時空彎曲是必須的嗎？-物理學(xué)論文

1、時空彎曲是必須的嗎？-物理學(xué)論文        相對論和量子論是二十世紀(jì)人類認識 自然 的兩個最偉大的 科學(xué) 成果。在“等效原理”和“廣義相對性原理”的假定基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了廣義相對論，這是一個關(guān)于引力場的理論，它表明，無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，真空即發(fā)生彎曲變形，此時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。 中國廣義相對論用幾何化的方法描述引力場基本是成功的，基本揭示了引力場的幾何本質(zhì)。但是我認為，將物理性質(zhì)的引力場進行

2、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，廣義相對論還有其他缺陷。一、廣義相對論的缺陷1、廣義相對論“奇點”的存在廣義相對論的引力場方程為： 這個方程是高度非線性的，一般不能嚴格求解。只有在對時空度規(guī)附加一些對稱性或其他要求下，使方程大大簡化，才有可能求出一些嚴格解。在引力場球?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（趨于無窮大）。但是,=2MG/2處的奇異是由于坐標(biāo)系帶來的,可以通過恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系變換來避免。0處的奇點是本質(zhì)的。在奇點上，時空曲率和物質(zhì)密度都趨于無窮大，時空流形達到盡頭。不僅在宇宙模型中起始的奇點是這樣，在星體中引力坍縮終止的奇點

3、也是這樣。在奇點處，“一切科學(xué)預(yù)見都失去了效果”，沒有工夫，也沒有空間。無窮大的出現(xiàn)顯然是廣義相對論的重大缺陷。另外，對于廣義相對論的數(shù)學(xué)形式復(fù)雜性，世界聞名物 理學(xué) 家波恩說：“它的形式復(fù)雜得可怕”。2、廣義相對論與量子理論不相容量子理論是特別完備的科學(xué)理論，而廣義相對論和量子理論彼此間并不相容。 1920年，韋爾提出了一個將電磁場和引力場聯(lián)系起來的電磁場幾何化的理論，他的基本想法是：把電磁場與空間的局部度規(guī)不變性聯(lián)系起來。韋爾的理論不僅沒有得到學(xué)術(shù)界的認可，而且也與實驗結(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幾何化的嘗試，都沒有獲得成功。人們也曾試圖將引力場進行量子化，并

4、從中尋求引力場與電磁場的本質(zhì)聯(lián)系，企圖用量子論的方法完成引力場與電磁場的統(tǒng)一。電磁場的場量子是光子，類似地人們欲將量子化的引力場的場量子稱為引力子。但經(jīng)過幾十年的努力，引力場的量子化嘗試連連失利。 二、對萬有引力定律的改造顯然，牛頓萬有引力定律是有缺陷的，我們認為該定律是一個準(zhǔn)確定律極好的近似。為了便于進行類比，我們來看一個電磁學(xué)現(xiàn)象：在一個范圍內(nèi)，同時有一個恒定的電場和磁場(磁感應(yīng)強度為B)，其中，電場由帶電量為-Q（場源）的均勻球體產(chǎn)生。距離球心r處，有一靜止檢驗點電荷，帶電量為+q（qQ），其對場源的影響可忽略不計。則點電荷不受磁場的作用， Fc=0；所受電場力（庫侖力）為有心力，大小為

5、：Fe =Qq/4r2（1）如果點電荷以速度v運動，則所受電場力仍滿意（1）式，同時，它還要受到磁場力（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?？芍鍋鲎塘c對點電荷不做功。萬有引力F1=（GMm/r2）與（1）式很相似，因此，我們假定，在萬有引力場中運動的物體，除受引力F1之外，同時受到另一個類似洛侖滋力力（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）由此得到萬有引力的精確

6、表達式為：F=（GMm/r2）1+（v2/c2）=（GMm/r2）+（GMmv2/r2c2）（3）其中，c為真空中的光速，m為物體的運動質(zhì)量。m=m0/1-（v2/c2）1/2我們稱第一項（GMm/r2）為愛因斯坦引力，第二項（GMmv2/r2c2）為附加力。 至此，我們已經(jīng)完成了對萬有引力定律的改造，下面對新理論進行檢驗。三、對新理論的檢驗我認為，在考慮“引力場”和“變速運動”的情況下，時空仍舊是平直的。1、太陽光譜線“紅移”根據(jù)改造的萬有引力定律和光的波粒二象性，就可以得到太陽光譜線“紅移”的結(jié)果。當(dāng)光子從太陽(r0=R)運動到地球(r=)時, 對于速度為c的光子, 太陽的愛因斯坦引力f1

7、對光子作負功，地球的愛因斯坦引力F1對光子作正功, 太陽、地球附加力（F2）對光子不作功。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，故可提到積分號外）以太陽為參照系，當(dāng)光子從太陽(r=R)運動到地球(r=)時, 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以地球為參照系，當(dāng)光子從太陽(r=)運動到地球(r=R)時, E2=GMm/RE2=h=-GMm/R =-GMm/hR光子的能量總變化為：

8、E=E1+E2 =-GMm/R +GMm/R=Gm（M /R）-（M/R）相對而言，地球的引力比太陽的引力小很多，地球的質(zhì)量與半徑的比值（M/R），比太陽的質(zhì)量與半徑的比值（M /R）小4個數(shù)量級，故對光子能量總變化的主要貢獻來自太陽的引力，EE1，=-GMm/hR而E= h0，0=E /h=mc2/ h/0=-GM/Rc2=-2.12x10-6負號表示光從太陽運動到地球頻率變小。這就是太陽光譜線“紅移”的理論值。實際觀測結(jié)果為 -2.12x10-6。對天狼星伴星光芒的引力紅移，理論值為：/0=28x10-51971年，格林斯坦（J.L.GreenstEin）利用衍射技術(shù)，得到實際觀測結(jié)果為：

9、 （30+5）x10-5。我們必須注意，雖然新理論的結(jié)論與廣義相對論一樣，但原因卻不相同。我們明白，光源的固有頻率是指，相對光源靜止的觀測者檢測到的光源所發(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結(jié)構(gòu)，它是該原子的固有屬性，與引力場的大小毫無關(guān)系。無論是黑洞、太陽、地球上的氫原子，還是遙遠太空中遠離引力場的氫原子，對于相對氫原子靜止的觀測者，它們在躍遷時所發(fā)出的頻率大小都相同，等于氫原子的固有頻率。如果光源遠離觀測者，觀測者檢測到的光源所發(fā)出的光子的頻率將變?。l率“紅移”）這是多普勒效應(yīng)，但是，廣義相對論認為，太陽光譜線引力“紅移” 的原因是：太陽表面的引力場比地球表面的引力

10、場強，因而太陽表面的鐘走得較慢，當(dāng)用某種物質(zhì)從太陽發(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行比較時，結(jié)果是，從太陽發(fā)出的光譜線的頻率較小（“紅移”）。新理論認為，太陽光譜線“紅移” 的原因是：從太陽表面的光子運動到地球時,由于其受到的力主如果來自于太陽的引力，而該引力對光子做負功，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行比較時，結(jié)果是，從太陽發(fā)出的光譜線的頻率較?。ā凹t移”）。 從太陽發(fā)出的光譜線到達地球的觀測者，將同時產(chǎn)生多普勒“藍移”效應(yīng)。鐘的快慢與固定在它之上的坐標(biāo)系的

11、速度和加速度有關(guān)，與觀測者的坐標(biāo)系有關(guān)，與它所處在的引力場強弱無關(guān)。2、地球光譜線“藍移”1959年龐德等人在哈佛大學(xué)首次在地面上直接驗證了引力頻移。利用 在塔頂發(fā)射 射線，在塔底接收。塔高H為 。此實驗在地面上，故可忽略太陽對光子的作用。地球的愛因斯坦引力F1對光子作正功,地球附加力（F2）對光子不作功。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=

12、E /h=mc2/ h/0=gH/c2=2.46x10-15這就是光譜線“藍移”的理論值，表示光從塔高H為 射到地球表面，光頻率變大。實際觀測結(jié)果為2.46x10-15。我們必須注意，雖然新理論的結(jié)論與廣義相對論一樣，但原因卻不相同。 廣義相對論認為， 射線“藍移” 的原因是：塔高H為 處的引力場比塔底的引力場弱，因而塔高H為 處的鐘走得較快，故在塔底接收來自 射線的光譜線頻率較大。新理論認為， 射線“藍移” 的原因是：從塔高H為 處的 射線運動到塔底時,由于其受到的力主如果來自于地球的引力，而該引力對光子做正功，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

13、處,由于其受到的力主如果來自于地球的引力，而該引力對光子做負功，引起光子能量的減少，其相應(yīng)的頻率減少（E=h），出現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象。為了檢驗關(guān)于 射線“藍移”的準(zhǔn)確與否，我們可以做兩個實驗：（1）在珠慕朗瑪峰大約8000米海拔高度，或者1萬米高空的飛機上，原地測出（不要從高射向低，也不要從低射向高）以上 射線的頻率；（2）在廣西的北海銀灘原地測出以上 射線的頻率。如果在高低兩處測出以上 射線的頻率滿意以下關(guān)系式（高處的頻率較大）： /0=gH/c2則說明廣義相對論準(zhǔn)確，否則錯誤。3、恒星光芒的偏折以遙遠恒星光子的運動速度的前進方向為x軸負方向，建立平面坐標(biāo)系x-o-y,在太陽引力場中，光子的運動

14、速度特別大，運動質(zhì)量m很小,它的偏角特別小, 光子在y軸方向的分運動速度特別小，所以：F1sin+ F2=may=m(dvy/dt)F1=（GMm/r2），F(xiàn)2=（GMmv2/r2c2），對于光子，v=c，F(xiàn)2=（GMm/r2）F1與F2大小相等，但方向不同。光子在x軸方向的速度可以認為不變，為cdx/dtsindx=rd, sin=R/r（R為太陽半徑，r為光子與太陽中心的距離），在t時辰，光子運動速度與x軸負方向的夾角為d,當(dāng)光子從+遠處運動到-遠處時（從而到），光子的總偏角為：=(GM/Rc2)（sin+1）d=(2+)GM/Rc2=2.2" 1919年5月,兩組科學(xué)觀測隊分別進行第一次實際觀測到, 恒星光芒擦過太陽邊緣到達地球的“總偏角”為1.98"+0.30 和1.61+0.12"。在各次日蝕中，至今已對400多顆恒星作了這種測量，觀測數(shù)據(jù)的范圍是從1.57" 到2.37&qu