絕對-相對時空論

1、絕 對 相 對 時 空 論未來物理學基礎馬國梁（山東省章丘市第一職業(yè)中專 250200） 電子郵箱：emgl內(nèi)容簡介 本書首先指出了狹義相對論中的若干不足，然后在綜合大量實驗事實的基礎上經(jīng)過嚴密的推導，提出了新的時空坐標變換方法，并將之成功地運用于運動學、力學、光量子學及電磁學等領域。討論了同時性和因果律，在運動參照系中的時空問題，單程光速的測量方法，光的多普勒效應及應用，光在運動介質(zhì)中的傳播問題。還對廣義相對論的有關問題進行了淺略的分析。本書見解獨到，在理論物理研究方面勇敢的邁出了新的一步，具有較高的學術價值。敬請廣大讀者賜閱。 書稿演變史：1996年5月 寫出本書的初稿，題目為狹義相對論新

2、探。1999年7月 修訂印刷成書，題目為再論狹義相對論的基本原理。2001年8月 電子版書稿修訂完成，題目為經(jīng)典相對論。2010年11月 改用書名絕對時空論，做了些修改，并對第五章內(nèi)容作了重要補充。2012年12月 改用本書名絕對-相對時空論，對第六章及關于光子的內(nèi)容做了些修改。 作者簡介： 馬國梁，1959年出生，山東省濟南市人。1981年畢業(yè)于山東一理科大學，畢業(yè)后先在一機械廠工作；1982年調(diào)入教育界，現(xiàn)在為一中專學校高級物理教師。有多篇論文在物理教學雜志上發(fā)表。目 錄第一章 狹義相對論中的若干不足第二章 現(xiàn)有實驗所給予我們的啟示第三章 新的時空變換方法第四章 運動變換方法第五章 絕對時

3、空動力學第六章 絕對時空電磁學第七章 同時性和因果律第八章 運動參照系中的運動物體第九章 單程光速的測量方法第十章 光的多普勒效應第十一章 光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律第十二章 廣義相對論有關問題淺析作者后記 正 文 第一章 狹義相對論中的若干不足狹義相對論是研究時空性質(zhì)與物質(zhì)運動關系的科學理論。自從1905年愛因斯坦發(fā)表論運動物體中的電動力學一文為標志宣告誕生以來，至今已過百年了。在當時經(jīng)典物理學陷入嚴重危機，科學界眾說紛紜、莫衷一是的情況下，愛因斯坦獨辟蹊徑，從一個新的視角研究了整個問題，提出了一系列新概念、新原理，建立了狹義相對論的理論體系。不僅解決了當時科學界所面臨的一系列疑難問題，還為以后物

4、理學的發(fā)展開辟了一條新的道路，為現(xiàn)代物理學的建立奠定了基礎。百多年來，相對論在全世界廣泛傳播，被應用于各個學科領域，取得了輝煌的成就，在科學界贏得了崇高的地位。愛因斯坦在這一領域為人類做出了開拓性的貢獻。但是科學總是不斷向前發(fā)展的，任何科學理論都只是在一定歷史條件下人類對物質(zhì)世界認識的結果，都是相對正確的。狹義相對論也是這樣。況且這個理論先天不足，自從它誕生以來就一直不斷遭受人們的指責和懷疑。事到如今它自身原有的許多問題依然存在，這不僅影響著今后對它的應用，也影響著它自身的完善。它的諸多問題分別如下所述：(一) 空虛空間。二十世紀初，愛因斯坦面對所有一切探測“以太風”的實驗都失敗的事實，認為“

5、引入光以太”本來就是“多余的”，這樣空間就又回到了一無所有的“空虛”狀態(tài)?？墒沁@樣的認定在當時就不能自圓其說。面對空間能夠傳播電磁波的事實，愛因斯坦又認為空間“具有一種發(fā)送電磁波的性能”，是“物理空間”；在后來的廣義相對論中，他認為空間的性質(zhì)應由“物質(zhì)的分布”來決定，實物體可以“彎曲”周圍的空間。這些都顯然與前面的空虛空間的定義相矛盾。空間既然一無所有，那它就不可能具有象物質(zhì)一樣的性質(zhì)。還有，如果空間中真的一無所有，那么各實物體就成了一個個的孤立個體，彼此間互相隔絕，互不相關。因為沒有中間物質(zhì)相連接，所以物體間的相對位置變得沒有意義且無法確定；因為沒有連續(xù)的物質(zhì)被跨越，所以物體間的相對運動也變

6、得沒有意義和無法確定；同時因為沒有背景物質(zhì)作參考，所以運動路徑也就無所謂和測不出曲直多少。還有物體的慣性因為位置和運動的不確定所以也就無法再能體現(xiàn)。這就象人只有沿地面行走才能有經(jīng)歷，物體只有在空氣中運動才能受阻發(fā)熱、發(fā)聲一樣。離開了物質(zhì)的空間環(huán)境，實物體就象離了水的魚一樣究竟還能有多少作為呢?(二) 彼此等價的相對運動。既然空間成了空虛的，那么物體在其中也就沒有了絕對運動，只有物體彼此間的相對運動，且這種運動是對等的。就象月球圍繞地球轉(zhuǎn)，也可認為地球圍繞月球轉(zhuǎn)，兩者效果相同，都是正確的。如果宇宙空間中只有兩個物體，上述說法還勉強有理。可惜宇宙中不止兩個物體，而是更多。在其它物體上公正的看，質(zhì)量

7、不同的兩個物體，大物體運動得要少一些，小物體運動得要多一些。因此物體間的相對運動絕不是對等的。在大物體上的觀測者的觀測結果更接近真實。所以當我們觀測比我們小得多的物體的運動情況時，觀測結果是比較可靠的。還有在兩物體上凡與運動有關的量彼此測量的結果也不可能是相同的。這樣以來，我們前面關于參照系可以任意選擇的想法也是錯誤的。參照系是一種理想模型，任何參照系都必須建立在物質(zhì)上。其中相對質(zhì)量小的物體因為變速快就不適合作慣性參照系，同時因為它的運動量較大故也不適合作靜參照系。只有相對質(zhì)量大的物體在一定條件下才可作為慣性參照系和靜參照系。同理，物體與所在物質(zhì)系統(tǒng)（質(zhì)心），物體與其它各級物質(zhì)系統(tǒng)之間的相對運

8、動也都不是對等的。(三) 光速不變原理。狹義相對論沒有給出慣性參照系的確定方法。但它卻認為：在任意慣性系中，光在各個方向上傳播的單程速度都相同，與慣性系的運動狀態(tài)無關（這里的光速是指測量值）。這是沒有實驗根據(jù)的。迄今為止所有的實驗都不能證明這一點。邁克爾遜莫雷實驗和大多數(shù)光速測量實驗用的都是往返閉合光路。閉合光路上的總平均光速恒定并不意味著各個方向上的單程光速也恒定。即當 （s + s）/（t1 + t2）= c恒定時并不意味著 s / t1 = s / t2 = c也成立.因為t1、t2不一定相等。還有，用測量光的波長和頻率計算光速的方法也不能證明光速不變原理。因為測量波長所用的“尺”是一束

9、特定的標準光，當將它與被測光放平行進行比較時，兩束光在相同的方向上會發(fā)生相同的伸縮變化，結果使各方向上的測量結果都相同。但這不能反映光速的實際情況。其它各種測量光速的方法都可歸納到上述兩類中去，不行的原因同上。如微波諧振腔法，在諧振時仍屬往返閉合光路。而羅默的天文測量法則明顯的表明“光的單程速度與所在物體的運動狀態(tài)有關”。實際觀測情況是：當?shù)厍蛟诠D(zhuǎn)過程中，先后朝向和背離木星運動時，木星衛(wèi)星蝕間隔的時間分別變短和變長。這說明從衛(wèi)星發(fā)向地球的光相對地球的運動速度分別變快和變慢?？上覀兦斑呉恢睕]有承認和看重這一實驗結論。光速不變原理是狹義相對論的兩大支柱之一。該原理的可疑和錯誤對原理論的影響都將

10、是重大的、深遠的。時間過去百多年了，現(xiàn)在是到了徹底澄清這個問題的時候了。(四) 相對性原理。該原理認為：所有的慣性系都是等價的，一切物理規(guī)律在各慣性系中的形式都是相同的。這也是一條沒有經(jīng)過充分的實驗證明的假說。例如對一定方向上傳播的光，在各慣性系測來，其單程光速是不是都相同就很值得懷疑。根據(jù)羅默的實驗結果，光速值應該是不相同的。對某些現(xiàn)象來說，各慣性系的描述肯定有所不同。這是因為物質(zhì)世界的存在具有客觀獨立性。有些現(xiàn)象的觀測結果與觀測者的方位和運動狀態(tài)有關。同一現(xiàn)象對不同的觀測者來說，雖然觀測到的結果不同，但他們可以是協(xié)變的。所以協(xié)變性不應單指數(shù)學形式的不變性，這種不變性不是起主導作用的普遍規(guī)律

11、。在現(xiàn)實世界中，有些不變性是不可能的。物質(zhì)世界絕不會成為讓每位觀測者的觀測結果都相同，它的面貌可隨人的觀測方位任意變化的千面玲瓏，即使重疊、自相矛盾也在所不辭。愛因斯坦只是一位樸素的唯物主義者，他不可能用辯證唯物主義的方法去認識問題，再加上歷史條件的局限性，所以在他的理論中出現(xiàn)這樣或那樣的問題并不足為奇?？茖W正是在克服前人缺點的過程中得到發(fā)展的。由上述可知，愛因斯坦確實已將人們的思維引向歧途。由于基礎的不堅實，從而使他的理論發(fā)生了嚴重的傾斜或畸變。狹義相對論在理解上的艱難和推導上的繁瑣是我們?nèi)怂仓模@也是該理論幾十年來先是被懷疑拒絕、后是被盲目崇拜的原因之一。它之所以難以理解還不單是數(shù)學推

12、導上的原因，主要是其物理意義不明，情理上講不通。例如對于時間變換公式： t ( t - u x /c c ) / sqrt ( 1 - uu/cc )恐怕誰也無法確切的說明它的物理意義及原理。特別是分子上的修正項 ux/cc ，在這里為什么與 u 呈線性關系?它又為什么與 x 有關，其內(nèi)在聯(lián)系是什么?這些至今都沒有令人信服的解釋。還有過去人們都認為，洛侖茲變換式在高速運動和低速運動中具有協(xié)變性，當運動速度遠小于光速時洛侖茲變換即退變?yōu)橘だ宰儞Q。即當 u << c 時因子 sqrt (1 - uu/cc ) 1 t - u x /c c t 1 uv/cc 1可是這充分嗎？當 x

13、>> c t 和 v >> c 時，ux/cc和 uv/cc項還能忽略嗎?時間和空間雖然有一定聯(lián)系，可以通過某種方式統(tǒng)一起來，但兩者有著本質(zhì)的不同，不應混為一談。將“四維時空”轉(zhuǎn)化為“四維空間”只是一種思維方式的轉(zhuǎn)化，但絕不是說時空就沒了絕對界線，可隨觀測者所在的參照系不同而劃分。還有電場與磁場的情況也是如此。 另外，關于相對論與量子力學間的不協(xié)調(diào)問題也已被人們提出，成為當代科學的一大難題?？傊还苋藗冊敢獠辉敢獬姓J，狹義相對論的種種弊端都是不可爭辯的事實。與其遮掩回避，不如正視解決。 第二章 現(xiàn)有實驗所給予我們的啟示（一）空間是物質(zhì)的。即現(xiàn)實的宇宙真空都是充滿物質(zhì)的

14、?？茖W研究已經(jīng)證明：的確不存在十九世紀所描述的那種“以太”，但是由此就斷定空間中一無所有也是不能令人信服的。愛因斯坦在后來的廣義相對論中又給與空間以物質(zhì)的性質(zhì)。與此同時，其他科學家也紛紛發(fā)表自己的看法：狹義相對論的先驅(qū)者之一洛侖茲即對“空虛空間”持懷疑態(tài)度；狄拉克在發(fā)展相對論量子力學的過程中引入了“新以太”的概念；李政道在研究“不尋常核態(tài)”的工作中發(fā)現(xiàn)真空中存在著真空物質(zhì)?？傊F(xiàn)代科學已經(jīng)充分證明：“真空并不是一無所有的虛空，而是指沒有實物粒子（如電子、質(zhì)子、中子等）的一種總能量處于最低狀態(tài)的場，即基態(tài) 的量子場。真空具有真空漲落、真空極化、真空相變、真空對稱自發(fā)破缺等特性。真空正是這些性質(zhì)

15、的載體，這說明真空是物質(zhì)的一種形態(tài)?！? 見自然辯證法 概論高等教育出版社 1991年5月修訂版第23頁)。在一定條件下，可以從真空中產(chǎn)生基本粒子。但是現(xiàn)在我們還完全沒有研究出真空物質(zhì)的結構，也沒有完全弄清它與引力場、電磁場、強力場、弱力場及實粒子的關系，對它的研究還有待于繼續(xù)深入。我們所在的空間在相當廣大的范圍內(nèi)是連續(xù)統(tǒng)一的?，F(xiàn)在借助于現(xiàn)代化的天文觀測手段，我們已經(jīng)觀測到二百億光年遠的宇宙深處，但是還沒有發(fā)現(xiàn)空間的邊緣。很可能，宇宙空間在各個方向上都是無限延伸的。由于空間的物質(zhì)性所以給實物質(zhì)的運動提供了充分的條件。由于物質(zhì)的間隔，使物體在空間中有了確切的位置；由于物質(zhì)被物體從中穿越，使物體有

16、了確切的運動，并可描述出它的運動軌跡和運動量的多少；在物質(zhì)的環(huán)境中，還使物體的慣性得到了表現(xiàn)；使物體的運動產(chǎn)生出一定的效應，如運動物體上的時空變化。由于空間的物質(zhì)性還使微小粒子在運動時產(chǎn)生的波動和其它運動行為得到了合理解釋。也正是由于空間的物質(zhì)性才使空間中有可能被激發(fā)生成引力場、電磁場等及它們的場波，并使物體通過這些場產(chǎn)生相互作用。離開了物質(zhì)的空間，恐怕許多物質(zhì)現(xiàn)象都將化為烏有。真空物質(zhì)對運動物體基本上沒有阻礙，所以它的密度可能很??；但也可能不小，只是具有超流動性。雖然空間各處的真空物質(zhì)未必分布均勻，但局部的“絕對真空”恐怕也很難存在。因為任何實物質(zhì)都不能阻止真空物質(zhì)的滲透、擴散。真空場的運動

17、形式除內(nèi)部固有的運動之外還有伴隨經(jīng)典場的波動和受實物質(zhì)運動影響而產(chǎn)生的擾動。（二）物體的運動具有絕對性?，F(xiàn)代科學研究已經(jīng)表明，場和粒子是物質(zhì)存在的兩種基本形式，再加上中間的物質(zhì)形式，這樣物質(zhì)的構成層次則成為基態(tài)量子場（真空物質(zhì)） 經(jīng)典力場（引力場等） 光子類 實粒子（輕子、介子、重子）所有實物質(zhì)都是以單個粒子或由粒子組合成的物質(zhì)系統(tǒng)（團體）分布在空間中的，被空間容納并在其中懸浮。各級物質(zhì)系統(tǒng)的層次由低到高分別是基本粒子（電子、核子） 原子 一般物體（衛(wèi)星等） 行星系統(tǒng)（地球等） 恒星系統(tǒng)（太陽系等） 恒星集團系統(tǒng)（銀河系等） 總星系中間每一個物質(zhì)系統(tǒng)都是上級物質(zhì)系統(tǒng)的一部分，都有若干個同級系統(tǒng)

18、，都還可以分解成若干子系統(tǒng)。基本粒子的分解情況現(xiàn)在還不甚清楚；比銀河系更高的“總星系”也還遠未弄清。很可能這級物質(zhì)系統(tǒng)將是人類認識的極限，我們很難再超越它。既然空間是物質(zhì)的，那么每個粒子、每個物質(zhì)系統(tǒng)在其中的運動也就是它們相對真空物質(zhì)的運動，也就有了絕對性可言，成為絕對運動。物質(zhì)系統(tǒng)的運動情況可用它的質(zhì)量集中點（質(zhì)心）來代表。場和粒子可以相互轉(zhuǎn)化，是不可分割的統(tǒng)一體。物質(zhì)的空間和實物質(zhì)也是不可分割的統(tǒng)一體。因此就總體上說，真空物質(zhì)與實物質(zhì)是不應有相對運動的，也就是說所有的實物質(zhì)作為整體在空間中是沒有絕對運動的。所有的絕對運動都是局部物質(zhì)的絕對運動。它們向空間中各個方向運動的動量都是相等的，其矢

19、量總和應為零。因為不管實物質(zhì)的總量及其分布規(guī)模是有限的還是無限的，動量守恒定律總是成立的，動量絕不會無中生有。但對其中的任何一部分實物質(zhì)來說，它的絕對運動都很難恰巧為零。所有的實物體，可以說都在空間中永恒的運動著。除絕對運動外，還有物體間的相對運動。相對運動大小等于兩物體的絕對運動之差。例 b 物體相對 a 物體的運動等于 b 物體的絕對運動減去 a 物體的絕對運動，即： 矢量 Vba = Vb - Va而 b 物體的絕對運動則等于 a 物體的絕對運動再加上 b 物體相對 a 物體的運動。可依次類推。當有一個運動鏈時，末端物體的絕對運動等于初端物體的絕對運動再加上中間各物體間的相對運動。系統(tǒng)內(nèi)

20、一物體的絕對運動等于高一級物質(zhì)系統(tǒng)質(zhì)心的絕對運動加上本系統(tǒng)質(zhì)心相對上級質(zhì)心的運動再加上物體相對本系統(tǒng)質(zhì)心的運動。如地面物體的絕對運動即等于日心的絕對運動加上地心相對日心的運動再加上物體相對地心的運動。但僅靠物體間的相對運動是不可能算出物體的絕對運動來的，內(nèi)運動不能反映對外運動。如測絕對運動需根據(jù)它的絕對運動效應或空間中場物質(zhì)的波動與物體運動的合成情況推知。 種種跡象表明，我們所在的地球的絕對運動大約在每秒數(shù)百千米的數(shù)量級。（三）參照系的選擇方法。參照系是指我們所特別規(guī)定的某物質(zhì)系統(tǒng)，是我們研究其它物質(zhì)系統(tǒng)的運動情況的參考基準。在真空物質(zhì)上建立參照系雖然非常公正，但是因為它的“空虛”特性使我們用

21、起來非常不便，故必須放棄此法；在無限的實物質(zhì)的質(zhì)心上建立參照系也非常公正，可我們不知道該質(zhì)心究竟在哪兒，故該法也不現(xiàn)實。剩下的只有在有限的物質(zhì)系統(tǒng)上了，可所有的物質(zhì)系統(tǒng)都在不停的做絕對運動，所以真正理想的絕對靜參照系我們是找不到的。那么做絕對勻速運動的慣性系呢?根據(jù)牛頓第一定律似有可能：當物體不受外力或受平衡外力作用時，原來運動的物體將永遠保持原有的運動狀態(tài)，以大小不變的速度和方向沿直線運動下去。可是實際上宇宙中的物體沒有一個不受力的，即使受力平衡也只是暫時性的。所有的物體都在宇宙空間中做著各自不同的曲線運動。所以真正理想的運動慣性系我們也是找不到的。但我們可以找到近似理想的參照系?，F(xiàn)代科學研

22、究結果表明，物質(zhì)系統(tǒng)的級別越高，它做絕對曲線運動的情況就越簡單，速度變化就越慢。如地心的絕對運動除繞日心轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)周期是1年）外還有隨日心在銀河系內(nèi)的公轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)周期是2億年），隨銀河心在太空中的運動（運動情況不詳）；太陽中心除繞銀河心公轉(zhuǎn)外還要隨銀河心在太空中運動；而銀河心則只有在太空中運動一項了。由此可知，物質(zhì)系統(tǒng)的級別越高，就越接近勻速直線運動，就越適合作運動的慣性系。如一般情況下地球是一個良好的慣性系，如將太陽作為慣性系精度就更高些，而銀河系的情況則將會更好。當物體的加速度一定時，如果研究所需的時間段越小，那么物體的速度變化就越少，它與慣性系就越接近。如在地面上研究單擺的振動，如在幾分鐘之

23、內(nèi)是可以將地面作為慣性系的，但經(jīng)過幾小時就不行。由于任何物體都有慣性質(zhì)量，所以任何物體的運動速度都不會發(fā)生突變，都只能是連續(xù)的漸變過程。就是說任何物體都有一定程度的慣性運動。不管加速度是多少，只要時間足夠短，就可將該物體當作慣性系。但此時須給被研究的物體附加一慣性力。只有當物體只在萬有引力作用下做變速運動時，才可不用附加慣性力。因為按照廣義相對論原理，只有此時慣性力才能被萬有引力恰好抵消。當在慣性系中研究各物體的運動時，參照物體不得與被研究的物體有相互作用。如果這種作用不可避免，那么必須將它對參照物的擾動盡量減小。根據(jù)牛頓第二定律，當作用力一定時，加速度與質(zhì)量成反比，所以這就要求參照物體的質(zhì)量

24、必須遠大于被研究物體的質(zhì)量。如研究一般物體的運動將地面作為慣性系即符合這一要求。兩質(zhì)量不相上下的物體就不宜將其中任何一個作為慣性系，此時可取它們共同的質(zhì)心作慣性系，因為內(nèi)力作用并不改變質(zhì)心的運動狀態(tài)。當然此時也可以高級物質(zhì)系統(tǒng)作為慣性系來研究低級物質(zhì)系統(tǒng)及其內(nèi)部物體的運動。同理，還要求被研究物體的轉(zhuǎn)動慣量必須遠小于參照物體的轉(zhuǎn)動慣量。所以被研究物體離開參照物體質(zhì)心的距離，被研究物體的大小及運動范圍都必須在較小的限度內(nèi)。關于絕對靜參照系可這樣來近似確定：A、當在絕對運動速度很低的慣性系中研究高速運動（接近光速）的物體時，可將該慣性系近似當作絕對靜參照系；B、當在慣性系中研究做閉合曲線運動的物體時

25、也可將該慣性系近似當作絕對靜參照系；C、當在慣性系中只研究各物體的相對運動時，自然可將該慣性系當作靜參照系。如研究物體中分子的熱運動就可選物體的質(zhì)心作靜參照系，研究原子中電子的運動可以原子核作為靜參照系。研究表明，有許多物理現(xiàn)象、規(guī)律在不同的慣性系中都具有相同的表現(xiàn)形式，與慣性系的絕對運動無關，但并非所有的現(xiàn)象、規(guī)律都如此。原“狹義相對性原理”的論斷言過其實，故它不應再作為一條規(guī)律。事實上，我們已在不自覺的使用著高級慣性系。如我們將在地球周圍能夠觀測到的部分恒星組成天球作為靜參照系（天文慣性參照系）來研究太陽系內(nèi)各星球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)及相對運動。還發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動體的軸線在空間中的朝向具有絕對不變性，

26、總是做平動運動，并將之運用于導航技術。如地軸總是指向北極星，還有研制成的陀螺儀等。應用上述原理，我們可以很容易的解決牛頓水桶的問題，這個問題在歷史上曾有過爭執(zhí)。在鉛垂線下端懸掛一裝滿水的桶?，F(xiàn)在桶周圍的物質(zhì)空間與宇宙萬物是同屬一體的。水面凹不凹與桶的轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)沒有多少關系，關鍵是看水體與宇宙萬物有無相對轉(zhuǎn)動。A、當兩者相對靜止時水面不凹陷；B、當兩者相對轉(zhuǎn)動時則水面凹陷。此時可看作是水體轉(zhuǎn)動，宇宙萬物靜止；也可看作是水體靜止，宇宙萬物轉(zhuǎn)動但這種情況不存在。因為宇宙萬物的轉(zhuǎn)動慣量遠大于水體的轉(zhuǎn)動慣量，在力矩的相互作用下轉(zhuǎn)動起來的只能是水。故水面的凹陷與否的確反映了水體在空間中的絕對運動情況。還有為了

27、解釋邁克爾遜莫雷實驗結果，從當初到現(xiàn)在就不斷有人提出各種形形色色的拖拽理論，先是完全拖拽，后是部分拖拽。什么“地面以太被被完全拖拽，而高空以太只被部分拖拽”，“地球公轉(zhuǎn)拖拽以太，而自轉(zhuǎn)并不拖拽”，還有什么“地球的引力場就是以太”等等。可是這些拖拽者們根本給不出“以太拖拽程度和地球質(zhì)量的關系”，更無法回答“當?shù)厍颢@得獨立后，其赤道半徑又為何隨自轉(zhuǎn)增大”的問題。一旦地球和周圍的物質(zhì)脫離關系，它的自轉(zhuǎn)和不自轉(zhuǎn)在力學上還有什么不同？由上述分析可知，參照系的選擇并不是隨意的。應根據(jù)研究需要按照一定的原則來選取。即要應用方便，又要精確可靠。P.G.柏格曼在相對論引論一書中曾指出：“我們對慣性系的最終定義實

28、際上可能是：慣性系是相對于整個宇宙物質(zhì)具有零加速度的參照系?！保ㄈ嗣窠逃霭嫔?961年12月第1版第166頁腳注）。這與我們上述的指導思想是一致的。（四）時空性質(zhì)與物質(zhì)運動的關系?？臻g與物質(zhì)不可分割并不單純在于所有的物質(zhì)都占用空間或現(xiàn)實的空間內(nèi)都充有多種形態(tài)的物質(zhì)，還在于我們是通過物質(zhì)認識它的，特別是通過實物質(zhì)。不論是它的存在、它的意義還是它的性質(zhì)，都是通過它和物質(zhì)的關系來表現(xiàn)的。空間是由于物質(zhì)而存在就象是山洞是由于山而存在一樣。試想如果沒有山，那么同樣一方空間如何再成為洞？時間與物質(zhì)運動不可分割的情形與上類似。在連續(xù)的時間中有與真空區(qū)域相類似的靜止時段。如果能夠超越這個時段那么就可認為是通

29、過了時間隧道。研究發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)系統(tǒng)的級別越高，物質(zhì)密度就越小，作用力就越小，演化過程就越慢。從這點看，很難再有總星系以上的物質(zhì)系統(tǒng)。而在級別很低的微觀領域，則物質(zhì)密度很大，作用力很強，運行過程很快。時空的性質(zhì)是由物質(zhì)來決定的。在整個宇宙中，作為無限的時空當然是統(tǒng)一的、不變的、永恒的。但是作為局部的有限的時空則是可以變化的。例如在某一區(qū)域內(nèi)當所有的實物體都按一定的比例縮小時，就可以認為是該處的空間縮小了；當所有的運動過程都按一定的比例變慢時，那么就可認為是該處的時間運行速率變慢了。以研究在不同情況下時空的性質(zhì)及變化規(guī)律為課題而產(chǎn)生了不同的學科理論。其中研究在不同區(qū)域內(nèi)由不同的物質(zhì)分布所確定的時空性

30、質(zhì)和在加速運動的物體上的時空性質(zhì)是廣義相對論的任務；而研究在勻速運動的物體上時空的性質(zhì)則是狹義相對論的任務。在靜止和低速運動情況下時空具有簡單的不變性，已被經(jīng)典物理學所采用。在歷史上，H.A.洛侖茲曾經(jīng)創(chuàng)立過一種理論，它是相對論的前軀，代替把相對性原理推廣到電動力學?！八俣ù嬖谝环N特殊的參考系，對它來說，以太是靜止的。為了說明邁克爾遜莫雷的實驗結果，他假定以太可以影響在其中運動的鐘和直尺。根據(jù)這個假設，鐘在運動時變慢，尺沿運動方向收縮。”（P.G.柏格曼著周奇、郝蘋譯相對論引論人民教育出版社1961年12月第1版第47頁“問題4”）。并推出了時間和長度的收縮因子皆為sqrt(1uu/cc)。

31、可惜他沒有將此理論發(fā)展下去，提出相應的時空坐標變換式以及為驗證它所需的實驗設計。在當時的實驗無法證明以太存在的情況下，洛侖茲最終放棄了該研究方向，另改它途。后來由于愛因斯坦堅持否定以太的存在，從而使洛侖茲的上述研究結果失去了最后的存在基礎，終于被人們遺忘?，F(xiàn)行的狹義相對論雖然也承認了運動直尺的收縮效應和運動時鐘的變慢效應，可是它一方面認為這種變化不是物體本身的變化，是物體做相對運動時彼此測量的結果；另一方面又認為是物體運動時時空變化的反映。兩說自相矛盾。其實洛侖茲的早期思想并非全無可取之處。如果我們將以太的觀念進行適當改造，那么就可以建立一個正確的理論。不妨這樣認為：空間是物質(zhì)的，絕對靜參照系

32、和物體的絕對運動都是客觀存在的。所有物體的時空特性都不是一成不變的，它可以隨著物體的絕對運動而發(fā)生相應的變化?！爸背呖s短、時鐘變慢”即是局部時空變化的反映。現(xiàn)在關于運動時鐘的變慢效應已經(jīng)通過多種實驗充分證實，而關于運動直尺的收縮效應也已被公認其合理性。（五）光的客觀屬性。光是一種物質(zhì)現(xiàn)象，它不可能脫離物質(zhì)而存在。光的載體物質(zhì)是電場和磁場，本質(zhì)是電磁波。電磁場是真空物質(zhì)被極化的結果，它是真空物質(zhì)的一部分。光在空間中的傳播具有客觀獨立性，與光源和觀測者及其它受體的狀態(tài)無關。不管它們怎樣運動，光一旦離開光源，它即以離開時的光源位置為中心，以輻射狀向四面八方傳播開來。其傳播速度是由空間的性質(zhì)決定的，在

33、各個方向上都以恒定的速度直線傳播。早期的恒星光行差實驗可以證明這一點。觀測表明，從遙遠的恒星上發(fā)來的星光，當由于地球的繞日公轉(zhuǎn)使運動方向與星光方向的夾角發(fā)生變化時，望遠鏡鏡筒的方位角也必須隨之發(fā)生相應的變化才能始終觀測到星光。并根據(jù)地球的運動速度和方位角變化情況粗算出光的傳播速度為30.1萬千米/秒。那么不難想象：當?shù)厍虻倪\動方向與星光的傳播方向相反或相同時，我們所觀測到的光速就一定會發(fā)生相應的增減變化。羅默的天文觀測結果證實了這一點。在低速運動的物體上觀測光速，其結果是符合經(jīng)典速度合成規(guī)律的。（六）“光速不變原理”的修定方法。“光速不變原理”不應再指“慣性系中各個方向的單程光速”，而應改指“

34、各個方向往返閉合光路的平均速度”。具體為：“在任意慣性系內(nèi)，光在各個方向的閉合光路上，做往返運動的平均速度總是一恒定值。”這是一條經(jīng)過反復實驗充分證明的規(guī)律。邁克爾遜莫雷實驗所直接證明的正是這一條。在相互垂直的兩個方向上，當兩臂長相等時，從中點分開的兩束光在往返匯合后并沒有發(fā)生預期的干涉現(xiàn)象，這說明兩束光的全程運動時間相同，兩束光的總平均速度也相同；但這不能說明各個方向上的單程光速也都相同。還有，當采用閉合光路時，用各種方法所測出的光速基本上為一恒定值，這也證明了新定義的“光速不變原理”。那么為什么會這樣呢?這是因為光在空間中是以恒定的速度傳播的，所以在靜止的觀測者看來，不管光的傳播路徑怎樣，

35、其平均速度總是一恒定值；而在運動的物體上，由于運動的影響，如果單純按經(jīng)典速度合成法，其結果則不再等于原光速，即使是閉合光路也不例外。但是由時空的運動特性可知：在運動的物體上時空總是發(fā)生一定的變化的，通過這一修正，結果在閉合光路中使測出的平均光速恰好等于原光速。這一因素巧妙的掩蓋了物體運動對光速測量所產(chǎn)生的影響，并誘使我們由此走向歧途。綜上所述，現(xiàn)有的實驗事實確已充分揭示了我們過去認識上的許多錯誤，使大自然的本來面目在我們的腦海中形成一個輪廓分明的圖象。我們理應據(jù)此對原理論進行徹底的修正，以使它更加準確地反映客觀規(guī)律。具體內(nèi)容分述如下第三章 新的時空變換方法在動、靜參照系中，時空坐標變換方法是所

36、有運動學的基礎，對此我的推演過程如下。（一）時空收縮率我們先在絕對靜參照系內(nèi)建立一個三維直角坐標系。原點是o ，三個坐標軸分別是x、y、z ，時間是t ；然后再在一動參照系上也建立一個三維直角坐標系。原點是o，三個坐標軸分別是x、y、z，時間是t。當 t = t= 0時兩坐標系重合，之后動坐標系沿x 軸以速度u做勻速直線平動，成為一個理想的動慣性系?，F(xiàn)有一實驗者在動坐標系內(nèi)測光在某一方向上往返的平均速度。光線是從原點o發(fā)出， 在到達鏡面后被反射，然后又沿原路回到o點，單程距離是 s。因為光在靜坐標系中是以恒定的速度傳播的，但與此同時，動坐標系也在其中運動著?？紤]到運動的影響，故光相對動坐標系已

37、不是原光速了，且往返的速度也不相同。還有，在動坐標系內(nèi)看來是來回重合的光路改在靜坐標系中看也已經(jīng)不再是重合的了。設 慣性系中光路與y軸的夾角為，那么我們可以按照經(jīng)典速度合成的方法推得去的光速為c1 =c1 u= sqrt cc (u cos)2 - u sin返回的光速為c2 =c2 u= sqrt cc (u cos)2 + u sin則其往返的平均速度為C = 2 c1 c2 / ( c1 + c2 )=（cc - uu）/ sqrt cc -（u cos） 2 很顯然，這個速度一般并不等于原光速。但這是在靜坐標系中測量的結果。如讓動坐標系內(nèi)的人自己測來，則仍舊等于原光速。這是因為按我們前

38、邊的洛侖茲假設，動坐標系上的一切物體包括直尺都在x方向縮短了，但在垂直方向卻不變。故原先如果是一個正圓球的話，那么現(xiàn)在則成了一個在x方向扁的橢圓球了。設在垂直方向上的單位長度為1，那么在x方向上由于收縮單位長度變成 i。；而在與y 軸成角的方向上單位長度則是 i .i = i。/sqrt(sin)2 + (i。cos)2 不僅只此，在動坐標系上，時鐘因為變慢，所以同樣一個單位時間，但在這里也變少了。即 t/t = j。1由于這兩個原因，使C在動坐標系的人測來都變大了，結果等于原光速c .即 C= C / i j。= c將C式和 i式代入并整理，可以推得 i。= j。= sqrt (1- uu/

39、cc )即在動坐標系上的空間真的在運動方向上發(fā)生了收縮，它上面的時鐘也真的變慢了，并且按照相同的比率。動坐標系的運動速度越大，它上面的時空變化就越顯著。由上述還可以看出，動坐標系上的空間收縮和時鐘變慢雖都與動坐標系的運動速度有關，但卻是獨自進行的，互不影響。時間一維仍然是獨立的。這給有關時空的計算提供了相當?shù)姆奖恪，F(xiàn)有的種種跡象表明：“運動的尺縮鐘慢”僅發(fā)生于電磁力物質(zhì)系統(tǒng)和引力物質(zhì)系統(tǒng)，而強力物質(zhì)系統(tǒng)則難以成立。（二）坐標的變換方法根據(jù)以上討論，我們可得出在動、靜坐標系之間對同一點的坐標變換公式。如下所列： x= (x - u t ) / sqrt (1 - uu / cc ) y= y z

40、= z t= t sqrt ( 1 - uu / cc )可見，與伽利略變換比較接近，相比洛侖茲變換要簡單一些。當動坐標系低速運動即 u<< c 時，此變換即退變?yōu)橘だ宰儞Q。故今后我們將之稱為“廣義伽利略變換”似乎比較妥當。這一變換在我之前已經(jīng)被人多次提出，只是應用很少，影響不大，甚至忘卻。事實上，洛侖茲變換已經(jīng)隱含了本變換的內(nèi)容。其中的時間變換式 t ( t - u x / cc ) / sqrt ( 1 - uu / cc )只要假設 x = u t 時 即得 t= t sqrt ( 1 - uu / cc )（三）相對時空變化由以上討論可知，在動坐標系上的時空真的發(fā)生了變化

41、，同時這也是在絕對靜坐標系中所觀測的結果。事實上，也只有在絕對靜坐標系中才能客觀的、公正的、真實的觀測到物質(zhì)世界的本來面目。而在其它坐標系中由于自身時空的變化則都不能做到這一點。如在動坐標系內(nèi)的人觀測自己所在的系統(tǒng)，他們完全感覺不到自己正在運動中，也感覺不到本系統(tǒng)的時空發(fā)生了變化。在他們看來，本系統(tǒng)正處于靜止狀態(tài)，時空正常。測量光的往返平均速度也沒有什么異常變化。再就是在一動坐標系內(nèi)觀測與自己同步運行的另一動坐標系。在他們看來，兩者沒什么同步運動，只是相對靜止，兩系統(tǒng)成了一個系統(tǒng)。自然兩坐標系上的時空彼此看來不會再有什么變化，可以統(tǒng)一成一個。但事實上，是兩者的時空都發(fā)生了相同的變化，只是互相看

42、不出來罷了。在任何慣性系內(nèi)的觀測者，當測量相對于自己靜止的物體時，所得到的形體長度和內(nèi)部運行時間都是一定的，分別叫做本征長度和本征時間；而在靜參照系內(nèi)測量動參照系上變化了的形體長度和運行時間則分別叫做客觀長度和客觀時間。動參照系是有無數(shù)個的，且它們皆以不同的速度大小向各個方向運動，因而它們也都各有自己的一方時空。其中長度收縮的大小和方向取決于動參照系做絕對運動的速度大小和方向；而時間的變慢則沒有方向。其變慢的程度只與動參照系做絕對運動的速度大小有關，而與速度方向無關。在一動坐標系上觀測與之同步的另一動坐標系內(nèi)的物體所得到的長度和時間也都是本征長度和本征時間，和物體所在坐標系中的觀測者測量的結果

43、是一樣的。但是，當在一動坐標系內(nèi)觀測與自己有相對運動的另一動坐標系中的物體時，由于觀測者對自身的時空變化覺不出來，并以本系統(tǒng)為基準，故反而覺得其它坐標系上的時空變得異常了。為簡化起見，下面我們只討論兩運動方向平行的動坐標系上的相對時空變化。(A) 設觀測者所在動坐標系的絕對運動速度是u。，被觀測動坐標系的絕對運動速度是u ，兩動坐標系的x軸及運動方向始終相互平行?，F(xiàn)在被觀測動坐標系內(nèi)有一個物體，它在運動方向上的本征長度是x，那么它在運動收縮后的客觀長度是 x= x sqrt (1- uu/cc )而觀測者所觀測到的長度則是 x。= x/ sqrt (1- u。u。/cc) = x sqrt (

44、cc - uu) / (cc - u。u。)由此可見，只有當u。= u 即兩坐標系同步運動時才有 x。= x 觀測長度等于本征長度；而當u。 u 時 x。 x 說明觀測長度竟大于本征長度； 特別是當u = 0時 x。 x max這說明當在動坐標系上觀測靜坐標系及其中的靜止物體時，它在相對運動方向上的形體長度達到最大。 當u 0 即被觀測坐標系反向運動時，觀測長度的變化與正向運動時對稱。(B)設有一個運動周期T ，當它在動坐標系內(nèi)由于頻率減慢因而使其膨脹的長度為 T= T / sqrt (1- uu/cc )而觀察者所在的動坐標系由于時鐘頻率減慢，所以它的時間單位也在膨脹，這樣將使得測量結果減小

45、。故得 T。= Tsqrt (1 - u。u。/cc ) = T sqrt (cc u。u。) / (cc - uu) T。在不同情況下的表現(xiàn)及變化規(guī)律與上邊剛討論過的 x。類同，此處不再贅述。第四章 運動變換方法（一）速度變換方法設在絕對靜坐標系中有一動點，它的運動速度為 v ，那么它在三個坐標軸方向的分量分別是 Vx = dx / d t Vy = dy / dt Vz = dz / dt與此同時，在沿x軸方向以速度u做勻速平動的動坐標系中看來 dx= (dx u d t ) / sqrt (1 - uu / cc ) dt= dt sqrt ( 1 - uu / cc ) 得 Vx= d

46、x/ dt= (Vx u) / (1- uu/cc ) 同理可得 Vy= Vy / sqrt (1- uu/cc ) Vz= Vz / sqrt (1- uu/cc )可見，比原速度變換公式要簡單得多。實際上原公式中也已隱含了本變換的內(nèi)容。在原公式分母中只要令 Vx = u ，即變得與本公式完全相同。這也證明了洛侖茲公式是畸形的。由此變換的結果，使任意兩坐標系做相對運動的速度在彼此看來都不再相等了。如在靜坐標系中看，動坐標系的運動速度是u ,而在動坐標系中看，靜坐標系的運動速度則成了Vx=（-u）/（1- uu / cc）（- u）還有，使用此法進行速度合成時，使我們有可能觀測到超光速現(xiàn)象。例

47、在空間中當兩電子都以0. 5c 的速度相向運動時，在它們彼此看來的相對速度是 Vx= (-0.5c) -0.5c / (1 - 0.5 ×0.5 ) = -1.33 c當然這只是在時空變化的影響下所觀測的結果，并非它們在空間中真實運動的速度。設是動點運動方向與慣性系運動方向的夾角，那么一般速度的合成公式是v= sqrt (v cos u )2 + vv (1 uu/cc ) (sin)2 / (1 uu/cc )= sqrt vv + uu 2 vu cos- vv uu (sin)2 / cc / (1 uu/cc )（二）光速的變化規(guī)律當用上述方法計算光速時，光在往返方向上的速度

48、變得不再相等，這也是由前述原理所得出的必然推論。當 Vx = c 時Vx1= ( c u ) / (1- uu / cc) = cc / (c + u) c Vx = - c 時Vx2= ( - c - u ) / (1- uu/cc ) = - cc / (c u) - c但其往返程的平均速度仍等于 c ，即 Vx= 2 / ( 1/Vx1+ 1/Vx2) = c很顯然，光速的測量結果與慣性系的運動速度有關：當 u c 光束順向運動時，Vx1 c2 這就是當觀測者“以光速追光” 時所得到的結果，得半光速；當u c 光束反向運動時，Vx2 - 這也是我們始料不及的，因為動慣性系上的時空收縮實在

49、太大了。當u c 時，速度合成為經(jīng)典合成 .光順行時 Vx1= c - u ； 逆行時 Vx2= c + u .當慣性系的速度u從 - c 變化到c 時，測量光速值是連續(xù)且單調(diào)變化的。 在同一慣性系中，光的測量速度還與光的傳播方向有關?，F(xiàn)作如下討論.設 在靜坐標系內(nèi)有一束光，速度為c ，方向與yz平面的夾角是，則 Vx = c sin Vyz = c cos Vx= ( c sin- u ) / (1- uu/cc ) Vyz= c cos/ sqrt (1- uu/cc ) v= sqrt (Vx) 2 + (Vyz) 2 = (c - u sin) / (1- uu/cc ) 當= 90&

50、#176; 即光的傳播方向與慣性系的運動方向相同時，得 v= (c + u ) / (1- uu/cc ) = cc / (c +u) c 當= 90°即光的傳播方向與慣性系的運動方向相反時，得 v= (c - u ) / (1- uu/cc ) = cc / (c u) c 這與前邊 Vx1、Vx2一樣。 當= 0，即光的傳播方向與慣性系的運動方向垂直時 v= c / (1- uu/cc ) 但在慣性系上看來，兩者卻不再垂直。 而當 sin= u / c 時，v= c ，這就成了在運動的火車車廂上的情況。當從路基上發(fā)出一束光順向斜射到車頂后又被反射到路基的另一點上時，在車廂內(nèi)的人看

51、來卻是光束豎直射到車頂上被反射又豎直回到車上的原點。但在車上車下的人算來光速卻都等于c .這是因為在路基上的情況自不必說，而在火車上，雖然光往返的路程變短了，但車上的時鐘也同時變慢了，故有了光速不變的結果。 我們還可以作出一個更大膽的推論：在慣性系中，測量任意閉合光路的平均光速都是一個恒定值。就是說從慣性系中的一點發(fā)出的光，不管其路徑怎樣曲折，只要它最終又回到出發(fā)點，那么其平均速度即恒等于c. 理論證明如下：設為光路各點的切線方向與yz平面的夾角，u為定值，那么在慣性系中測光的總平均速度則應為： v= vd t / T 積分區(qū)間為 0 T 其中 v= (c - u sin) / (1- uu/

52、cc ) t= t sqrt ( 1 - uu / cc ) T= T sqrt ( 1 - uu / cc ) 得 v= c (uc sind t ) / c T / ( 1 - uu / cc ) 其中從 0 T 的積分 c sind t = u T將它代入上式得 v= c 證 畢.前邊的測往返閉合光路的平均光速只是其中的情況之一。（三）加速度變換方法設在絕對靜坐標系中有一動點，它的加速度是a，那么它在三個坐標軸方向的分量分別是 a x = d Vx / dt a y = dVy / dt a z = dVz / dt與此同時，在沿x軸方向以速度u平動的動坐標系中看來 dt= dt sqr

53、t ( 1 - uu / cc ) a x= dVx/ dt= a x / (1- uu /cc)(3/2) 同理可得 a y= dVy/ dt= a y / (1- uu /cc) a z= dVz/ d t= a z / (1- uu /cc) 比原理論中的變換也要簡單得多。第五章 絕對時空動力學（一）質(zhì)量總是一個恒定量因為動量守恒定律是一條普遍適用的基本定律，所以當兩質(zhì)點發(fā)生碰撞時，不論在靜坐標系還是在動坐標系，其動量之和在碰撞前后都應該是守恒的。設在絕對靜坐標系中有兩個質(zhì)點m1、m2 ，它們在相互碰撞后又分開。那么運用前面的速度變換公式，我們可以證明與在靜坐標系中一樣：不僅動量仍然守恒

54、，且質(zhì)量也仍然守恒；不僅兩個質(zhì)點的質(zhì)量和在碰撞前后保持不變，且每個質(zhì)點的質(zhì)量在碰撞前后也保持不變。 即 m m這與質(zhì)量守恒定律也是相符的。因為沒有任何跡象表明：當物體絕對運動時，其粒子總數(shù)會有增減變化。物體性能的變化不等于其質(zhì)量的變化。沒有質(zhì)量為零的物體，同樣也沒有質(zhì)量無窮大物體。它是一個獨立的最基本的物理量，其地位可同時間、空間尺度并列；質(zhì)量守恒定律與電荷守恒、能量守恒定律并列。物體在運動過程中，其行為表現(xiàn)的異常只能說明它的受力異常。（二）關于力的變換（A）加速力由于質(zhì)點的質(zhì)量不再變化，所以對加速力的定義不論從動量變化方面還是從速度變化方面也就都一樣了。即 F = d (mv) / d t = m dv /dt = m a但這是在絕對靜坐標系中的大小。當質(zhì)點在運動坐標系中時，由于速度和加速度都與在靜坐標系中的不同，所以力的計算式也就隨之發(fā)生了改變。如