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广义时空相对论与现有时空理论的对比
内容提要:本文首先从分析爱因斯坦相对论的逻辑谬误与概念错误出发,概要地介绍了广义时空相对论,又通过对比广义时空相对论与狭义相对论的变换公式,扼要地阐述了两种相对论的本质区别。随后,利用广义时空相对论的理论结果讨论了光子静止质量的计算公式及其应用。鉴于所得结果与天文观测完全一致,不仅验证了光子静止质量的计算公式,而且证明是由于“光子传播过程中的衰减机制”造成了恒星系光谱的红向移动,从而否定了大爆炸模型的宇宙生成论。然后又借助对康普顿散射现象的讨论,进一步证明了广义时空相对论比爱因斯坦的相对论更为正确。为明确起见,在本文的最后一部分,归纳总结了牛顿力学、爱因斯坦两个相对论与广义时空相对论之间,在物理概念和物理原理、逻辑自洽性和认识论上的差异,从而给出了广义时空相对论与现有时空理论的内在联系与区别。
关键词:广义时空相对论 狭义相对论 光子的静止质量 红移 衰减机制 大爆炸模型 康普顿散射
一 问题的提出
自1905年爱因斯坦的狭义相对论问世以来,人们的时空观念开始发生了革命性的变化。因为,按照狭义相对论的时空观念:“同时性是相对的”。例如,一把刚性的尺子会因运动而收缩,一个标准时钟的走时率会因为运动而变慢。也就是说,“空间”和“时间”与物体的“运动状态”有关。由这种时空观念出发,对于同一个客观事件,处在不同位置上的观测者将会得出不同的观测结果,于是便有人相信:“时间和空间不是客观实在,而是人的直观形式”。——这正是康德(I. Kant)与马赫(E. Mach)的相对主义时空观。从狭义相对论出发,必然导致一系列的时空佯谬,诸如:双生子佯谬,超光速佯谬,EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)佯谬……;而从广义相对论出发,又必然导致“空间究竟是平坦的还是弯曲的”激烈争论,即导致几何佯谬。
诚如所知,就是这样一个时空理论,当代的主流派学者却众口一词地说:相对论是20世纪最伟大的学术成就;宇宙是有开端的;宇宙是大爆炸的产物;宇宙中不仅存在着连光线也无法逃逸的“黑洞”,而且存在着不停向外逃逸物质的“白洞”,连接黑洞与白洞的是一种看不见的“时空隧道”,即虫洞,这种虫洞联系着时间的过去与未来;我们的地球、太阳系、银河系等,并不是存在于三维的空间与一维的时间中不断地发展变化着,而是在十一维、甚至更高维的时空中卷曲地存在着;宇宙中的所有天体不是相对均匀地分布在无限大的时间和空间之中,而是分布在一个有限而无边界、且不断膨胀的“气球”之上;……。诸如此类的不断夸张、随心所欲的主观臆造,已经把现代物理学和宇宙学引入了不可知论的深渊,把原本正确的时空观念引入到相对主义的老路之上!
为此,我们必须本着科学的良知,认真对待爱因斯坦相对论的学术成就及其所存在的问题。在探索真理的道路上,一定要提倡实践论,反对任何形式的迷信与个人崇拜。承认狭义和广义相对论对于物理学的贡献、肯定爱因斯坦的学术成就固然重要,找出爱因斯坦相对论所存在的问题、并加以纠正更为重要!这样,只有这样,科学理论才能不断地完善与发展,人类社会才能不断地进步。
二 两种相对论的观念对比
1.狭义相对论的基本观念。爱因斯坦的相对论同牛顿力学一样,都是把“运动的钟与运动观测者”锁定在相对运动坐标系(
1)运动事件(或质点)相对于静止系坐标原点的相对运动问题;
2)运动事件(或质点)相对于运动系坐标原点的相对运动问题;
3)运动系坐标原点相对于静止系坐标原点的相对运动问题。
正如所知,爱因斯坦是把相对论理解为:站在运动系(
须指出,如果仅从思想观念上来分析运动事件所经历的时间坐标,它们的确是同步的。但问题的关键是:单纯凭借着我们的思维能力来认定时间坐标的做法,在客观上等于承认相互作用的传递速度是无穷大、同时性是绝对的!我们之所以容忍牛顿力学的做法和思想观念,是因为牛顿力学事先就已经假设:“相互作用的传播速度是无穷大,同时性是绝对的”。——它的思维方法与它的逻辑前提是完全一致的!而爱因斯坦的相对论则不然,因为它的逻辑前提是:相互作用的传播速度是有限的(等于真空中的光速),同时性是相对的。在这一前提下,如果仍然采用牛顿力学的思想方法,那就势必违背了狭义相对论的基本前提——同时性是相对的——这一正确的时空观念(见【2】§10,第73~79页)。
2.广义时空相对论的基本观念。广义时空相对论首先强调了“操作原则”。也就是说:对于一个物理量的观测(或认定),总是离不开实际的测量过程。在实际测量中,又总是离不开观测者与被观测事件的相互接触。而相互接触只能有两种形式:一是直接接触(即站在运动事件之上);二是间接接触(即通过中间介质传递能量或信息),如果没有任何形式的接触根本无法实现对物理量的测量(即观测与定位)。在接触之中,传递信息的媒介只能是某种物质。当前,我们是以光子相对于光源的运动速度(c)作为传递相互作用的极限速度。不管用光子还是用其它物质作为媒介,只要是物质,其传递速度总是存在着极限。因而,对于离开运动事件的观测者而言,他在测量运动事件的时间坐标时,总会造成观测结果的滞后。(见【2】第71~72页)。
这里需要强调以下两点:第一,“空间”与“时间”是人们对于物质的存在形式与运动过程的“普遍性”所赋予的定义,它们就如同“水果”和“动物”之类的概念一样,都是人们对于同类事物的普遍特征所赋予的抽象描述。换言之,“空间”与“时间”分别代表着物质的“存在形式”与“运动过程”的普遍性(即共性)。是共性就一定不是个性!就像我们不可以说“水果是酸的”那样,也不可以说“空间是弯曲的或平坦的”。毫无疑义,无论把空间说成是平坦的、还是弯曲的,都是把普遍性与特殊性并列,即把普遍性沦为特殊性;第二,相对论的物理内涵是:从不同角度出发的两个观测者,对于同一个运动事件(即时空起点和终点都相同的运动事件)所得不同观测结果之间的相互比较,即坐标变换。相反地,如果我们把两个具有不同时空起点与终点的运动事件人为地相互比较,那么,“就其为相关的事物的同一而言,是相等;就其为相关的事物的不同而言,是不相等。……而相等与不相等也应是在同一基础上的不同的方面或观点;(见【3】第251页)”。换言之,相互比较必须建立在同一个基础上,基础不同事物之间的相互比较并没有确切的物理意义。尤其值得指出:具有不同的时空起点和不同的时空终点的“运动事件”并不是对同一个事件的“不同观测”,它们之间的相互比较没有物理意义!!
必须指出,在相对论问题中,由“间隔相等”到“间隔不相等”是一个外在的发展过程。在运动起点处,观测者和时钟都绝对地重合,时空间隔绝对相等;而离开了运动起点,随着时间的推移,观测者与运动事件的相对位置在不停地改变着,因而观测结果及其所构成的“时空间隔”也将随之改变,从而产生了“观测结果不一致”的意见分歧。然而,观测位置的改变是主观的,并非是运动事件所历经的“时间过程”以及所移动的“空间距离”发生了客观的改变。鉴于测量过程的时间性,因而同时测量一个不同时呈现的运动过程是绝对不可能的事情!所以,《广义时空相对论》提出了一个全新的物理原理——客观性原理——客体具有不依赖于主体的客观内容。这既然是个物理原理,就不可能用数学方法或形式逻辑来加以证明,而只能用辩证逻辑去加以说明。
3.爱因斯坦相对论的主要错误。诚如所知,在两个具有不同时空起点的事件间进行坐标变换是狭义相对论的基本特征,在不同基础上的相互比较是狭义相对论的做法,认为“洛伦兹收缩”是“动力学效应”的观点是狭义相对论的重要结论;认为“空间是弯曲的”时空观念是广义相对论的基本特征。因此我们说:如果认为牛顿力学存在着不足的话,那只是因为它的前提条件——同时性是绝对的(或相互作用是超距的)——与客观事实不相符!相反地,虽然爱因斯坦相对论的前提假设——同时性是相对的——与物理事实相符,但是,他所使用的物理概念与物理原理却依然是建立在牛顿力学的基础之上,即建立在“绝对同时性”的观念之上,从而构成了狭义相对论的逻辑谬误。进而言之,狭义相对论的可悲之处就在于:用自身的概念错误与逻辑谬误去否定牛顿力学的某些不足!而广义相对论的荒谬之处就在于:把几何公理成立的前提条件错误地理解为空间本身具有几何性质。这里顺便指出:所谓的“洛伦兹收缩”,是“同时测量一个不同时地呈现在我们面前的运动过程”时,所发生的一种“非物理性的畸变”(即悖理的结论),而决是一种可供我们实际观测的“动力学效应”!!
三 两种相对论的坐标变换对比
在相对论问题中,位于
而位于
其中,
1.狭义相对论认为:
其中,
2.广义时空相对论认为:
这里,虽然时间坐标的变换公式与狭义相对论的形式相同,但其物理意义是截然不同的。
须指出,一些学者往往对客观性原理的应用感到困惑,究其原因,多半是受形式逻辑“抽象同一性”的影响太深,或者对用辩证逻辑的“具体同一性”构造物理原理的做法缺乏认识。——这是需要转变思想观念的大问题!当然,在这个问题上,广义时空相对论并不是第一个“吃螃蟹”的人,因为微积分学的许多原理都是建立在辩证逻辑的基础上。正如恩格斯所说:“在高等数学中的几乎所有的证明,从微分学的最初的一些证明起,从初等数学的观点看来严格地说都是错误的。如果象在这里那样,要用形式逻辑去证明辩证法领域中所获得的结果,那末情况也不可能是另一个样子。(见【4】第175页)”。
3.两种类型相对论的要点对比。为了便于理解,这里把爱因斯坦的相对论(即狭义相对论与广义相对论)同广义时空相对论的基本要点归纳、整理,并列表对比如下(见表一):
表一
四 两种相对论的质能关系式对比
1.狭义相对论的质能关系式。狭义相对论得出
这里,因为爱因斯坦假设了光子的静止质量等于零,所以得出
2.广义时空相对论的质能关系式。基于广义时空相对论的坐标变换公式,经过一定的数学推导(见【2】第138~142页),得出广义时空相对论的质能关系式
其中,
当
——这就是爱因斯坦质能公式的合理内核。
当
——这就是光子相对于光源运动时所具有的总能量。
把式(7)按幂级数展开得
通常
——上式表明,物体的总能量包括两部分:其静能部分由狭义相对论描述,动能部分由牛顿力学描述。
五 广义时空相对论的应用
1.光子静止质量的计算公式。由(9)式看到,当
实验证明,光子的能量
——这就是由广义时空相对论导出的关于光子静止质量的计算公式(见【2】第142~146页)。
已知可见光的频率范围在
2.对康普顿散射公式的理论证明。康普顿散射是利用光子去撞击电子的同时,观测光线的偏转现象。按照狭义相对论,只有假设电子的相对论质量为横向质量
就康普顿散射而言,碰撞后电子的运动速度一般都远小于光速(
这一结果不仅与康普顿散射公式完全一致,而且推导中没有掺杂任何主观臆断的前提假设。这说明广义时空相对论比爱因斯坦的狭义相对论更实用,在解决相同的物理问题时,更符合逻辑。
六 广义时空相对论与牛顿力学和爱因斯坦相对论的比较
广义时空相对论与牛顿力学以及爱因斯坦的相对论不仅在概念上存在着一些根本的区别,而且在逻辑上和认识论上同样存在着一些根本的区别。就概念而言,广义时空相对论认为“相对论”的概念是:站在不同位置上的观测者,对于运动的时间和空间起点与终点均相同的客观事件所得的不同观测结果的相互比较,事件本身是客观的,观测结果的不同则是主观的,并非是事件本身在运动中发生了本质上的改变;就逻辑性而言,广义时空相对论强调的是:相互作用的传播速度本身是有限的。我们之所以在这里用到了光速,仅仅是因为目前已经证实传递信息的最快速度等于真空中的光速,如果将来发现在客观上存在着比光速更快的物质媒介可用于传递相互作用,那么,我们便可以利用这种新的物质作为传递相互作用的媒介。诚如所知,两地之间不借助于物质接触而传递运动的观点——同时性是绝对的——是牛顿力学的前提假设,然而这一前提假设并不符合客观实际,——这正是牛顿力学的不足指出!相反地,尽管爱因斯坦相对论的前提假设——同时性是相对的——符合客观实际,但是在爱因斯坦的相对论中,所使用的相对速度、相对性原理、光速不变原理等物理概念和物理原理,却都是建立在牛顿力学“超距作用”的基本假设之上,因此我们说:爱因斯坦的相对论存在着逻辑谬误;就认识论而言,“空间”和“时间”这两个概念乃是人们对于物质“存在形式”和“运动过程”的普遍性特征(即共性特征)所赋予抽象描述(即表象),因而这两个概念已经不再具有类似于“平坦”或“弯曲”之类的“几何特征”。所以,无论认为空间是“弯曲的”还是“平坦的”的观点,同样都是犯了认识论上的错误,即同样是把事物的“普遍性”沦为“特殊性”。这就如同把“水果”说成“是酸的”、或者“是甜的”,把“动物”说成“是长毛的”、或者“是长鳞的”;把“人”说成“是黄色的”或者“是白色的一样……;还有,就观测结果的相互比较而言,站在此处看彼处和站在彼处看此处,二者的时空起点并不相同,它们之间的相互比较已经违背了相互比较的基本原则,因此我们又说,爱因斯坦的相对论存在着认识论上的错误。为明确起见,这里归纳汇总列表比较如下(见表二):
表二
【注1】:参见《广义时空相对论》,夏烆光著,北京 人民交通出版社,2003年1月第一版。
【注2】:爱因斯坦认为:空间和时间是一个统一的四维时空整体,并不存在绝对的空间和绝对的时间。
【注3】:牛顿认为:时间和空间与运动着的物质相互脱离的、并且是绝对独立的客观存在。
【注4】:爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理,即物理定律的形式在一切参考系中的数
学形式应该是不变的,或者说,是协变的。
七 结 论
总之,这里一方面指明了牛顿力学的不足之处,另一方面指明了爱因斯坦相对论的逻辑谬误与概念错误。而广义时空相对论,是在纠正了爱因斯坦相对论的逻辑谬误和概念错误的基础上,建立起来的一个全新的时空理论。理论证明,当且仅当物体的运动速度远小于光速时,狭义相对论才近似的正确。因此,从狭义相对论出发,不可能不导致各种悖理的结论出现。
广义时空相对论的重要成就之一是:证明了光子具有不等于零的相对静止质量和内部结构。基于这一结论我们可以断言:恒星系光谱红移的真正原因是来自于光子传播过程中的量子化衰减,即光子传播过程中存在的老化现象。这一结论的重要意义在于:从根本上否认了大爆炸模型的宇宙生成论。
通过实际应用表明,广义时空相对论不仅可以解决爱因斯坦的相对论已经解决的物理问题,而且可以解决爱因斯坦相对论根本无法解决的物理问题。所以说,广义时空相对论是一个比爱因斯坦相对论在观念上更为正确、在逻辑上更为合理、在应用上更为广泛的全新的时空理论。
参考文献
[1] [苏]Л.Д.朗道、Е.М.栗弗席兹著,任朗、袁炳南译,《场论》,北京人民教育出版社,1958年8月。
[2] 夏烆光著,《广义时空相对论》,北京,人民交通出版社出版,2003年1月。
[3] [德]黑格尔著,贺麟译,《小逻辑》,北京:商务印书馆,1980年7月第二版。
[4] 《马克思恩格斯选集》第三卷,北京:人民出版社,1950年7月。
[5] 徐道龙等编著,《物理学词典》,北京:科学出版社,2004年5月。
The contrast between the generalized time-space theories of relativity
and the existent time-space theory
(Author: Xia Xingguang,Senior engineer of China classification society,
Doyen adviser of Jinxing group. Hongkong ltd.)
(Email address: xgxia2007@sina.com,→ http://sea3000.net/name)
Abstract: This text departs from analyzing the logic solecism and the concept mistake of Einstein theory firstly, to introduce the generalized time-space theory of relativity summarily, and via the contrast the transform formulae between Einstein theories with generalized time-space theory of relativity, to the point introduced the hypostases difference between the two kinds of the theory of relativity. Thereafter, to discuss the count formula of photon’s quiescence mass and application using the theoretic results of the generalized time-space theory of relativity. Herein the account numerical value is consistent completely with chronometer observation results, is not only validate the correctness of count formula of photon’s quiescence mass, but to testify that the photon’s attenuation during the transmit course cause the red shift of fixed star spectrum, thereby to overthrow the theory of universe cause about the big bulge model. Afterward we discuss Compton scattering phenomena and proving that the generalized time-space theory of relativity is more exactitude than Einstein theory ulteriorly. For definitude, in the last part of this text we have summarized the differences in facet about the physics concept and physics principle, logicality and epistemology; sequentially indicate the internal relation and differences between Einstein theories with generalized time-space theory of relativity.
Key words: generalized time-space theory of relativity, Einstein theory, photon’s quiescence mass, photons’ stationary mass, red shift, photon’s attenuation, big bulge model, Compton scattering
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