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戎艳生:广义相对论中存在的原则性缺陷和“物理系统论”的简单介绍

2015-01-16  物理网文

广义相对论中存在的原则性缺陷

和“物理系统论”的简单介绍

戎艳生

 

 


摘要:
对狭义相对论和广义相对论进行了简单评述。指出了狭义相对论体系的无可争辩性和广义相对论体系中存在的逻辑性缺陷。分别从7个不同的方面论述了广义相对论理论体系中存在的原则性问题。对广义相对论的一种替代理论——“物理系统论”的逻辑体系进行了简单介绍。指出了“暗物质”和“暗能量”假设据以提出的天文学现象在新的物理学理论中都是普遍引力场作用下的必然结论。

关键词:标准参考系形变空间一般系统论 暗物质和暗能量物理系统论 广义等价性原理 广义同一性原理 广义引力场原理

中图分类号:O41        文献标识码:A

 

1 对相对论的评述

爱因斯坦于1905年提出了惯性系中的时空理论——狭义相对论,并在10年之后将其推广到非惯性系中,创立了广义相对论。狭义相对论的一个独立性的基本原理是:狭义相对性原理。光速不变性原理其实是狭义相对性原理的一个特例,因此不能作为独立性的基本原理。狭义相对论的完美之处在于:从科学逻辑的角度来讲,其简直是无懈可击的。换句话说:只要狭义相对性原理是正确的,狭义相对论的理论体系几乎是唯一的选择。当年,爱因斯坦正是用纯推导的方式建立了这个理论。而狭义相对性原理作为一个科学真理是经过大量物理实验充分检验过的。因此可以认为,狭义相对论体系是没有问题的。

然而,广义相对论并非如此。广义相对论有两个独立性的基本原理:广义相对性原理和等效原理。上述两个原理本身并没有问题。在这里需要指出的是,广义相对论的理论体系与其两个基本原理之间实际上并不存在必然的逻辑关系。因为从广义相对性原理和等效原理出发,经过严密的推导并不能得出非惯性系中的时空为黎曼空间,也不能得出爱因斯坦引力场方程。或许因为受时代因素的限制,爱因斯坦在建立广义相对论的过程中施加了一些个人方面的主观内容。这些内容在当时看来,无疑可以说是基于最为合理的考虑。然而从现代来看,广义相对论的理论体系中确实存在一些原则性的问题需要我们重新来进行考察。

 

2 广义相对论中存在的原则性问题

2.1 广义相对论中物理坐标系的选取不恰当

“黎曼几何学”和“黎曼空间中的张量分析”作为数学理论是相当出色的。但是,如广义相对论中那样,将上述数学理论全盘接受过来用以描述物理学定律的作法是不可取的。数学上的坐标系有各种各样许多种。但是除了笛卡尔直角坐标系以外,其他一般坐标系中的坐标值并不具有直接的物理意义。正如在广义相对论中所说:时空坐标(x0,x1,x2,x3)只是用来确定时空点的4个参数,时间坐标的微分dx0并不代表实测的时间间隔,空间坐标的微分dx1,dx2,dx3也不代表实测的空间间隔[1]。然而,物理学是一门实测科学。这一性质就决定了,只有观察者在其中所测得的坐标值为实测结果时的坐标系在物理学上才是可取的。这样选择的坐标系在处理物理学问题时也要方便许多。

因为笛卡尔坐标系只是平直空间中的实测坐标系,不能直接应用到一般的弯曲空间中去。但是,我们完全可以找到笛卡尔坐标系在弯曲空间中的对应物。即在坐标原点处相互正交的短程线坐标系,我们称之为“标准坐标系”。处于“标准坐标系”中坐标原点位置的观察者连同“标准坐标系”一起,就构成了一个“标准参考系”。我们定义每一个“标准参考系”中与观察者处于相同空间位置并且相对于观察者静止的钟和尺分别为“标准钟”和“标准尺”。这样,每一个观察者凭借自己的“标准钟”和“标准尺”所测量到的时间间隔和空间间隔都为实测结果。“标准参考系”是讨论一切物理学问题的基础。

2.2 广义相对论的时空观是不正确的

通过严格论证“旋转圆盘”和“引力场”中的时空性质,可以得出结论:非惯性系中的时空并非黎曼空间,而是一般的“形变空间”。其详细内容,参见《论非惯性系中时空结构的非黎曼特性》一文。

“形变空间”是一种比黎曼空间更为一般化的空间结构形式。其中,空间各部分之间除了发生“弯曲”形变外,还存在不同程度的“伸缩”形变。其几何特性表现为:长度元dS在坐标系的变换下具有可变性。而黎曼空间作为“形变空间”的一个特例,是单一发生了“弯曲”形变的空间,其中长度元dS在坐标系的变换下是不变量。其详细内容,参见《一般形变空间中的几何学与张量分析基础》一文。

2.3 广义相对论中惯性系的定义存在缺陷

我们把处于充分小局域空间范围内的参考系简称为“局域参考系”。在广义相对论中,摒弃了原来在空间上无限广延的惯性系,只承认惯性系概念在充分小局域空间范围内有效性,这无疑是朝着正确的方向前进了一步。但是按照广义相对论的观点,在引力场中自由降落(且无旋转)的“局域参考系”是一个惯性系,而在引力场中相对于星体静止或作其他一般运动的“局域参考系”却是非惯性系。上述论断无论在数学上,还是在物理学上都找不到可以作为支持的依据。事实上,在一个充分小的局域空间范围内,非惯性系与惯性系是无法区分的。或者说,所有“局域参考系”(而无论其作何种运动)都符合惯性系的定义。其详细内容,参见《论非惯性系中时空结构的非黎曼特性》一文。

2.4 广义相对论的力学理论是不完善的

事实表明:“时间和空间”分别与“物质和运动”之间存在必然的内在联系。如果时空观发生了改变,物质的性质和运动规律也一定发生相应的变化。例如:当牛顿绝对时空观被狭义相对论时空观所取代之后,事件的时间间隔dt和空间间隔dx1,dx2,dx3作为4维空间的不同分量在以不同速度运动的观察者看来按照一定的变换规律而变换,而在此过程中事件的静时间隔(即固有时间隔)dt0是不变量。与此相对应,在狭义相对论力学中物体的质量m和动量P1,P2,P3作为4维动量的不同分量在以不同速度运动的观察者看来按照与上述相同的变换规律变换,而在此过程中物体的静质量m0(即固有质量)是不变量。

在广义相对论中,时空观进一步发生了改变。例如:在外部观察者看来,引力场中事件所经历的时间间隔dt延长,而空间间隔dx在平行于引力场方向上缩短。因此按照上述思想,在外部观察者看来引力场中物体的质量m和平行于引力场方向上的动量P也必定随之而发生相应的变化。然而,此类问题在广义相对论体系中并未论及到。这是令人难以理解的。

2.5 广义相对论的引力场方程存在局限性

在广义相对论中,爱因斯坦引力场方程是牛顿引力场方程的直接推广,并在一级近似下(即弱静场的情形)还原为牛顿引力场方程。然而,牛顿引力理论并不是引力场的一般性理论,而只是普遍引力场的一种特殊情形,即物质在欧几里得平直空间中产生的引力场。其详细内容,参见《引力场的一般性理论》一文。因此,建立在牛顿引力理论基础之上的爱因斯坦引力场方程存在着与牛顿引力理论类似的局限性。

2.6 广义相对论与一般系统论之间存在矛盾

广义相对论的建立与经典力学以及狭义相对论相比,都无疑取得了很大的成功。然而,其仍然不是一个完善的理论。广义相对论与经典力学的一个共同之处是:两者都是“机械论”性的理论,其中一个粒子的物理性质与其他粒子的存在无关。例如:粒子系统的质量和动量分别等于其中每一个粒子孤立存在时的质量和动量之和;粒子系统产生的引力场等于其中每一个粒子孤立存在时产生的引力场之和。这与贝塔朗菲提出,并在20世纪下半叶迅速发展起来的“一般系统论”的基本思想之间存在深刻的矛盾。

2.7 广义相对论的预言与天文观测结果不相符

虽然在太阳系范围内,广义相对论的一些结论已经得到了实验很好的验证。但是,并非所有的天文学观测事实都与广义相对论所预言的结果相符。一个典型的例子是:必须假设宇宙中存在具有特殊物理性质的“暗物质”和“暗能量”,才能解释“星系系统的运动规律”和“宇宙的加速膨胀现象”。从“暗物质”和“暗能量”所起的作用来看,其本来应该是宇宙中一种普遍存在的相当重要的事物。但是大量的天文观测显示,除了能够影响天体的运动以外,“暗物质”和“暗能量”本身的客观存在又几乎是无法来察觉的。该情况非常类似于物理学史中的“以太”观念。这样的解释是很难令人满意的。上述问题实际上暴露了广义相对论理论体系中存在的严重缺陷。从“现代”意义上来讲,广义相对论已经成为物理学的经典理论。新的天文学现象正在召唤新物理学理论的诞生。

 

3 “物理系统论”简介

3.1 “物理系统论”的基本框架

我从201411月初加入“北京相对论研究联谊会”以来,在一个多月的时间内相继在“志杰海明”新浪博客网上发表了4篇学术论文,论文的题目分别如下:

1篇《论非惯性系中时空结构的非黎曼特性》

2篇《引力场中物质及其运动的新理论》

3篇《引力场的一般性理论》

4篇《一般形变空间中的几何学与张量分析基础》

其中前3篇为物理学论文,第4篇为数学论文。上述文章是我历经十多年时间对物理学和数学进行独立研究的理论成果。

《论非惯性系中时空结构的非黎曼特性》一文,主要是提出了一种新的时空观,即认为非惯性系中的时空是一般的“形变空间”。其中的“广义等价性原理”(其表述为:在一个充分小的局域空间范围内,所有参考系对于普遍自然界定律的描述都是完全等价的。)则是基于上述事实而总结出来的一个基本原理。根据“广义等价性原理”,可以推导出该文章中的全部结论。

《引力场中物质及其运动的新理论》一文,则是在第一篇文章中所提出的新时空观下对物质的性质及其运动规律进行改造后的新力学理论。其中的“广义同一性原理”(其表述为:对于所有参考系,物体的质量和动量分别与事件的时间间隔和空间间隔满足同一变换规律。)则是基于狭义相对论而总结出来的一个普遍原理,是对原有的力学规律进行改造所遵循的方法。根据“广义同一性原理”,可以推导出该文章中的全部结论。

《引力场的一般性理论》一文,主要是对牛顿引力理论的推广。其中,通过从理论上对牛顿引力理论(一个实验定律)进行严格推导,总结出了关于引力场的一个普遍性基本原理——“广义引力场原理”(其表述为:任何一个物体的全部引力线在任意空间中沿短程线分布,并且无重叠遍布整个空间。)根据“广义引力场原理”,可以推导出该文章中的全部结论。在这里需要说明的是,该文章中所提出的一般引力场理论只是一个过渡阶段。因为一个完善的引力理论必须是用几何学语言所描述的关于4维“形变时空”的理论。但是与广义相对论不同的是,新的时空几何(即引力)理论在某种近似下不是还原为牛顿引力理论,而是过渡到该文章中所提出一般引力场理论。

上述3篇物理学文章中的内容,构成了一个逻辑上自洽的物理学新理论体系——“物理系统论”的物理基础。《一般形变空间中的几何学与张量分析基础》一文,则是对“物理系统论”进行严格系统地描述所必须的基本数学理论。简言之,“物理系统论”的核心内容就是3个普遍性的基本原理,即“广义等价性原理”、“广义同一性原理”和“广义引力场原理”。从上述三个基本原理出发,经过严密的推导可以得出“物理系统论”的全部内容。

3.2 “物理系统论”的思想来源和优越性

“物理系统论”是将贝塔朗菲“一般系统论”的基本思想与爱因斯坦“广义相对论”中的合理思想相结合的产物。“物理系统论”的特征是集“相对性”和“系统性”于一体。“系统性”是与“机械性”相对立的一个概念。“机械论”的特征是“累加性”,认为事物整体的功能等于其中各部分元素的功能之和。由于该思想割裂了事物之间存在的联系,因此有着很大的局限性。而“系统论”的特征是“组织性”,认为事物整体的功能并不简单地等于其中各部分元素的功能之和,而强调各部分元素之间的关系对于决定整体功能的重要性。目前,“一般系统论”已经成为现代哲学思想体系的重要组成部分。

“物理系统论”站在新的科学高度上对传统的物理学理论(牛顿力学和广义相对论等)重新进行了审视、修正与完善,对物理学中的时空、物质、运动以及引力等一些最基本的概念提出了新的革命性的观念,得出了一系列不同于以往物理学理论的重要结论,证明了“系统论特性”是物理世界中的一个普遍现象。广义相对论难以解释的“暗物质”和“暗能量”现象,在“物理系统论”中只是一个必然的结论。即星系中的“星体运动过速”现象和“宇宙加速膨胀”现象是由共同的原因造成的,都是普遍引力场作用下的不同表现。“宇宙中的星系相互远离的加速度大小,只取决于星系所处的空间位置,而与星系本身的质量和成分组成无关”,这一点正是体现了“引力场作用的特征。换句话说,宇宙膨胀的加速度就是“引力加速度

 

4 结束语

广大的物理学工作者和物理学爱好者朋友们,无论你们相信与否,继爱因斯坦“广义相对论”之后关于时空、物质运动以及引力的新理论体系——“物理系统论”已经问世。其将成为“21世纪一场新物理学革命”开始的标志。“广义相对论”将作为“物理系统论”在不考虑物理世界中的“系统论”因素并且假设现实的物理时空不发生“伸缩”形变时的近似理论。“物理系统论”不但包含了“广义相对论”中的全部合理内容,而且预言了物理学的新规律,解释了新现象。

作为一名理论物理学的执著追求者,我不敢说我的物理学理论是绝对的真理。因为任何一个科学理论,迟早会被更新更完善的理论所取代。正如爱因斯坦所说:“科学永无止境,世界是一个永恒之谜。”但是,我可以肯定地说:“我的物理学理论在很大程度上已经突破了旧理论的框架使科学获得了复兴,至少在我们所处的这个时代肯定是正确的。”纵观物理学发展史,世界上一流的物理学家,例如:阿基米德、伽利略、牛顿、法拉第、麦克斯韦、爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔和狄拉克等,没有一位属于中国国籍。这一直是我耿耿于怀的一件事情。但是现在,即广义相对论创立100周年之际,我——戎艳生——将以实际行动打破这一局面。我会让所有的人都看到,中国的物理学术水平在世界上是No.1

 

参考文献

1  赵展岳.相对论导引.修订版.北京:清华大学出版社,2002104

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