赵常德 （zyfnew@yahoo.com.cn）　2007.07

一 问题的提出

自1905年9月爱因斯坦的狭义相对论问世以来，人们的时空观念逐渐开始发生了革命性的变化。相对论认为“同时性是相对的”。从这种时空观念出发，对于同一个运动事件，不同位置上的观测者会得出不同的结论。于是人们开始相信：“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。诚如所知，从狭义相对论出发必然导致一系列的佯谬，诸如：双生子佯谬，超光速佯谬，EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯谬；几何佯谬；以及光子的相对静止质量为零等结论。然而，就是这样一个时空理论，竟被一些学者颂扬为20世纪最伟大的学术成就。进而，毫不怀疑地认为：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”；宇宙像个不断膨胀的“气球”；我们的银河系与河外星系等并不是存在于3维的空间与1维的时间中不断地发展变化着，而是卷曲在11维、甚至更高维的“膜”上，即“气球”的表面上；……。诸如此类的不断夸张与主观臆造，已经把时空理论和哲学观念引向了不可知论的深渊！有鉴于此，本文作者之一，夏烆光，经过多年潜心研究，于两年前（2003年）公开发表了《广义时空相对论》^【1】。由广义时空相对论动力学得出：光子的相对静止质量并不等于零。基于这一结果，本文提出了真光子的概念、并讨论了光线通过太阳附近引力场时的偏转现象。

二 传统物理学关于相对速度的定义不确切

一个物理问题的测量操作，必须通过观测者与被观测事件之间的相互接触，而接触只有两种情形：直接接触和间接接触（比如通过仪器，最终通过中间介质进行信息传递），信息传递是需要时间的，无论是光、声或引力。在相互作用传播速度（光速）有限性的前提下，传统的相对速度这一物理概念是不确切的。因为，只要你承认相互作用的传递速度不是“无穷大”，那么宇宙中就没有统一的“时钟”，时间也就不具有“绝对同时性”。而迄今为止的物理学（包括牛顿力学，爱因斯坦相对论，量子力学，量子场论等）关于相对速度的定义，都是在承认时间具有“绝对同时性”的前提下而得到的。

假定有一“观测者”位于直角坐标系（）的原点（）、并握有计时的钟（记时用“”），而“另一人（运动物体或事件）”以匀速（此人握有与观测者“对准”的钟，记时用“”）从点出发（二者同时开始记时）沿轴的正方向运动。广义时空相对论认为：当另一人到达的某一点时，测得自己的运动速度（假定记时从0开始，则）。而位于运动起点（）的观测者，此刻并不知道另一人已到达点，必须等待抵达点的信息反馈到点时才能记录到这个运动过程。假定信号的传递速度为光速（），那么。如果定义（），这就是物理学的传统定义。显然，这个定义是不确切的。只有在信息传递速度为无穷大（）时，即时间具有绝对同时性时，才有，以及。相反地，当点相当遥远或相对速度（）很大时，则决不与相等。这时在不同空间位置上的观测者会发现，关于另一人运动的相对速度截然不同，因此传统的恒定相对速度的概念并不存在。结果，相互作匀速直线运动的惯性系严格地讲也是不存在的。于是，建立在惯性系基础上的“伽利略变换”、“洛伦兹变换”以及爱因斯坦相对论的两个假定——相对性原理与光速不变原理——都是不确切的。

三 广义时空相对论的时空观念

广义时空相对论认为，“空间”和“时间”这两个概念是人们对于物质的“存在形式”和“运动过程”的“共性”即“普遍性”所给予的抽象描述。物质和运动都是客观存在的，因而空间和时间也就客观地存在着。人类的时空观念是可变的，因而是相对的。但是，人类时空观念的可变性并没有推翻空间和时间的客观实在性。为此，广义时空相对论用四个相互独立的坐标，即时间坐标（，）和空间坐标（；）构成四度坐标系统（）与（）来描述物体的运动。而在时间坐标中，包含着信号反馈所需的时间过程，因此与传统物理学使用的“四度惯性坐标系统”不同。因为在四度惯性坐标系统中的时间坐标是指三度空间中任何一点都有相同的“假想的时钟”，它们的读数都是，即时间具有绝对同时性。不言而喻，这只有凭借着人类大脑的“思维活动”才能办得到。换言之，四度惯性坐标系统只有在力学系统的时空尺度有限、或事件的运动速度远小于信号传递速度时，才能得到近似程度非常好的理论结果。

须指出，相对论的物理含义是指相对作匀速运动的两个观测者，都以相对静止观测者的所在位置作为运动起点，然后在运动观测者（或运动事件或质点）与静止观测者之间，各自用自己的时钟记时，所得出的与，与以及和的相互比较，并建立它们的变换关系。除此之外，如果再出现第三个坐标系（爱因斯坦的相对论正是这样的），那就肯定无法摆脱绝对同时性的时间观念，就一定存在着概念错误与逻辑谬误。

四 广义时空相对论的基本原理——客观性原理

基于时空的连续性，我们可以用传统的方法来描述一个运动事件的“时空间隔”。设有一个以光速运动的事件，站在运动事件上的观测者用自备的钟记下起始时刻（）与终止时刻（），则运动事件在的时间间隔内走过的空间距离为。那么，这个运动事件的“时空间隔”可写成

（1）

式中，

（2）

如果有个站在运动事件之外的独立“旁观者”对同一个事件进行观测与描述，则各自得出的时空间隔应为

，（1,2,3,……） （3）

这里虽然与运动时钟记录的起始时刻绝对相同，但却包含着到达终点的信号反馈到起点位置所需的延迟到达的时间过程（），即与不相同。不难理解，个旁观者的“观测结果（）”与“客观实在（）”之间总是存在着一定的“观测误差”。从表面上看，这些观测误差似乎是由于观测位置的不同而造成，因而是主观的。但是，如果信号的传递速度是无穷大则决不会出现这种类型的观测误差。因此说，造成旁观者产生观测误差的根源在于相互作用传播速度的有限性以及非超距的相互作用原则。

我们如何来统一这种主观映像（即观测误差）与客观实在之间的相互关系呢？广义时空相对论提出了一个“客观性原理”，它的命题是：“客体具有不依赖于主体的客观内容”。这里，就是“客观内容”，而就是“主观表象”，——它依赖于主体（即观测者）的所在位置。按照客观性原理，应有，即

（4）

当然，这个原理只表明不同位置上的观测者有不同的表象，而不表明运动事件本身的时空坐标存在着实质性的改变。同时表明洛伦兹变换的前提条件——间隔相等——的物理基础是“客观性原理”，而不是“光速不变原理”。

根据客观性原理，可以导出广义时空相对论的时间变换公式和速度变换公式。例如在（4）式中，注意到，当运动观测者以自己的所在位置（即系的原点）为参照物时有，故有。对于连续的运动过程，可记做。而绝对速度的定义是：。这里因为，所以有：。将这些关系式代入（4）式，整理后得

（5）

这就是相对速度（）与绝对速度（）的变换公式。这里，只有的改变才联系着体系力学量的实质性改变。

五 相对静止质量不等于零的光子——真光子

由广义时空相对论得出，一个静止质量为自由粒子，其动量的表达式为

（6）

能量表达式为

（7）

将式（7）展成幂级数

当时，。可见，爱因斯坦提出的质能关系式是有条件的或近似成立。对于光子而言，上式中的质量就是“光子”的“相对静止质量”。为便于理解，这里把它记作。于是，（7）式可改写成

（8）

这就是站在光子上的观测者，得出的光子相对于光源运动的“总能量”。因为只有站在光子上的观测者才能得出光子相对于光源运动的绝对速度，所以有

（9）

由此可见，这个能量是运动观测者对于光子本身所具能量的客观描述，也是在实验室中所得出的总能量。

然而，在相对论问题中，跟随光子一起运动的观测者也可以把自己的所在位置作为运动的起点，而认为自己是相对静止的。这样一来，仍然由（7）式出发，又可以得出

（10）

不过在这种情况下，上式中的质量已经不是“相对静止质量”了，所以我们继续用表示。须指出，这里发生了“逻辑中断”，即在一个问题中同时利用两个截然不同的物理前提！但从客观性原理或从能量守恒定律出发，这种主观上的换位思考（即辩证逻辑）决不会改变光子本身的客观实在性。于是，联立（9）与（10）式得出

（11）

上式中的质量具有总质量的含义。为了与经典的相对论区别，我们把具有相对静止质量（）的光子称为“真光子”。由此而论，真光子的总质量应由两个部分所组成：一是相对静止质量；二是相对运动质量。换言之，真光子的总质量

（12）

当真光子的绝对速度时，仍具有相对静止质量与静止能量，不过它们都蕴藏在原子核之外的处于激发态的轨道电子之中。

六 真光子在太阳附近的偏转角度

设一牛顿粒子，相对静止质量为，处在极坐标（）平面上运动（太阳位于极坐标原点），结果有

即

（13）

式中，是牛顿粒子的运动速度，是它的角速度，是它的能量，为太阳质量，是引力常数。粒子的角动量。假设引力对于不起作用，根据角动量守恒定律，则与相等。结果有。于是，式（14）变为

（14）

令代入上式，进行微分并移项得

（15）

在上式中，当很大、角很小时，其解为

（16）

当时，可认为，故有

又因很小，所以半偏转角，而总偏转角

（17）

这与爱因斯坦根据广义相对论得出的结果完全一样。1975年E. B. Fomalont和R. A. Sramek对射电源0116＋08的观测结果表明，总偏转角为，可见理论计算值与天文观测值十分符合。从而，不仅证明了真光子确实存在着相对静止质量，而且证明了只有真光子的相对静止质量才能对引力的偏转角度有所贡献。

七 结 论

总之，牛顿力学的不足之处仅在于：把超距相互作用作为讨论的前提，因而与客观实际发生了根本的对立。爱因斯坦的相对论虽然肯定了同时性的相对性，但却在讨论中继续使用建立在超距相互作用基础上的物理概念与物理原理，从而导致了难以克服的逻辑谬误与概念错误。广义时空相对论的意义在于：一方面指出并纠正了爱因斯坦相对论的逻辑谬误与概念错误，另一方面又摆脱了牛顿力学的超距作用原则，并自然地引进了真空背景的物质性特征，从而为相互作用的传递过程奠定了必备的物质基础。特别是，真光子具有不等于零的相对静止质量的物理事实表明，任何物质都包含着质量和能量两个方面。——其中，质量是物质“存在形式”的标志，而能量是物质“运动形式”的标志。在客观上，既没有不含质量的能量，也没有不含能量的质量。“质量”和“能量”作为“物质”的存在和运动这两个最基本的属性，统一在具体的物质之中。

Genuine photons with relative stationary mass

---The photons in generalized time-space theory of relativity

(Authors: Zhao-Changde and Xia-Xingguang)

Abstract: Firstly, this article discusses the definition of the relative velocity of tradition physics which isn’t nicety. Afterward, has been introduced the generalized time-space theory of relativity, the reference of four frames and its fit condition. And then, makes with an explanation to the definition of theory of relativity and emphatically points out, only should be according to the definition of the generalized time-space theory of relativity, in order to break away from the absolute simultaneous time- conception. Secondly, introduced a fundamental of generalized time-space theory of relativity---objectivity principle, and the time coordinate- transform formula, the velocity coordinate- transform formula, and the energy formula of the free particle, and expatiates that Einstein’s mass-energy formula is an approximate exactitude. Finally proved, that the photon’s relative stationary mass isn’t a nought by discussing and analyzing to those transposition formula. ---This theory result has been approved by calculating the deflexion angle formed by the sun’s gravitation field then the genuine photons get across the circumference of sun.

Key words: physics of light genuine photons with relative stationary mass generalized time-space theory of relativity objectivity principle mass-energy formula

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