物理學(xué)論文-時(shí)空彎曲是必須的嗎？.doc

物理學(xué)論文-時(shí)空彎曲是必須的嗎？相對(duì)論和量子論是二十世紀(jì)人類認(rèn)識(shí)自然的兩個(gè)最偉大的科學(xué)成果。在“等效原理”和“廣義相對(duì)性原理”的假定基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了廣義相對(duì)論，這是一個(gè)關(guān)于引力場(chǎng)的理論，它表明，無(wú)能量存在的真空是平直的，是一種三維的歐氏空間，但當(dāng)真空具有能量時(shí)，真空即發(fā)生彎曲變形，此時(shí)的真空就不再是平直的歐氏空間，而是彎曲的黎曼空間，歐式幾何不再適用，而應(yīng)代之以黎曼幾何。廣義相對(duì)論用幾何化的方法描述引力場(chǎng)基本是成功的，基本揭示了引力場(chǎng)的幾何本質(zhì)。但是我認(rèn)為，將物理性質(zhì)的引力場(chǎng)進(jìn)行這種抽象的數(shù)學(xué)幾何化的做法，是不能令人滿意的。除此之外，廣義相對(duì)論還有其他缺陷。一、廣義相對(duì)論的缺陷1、廣義相對(duì)論“奇點(diǎn)”的存在廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程為：這個(gè)方程是高度非線性的，一般不能嚴(yán)格求解。只有在對(duì)時(shí)空度規(guī)附加一些對(duì)稱性或其他要求下，使方程大大簡(jiǎn)化，才有可能求出一些嚴(yán)格解。在引力場(chǎng)球?qū)ΨQ的假定下，可以得到方程的史瓦西解：顯然，度規(guī)在=2MG/2和0處奇異（趨于無(wú)窮大）。但是,=2MG/2處的奇異是由于坐標(biāo)系帶來(lái)的,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系變換來(lái)避免。0處的奇點(diǎn)是本質(zhì)的。在奇點(diǎn)上，時(shí)空曲率和物質(zhì)密度都趨于無(wú)窮大，時(shí)空流形達(dá)到盡頭。不僅在宇宙模型中起始的奇點(diǎn)是這樣，在星體中引力坍縮終止的奇點(diǎn)也是這樣。在奇點(diǎn)處，“一切科學(xué)預(yù)見都失去了效果”，沒(méi)有時(shí)間，也沒(méi)有空間。無(wú)窮大的出現(xiàn)顯然是廣義相對(duì)論的重大缺陷。另外，對(duì)于廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)形式復(fù)雜性，世界著名物理學(xué)家波恩說(shuō)：“它的形式復(fù)雜得可怕”。2、廣義相對(duì)論與量子理論不相容量子理論是非常完備的科學(xué)理論，而廣義相對(duì)論和量子理論彼此間并不相容。1920年，韋爾提出了一個(gè)將電磁場(chǎng)和引力場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)的電磁場(chǎng)幾何化的理論，他的基本想法是：把電磁場(chǎng)與空間的局部度規(guī)不變性聯(lián)系起來(lái)。韋爾的理論不僅沒(méi)有得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，而且也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。之后，瑞尼契、惠勒、米斯納等人也作了很多將電磁場(chǎng)幾何化的嘗試，都沒(méi)有獲得成功。人們也曾試圖將引力場(chǎng)進(jìn)行量子化，并從中尋求引力場(chǎng)與電磁場(chǎng)的本質(zhì)聯(lián)系，企圖用量子論的方法實(shí)現(xiàn)引力場(chǎng)與電磁場(chǎng)的統(tǒng)一。電磁場(chǎng)的場(chǎng)量子是光子，類似地人們欲將量子化的引力場(chǎng)的場(chǎng)量子稱為引力子。但經(jīng)過(guò)幾十年的努力，引力場(chǎng)的量子化嘗試連連失敗。二、對(duì)萬(wàn)有引力定律的改造顯然，牛頓萬(wàn)有引力定律是有缺陷的，我們認(rèn)為該定律是一個(gè)正確定律極好的近似。為了便于進(jìn)行類比，我們來(lái)看一個(gè)電磁學(xué)現(xiàn)象：在一個(gè)范圍內(nèi)，同時(shí)有一個(gè)恒定的電場(chǎng)和磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)，其中，電場(chǎng)由帶電量為-Q（場(chǎng)源）的均勻球體產(chǎn)生。距離球心r處，有一靜止檢驗(yàn)點(diǎn)電荷，帶電量為+q（qQ），其對(duì)場(chǎng)源的影響可忽略不計(jì)。則點(diǎn)電荷不受磁場(chǎng)的作用，F(xiàn)c=0；所受電場(chǎng)力（庫(kù)侖力）為有心力，大小為：Fe=Qq/4r2（1）如果點(diǎn)電荷以速度v運(yùn)動(dòng)，則所受電場(chǎng)力仍滿足（1）式，同時(shí)，它還要受到磁場(chǎng)力（洛侖滋力）的作用，大小為：Fc=Bqvsin（2）為B與v的夾角，洛侖滋力Fc不是有心力，其方向恒與速度v的方向垂直，由左手定則確定。可知，洛侖滋力Fc對(duì)點(diǎn)電荷不做功。萬(wàn)有引力F1=（GMm/r2）與（1）式很相似，因此，我們假定，在萬(wàn)有引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的物體，除受引力F1之外，同時(shí)受到另一個(gè)類似洛侖滋力力（暫稱為附加力）F2的作用，F(xiàn)2是速度v的函數(shù)，其方向恒與速度v的方向垂直，在v與r構(gòu)成的平面（密切面）之內(nèi)，指向曲率中心一方，大小為：F2=（GMmv2/r2c2）由此得到萬(wàn)有引力的精確表達(dá)式為：F=（GMm/r2）1+（v2/c2）=（GMm/r2）+（GMmv2/r2c2）（3）其中，c為真空中的光速，m為物體的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。m=m0/1-（v2/c2）1/2我們稱第一項(xiàng)（GMm/r2）為愛因斯坦引力，第二項(xiàng)（GMmv2/r2c2）為附加力。至此，我們已經(jīng)完成了對(duì)萬(wàn)有引力定律的改造，下面對(duì)新理論進(jìn)行檢驗(yàn)。三、對(duì)新理論的檢驗(yàn)我認(rèn)為，在考慮“引力場(chǎng)”和“變速運(yùn)動(dòng)”的情況下，時(shí)空仍然是平直的。1、太陽(yáng)光譜線“紅移”根據(jù)改造的萬(wàn)有引力定律和光的波粒二象性，就可以得到太陽(yáng)光譜線“紅移”的結(jié)果。當(dāng)光子從太陽(yáng)(r0=R)運(yùn)動(dòng)到地球(r=)時(shí),對(duì)于速度為c的光子,太陽(yáng)的愛因斯坦引力f1對(duì)光子作負(fù)功，地球的愛因斯坦引力F1對(duì)光子作正功,太陽(yáng)、地球附加力（F2）對(duì)光子不作功。f1引起光子的能量變化為：E1=-f1dr=-GMm(1/r2)dr（光子的質(zhì)量m變化很小，故可提到積分號(hào)外）以太陽(yáng)為參照系，當(dāng)光子從太陽(yáng)(r=R)運(yùn)動(dòng)到地球(r=)時(shí),將r從r=R到r=積分得：E1=-GMm/R光子的能量E=mc2=h,E1=h=-GMm/R=-GMm/hRF1引起光子的能量變化為：E2=F1dr=-GMm(1/r2)dr=-（GMm/r）+C以地球?yàn)閰⒄障担?dāng)光子從太陽(yáng)(r=)運(yùn)動(dòng)到地球(r=R)時(shí),E2=GMm/RE2=h=-GMm/R=-GMm/hR光子的能量總變化為：E=E1+E2=-GMm/R+GMm/R=Gm（M/R）-（M/R）相對(duì)而言，地球的引力比太陽(yáng)的引力小很多，地球的質(zhì)量與半徑的比值（M/R），比太陽(yáng)的質(zhì)量與半徑的比值（M/R）小4個(gè)數(shù)量級(jí)，故對(duì)光子能量總變化的主要貢獻(xiàn)來(lái)自太陽(yáng)的引力，EE1，=-GMm/hR而E=h0，0=E/h=mc2/h/0=-GM/Rc2=-2.12x10-6負(fù)號(hào)表示光從太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)到地球頻率變小。這就是太陽(yáng)光譜線“紅移”的理論值。實(shí)際觀測(cè)結(jié)果為-2.12x10-6。對(duì)天狼星伴星光線的引力紅移，理論值為：/0=28x10-51971年，格林斯坦（J.L.Greenstein）利用衍射技術(shù)，得到實(shí)際觀測(cè)結(jié)果為：（30+5）x10-5。我們必須注意，雖然新理論的結(jié)論與廣義相對(duì)論一樣，但原因卻不相同。我們知道，光源的固有頻率是指，相對(duì)光源靜止的觀測(cè)者檢測(cè)到的光源所發(fā)出的光子的頻率。例如，某原子的固有頻率取決于該原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，它是該原子的固有屬性，與引力場(chǎng)的大小毫無(wú)關(guān)系。無(wú)論是黑洞、太陽(yáng)、地球上的氫原子，還是遙遠(yuǎn)太空中遠(yuǎn)離引力場(chǎng)的氫原子，對(duì)于相對(duì)氫原子靜止的觀測(cè)者，它們?cè)谲S遷時(shí)所發(fā)出的頻率大小都相同，等于氫原子的固有頻率。如果光源遠(yuǎn)離觀測(cè)者，觀測(cè)者檢測(cè)到的光源所發(fā)出的光子的頻率將變?。l率“紅移”）這是多普勒效應(yīng)，但是，廣義相對(duì)論認(rèn)為，太陽(yáng)光譜線引力“紅移”的原因是：太陽(yáng)表面的引力場(chǎng)比地球表面的引力場(chǎng)強(qiáng)，因而太陽(yáng)表面的鐘走得較慢，當(dāng)用某種物質(zhì)從太陽(yáng)發(fā)出的光譜線的頻率，與同一物質(zhì)從地球發(fā)出的光譜線的頻率進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)果是，從太陽(yáng)發(fā)出的光譜線的頻率較小（“紅移”）。新理論認(rèn)為，太陽(yáng)光譜線“紅移”的原因是：從太陽(yáng)表面的光子運(yùn)動(dòng)到地球時(shí),由于其受到的力主要是來(lái)自于太陽(yáng)的引力，而該引力對(duì)光子做負(fù)功，引起光子能量的減少，但光速大小不變，只能是光子頻率減少了（E=h）。當(dāng)用某種物質(zhì)從太陽(yáng)發(fā)出的光譜線的頻率，與同一物質(zhì)從地球發(fā)出的光譜線的頻率進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)果是，從太陽(yáng)發(fā)出的光譜線的頻率較?。ā凹t移”）。從太陽(yáng)發(fā)出的光譜線到達(dá)地球的觀測(cè)者，將同時(shí)產(chǎn)生多普勒“藍(lán)移”效應(yīng)。鐘的快慢與固定在它之上的坐標(biāo)系的速度和加速度有關(guān)，與觀測(cè)者的坐標(biāo)系有關(guān)，與它所處在的引力場(chǎng)強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。2、地球光譜線“藍(lán)移”1959年龐德等人在哈佛大學(xué)首次在地面上直接驗(yàn)證了引力頻移。利用在塔頂發(fā)射射線，在塔底接收。塔高H為。此實(shí)驗(yàn)在地面上，故可忽略太陽(yáng)對(duì)光子的作用。地球的愛因斯坦引力F1對(duì)光子作正功,地球附加力（F2）對(duì)光子不作功。F1引起光子的能量變化為：E1=F1dr=GMm(1/r2)dr=-（GMm/r）+C，將r從（H+R）到R積分，E1=（GMm）（1/R）-1/（R+H）在地面上，(GMm/R2)=mg,GM=gR2,E1=h=gHm/h1+（H/R）gHm/h（H/R）1，而E=h0，0=E/h=mc2/h/0=gH/c2=2.46x10-15這就是光譜線“藍(lán)移”的理論值，表示光從塔高H為射到地球表面，光頻率變大。實(shí)際觀測(cè)結(jié)果為2.46x10-15。我們必須注意，雖然新理論的結(jié)論與廣義相對(duì)論一樣，但原因卻不相同。廣義相對(duì)論認(rèn)為，射線“藍(lán)移”的原因是：塔高H為處的引力場(chǎng)比塔底的引力場(chǎng)弱，因而塔高H為處的鐘走得較快，故在塔底接收來(lái)自射線的光譜線頻率較大。新理論認(rèn)為，射線“藍(lán)移”的原因是：從塔高H為處的射線運(yùn)動(dòng)到塔底時(shí),由于其受到的力主要是來(lái)自于地球的引力，而該引力對(duì)光子做正功，引起光子能量的增加，其相應(yīng)的頻率增大（E=h）。如果從塔底將射線射向塔高H為處,由于其受到的力主要是來(lái)自于地球的引力，而該引力對(duì)光