相对论作了比较。他强调：“笛卡儿曾大体上按下述方式进行论证：空间与广延性是同一的，但广延性是与物体相联系的；因此，没有物体的空间是不存在的，亦即一无所有的空间是不存在的。”Einstein认为，“广义相对论绕了一个大弯仍旧证实了笛卡儿的概念。”Einstein以箱子为例，说明“我们的空间概念是同箱子联系在一起的”；但若把“箱壁的厚度缩减为零”，“就只剩下了没有箱子的空间”，即无界的空间。这些无界空间之间关系是怎样的呢？“当一个小箱子s在一个大箱子S的全空空间中处于相对静止状态时，s的全空空间就是S的全空空间的一部分，……但是，当s相对于S运动时，这个概念就不那么简单了。人们就要认为s总是包围着同一个空间，但其所包围的S的一部分空间则是可变的。这样就有必要认定每一个箱子各有其特别的、无界的空间，并有必要假定这两个空间彼此作相对运动。……现在必须记得，空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动。”看来Einstein对当时的时空问题研究状况（20世纪50年代）不无遗憾，就此他委婉地指出，这一“观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用”。

作为现代科学之父，Einstein关于“无限多个空间彼此作相对运动”这一提法，揭示了隐含在广义相对论中的一个重要的宇宙学原理，即宏观地去理解Einstein的思路，各个无界空间是随同天体共同运动的；或者说，各类天体及其天体系统（即各不同级别的星系）实际上是带着其周围的空间一起运动的。全面理解这一宇宙学原理，对于修正人们的宇宙观念显然具有重要意义：其一，这里延续了相对论中物质与其运动的空间是不可分割的思想，天体是运动的，天体周围的空间也是运动的；其二，这里的观点间接地肯定了彼此作相对运动的空间必然是相对闭合的，即“空间彼此作相对运动”实际上就是指不同的无界的时空之间的相对运动；其三，无界的时空之间必然存在着严格的秩序制约亦即引力界限，否则时空之间也就不会有相对运动可言了；其四，空间彼此作相对运动的动力源，来自各空间中心天体的质量作用，但由于天体质量不同，造成彼此作相对运动的时空的级别不同，因而必然会形成层层递增的时空结构。这种时空结构是否存在着某种极限，譬如超星系团，它们是否是以更大级别的、彼此作相对运动的空间为背景？对此尚有待于观测研究。【4】总之，关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念，迟至百年后，是到了应在现代科学思想中起到重要的作用的时候了。Einstein晚年通过《相对论与空间问题》总结了人类有关场概念的演化历史，含蓄地指出“与依赖于坐标的‘充满空间的东西’相对立的空间是不能脱离此种‘充满空间的东西’而独立存在的”Einstein在比较牛顿理论与相对论在时空概念上的区别时，指出：时空在人们原有概念中是独立存在的，即“如果物质消失了，空时本身（作为表演物理事件的一种舞台）仍将依然存在。理论的发展打破了这种观点。……这个发展就是出现了场的概念……，按照场概念的历史发展看来，没有物质的地方就不可能有场存在。”后来为了更易于解释光的传播现象，“人们感到不得不假定，甚至在一向被认为是一无所有的空间中也到处存在着某种形式的物质，这种物质称为‘以太’。” 【4】谈到历史上那场著名以太漂移的实验时，Einstein强调：“洛伦兹证明了，迈克耳逊—莫雷实验所得出的结果至少与以太处于静止状态的学说并不矛盾。”【4】以往人们评价相对论，总不免要提到狭义相对论是以迈克耳逊—莫雷实验结果为基础提出来的，但Einstein认为并非如此。在他看来，作为一种客观事实，否定静止以太的只能是狭义相对论：“狭义相对论揭示了一切惯性系的物理等效性，因而也就证明了关于静止的以太的假设是不能成立的。” 【4】Einstein就此指出：“因此必须放弃将电磁场看作物质载体的一种状态的观点。这样，场就成为物理描述中不能再加分解的基本概念，正如在牛顿的理论中物质概念不能再加分解一样。” 【4】这就是说，狭义相对论在否定以太的同时也修正了场概念，即电磁场已不再是具有物质形态的物理实体了。Einstein晚年的说法，实际上是明确地揭示了隐含在狭义相对论中另一个重要的物理学观点：即虽然以太作为假想的场态物质不存在了，但非物理实体的亦即非物质形态的场依然存在。然而，当Einstein指出狭义相对论的与广义相对论的空间概念差别时，他的话却有些令人费解了：“现在我们已有可能来考察一下，对空间概念要作多么大的修改才能过渡到广义相对论去。按照经典力学以及按照狭义相对论，空间（空时）的存在不依赖于物质或场。为了能够描述充满空间并依赖于坐标的东西，必须首先设想空时或惯性系连同其度规性质是已经存在的，否则，对于‘充满空间的东西’的描述就没有意义。而根据广义相对论，与依赖于坐标的‘充满空间的东西’相对立的空间是不能脱离此种‘充满空间的东西’而独立存在的。”【4】

“充满空间的东西”到底指的是什么呢？在Einstein为《相对论与空间问题》添加的注脚中，可以找到这样的提法：“充满空间的东西（例如场）”。【4】据此再来重新理解Einstein的话，也就容易找到答案了：即Einstein的用意就在于要用‘充满空间的东西’的提法，来灵活地取代场的新旧概念的转换，由于旧的物质形态的场把以太当成唯一的坐标系，因而空间同这种旧的物质形态的场是“相对立的”；但空间并非一无所有，为此它又是不能脱离新的非物质形态的场而“独立存在的”。Einstein的这段论述，使得隐含在广义相对论中的时空物理属性之谜终于有了相对明确的谜底，即时空弯曲从数学抽象还原为物理形态是以某种场的存在为基础的。这样，有关时空与运动物体之间的物理联系也就得到了相对合理的解释，即是场在其间起到了媒介作用。Einstein晚年在题为《相对论与空间问题》的附录中，着重强调了时空概念与场概念的深化关系，首次承认了时空是作为“场的结构性质”而存在的，从而将人们对时空的探讨引向了认识物体运动广延性的特定方向。Einstein出于对纯引力场的探索并依据修正了的场概念，以结论的方式归纳出自己晚年时空问题的研究思路：“笛卡儿认为一无所有的空间并不存在的见解与真理相去并不远。如果仅仅从有质物体来理解物理实在，那么上述观念看来的确是荒谬的，将场视为物理实在的表象的这种观念，再把广义相对性原理结合在一起，才能说明笛卡儿观念的真义所在：‘没有场’的空间是不存在的。”【4】

Einstein与笛卡儿都承认一无所有的空间即绝对虚空并不存在。但Einstein认为自己与笛卡儿观念有本质上的区别，即彼此对“物理实在”的理解不同：在笛卡儿看来，物理实在就是指空间处处充满了“有质物体”，Einstein则修正了笛卡儿的这一古典观念，指出物理实在是以“不能再加分解”的场为表象而存在的，这种受到自然定律制约的状态无所不在（体现着广义相对性原理）。Einstein的晚年观点，巧妙地将充满“有质物体”的实体空间变成了充满了非物质形态的场。然而，Einstein并不需要以太死灰复燃。与“有质物体”或“有质物质” 【4】的提法相对应，Einstein虽未直接提出场是属于“无质物质”或“虚物质”的存在方式，但联系Einstein在《第15版说明》中的观点：“并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。”可以判断，Einstein关于物体的“空间广延性体现为场”的思想还是相当分明的。就时空与场之间的关系，Einstein提出了一个前所未有的观点：“空时是不能独立存在的，只能作为场的结构性质而存在。” 【4】这个观点是如此独特，它完全否认了时空与场并驾齐驱的平等关系，转而以场取代了时空现有的包容一切的显赫地位，使得时空只能屈尊为场的内在有序形式。我们可能很难习惯于从“场的结构性质”上来看待时空的存在。换个角度理解，Einstein将时空归结为“场的结构性质”，一方面是肯定了场是以时空为结构的物理整体，一方面是肯定了场结构具有可变性，即时空弯曲属于场的结构变形。场结构的变形产生引力效应，并就此形成场与场之间的相对运动。我们只有从场的相对运动出发，才能把握天体运动的真髓。随着对宇宙中暗能量的发现，场从何而来的问题正在找到新的答案。非常遗憾，暗能量不是在Einstein生前发现的，因而Einstein在晚年把场归结为物体的广延性，或许是在其间赋予了某种特定涵义的。不过，在Einstein早年为其场方程中添加的宇宙项（即宇宙常数）中，已经有自生的场能量存在的迹象了。遵从Einstein的思路来看，物体的广延性形成场，时空形成场的结构特征。这个过程表明，应该是物质通过场产生时空而不是通过时空形成场。Einstein的观点提醒我们，当人们面对时空的时候，其实就是在面对某种场的巨大结构。时空弯曲也就是场结构的弯曲，场的结构弯曲产生引力效应，无数相互吸引的天体就是在弯曲的场结构中运行的；无数时空的相对运动，也就是无数场的相对运动。人们以往研究Einstein，大多形成一种思维定势，即Einstein的科学贡献主要限于创立相对论时期，而在后期Einstein最主要的研究方向就是并无结果的统一场论。但真正的事实是，Einstein在探索统一场论的同时也始终坚持着对时空问题的探索。综上所述，Einstein通过题为《相对论与空间问题》的附录，主要是从四个方面提出了自己的新观点：（1）关于无限多个空间亦即无限多个场彼此作相对运动的观点；（2）关于把场概念修正为不能再加分解的物理实在表象的观点；（3）关于没有场的空间亦即一无所有的空间并不存在的观点；（4）关于时空不能独立存在只能作为场的结构性质而存在的观点。这些观点是Einstein晚年关于时空课题的最后总结，可惜至今远未被物理学界所理解和接受。深究开来，这些观点恰好关联着对时空奥秘的探索方向，可以说每个观点都能引申出诸多研究课题；这些观点在物理科学难以获得新的突破的今天，尤其显得重要。Einstein晚年对于场概念的修正，意味着场的存在可能既不同于任何已知粒子，也不同于任何已知运动形式，探索这种由否定以太所更新的场概念，涉及到当今时空研究的症结所在，倘若能在这一问题上打开突破口，势必会大大地推进物理科学的发展。那么，场的概念过时没有？在这个课题上，Einstein晚年曾留给后人以更多的思索余地：“我认为非常可能，物理学不是建立在场的概念上，即不是建立在连续体上的。” 【5】

我们无法看得太远。仅就人类现有科学知识来说，物理世界是统一的，物理定律是普适的，物理现象也必然是以连续的场为基础的，舍此物理学研究就无方向可循。但也必须看到，量子力学已有诸多挑战经典物理学的发现诸如量子纠缠态等，这是否预示着，某些相互作用力实际上并不依赖于场这种连续体或者说不受时空条件的制约呢？我们只能等待科学的发展来回答。Einstein晚年探索统一场论始终是以时空问题的探索为主线的。在认识时空问题上，他那敏锐的判断力和直觉与早年一脉相承，仍然无人可以企及，统一场论未获结果只能属于时代的局限；在纪念相对论百年的今天，统一场研究不是依旧未能取得任何可确认的进展么？至于Einstein晚年对量子力学采取排斥态度，那也只是基于科学信念的对立即他坚信“上帝不会掷骰子”，并非意味着晚年的Einstein削弱了对于科学事物的判断能力。国际物理年给世人提供了一个重新认识和发现Einstein的机会（可惜对此除了门外汉的笔者，无人去理睬）。我们只有把Einstein晚年时空观点从其尚未成功的统一场论（亦即纯引力场论）中提取出来加以研究，才能保证完整、准确地认识和理解Einstein和他的相对论。譬如，Einstein生前即已提出时空既是弯曲的也是运动的，可是这么多年过去了，仅就时空弯曲这一个观点而言就远未能被公众所理解和接受，更甭说其他诸多观点了。这种现实客观地表明，Einstein的科学观念不但远远超越他所处的时代，而且也远远超越他身后的未来。总之，如何对待Einstein晚年关于时空问题的探索与研究，克服某些偏见是相当重要的。人们毕竟已习惯于认为Einstein晚年没有留下有研究价值的理论成果，因而很可能会对Einstein晚年的时空观点采取不屑一顾的态度。如果真是如此的话，那么遭受损失的只能是已经属于21世纪的科学和我们人类自己。

（二）引力场的space-time本质

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：６．宇宙中不断有物质创生吗？２７．可观测宇宙的空间有多大？２９．为什么宇宙中反物质如此少？３０．反物质世界存在吗？３１．反物质能源能否实现？７５．轴子，畴壁能否找到？８４．真空的本质是什么？

现代物理学认为时空是场的定义域。物理学抛弃ether，electromagnetic field可以在真空中传播，真空的本质是什么，为什么在真空中可以激发出各种粒子？李政道(T.D.Lee)认为，真空和ether不同，它是Lorentz不变的，可它有很多复杂的性质。【3】场和时空应该是一个概念，只是提法不同。引力场的本质是space-time，是相对space-time，Einstein的相对论反映了这个问题。

在广义相对论中，物理真空的观念被彻底排除了。ether概念重新获得了一定的内容......广义相对论的ether是本身失去了任何力学和运动学性质的介质，但同时它能决定力学（或电磁学）过程。Dirac方程（pcα+mc²β）ψ=Eψ，对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极标准的了解。Dirac关于真空中被无数electric charge充满的理论可以推广至被无数正引力质量充满着，进一步理解负引力质量空穴——引力场。由此类比广义相对论中的ether依然是真空，因为space-time与引力质量是对称的，能量是它们之间的相互作用，因此实物通常是定域在绝对空间的确定区域内，而场则弥漫于绝对空间中，electromagnetic field的传播也需要介质——绝对space-time。在弹性介质中其振动的传播方程不是Galileo变换下不变的，只成立于与介质相对静止的参考系中。如果把介质看成“绝对静止系”，利用它即可测量任何惯性系的绝对速度。其次，同一介质之间不是总能保持相对静止的。由于绝对space-time并非“绝对静止系”，所以它们之间并不矛盾。由于绝对space-time是由理论推理得到，在实验中不可能测量，与相对性原理并不矛盾。大家知道，古人有上下四方谓之宇，就是空间有三维的意思，后来的牛顿理论，Einstein的相对论都说空间是三维的，所有的天文观测（包括哈勃望远镜）也是这么说的。换句话说，我们只要选择一个坐标原点，理论上就可以用1支杠杆通过3条坐标轴丈量到宇宙边缘。如果宇宙空间是数学空间，只要用1支数学语言的杠杆就可以了，例如牛顿理论和Einstein狭义相对论。如果是广义相对论的物理学空间，也仅要求有二个限制性词句，即：决定宏观世界中物质的分布状态仅与引力作用有关，其他形式的相互作用力只存在于“量子理论”描述的微观世界中。广义相对论说的就是如何将引力作用几何化，尽管空间有点弯曲，它仍然是广义相对论的杠杆可以丈量的，并得到宇宙空间是三维的结论。21世纪前的全部空间理论就是由上面的2支杠杆决定的（并用它丈量数学空间和引力空间）。如同空间是三维的概念一样，上面的两个限制性词句，也是作为补充性公理一并被人们接受的。现在的问题是，这2支杠杆是否管用？如果不管用，除去先验以外，你是如何得知宇宙空间是三维的？这两支杠杆真的管用吗？例如我们居住的地球，从卫星上看，它是1个三维的椭球体，它与外部的天体仅有惟一的引力作用，符合上面的补充性“公理”，因此至少可以使用广义相对论的杠杆。后来人们发现，连续的地球半径在离地心3480千米处，被分成了两个运动学空间，内核的自转速度比地壳表面要更快些，地球如此，行星体如此，太阳如此，唯独卫星体和其它小星体没有；人们又检查了纽康系数，卫星体，纽康系数为零，行星之间、行星和太阳之间纽康系数不为零。这意味着，除了卫星和其它小星体可以继续使用广义相对论的杠杆外。超出这一范围后，如果不对纽康系数进行修正，继续使用这样的杠杆就会得到错误的结论（它无法丈量反引力空间）。问题变得越来越多了。曾在比萨斜塔一显身手的自由落体实验，它曾为Einstein的“等效原理”立过功勋，细心的科学家从同时落地的物体中取出分子，再从中取出原子核和中子，把中子冷却后放进实验室的中子干涉仪里。结果发现，冷中子存在着反引力作用。就是说，如果继续使用这2支杠杆，就会出现，同1个中子，同在地球表面，既可表现为引力又可表现为反引力，通俗地说，它是一只既死又活的薛定锷猫。由于中子在与地球相互作用，地球同样成了一只既死又活的薛定锷大猫。人们又把目光转向太阳和太阳系，太阳是1个三维空间的大火球，它和被捆着的太阳系成员，在经过微小的纽康系数修正后，太阳系的运动服从开普勒规则（引力与作用距离平方成反比），它符合上面的补充性“公理”。然而太阳又在绕银心转动，人们发现太阳也好，作为邻居的比邻星也罢，它们的运动不再服从开普勒规则了，引力仅与作用距离一次方成反比，即银河系中的ν（r）值保持不变。并且还发现，太阳和比邻星之间，97.4 %的距离不是相互吸引，而是相互排斥的，它成了小星体的自由市场。换句话说，同一个太阳，如果上述两个限制性词句构成的补充性“公理”成立，广义相对论的刚杆继续可以使用的话，太阳同样成了一只既死又活的薛定锷猫。也就是说，要么两个补充性“公理”和广义相对论杠杆仅适用于卫星一类小星体，而不适用于大部分天体和宇宙的大部分空间，要么冷中子和地球及太阳可以在三维空间变成一只既死又活的薛定锷猫。这样的空间结构显然不是数学语言的杠杆可以单独丈量的，广义相对论的杠杆，也仅在对纽康系数修正后，能勉强使用到0.055155光年的范围。20世纪并没有为我们留下第3支杠杆。使用什么样的杠杆才能丈量到宇宙的边缘呢，这应该是21世纪科学家犯愁的事了。找不到丈量宇宙的杠杆，就谈不上什么是空间，更谈不上空间有几维了。看来，如果仅仅是使用20世纪空间理论的2支杠杆，科学的难题真会像雪崩一样，把整个物理学给压扁了。

“人们从未见到过负质量物体，未必一定意味着负质量不能存在，而可以只是因为原先存在的物体都是正质量的.在经典物理学中，一切运动是连续的，一个原先为正能量的物体，不可能通过连续变化而越过能隙区变成负能量.但是在量子物理中情况完全不同.量子力学容许有不连续的变化，原来正能量粒子可以跃迁到负能量去.将量子力学与相对论结合而建立的狄拉克方程就有两种解，正能解描述正能量粒子的运动，负能解描述负能量粒子的运动.狄拉克没有回避负能态的存在，他假设了在真空中所有的负能态均已经被负能量电子所充满.狄拉克方程和他提出的新的真空图像使他预言了反电子的存在，并在随后的实验中被证实.” 【7】“狄拉克在其一篇论文中写道：“最近正电子的发现，又重新复活了旧的负动能的理论，因为到目前为止，实验发现完全和理论相符.”他建议人们应当去“发现负能态的物理意义”. 【8】

“还有一种可能性更令人惊讶，这就是从能量为零的状态中创造物质.之所以会出现这种可能性，是因为能量既可以为正也可以为负.运动的能量和质量的能量总是正的，但引力的能量，如某些引力场和电磁场的引力是负的.有时会出现这样的情况，创造新生物质粒子质量的正能量正好被引力或电磁力的负能量抵消了.”“天文学家们能够测量诸星系的质量，星系间的平均距离，以及它们的退行速度.把这些数字代进一个公式，就能得出一个数字，物理学家们已经把这个数字解释成宇宙的总能量了.这个数字在可观测的精度里的确是零！为什么会有这个结果？宇宙学家们长久以来一直迷惑不解.有些宇宙学家提出，有一个深藏不露的宇宙原理在起着作用，根据这一原理，宇宙的能量就得恰好为零.” 【9】“宇宙的总能量刚好是零.宇宙的物质是由正能量构成的.然而，所有的物质都因引力而吸引.两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开.这样，在一定意义上，引力场具有负能量.在空间上大致一致的宇宙情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙总能量为零.” 【10】“Einstein的广义相对论保证,宇宙中所有物质和运动具有的总的正能量精确地被宇宙中引力产生的负势能之和所平衡,总能量为零.”【11】

“一个孤立系的总能量E不可能改变” 【12】物理学家卡西米尔发现真空中两个平行导体板之间会出现负的能量密度，并预言这样一对导体板之间存在微弱的相互作用，后来这个预言被实验证实，从而为负能量的存在提供了直接证据.

科学迫使我们创造新的观念和理论。它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙,所有重要的科学观念都是在实在跟我们的理解之间发生强烈冲突时诞生的。物理学形成了一套不断进化的逻辑的思维体系，其基础不能由任何归纳法从经验中提取，而只能通过自由创造获得。这个体系的正确性（真理内容）在于其在感觉经验基础上导出的定理的有用性，而后者与前者的关系只能直觉地理解，进化的方向是朝不断增加逻辑基础的简单性的方向迈进的。为进一步接近这个目的，我们必须决心接受下列事实：逻辑基础离经验事实愈来愈远，而从根本基础通向那些与感觉经验相关联的推论的道路变得愈来愈艰难漫长。1999年，霍金在剑桥大学的一次演讲中预言，将会以数学的形式发现一种“适用于一切事物的理论”。他还说：“要想发现这种适用于一切事物的理论，我们将在很大程度上依赖于数学的美感和确定性。”“他表示‘深信’，所谓的一切事物理论——某种数学‘圣杯’——将会在今后100年内被发现，甚至有可能在今后20年内被发现。” 【6】江正杰先生认为超越相对论有两条基本思路：（一）是对Einstein相对论的原初形态及相对论效应进行新的物理解释。（二）是建立在新的基本假定基础上的物理理论，使之能包含相对论的全部结论。

(三) 引力场性质的分析

时间和空间是不可分的，譬如：当我们看到时钟指针的空间状态就知道时间的位置，知道时间状态就可以推出时钟指针的空间位置；普遍联系的自然的内涵是：自然是一个整体，这个整体包含所有客体和全部空间，其言下之意是：给客体赋予某种物理意义，同时也必须为空间赋予某种物理意义，即客体和空间最终将得到统一。其二：所谓客体，是与周围客体或空间发生相互作用的客体，不能将客体孤立地抽象出来，同时也不能抹杀空间在其中所起的作用。作为构成自然的空间和物质它们有一个共同的本质，无论是空间和物质它们都可看成是这个特殊的本质的不同的运动形式，这也是为什么我们可以用波函数来表征粒子的原因，而且，不仅可用这个波函数来描述物质粒子，也可用他来描述空间，至于那个构成空间和物质的共同的本质则是波函数要描述的主体。物质和场是能量在空间的对称的分布形成的，如果不是这样，则物质和场构成的系统不稳定，对称是物质和场稳定存在的必要条件。因为这个对称使得物质和场在空间的能量的分布不发生变化，或者说与时间无关。由对称和能量的性质我们可以想象，在自然界能量有两种稳定的存在形式：

第一种形式就是均匀的空间的存在形式，在这种形式下：能量虽然是处于运动和变化之中，但由于相互叠加的结果（在这里不讨论能量具体的物理意义，也不影响论述），空间的能量处于一种均匀的状态，用H函数表示： H（S，T）=K，K是一个常量，他即不随空间变化又不随时间变化，所以这种均匀的空间即满足局域的对称，又满足整体对称。用H函数来表示：采用直角坐标（X，Y，Z，），则对于局部：H（X，Y，Z，T）=H（-X，-Y，-Z，T）=K，并且有〆H/〆X=〆H/〆Y=〆H/〆Z=0=〆H/〆T，对于整体：H（X，Y，Z，T）=H（-X，-Y，-Z，T）=K，其中K为常数，H函数与时间无关。在宏观宇宙，空间以这种H函数的形式存在，同时它是物质和场的边界。

第二种形式：对于物质和场而言，虽然H函数随空间而变化，局部的对称性破坏了，但从物质和场的整体来看，他依然满足整体对称。

用球坐标来表示，对于局部而言：H（R，θ，φ）=H（R，-θ，-φ）=K，上式表示在任意的半径为R的球面上，H函数满足对称性，则有〆H/〆φ=〆H/〆θ=〆H/〆T=0

在球的径向我们有H（R，θ，φ）≠H（-R，θ，φ），显然有〆H/〆R≠0，引入一个新的函数E（R），令〆H/〆R=E（R），E（R）即引力场，R是Einstein广义相对论中的曲率。上式是一种理想的情形，实际的情形应该将R视为Einstein广义相对论中的曲率。如果将物质，场和空间统一起来整体考虑，则H（R，θ，φ，T）=H（-R，-θ，-φ，T），即物质和场满足整体对称，显然这种整体对称使得H函数对全空间进行积分的结果，将消除物质和场的局部的不对称性，使空间，物质和场构成一个稳定和谐的系统。

现代基本粒子理论中质量量纲为space-time量纲的倒数也说明了引力场的space-time本质的观点是正确的。由于引力场的传播速度为光速(后面分析引力的传播速度等于光速的原因)，也就是引力的传播速度为光速，大小、方向、作用点、速度是力的四要素。北京大学物理学院基本粒子理论专家曹昌棋教授认为，从现在的基本粒子理论的角度看，对称性的主要破坏是一种“自发破坏”或者说是一种表观上的破坏，即所有基本粒子原始都无质量，它们之间的相互作用有拉格朗日量描述，该量具有完全的对称性，但相互作用的结果得出的总体的基态是简并的，其中有某中场的凝聚。实际的“宇宙”的基态是这些简并基态中某一个，而所有的激发态都是在此“特定基态”上的局部扰动，从而原来拉格朗日函数的对称性就不显示出来了/我们所观察的物理过程都是发生在某个特定背景上的，使原有的对称性不能显示出来。有些粒子的质量是由于它与空间凝聚场作用的结果。这些都说明了引力场的space-time本质，引力场是相对space-time。19世纪、20世纪物理学最成功的发现是相对space-time（场）的发现，正如Einstein所讲的：“Faraday和Maxwell的electric field理论摆脱了这种不能令人满意的状况，这大概是从Newton时代以来物理学的基础所经历的最深刻的变化。”Einstein常常把相对论称为场论，也说明了这一点。在经典物理学中对于一个物体的动能的测量值不同的观察者测量的结果可以是不同的，那么能量为何有差异？笔者认为主要是时空参与了能量交换，引力场对于一切有质量的物质都会产生吸引作用，可以说引力场的符号为负，与物质的质量符号相反，引力场即是负能量物质，它的空间为负。在较强的引力场中时间会发生膨胀，引力增强，时间也增多延长【1】。

下面是李绍明先生的分析：空间和物质统一于纯粹的能量。定义纯粹的统一的物理量为H（实际上是能量），再将这种纯粹的量分解为标量和矢量，定义标量为U；矢量为A，其中标量是空间的函数，矢量是时间的函数。则H（S，T）=U（S）+A（T）I，上式S代表空间，其取值范围遍及宇宙全空间，即S（0，∞）；T代表时间，其取值区间为T（0，∞），S代表空间的三维并不影响我们理解该表达式的物理意义，I代表矢量的方向。H代表全部宇宙的能量的分布函数。对于空间而言：我们有H=K，由于空间并不存在动能，故我们有H（S，T）=U（S），显然有H具有与时间无关的特性，即▽H=0空间的能量的分布即满足局域对称又满足整体对称。对于物质而言：我们有H（S，T）=U（S）+A（T）I，上式表明对于物质而言，能量在空间的分布是连续变化的，并且也随时间变化。正是由于这种能量在空间和时间中的变化构成了诸如万有引力场和电磁场。据高斯定理：我们有▽H=▽[U（S）+A（T）I]，如果场是线性变化的且不随时间变化我们有：▽H=E（S，T），其中E为S和T的函数，上式包含了全部物质场的信息，但由于能量随空间和时间而变化的复杂性，实际的情形是非常复杂的。对物质场利用高斯定理：

有▽（▽H）=▽•▽[U（S）+A（T）I]，假设变化的场是线性不随时间变化的，则有：▽▽•H=K。

定义1：假设在给定的空间区域，引力场不随时间变化，则我们可以引入一个变量Ф，将引力场在该空间区域的密度描述为：Ф（X，Y，Z）。其中Ф表述了引力场在该空间的引力场密度，也描述了空间该点的势能密度，两者描述的角度不一样，实质上是等效的。

定义2：假设在给定的空间区域，引力场不随时间变化，则我们可以引入一个变量T，将引力场在该空间区域的能量张量描述为：T（X，Y，Z）。能量张量T属于力的范畴，是一个矢量。其大小与空间该点的引力场密度函数Ф（X，Y，Z）成正比。需要说明的是，能量张量T与传统的力的性质是不一样，这类力平时由于对称的缘故，并不表现出来，而且对于给定空间的任意一点，这样势能张量有无穷多个。

定义3：假设在给定的空间区域，引力场不随时间变化，并且空间该点以恒定的速度V运动（这个速度是广义的速度，对于该点虚拟的基元可以做直线或者曲线运动），则我们可以引入一个变量Ж,将该点的物理状态表述为Ж（Q，V），其中Q为广义坐标，V为广义速度。

定义4：假设在给定的空间区域，引力场不随时间变化，并且空间该点以恒定的速度V运动，则我们可以定义一个广义的动量A来表征该点的物理状态。与传统的理论物理学中动量不同的是，对于一个基元而言，传统理论物理学中的方向只能有一个，对于变量A来说，对于空间一点来说，他的方向可能有无穷多个。

在上述4个基本定义的基础上，将4个基本变量与我们现代物理学中所使用基本变量的对应关系以及他们之间的关系做一个简单的说明：

变量Ф的物理意义：

其一：变量Ф类似于现代物理学势能的定义，但是也不尽相同，变量Ф是空间的函数，对与给定的空间任意一点他在各个方向的变化可能是不一样的。而传统的势能仅仅是一个标量，并且也不具有什么物理意义。

其次：对于一个具有几何对称性质构成的物体，其惯性质量M和Ф通过下面的数学方程相互关联：

∮Ф（X，Y，Z）=MC²

只有将待考察的对象浓缩为一个质点时，Ф（X，Y，Z）与惯性质量M等效。其他的情形我们一般可以认为两者成正比，也就是说惯性质量不考虑其大小、形状等等因素，他描述的物质对象的整体性质。当用Ф（X，Y，Z）来表述客观物质对象时，他不仅可以描述客观物质对象的整体性质，也可以描述客观物质对象的局部性质。C为光速。

变量T的物理意义：

变量T其本质就是一个能量张量，这个能量张量的大小与该点的引力场密度函数Ф（X，Y，Z）成正比。与Ф（X，Y，Z）函数一样，对于空间该点，我们可以理解Ф（X，Y，Z）是由无穷多个T矢量变量叠加而成。一般的情形下由于满足局域对称，T函数并不表现出来。比如说一个平静的液体内部存在有能量张量，这个张量的大小与液体的质量密度成正比。

变量Ж的物理意义：

变量Ж类似于现代物理学中动能的慨念。但是变量Ж具有更加广义的意义。通常我们指某一个系统的动能，这个系统的动能的方向只有一个，但是对于变量Ж描述的对象其运动方向可能有多个，或者无穷多个。对于多个或者无穷多个运动方向的空间该点的物理状态，我们要考虑变量Ж的叠加问题。

举一个例子：比如一个绕两个轴同时旋转的球体上的任意一点，其状态函数就有必要考虑变量Ж叠加问题。

变量A的物理意义：

变量A的物理意义。类似于传统物理学中动量的慨念。与变量Ж一样，我们需要考虑他在空间某一点的叠加问题。

变量Ф、T、Ж以及A之间的关系：

上述四个变量与现代物理学基本量的对应关系：

Ф----------------------势能、惯性质量

T----------------------无对应

Ж----------------------动能

A-----------------------动量

1：变量Ф与变量T成正比

2：变量Ж与Ф关系如下：Ж=ФV²/C²（不考虑该点虚拟基元的多方向运动）

3：变量A与Ф的关系如下：A=ФV/C²（不考虑该点虚拟基元的多方向运动）

以上的1，2，3是建立在对空间某一点的描述之上，如果该点有大小，则上面三式未必成立。

在上述4个基本定义的基础上，我们就可以对客观物质对象作出完备地描述。

比如万有引力场可以表述为：E=〆Ф/〆R

其中R为矢径（理想的球对称的万有引力场）

真空表述为：Ф=常数

静电场表述为：E=〆Ж/〆R

还有许多稳定的不含时的物理现象的细节都可以通过上述4个变量表述出来。

局域对称和整体对称原理

局域对称：考虑一个物理对象或者系统中空间的任意一点，如果满足下述方程，则这个物理对象或者系统所在的空间满足局域对称：

∑TIJK（X，Y，Z）+∑AIJK（X，Y，Z）=0

上式对空间某一点的T或者A值积分。

整体对称：考虑一个系统中空间的全部点，给定空间的取值区间为Я（X，Y，Z），Я（X，Y，Z）的取值空间一般满足几何上对称。如果下述方程成立，则该物理对象或者系统满足整体对称。

∑TIJK（X，Y，Z）+∑AIJK（X，Y，Z）=0

上式对给定空间的所有点T或者A值积分。

推论1：如果一个系统是稳定且不含时的，则该系统所处的空间的任意一点必满足局域对称，该系统的全部空间必满足整体对称；反之，该系统所处的空间任意一点满足局域对称，该系统所处的全部空间满足整体对称，则该系统必然是稳定的且不含时。

>说明：上述说法成立的前提是绝对温度为零，既整个系统不存在热交换，实质上我们通常所遇到的所有系统是不可能满足这个条件的，在这里我想强调的是，即使是系统存在热交换或者其他形式的量子现象等等，那也是在这个“稳定的不含时的系统的背景下”发生的，如果没有这个稳定的“背景”。系统将瓦解。}

推论2：如果系统满足局域对称和整体对称，则对于满足该局域对称或者整体对称条件的区域（这样的区域一般在几何上是对称的，如圆、椭圆等等）该系统必然满足下述方程：

∑▽Ф+∑▽Ж=0

其中▽Ф是万有引力场的作用量，实质就是万有引力场强；▽Ж是电场的作用量，实质上就是电场场强。

推论3：在满足局域对称和整体对称的空间区域，有一类非常特殊的空间，在这样的空间中函数Ф值为常数；函数Ж值为常矢量。很明显，这样的空间对应我们通常所说的各向同性的均匀的真空和介质，其中函数Ф值为常数的空间对应相对于参考系静止的空间；函数Ж值为常矢量的空间对应于相对于参考系做匀速运动的空间。并且函数Ф值决定了电磁波在其中传播的速度。我们通常所说的光速不变与函数Ф值不变相对应。

推论4：我们知道万有引力场的场强是空间的函数，也就是说万有引力场是不含时的系统。由此我们推断描述万有引力场的函数Ф值是不含时的，又因为万有引力场是没有旋转的，所以我们可以不考虑函数Ж值的变化。

根据局域对称和整体对称原理，对于万有引力场空间的任意一点有：

∑TIJK（X，Y，Z）=0

采用球坐标来描述上式可以改写为：

∑TRθΨ（R，θ，Ψ）=0

据万有引力场是由一系列的等势能面构成，所以对于给定的R0在等势面上有：

TR0θΨ（R，θ，Ψ）=常数

在万有引力场的径向，有如下的关系：

4∏R²TRθΨ（R，θ，Ψ）外= TRθΨ（R，θ，Ψ）内

由于函数Ф值与能量张量T成正比，则函数Ф值也有如下的关系：

4∏R²ФRθΨ（R，θ，Ψ）外= ФRθΨ（R，θ，Ψ）内

由上式我们立即可以得到如下的关系：

〆Ф/〆R=K/R² 1

将上式与万有引力定律比较，我们可以得到如下的关系：

K=GM/4∏

其中G是万有引力常数，M是引力质量。

与牛顿的万有引力定律比较，我们只需要选择合适的Ф值的物理量单位，就可以将1式与万有引力定律统一起来。

唯一不同的是牛顿的万有引力定律从“引力源”的观点出发，赋予引力源一个引力质量的属性，从而得到万有引力定律，万有引力定律描述的是整个引力场的整体性质。

而我的理论是从整体出发，根据局域对称和整体对称原理，得到引力场的数学方程，他描述的是引力场的局部性质。

当我们从万有引力场的局部去考察和理解万有引力场的本质时，我们立刻就可以澄清一个长期困扰我们的关于引力的传播速度的问题，由于引力场被理解为函数Ф随矢径R变化的产物。引力场从本质上讲就是一个“应力”。其大小由空间该点Ф函数随矢径R的变化率确定。引力的大小除与这个变化率有关以外，还与物体本身的惯性质量有关。

我们知道，万有引力场是空间的函数，这个空间的函数就是用Ф函数来表述的。这个函数与有没有物质存在于是没有关系的，他原原本本的存在于空间中。当有一个物体处于其中时他便对这个物体产生引力作用。并且只有当我们将物体处理为一个质点以及这个物体的存在并不对该空间Ф函数分布不产生影响时，万有引力定律成立。此时该物体在该运动的状态完全由物体的初始状态值以及万有引力场的Ф函数完全确定。与物体本身的惯性质量和引力质量没有关系。当这个物体的存在并不对该空间Ф函数分布产生影响时，则另当别论。

现代物理学认为，时间——空间结构在Planck长度的极小尺度下会有基本改变，也表明了引力场的space-time本质。由于引力场的本质是space-time，因此能量是物质与space-time的相互作用。从引力场角度与space-time角度研究引力质量间的作用力得到的结论一致，万有引力定律是广义相对论的一级近似。由于场的本质是相对space-time，因此倘若考虑到相对space-time的分离速度为光速，物理学中超距作用从space-time角度考虑作用力与从场的观点得到的结论一致。引力场是space-time弯曲的表现形式，因为：其一，存在等效原理。即惯性质量与引力质量相等，质点的运动轨迹只与初始条件有关而与引力质量毫无关系，在弯曲space-time中自由质点的运动轨迹是测地线，其测地线也只与初始条件有关而与引力质量毫无关系。而质点在其它任何形式的力场中运动均没有这种效应。其二，若把相对某天体静止的参考系看成是惯性系，在其引力场中的局域space-time内，总可以找到相对该天体运动的非惯性系，用惯性力抵消引力，则其非惯性系成为局部惯性系。在弯曲space-time中，任何一个space-time点的足够小的邻域，均可认为近似存在统一的空间，它是平直的。相应space-time流形上的坐标近似可看成局域平直空间的曲线坐标，从而等价于某个局域非惯性系。其惯性力“相当”于引力，自然存在某一类坐标 transformation，相当于局部惯性系的 transformation，使局域曲线坐标变成闵氏空间的仿射坐标，其局域仿射坐标所对应的参考系即是局部惯性系，在这个参考系中其引力效应全部消失。【2】

现代物理学认为引力场不等价于弯曲space-time，原因在于把引力场建立在平直的Minkowski空间且独立于其空间的物理场，它们的存在对space-time结构没有任何影响，或影响全可忽略。而弯曲space-time是space-time结构的自身改变，本质上异于平直的Minkowski空间上的物理场。其次，引力场中的局部惯性系能抹掉引力的一切效应，而在弯曲space-time中的局部惯性系并不能严格作到这一点。如在引力场中的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，原则上没有任何限制，而在弯曲space-time的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，要远远小于光速。其实引力场的存在将改变space-time中各点的相对位置，不可能独立于其空间，平直的Minkowski空间是绝对space-time，引力场与弯曲space-time本质上是统一的。根据Lorentz transformation在引力场中运动的质点其引力质量随着速度的增加而增加，达到光速是为无穷大，因此在引力场中的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，也不可能超过光速。引力场的深入的研究必须把Euclid几何（抛物几何）与罗氏几何（双曲几何）、Riemann几何（椭圆几何）统一用射影几何研究。两质粒间的场效应（感应）传播所需时间仅与起传点至到达点的空间距离有关（与传播过程中质粒间因相对运动发生距离变化并不矛盾），而与质粒间相对运动速度无关，且在真空中的传播速度为常数（、分别为真空介电常数和真空磁导率），数值上等于光速。场效应的传播速度独立特性充分证明了空间的客观性、均匀性。

根据能量是物质与space-time的相互作用与space-time平权理论，可以进一步将质量守恒定律与space-time守恒定律统一为law of conservation of energy，进而把law of conservation of energy与动量守恒定律结合在一起。根据这一观点可知广义相对论的正确，例如不是物质存在于空间、时间中，而是物质具有空间时间的广延性，当一个物体消失时，它所激发的相对space-time消失，但是绝对space-time依然存在。因此真空是绝对space-time，Newton的绝对space-time观有其正确性的一面，但是Einstein认为场论未能成功地提供整个物理学的基础。

参考文献:

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【2】Einstein 著方在庆韩文博何维国译.《Einstein晚年文集》海南出版社 2000年3月第1版

【3】李政道——科学的发展：从古代中国到现在. 朱长超主编.《世界著名科学家演讲精粹》百花洲文艺出版社 1995年3月第1版第3次印刷。

【4】《狭义与广义相对论浅说》第15版，Einstein箸，上海科学技术出版社1964年版本

【5】《Einstein文集》第3卷，第504页，许良英等编译，商务印书馆1977年版本

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【7】陆琰罗辽复物质探微从电子到夸克 [M] 北京：科学出版社，2005.7

【8】薛晓丹量子真空物理导引 [M]. 北京：科学出版社，2005.8

【9】保罗·戴维斯上帝与新物理学 [M] .湖南：湖南科学技术出版社，2003.10

【10】史蒂芬·霍金. 时间简史 [M].湖南：湖南科学技术出版社，2002.2

【11】约翰·D·巴罗无之书 [M].上海：上海科技教育出版社，2003.6.