1、 中中 华华 文文 化化 撷撷 英英 奇妙的物理四 黄兵明 主编 北京银冠电子出版有限公司 图 书 在 版 编 目 (CIP)数 据 中 华 文 化 撷 英 /黄 兵 明 主 编 北京 北京银冠 电子出版有限公司 2003ISBN 7-900060-29-4中 黄 文化知识 普及读物 中国 Z228.527中国版本图书馆 CIP 数据核字(2003)第 007295 号北京银冠电子出版有限公司发行 (北 京 海 淀 区 增 光 路 45 号 100037) 全国各地新华书店经销 北京双青印刷厂印刷开本 787 1092 1/32 印张 512 字数 4 900 千字2003 年 12 月第 1
2、 版 2003 年 12 月第 1 次印刷印数 1 5 00 册版号 ISBN 7-900060-29-4/Z 03定价 9998.00 元 (1CD,含 配 套 书 ) 目 录 基于经典时空观念的相对运动原理 .1论狭义相对论的实验基础 .26宇宙的四维空间结构及演变历程 .35关于宇宙之研究及相对论悖论 .60引力本质的运动源新说和 物稀空密 的自然观 78I奇妙的物理 1基于经典时空观念的相对运动原理 正如人们知道的那样 爱因斯坦提出的相对论重 新定义了时间 空间和光速 得到了钟慢效应等推论 这使人们感到莫名其妙和难以想象 然而这些推论却 奇迹般地与随后的实验一一相符 震惊了整个物理学
3、界 人们为相对论的巨大成功而喝彩 一个世纪过去 了 人们在欣赏相对论的同时也注意到了它的瑕斑 双胞胎佯谬 空间收缩佯谬的存在使得人们为相对论 的模糊和分歧感到惋惜 基于广义相对论的量子引力 理论十分遗憾地没有成功 相对论和量子力学的不兼 容性所有人都明明白白地知道 可是却又无可奈何 很少权威人仕敢于怀疑相对论的正确性 不敢拿自己 的职业和名誉作赌注 因为它太过于催人耀眼 以致 人们不敢提出异议 生怕别人嘲笑自己不懂物理 这 篇文章是许许多多反对相对论文章中的一个 但它与 别 的 同 类 文 章 存 在 着 巨 大 差 异 它 不 是 为 反 对 而 反 对 而是提出一套新的理论试图取而代之 而
4、且它具 有 检 验 的 可 行 性 只 要 人 们 愿 意 发 射 绕 日 逆 行 飞 行 体 并仔细观察其进动值 就可以考证理论的正确性 这一理论建立在经典时空观念之上 我们需要想 象一种完全刚性的空间和完全刚性的时间 空间作为 物理事件发生的舞台出现 实体物质和引力场在空间奇妙的物理 2中 存在 着 时间作为物理事件发生的次序出现 没有空间收缩和时间延缓可言 认为是物体客观长度 缩短和物体振动变慢真实物理事件的外观表现 尽管 为此我们不得不放弃一些心中十分完美的感觉 例如 原子的标准球形 振子的振动周期与振子的运动是否 无关 但我们可以依据修改电磁相互作用理解它们的 改变 理 论 的 基
5、本 依 据 之 一 是 认 为 惯 性 来 源 于 全 宇 宙 物质通过引力场对其中部分物质的影响 因此我们要 定义三个与引力场相关的概念 a 引 力 场 标 量 积 分 把 引 力 场 当 作 标 量 对 全 宇 宙 物 质 能 量 进 行 积 分 代表着该处引力场的 浓 厚程度 b 引 力 场 矢 量 积 分 把 引 力 场 当 作 矢 量 对 全 宇 宙物质进行积分 代表着通常说的引力场强度 c 广 义 相 对 速 度 这 是 一 个 按 照 一 定 规 则 相 对 全宇宙物质的平均速度 或者说相对该处标量引力场 的速度 这一速度我们压根儿不能通过统计的方法把 它计算出来 甚至考虑到非实
6、体物质能量的存在 以 及度规理论 即认为物质 能量是等效的 物质具有 广延性 引力场作为能量又在它附近激发引力场 它 的数学表达式还需要更精确地修改 但这并不是很重奇妙的物理 3要 重要的是这一速度概念不依赖参照系的选择 具 有独立而唯一的值 它仅仅决定于宇宙中物质的存在 位置及相对运动状况 所以它具有物质的内禀属性 相应的数学定义如下 1 高速运动对物理事件的影响 狭义相对论相关 现象1.1 相关假设 a.惯性定律假设 物体受到的作用力等于它的质 量乘以广义相对速度对时间的变化率 b.光速不变假设 真空中电磁场传播的广义相对 速度始终只与介电常数和磁导率有关 c.静电力假设 静电力强弱既取决
7、于两场源单位 时间交换虚光子的数量 又取决于交换虚光子速率的 几何平均值 相应地对假设作如下说明 a. 惯 性 定 律 假 设 相 当 于 修 改 牛 顿 第 一 第二运 动定律 每 个 物 体 继 续 保 持 它 的 广 义 相 对 速 度 不 变 除非有外力对它作用迫使它改变这种运动状态 在 力 的 作 用 下 质 点 广 义 相 对 速 度 的 变 化 与 时间的比值和合力大小成正比 和质点质量成反比 广义相对速度的变化方向与合力方向相同 这一假设奇妙的物理 4是马赫原理的继承和发展 即认为一切运动都是相对 全 宇 宙 物 质 进 行 的 物 体 的 惯 性 并 非 物 质 自 身 的
8、属 性 它来自于宇宙中其它一切物质依据标量引力场对 它作用的结果 与惯性密切相关的不是普通相对速度 而是广义相对速度 b. 正如大家知道的那样 麦 克 斯 韦 方 程 组 可 以 得到真空中电磁波传播速度与光的传播速度相等 从 而 证 实 了 光 的 电 磁 波 本 质 这 里 把 这 一 结 论 加 以 推 广 认为真空中所有的电场 磁场传播速度都只与真 空中介电常数和磁导率有关 与其它因素无关 光是 一种电磁波动 传播速度当然服从这一规律 这里特 殊之处是给速度概念加以物理实在性质 即认为与真 空中介电常数和磁导率相关的不是任意的相对速度 而是相对该处标量引力场的速度 也就是相对宇宙中 所
9、有物质按照一定规则的平均速度 如果真空中介电 常数和磁导率不变 真空中的所有与电 磁及光有关 的传播速度都是广义相对速度不变 我们以大写字母C 表示这一广义相对速度 由此可以理解双星系 统星光问题 c. 现 代 物 理 学 认 为 电 磁 相 互 作 用 是 场 源 交 换 虚光子实现的 这一思想得到了静电力表达式的有力 支持 刚好表示虚光子以标准球形向外扩散 引入广奇妙的物理 5义相对速度以后 我们得更加深刻地理解静电力 想 象两电荷粒子一前一后以广义相对速度 V 运动 如图 1 由 于 虚 光 子 传 播 属 于 电 磁 场 现 象 传 播 的 广 义 相 对速度恒为 C 也就是相对引力场
10、速度恒为 C 这对 虚光子相对速度产生影响 在图中 A 激发的虚光子 相对引力场速度恒为 C 因为 B 广义相对运动速度 V 的存在 A 激发的虚光子相对 B 传播的速度就是 这 一速度是传统思想的倍 同样地 B 激发的虚光子相 对 A 传播的速度是传统思想的倍 如果静电力与两粒 子交换虚光子速率有关 表达式中就应当含有这样的 一个因式 对 这 一 因 式 取 开 方 值 得 到 这样做一方 面为了凑合狭义相对论表达式 另一方面也是取几何 平均值的意思 即认为决定静电力强弱的一个因素是 两场源交换虚光子速率的几何平均值 另 一 方 面 考 虑 两 场 源 单 位 时 间 交 换 虚 光 子 的
11、 数 量 由于某一时刻引起的虚光子总是相对引力场以速 度 C 向外传播 同一时刻激发的虚光子空间分布总是 标准的球壳形状 但时刻系列激发的虚光子球心并不 重合 而是以速度 V 向前移动 于是出现图 2 形状的 空间分布 图中可以看到粒子运动的前方虚光子传播 范围较小 因而虚光子分布的线密度增大 反之粒子 后方虚光子分布密度减小 但图 1 中 A B 虚光子交奇妙的物理 6换速率的倍数刚好是线密度倍数的倒数 即如果距离 一定 线密度与线速率的乘积是一个恒量 所以两场 源单位时间交换虚光子的数量只与相互距离有关 与 两粒子广义相对运动是否无关 我们得到 A B 间静 电力表达式 其中表示在同等电荷
12、 同等距离的情况 下 电荷粒子广义相对速度为零的静电力 式子的含 义 是 两 电 荷 粒 子 相 对 引 力 场 同 步 高 速 运 动 致 使 静 电 力在纵向方向上减小 电 磁 相 互 作 用 是 一 个 复 杂 的 过程 这里只是论述最简单的一种情况 静电力因 为引入广义相对速度而发生的变化 相信别的过程也 可以作相应的重新理解 1.2 惯性参照系失去了其特殊地位 由于参照系之间存在着相对运动 普通相对速度显然没有唯一的值 什么样的运动属于加速运动 这 具有不确定性 这就需要定义和引用 惯性参照系 然则什么样的参照系才是惯性参照系 人们又只能用 惯性运动加以定义 从而不可避免地陷入逻辑循
13、环 广 义 相 对 速 度 由 于 代 表 着 按 一 定 规 则 相 对 全 宇 宙 物 质的平均速度 无论采用哪一参照系 包括非惯性参 照系 都具有唯一的值 本文以广义相对速度取代普 通相对速度修改惯性定律 使惯性参照系失去了其特 殊地位 从而很好地解决惯性的逻辑循环 奇妙的物理 7让我们分析马赫问题 如图 3 A 图 地月状态 平衡的一般见解认为 地球和月球之间存在着万有引 力 作 用 并 因 为 绕 质 心 做 圆 周 运 动 而 存 在 着 离 心 作 用 从而达到状态平衡 B 图 这个问题马赫提出了 另一种见解 认为这个体系的平衡可以理解为地球 月球处于静止状态 宇宙其它物质绕地月
14、系统质心做 圆周运动 对地球 月球产生离心吸引作用 抵消了 地月的万有引力作用 从而达到状态平衡 在 第 二 种 见 解 中 由 于 选 择 了 地 月 系 统 作 参 照 系 相对速度 从而离心力 马赫问题毫不客气地揭 露 了 用 普 通 相 对 速 度 分 析 圆 周 运 动 问 题 可 能 出 现 的 谬误 给我们一个重要启示 这就是离心力表达式中 相对速度应该改用广义相对速度 从而该式变为 考 虑到系统质心曳引运动的情况 把正圆周运动离心力 表达式改写为 注意到考察点广义相对速度 V 和圆周 中心广义相对速度 V0 都是矢量 你会发现 这一表 达式理解圆周运动的离心力是十分恰当的 如果
15、用到 极坐标和微分 我们可以把离心力表达式书写得更严 格 事实上 广义相对速度概念针对惯性问题出现 这就决定了离心力表达式速度概念的更换 因为离心 运动实质上是一种加速运动 其本质属于惯性问题 广义相对速度与坐标系的建立无关 有独立而唯一的奇妙的物理 8值 从而离心力大小具有唯一性 这给我们分析问题 带来方便和可靠 1.3 高速运动对物体长度 质量及时间的影响 a. 长度缩短 设想原子以广义相对速度 V 运动 当电子与原子 核连线和运动方向重合时 根据静电力假设 电子与 原子核之间的静电力将减小 这会不会影响它们之间 的距离呢 这里有两个因素考虑 就是惯性和势能 量子力学的成功已经清楚地告诉我
16、们 电子绕原子核 的运动不能看作行星绕太阳的那种经典运动 而应该 看作一种能量的量子化运动 所以我们在物质波波长 尺寸附近 应当更注重能量而不是惯性 纵向方向上电子具有的势能如果可以把电子的空间分布看作一个等势面 那 么将有 以小写字母 r 表 示 原 子 横 向 方 向 上 的 势 能 半 径 大写字母 R 表 示 原 子 纵 向 方 向 上 势 能 半 径 这 一 式 子 表 明 原 子 纵 向 方 向 上 由 于 广 义 相 对 运 动 被压扁 了 纵向半径被压扁为横向半径的倍 注意 到物质都是由分子 原子结构组成的 我们就可以得 到狭义相对论的一个结论 物体因为运动其长度缩短 了 表达
17、式 l 表示物体以广义相对速度 V 运动时的奇妙的物理 9纵向长度 l0 表示物体不运动时纵向长度 b. 质量增大 由 麦 克 斯 韦 光 动 量 表 达 式 和 动 量 定 义 表 达 式 可 以得到 我们只要注意到以下两点 就可以得到质能 方程 1 根据物质属性要求 以 光 的 广 义 相 对 速 度 相对恒定值 C 取代狭义相对论设想的光的普通相对速 度 c 2 一般性的能量 E 取代光能 El 一般性的质 量 m 取代光的质量 ml 即认为不仅光满足这一质能表 达式 通 常 的 粒 子 例 如 电 子 质子 中子 也满足 这一表达式 爱因斯坦原来的推导也用同样的取代 有了质能方程 如果
18、可以认为实体粒子具有的能 量由 静能 和 动 能 组 成 便 可 以 得 到 而 考 虑到动能只是在低速时被验证了 这一表达式很可能 只是物体具有真实动能的近似值 可能已经忽略了及 后面的项 就可以认为与是近似相等的 从而 即 c. 时间延缓 弹簧振子的振动周期是 其中 如果弹簧振子沿 其振动方向以广义相对速度 V 运动 它的质量 m 和电 磁相互作用 F 将同时发生变化 但 电 磁 相 互 作 用 强 弱 的 变 化 是 相 对 一 定 距 离 而奇妙的物理 10言的 弹簧振子振幅的变化这里不作考虑 即长度 l 的变化这里不考虑 考虑到 我们得到运动弹簧振子振动周期与静止 弹簧振子振动周期的
19、关系 如 果 可 以 假 设 性 地 把 这 一 表 达 式 推 广 及 原 子 的 振动 粒子内部周期性变化 认为所有周期性的变化 都会因为广义相对运动而使周期变长 因而表现的时 间就缩短了 似乎也可以理解时间延缓的物理实在 d. 迈克尔逊 莫雷实验解释 设实验装置沿 x 轴正方向以广义相对速度 V 运 动 长度方面 由于整个装置可以旋转调换位置使用 横向长度和纵向长度的静态长度可以看作完全相等 但由于广义相对运动引起了收缩 物体在运动方向上 缩短了 的 实 际 长 度 已 经 不 相 等 速 度 方 面 轴 方向上 光的广义相对速度恒为 C 相对坐标系正向 和 反 向 速 度 分 别 为
20、轴 上 的 光 速 有 必 要 参 照 示 意 图 右上角的三角形 表示光沿方向相对测量仪器的相对 速度 由于测量仪器沿轴方向广义相对速度的存在 光相对引力场的实际传播路径是斜边 即延斜边的光 速恒为 故 从而 根据对称性可知 有了长度 方面和速度方面的分析 就可以证明光在实验装置上 横向和纵向传播的时间相等 其引申意义是 无论实奇妙的物理 11验装置广义相对速度多大 我们都不能通过类似实验 检测光传播相对速度的改变 不能因为迈克尔逊 莫 雷 实 验 而 肯 定 光 传 播 相 对 任 一 参 照 系 速 度 都 是 恒 定 不变的 1.5 时空佯谬的无分歧理解 广义相对速度取代 普通相对速度
21、的意义 上文已经阐述高速运动对物体长度 质量及时间 的影响 尽管论证的严密程度有待日后进一步提高 但这一理论有着很好的物质基础 从而注定它有许多 相对论不具备的优点 相信你已经注意到相对论因子 在这里发生的变化 这就是光速用广义相对速度的光 的相对恒定值 C 取代狭义相对论设想的恒定不变的普 通相对速度 c物体运动的速度也以广义相对速度 V 取代普通相对速度 v 这里已经很好地解决了狭义相 对论的系列佯谬 恢复了理论必须具备的明晰性 在 双胞胎佯谬和空间收缩佯谬中 以广义相对速度取代 普通相对速度 哪个物体高速运动 哪个物体只作低 速运动 已经作了明确而具体的规定 即谁相对宇宙 中大量物质位移
22、得快谁就高速运动 它的长度和表现 的时间就要发生影响 这使得 时间延缓 长度收 缩是一件 真实 的事情 我们已经不需为 谁的 时间真的延长了 谁的长度真的缩短了 之类的问奇妙的物理 12题再作争论 时 间 延 缓 长度收缩 都是相对标 量引力场高速运动引起的 具有明确而具体的原因 1971 年 哈费尔和肯汀设计了四只铯原子钟 由 飞 机 带 着 其 中 两 只 住 东 飞 环 绕 地 球 一 周 回 到 地 面 时 它们的平均读数比放在地球上的铯原子钟读数慢 了 而另两只向西环球飞行一周后 平均读数比地面 铯 原 子 钟 快 他 们 以 地 心 非 转 动 惯 性 坐 标 系 作 参 照 系
23、同时考虑狭义相对论和广义相对论 结果在实验 误差内与预言值相符 这里我要强烈指出 以地心非 转动惯性坐标系作参照系的计算 已经严重歪曲了狭 义相对论的相对性原理 狭义相对论强调的是完全的 两物相对性 以地面铯原子钟作参照物 无论飞机向 东飞行还是向西飞行 都是运动了 所以飞机上的铯 原子钟都应该变慢而不应该变快 以地心非转动惯性 坐标系作参照系计算结果与实验相符 也与当今卫星 定位系统相符 只能说明狭义相对论的两物相对性原 理出现了问题 本文提出的广义相对速度强调的是相 对宇宙中大部分物质的运动是否 由于地球自转是相 对整个宇宙大部分物质的运动 飞机向东飞行增大了 铯原子钟的广义相对速度从而使
24、它的读数变慢 考虑 到地球自转速度与飞机飞行速度大约相等 这使向西 飞行飞机的铯原子钟广义相对速度变小了 从而导致奇妙的物理 13它的读数变快 当然 这里的分析还要考虑标量引力 场变化对时钟的影响 这相当于广义相对论对时钟的 影响 2 强引力场对物理事件的影响 广义相对论相关 现象2.1 相关假设 以 下 假 设 仍 然 在 想 象 中 的 理 想 刚 性 时 空 坐 标 系进行 d. 介电常数和磁导率假设 真 空 中 介 电 常 数 和 磁导率与该处引力场标量积分成正比 e. 等 效 原 理 假 设 万 有 引 力 效 果 等 同 于 加 速 运 动效果 相应的说明如下 d. 根 据 介 质
25、 可 使 介 电 常 数 和 磁 导 率 增 大 及 场 的 物质属性 有理由推测真空中介电常数和磁导率与引 力场标量积分有关 或者说与引力场 浓厚 程度有 关 这里只是把这一可能大胆地加以想象 认为它们 之间很可能具有线性关系 假设表达式结合光速不变 表达式 容易得到 其中是一个常数 式子的含义是 光在相等的时间内通过的标量引力场是一个恒定值 根据光速不变假设 真空中光速只与介电常数和 奇妙的物理 14磁导率有关 如果真空中介电常数和磁导率不变 光奇妙的物理 15传播的广义相对速度就不变 这里假设真空中介电常 数和磁导率也是变化的 它们随着引力场 浓厚 程 度变化而变化 所以真空中光传播的广
26、义相对速度也 是变化的 我们以此理解 强引力场使无线电波传播 延迟 这一物理事实 e. 为了理解引力红移 我 们 必 须 认 为 万 有 引 力 与电磁相互作用在表达形式上不同 这里假定万有引 力 的 传 播 不 需 要 时 间 或 者 万 有 引 力 场 是 相 对 静 态 的 是电磁场 强相互作用场得以存在的基础 后者 是万有引力场加入某些介子形式的能量因素的表现 这方面的论证依据还有量子力学的纠缠态 纠缠态粒 子之间信息传递可以远远大于光速 甚至根本不需要 时间 如果这与引力场有关 或者深一层地理解为依 据引力场发生共振 那么就可能意味着引力的传递不 需要时间 根据普通的万有引力表达式并
27、注意质能方程 我 们得到等效原理表达式 这两个表达式意味着万有引 力与加速运动效果完全等效 纵向加速的效果是万有 引 力 场 在 广 义 相 对 速 度 方 向 上 的 分 量 决 定 着 考 察 物 体能量的改变 横向加速的效果是万有引力场在垂直 于 广 义 相 对 速 度 方 向 上 的 分 量 决 定 着 考 察 物 体 运 动 方向的改变 即纯属改变物体的惯性表现 如果分析奇妙的物理 16对象是光子 只要把第二表达式中的 V 改写为 C 并且注意标量引力场变化对光速 C 的影响 定性分析 就可以理解光的引力弯曲 只是这里未能完成严格的 定量论证 2.2 哪个天体对物体惯性及光速的影响更
28、密切 广义相对速度的数值和光的广义相对速度 C 都有 赖 于 引 力 场 标 量 积 分 或 者 称 之 为 引 力 场 浓 厚 程 度 下面分别估算地球等星球对其表面及银河系对 我们附近引力场标量积分的影响 由于是标量积分而 不是矢量积分 把星体的质量集中设在其中心位置是不合适的 但这里为了计算上的方便 仍然这样做 同时银河系的所有质量也设想聚集在银河系中心 此 外 白矮星和中子星都以太阳质量估算 白矮星密度 以水密度的一百万倍估算 中子星密度以白矮星密度 的一亿倍估算 银河系以一千亿颗太阳质量及三万光 年估算 从数据中知道 银河系质量尽管巨大 但由于相 距甚远 对地球表面物质的惯性和光速影
29、响甚微 与 地球相比 大约相差 11 个数量级 那么 这是不是 说 近 处 星 球 对 物 体 惯 性 的 影 响 要 比 远 处 所 有 物 质 影 响的总和要强烈得多呢 我认为不是这样 上述只是 考虑银河系一个星系的影响 而哈勃望远镜已经发现奇妙的物理 17级宇宙中至少存在着一千二百五十亿个星系 尽管这里 涉 及 宇 宙 物 质 的 结 构 分 布 及 宇 宙 物 质 是 否 无 穷 等 未 知问题 我们仍然可以估测远处宇宙中存在的大量天 体 物 质 对 物 体 惯 性 的 影 响 与 一 个 星 球 对 其 表 面 物 体 惯性的影响是相当的 或者更重要 根据太阳附近雷 达回波的延迟 甚
30、至可以估算宇宙远处大量物质 在 太阳系附近 引力场标量积分大约在 1017 数量 指 积分 太阳直径 km 据此估算雷达波经过太阳附近 大约需要 5s 往返则需要 10s 而雷达回波在太阳附 近大约延迟了 即 s 前者是后者的倍 所以估算太 阳 对 其 表 面 的 引 力 场 标 量 积 分 大 约 只 是 整 个 宇 宙 在 该处引力场标量积分的分之一 即宇宙远处大量物质 引力场标量的总和大约在数量级 假如这一数据偏差不是很大 宇宙远处大量物质 引力场标量积分的总和大约在数量级 这一数值比太 阳和地球对其表面的影响大了许多 但与中子星等致 密天体相比却有所不及 如果这样 我们在地球表面 附
31、近 认 为 光 的 广 义 相 对 速 度 恒 定 不 变 就 是 理 所 当 然 的了 只有在致密天体附近 或者在行星非经典进动 等精确计算 才有考虑引力场标量积分变化的必要 由此还可以有更充分的理由修改惯性定律 因为 地 球 和 太 阳 在 其 表 面 的 引 力 场 标 量 积 分 只 占 宇 宙 物奇妙的物理 18质在该处引力场标量积分很小的一部分 广义相对速 度 与 普 通 的 相 对 惯 性 参 照 系 的 相 对 速 度 对 时 间 的 变 化率是非常接近的 即 或者 如果承认牛顿第二运 动定律 即 那么就有 别忘了经典时空观基础上牛 顿运动定律出现了问题 这就使得有理由怀疑 F
32、 三者之间的等量关系真正成立的可能是 而不是 这并非毫无依据 1 是 经 验 公 式 由 于 实 验 误 差 的 真 实 存 在 实验数据不可能无限精确 只要 足够地接近 我们 就不能分辨 目前虽然实验验证了 而真正恒等的是 这具有可能性 2 广 义 相 对 速 度 可 以 理 解 为 按 一 定 规 则 相 对 全 宇 宙 物 质 的 平 均 速 度 它 包 含 客 观 的 物 理 实 在 内 涵 即广义相对速度对应于考察物体在宇宙空间中相 对万有引力场的特定运动 完全有可能与力联系得更 密切 2.3 光速可变问题 光速可变问题是辨证关系的典型问题 从速度的定义角度而言 普通相对速度意义上的
33、光速与任何别 的普通相对速度一样 是可变的 它们随着参照系的 不同而不同 光速并没有任何特殊意义的地位 这点 奇妙的物理 19是 基 于 经 典 时 空 观 念 的 相 对 运 动 原 理 与 狭 义 相 对 论奇妙的物理 20的重要区别 只有广义相对速度意义上的光速 也就 是按照一定规则相对宇宙中所有物质的平均速度 才 有不变的可能 从 是 否 可 以 忽 略 引 力 场 标 量 积 分 变 化 的 角 度 而 言 光传播的广义相对速度无疑是可变的 在中子星 表面附近等引力场很强的地方 引力场标量积分明显 增大了 因而光传播变慢 甚至光传播得很慢 在通 常情况下只需传播 0.0001 秒的距
34、离 这里可能需要 传播足足 1 秒 但我们同时注意到 在地球表面附近 甚至在太阳表面附近 引力场标量积分的变化都是十 分微弱的 以致可以认为光在这里传播广义相对速度 是不变的 只有在需要十分精确的数值计算 或者在 致密天体附近 才有考虑光广义相对速度可变问题的 必要 在这一意义上 基于经典时空观念的相对运动 原理与相对论在思想上是一致的 2.4 强标量引力场对物体的系列影响 式中下标0 表 示 物 体 正 处 在 较 弱 的 普 遍 存 在的引力场标量积分空间 或者代表着我们选择的参考 点 下标 1 表 示 物 体 处 在 较 强 标 量 引 力 场 空 间 或者代表着我们的分析对象 具体推导
35、如下 a. 静止质量增大 奇妙的物理 21当广义相对速度时 物体具有的能量由决定 物 体具有的能量 E 代表着实体物质内部场运动的激烈程度 无论处在什么样的引力场 都是不变的 如果引 力场标量积分 A 增大了 光传播广义相对速度将减小 进而导致物体的静止质量增大 b. 广义相对速度与光速同步变慢 物体广义相对速度不为零时具有的能量由决定由于能量 E 和静能都不变 故不变 即不变 令 定 义 Q 为速度 V 的品质因素 这里我们注意到 惯性定 律假设和光速不变假设类似 只是一个近似性质的假 设 在可以忽略引力场标量积分变化的空间环境中成 立 考虑到 我们得到 其中 或者 物体处于惯性 运动时是一
36、个常数 这一表达式的引申意义是 如果 物体保持惯性运动 它在相等的时间内通过的标量引 力场是一个恒定值 c. 电磁力变弱 根据电磁相互作用假设 电磁相互作用的强弱取 决于两场源单位时间交换虚光子的数量 现在电磁场 传播速度变慢了 两场源单位时间交换虚光子的数量 就相应地减少 在同等的距离 静电力就相应地减小 仿照高速运动时静电力的分析得到 即 或者 奇妙的物理 22d. 物体表现的时间延缓 仿照高速运动导致时间延缓现象的分析 由于物体静止质量及电磁力都发生变化 我们得到强标量引 力场导致弹簧振子振动周期延长的表达式 2.5 行星近日点非经典进动 我们考察一个有趣的问题 大圆代表宇宙中远处的大量
37、物质 这里以它作参照系 小圆代表一个质量 较大 逆时针方向自转着的物体 例如太阳 在小 圆和大圆的 M N 点之间有 A B C 三点 先假定 A B C 三点在坐标系中静止 即相对宇宙中远处的大量 物质速度为零 那么定性分析得知 A B C 三点广 义相对速度都不为零 而是具有一个与 y 轴负方向平 行的广义相对速度 并且越接近 M 点广义相对速度在 数值上越大 现在假定 A B C 三点广义相对速度为零 广义 相对速度为零要求 A B C 都有一个与 y 轴正方向平 行的不为零的速度 并且越接近 M 点速度越大 即 显然如果小圆代表的物体不自转 那么 A B C 三 点广义相对速度为零直接
38、意味着 可见 来源于小 圆代表物体的自转 把三个小质量物体分别放置在 A B C 处 姑且未考虑引力相互作用 站在大圆中的 N 点观察奇妙的物理 23我们意外地发现 原先从经典物理角度分析奇妙的物理 24应该是静止的 A B C 物体 现在竟然动了起来 它 们绕着小圆旋转 而且越靠近小圆速度越大 这就是 大质量物体曳引周围物体旋转运动 现象 事实上 分析表明 物体运动 不管这种运动是转动还是平动都有所谓 曳引周围物体运动 这一现象存在 考 虑 矢 量 万 有 引 力 作 用 及 为 了 抵 消 万 有 引 力 所需作的圆周运动以后 曳 引 周 围 物 体 旋 转 现象依 然 存 在 即 由 于
39、 与 惯 性 直 接 相 关 的 不 是 普 通 相 对 速 度 而是广义相对速度 行星实际绕太阳运动的速度 比 按 照 经 典 力 学 计 得 的 速 度 多 出 了 一 个 与 太 阳 自 转 方向相同的附加量 基于行星非经典进动方向与太阳 自转方向相同这一事实 可以推断这一速度的附加量 至少部分地导致了行星近日点非经典进动 非经典进动是一个复杂而细致的问题 必须考虑 标量引力场变化对运动的影响 由于 V C 同步变化 靠近太阳时 标量引力场增大了 导致光的广义相对 速度 C 减小 同时也导致物体运动的广义相对速度 V 同步相对减小也就是比按照经典物理计得的速度 v 减小一些 这一过程也导
40、致行星近日点非经典进动 因此 这里的理论认为 行星近日点非经典进动同时 由两部分因素决定 一是太阳强引力场曳引所致 这 部分进动与太阳自转方向一致 二是标量引力场变化奇妙的物理 25对广义相对速度 V 的影响 这部分进动与行星自转方 向一致 至于哪一部分影响更重要 需要进一步的定 量计算 广 义 相 对 论 对 行 星 转 动 一 周 非 经 典 进 动 的 预 言 值是 根据表达式我们可以清楚地知道 广义相对论 对行星非经典进动的预言没有涉及太阳的自转 也就 是 即使太阳不自转 或者反向自转 其预言值是不 变的 但这里的预言却与太阳自转密切相关 认为行 星非经典进动部分地来源于太阳的自转 如
41、果太阳不 自转或者逆向自转 非经典进动就会减弱 甚至出现 逆向进动 据此 如果发射绕太阳逆向运动的卫星 只要观察到其非经典进动 就可以判断它的进动值与 哪一理论相符 3 红移问题 3.1 宇宙学红移 双星系统星光问题 以 光 子 所 在 位 置 的 零 广 义 相 对 速 度 参 考 点 作 原点 光子运动方向为正方向建立刚性空间坐标系 光 子在原点 O 时 广义相对速度 V 和普通相对速度都等 于 C 待光子位移到达 A 点时 由于宇宙膨胀 光子 在维持广义相对速度恒等于 C 的同时 普通相对速度 已经发生变化 不再等于 C 了 不妨设 膨胀性保证 了 光子运动的普通相对速度增大了 但没有外
42、界因奇妙的物理 26素为光子提供能量 光子只能消耗自身能量依靠引力 场增大其相对运动速度 因而光子频率减小 另一方 面 光子位移的不等于 而等于 因为光子并不是相 对坐标系发生位移损耗能量 而是相对引力场位移损 耗能量 唯一能代表光子相对引力场位移的是广义相 对速度 V 而不是 v 所以只能等效于 即 积分并结合初始条件时 式中 v 表示光子相对坐 标系运动速度的变化量 但考虑光子出发时相对光源 速度为 C 到达观测点时相对观测点速度也是 C 大 致相等 v 值恰好代表光源相对观测者的退行速度 这一式子表明 无论光源退行速度多大 光子的频率 都不会为零 能量都不会在途中完全消耗掉 出现这 种
43、与 相 对 论 不 协 调 的 情 况 是 因 为 这 里 恢 复 使 用 刚 性 经典时空观念 由此也可以检验理论的正确性 当退行速度很小时 宇宙学红移表达式可以改写 为 由于 所以 这与经典理论一致 从而在一定程 度上说明上述思想的正确性 频率红移表达式也可以 改写为波长红移表达式 人 们 根 据 双 星 系 统 发 出 的 星 光 到 达 地 球 所 需 时 间相等 否定 发射 假 设 认 为 光 子 相 对 光 源 速 度 恒定 进 而 肯 定 光 速 不 变 原 理 这 里 事 实 上 欠 缺 严 密的逻辑推理 由于光传播的广义相对速度相对恒定奇妙的物理 27而相对速度可变 双星系统
44、中两颗恒星发出的光在离 开双星系统时 相对地球的速度有所差异 朝地球运 动的恒星发出的光相对地球速度稍大 背向地球运动 的恒星发出的光相对地球速度稍小 但因为恒星标量 引 力 场 只 占 整 个 宇 宙 在 该 处 标 量 引 力 场 的 极 小 的 一 部分 这种差异显得很小 而且这一过程十分短暂 很快 两颗恒星发出的光一起在漫长的宇宙空间中传 播 它们的广义相对速度相等 以及周围物质分布和 运 动 状 态 完 全 相 同 导 致 它 们 相 对 地 球 的 速 度 相 等尽管因为宇宙膨胀 相对地球的速度显然小于 c 两颗恒星发出的光 相对地球速度不相等是短暂的 相等是漫长的 所以两颗恒星发出的光来到地球所需 时间在实验精确度上相等 是完全可能的 显然这不 能证明狭义相对论的光速不变原理 3.2 引力红移 真实意义上的黑洞不存在设 想 一 个 频 率 为 的 光 子 竖 直 向 上 逃 离 某 一 星 球表 面 例 如 太 阳 由 于 光 子 具 有 能 量 的 同 时 意 味 着 具有质量 星球与光子的万有引力对光子做负功 光 子的频率将减小 积分并注意时 或者改写为波长红移表达式 注 意到 频率表达式可以改写为 式中表示星球表面的 重力加速度 这 一 式 子 与 相 对 论 引 力 红 移 表 达 式 的
