对相对论时空观的批判和改造
来源:网络 时间:2017-07-01 01:07:00
显然,度规在r=2MG/c2和r=0处奇异(趋于无穷大)。但是,r=2MG/c2处的奇异是由于坐标系带来的,可以通过适当的坐标系变换来避免。r=0处的奇点是本质的。在奇点上,时空曲率和物质密度都趋于无穷大,时空流形达到尽头。不仅在宇宙模型中起始的奇点是这样,在星体中引力坍缩终止的奇点也是这样。在奇点处,“一切科学预见都失去了效果”,没有时间,也没有空间。无穷大的出现显然是广义相对论的重大缺陷。
另外,对于广义相对论的数学形式复杂性,世界著名物理学家波恩说:“它的形式复杂得可怕”。
把时间和空间这两个具有完全不同抽象内涵和不同物理学量纲的概念同一化,带给人们的困惑和不解是无法挥之而去的,晚年的爱因斯坦不时流露对他那只时时需要加以校对的钟,和那把处处需要校正的尺不满。
2、广义相对论与量子理论不相容
量子理论是非常完备的科学理论,而广义相对论和量子理论彼此间并不相容。
1920年,韦尔提出了一个将电磁场和引力场联系起来的电磁场几何化的理论,他的基本想法是:把电磁场与空间的局部度规不变性联系起来。韦尔的理论不仅没有得到学术界的认可,而且也与实验结果不符。之后,瑞尼契、惠勒、米斯纳等人也作了很多将电磁场几何化的尝试,都没有获得成功。
人们也曾试图将引力场进行量子化,并从中寻求引力场与电磁场的本质联系,企图用量子论的方法实现引力场与电磁场的统一。电磁场的场量子是光子,类似地人们欲将量子化的引力场的场量子称为引力子。但经过几十年的努力,引力场的量子化尝试连连失败。
广义相对论运用数学工具“黎曼几何” 和“张量分析”得到“空间弯曲”的结论,但我认为,“弯曲的空间”只是一种运算符号,它没有物理意义,更不能描述真实的空间。例如,在分析简谐振动和简谐波的规律时,用复数进行运算的结果描述可以简谐量,但复数并不是简谐量,复数本身没有物理意义。又如,在量子力学中用“波函数” 进行运算能得到可观测量,但“波函数” 并不是可观测量,它本身没有物理意义。
八、对万有引力定律的改造
显然,牛顿万有引力定律是有缺陷的,我们认为该定律是一个正确定律极好的近似。为了便于进行类比,我们来看一个电磁学现象:
在一个范围内,同时有一个恒定的电场和磁场(磁感应强度为B),其中,电场由带电量为-Q(场源)的均匀球体产生。距离球心r处,有一静止检验点电荷,带电量为+q(q<<Q),其对场源的影响可忽略不计。则点电荷不受磁场的作用, Fc=0;所受电场力(库仑力)为有心力,大小为:
Fe =Qq/4πεr2……(10)
如果点电荷以速度v运动,则所受电场力仍满足(1)式,同时,它还要受到磁场力(洛仑滋力)的作用,大小为:
Fc =Bqvsinθ……(11)
θ为B与v的夹角,洛仑滋力Fc不是有心力,其方向恒与速度v的方向垂直,由左手定则确定。可知,洛仑滋力Fc对点电荷不做功。
万有引力F1=(GMm/r2)与(1)式很相似,因此,我们假定,在万有引力场中运动的物体,除受引力F1之外,同时受到另一个类似洛仑滋力力(暂称为附加力)F2的作用,F2是速度v的函数,其方向恒与速度v的方向垂直,在v 与r构成的平面(密切面)之内,指向曲率中心一方,大小为:
F2=(GMmv2/r2c2)
由此得到万有引力的精确表达式为:
F=(GMm/r2)[1+(v2/c2)]
=(GMm/r2)+(GMmv2/r2c2)……(12)
其中,c为真空中的光速,m为物体的运动质量。
m=m0/[1-(v2/c2)]1/2
我们称第一项(GMm/r2)为爱因斯坦引力,第二项(GMmv2/r2c2)为附加力。
因为“相对性原理”不具有普适性,所以改造后的万有引力定律并不满足洛仑滋协变性,就是一种正常的现象。
至此,我们已经完成了对万有引力定律的改造,下面对新理论进行检验。
九、对新时空理论的检验
我认为,在考虑“引力场”和“变速运动”的情况下,时空仍然是平直的。
1、太阳光谱线“红移”
根据改造的万有引力定律和光的波粒二象性,就可以得到太阳光谱线“红移”的结果。
当光子从太阳(r0=R)运动到地球(r=∞)时, 对于速度为c的光子, 太阳的爱因斯坦引力f1对光子作负功,地球的爱因斯坦引力F1对光子作正功, 太阳、地球附加力(F2)对光子不作功。f1引起光子的能量变化为:
ΔE1=-∫f1dr=-GMm∫(1/r2)dr(光子的质量m变化很小,故可提到积分号外)
以太阳为参照系,当光子从太阳(r=R)运动到地球(r=∞)时, 将r从r=R到r=∞积分得:
ΔE1=-GMm/R
光子的能量E=mc2=hν, ΔE1=hΔν=-GMm/R
Δν=-GMm/hR
F1引起光子的能量变化为:
ΔE2=∫F1dr=-GM’m∫(1/r2)dr
=-(GM’m/r)+C’
以地球为参照系,当光子从太阳(r=∞)运动到地球(r=R’)时,
ΔE2=GM’m/R’
ΔE2=hΔν’=-GM’m/R’
Δν’=-GMm’/hR’
光子的能量总变化为:
ΔE=ΔE1+ΔE2
=-GMm/R +GM’m/R’
=Gm[(M’ /R’)-(M/R)]
相对而言,地球的引力比太阳的引力小很多,地球的质量与半径的比值(M’/R’),比太阳的质量与半径的比值(M /R)小4个数量级,故对光子能量总变化的主要贡献来自太阳的引力,ΔE≈ΔE1,Δν=-GMm/hR
而E= hν0,ν0=E /h=mc2/ h
Δν/ν0=-GM/Rc2=-2.12x10-6
负号表示光从太阳运动到地球频率变小。这就是太阳光谱线“红移”的理论值。实际观测结果为 -2.12x10-6。
对天狼星伴星光线的引力红移,理论值为:
Δν/ν0=28x10-5
1971年,格林斯坦(J.L.Greenstein)利用衍射技术,得到实际观测结果为: (30+5)x10-5。
我们必须注意,虽然新理论的结论与广义相对论一样,但原因却不相同。
我们知道,光源的固有频率是指,相对光源静止的观测者检测到的光源所发出的光子的频率。例如,某原子的固有频率取决于该原子的能级结构,它是该原子的固有属性,与引力场的大小毫无关系。无论是黑洞、太阳、地球上的氢原子,还是遥远太空中远离引力场的氢原子,对于相对氢原子静止的观测者,它们在跃迁时所发出的频率大小都相同,等于氢原子的固有频率。
免费论文下载中心 如果光源远离观测者,观测者检测到的光源所发出的光子的频率将变小(频率“红移”)——这是多普勒效应,但是,广义相对论认为,太阳光谱线引力“红移” 的原因是:太阳表面的引力场比地球表面的引力场强,因而太阳表面的钟走得较慢,当用某种物质从太阳发出的光谱线的频率,与同一物质从地球发出的光谱线的频率进行比较时,结果是,从太阳发出的光谱线的频率较小(“红移”)。
新理论认为,太阳光谱线“红移” 的原因是:从太阳表面的光子运动到地球时,由于其受到的力主要是来自于太阳的引力,而该引力对光子做负功,引起光子能量的减少,但光速大小不变,只能是光子频率减少了(E=hν)。当用某种物质从太阳发出的光谱线的频率,与同一物质从地球发出的光谱线的频率进行比较时,结果是,从太阳发出的光谱线的频率较小(“红移”)。
从太阳发出的光谱线到达地球的观测者,将同时产生多普勒“蓝移”效应。
钟的快慢与固定在它之上的坐标系的速度和加速度有关,与观测者的坐标系有关,与它所处在的引力场强弱无关。
2、地球光谱线“蓝移”
1959年庞德等人在哈佛大学首次在地面上直接验证了引力频移。利用 在塔顶发射 射线,在塔底接收。塔高H为 。
此实验在地面上,故可忽略太阳对光子的作用。地球的爱因斯坦引力F1对光子作正功,地球附加力(F2)对光子不作功。F1引起光子的能量变化为:
ΔE1=∫F1dr=GMm∫(1/r2)dr
=-(GMm/r)+C , 将r 从(H+R)到R积分,
ΔE1=(GMm){(1/R)-[1/(R+H)]}
在地面上,(GMm/R2)=mg, GM=gR2,
ΔE1=hΔν
Δν=gHm/h[1+(H/R)]≈gHm/h
[(H/R)<<1],而E= hν0,ν0=E /h=mc2/ h
Δν/ν0=gH/c2=2.46x10-15
这就是光谱线“蓝移”的理论值,表示光从塔高H为射到地球表面,光频&
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