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张树斌:广义相对论的误区

2015-01-23  物理网文

               广义相对论的误区

                               张树斌

Zhang Shubin

           〔临汾市汾东路双语学校  中国山西省  临汾市  041000

(Linfen Fendong road bilingual school of linfen in Shanxi Province in China  041000)

 

   张树斌:广义相对论的误区

摘要:爱因斯坦的广义相对论是对他本人十年前发表的狭义相对论的扬弃,既保留了同时性的相对性的正确原理,又通过等效原理否定了质量相对的错误。但这种扬弃又是不彻底的,仍然留下了一些错误。本文集中讨论了广义相对论的正确理论与错误观点。

 

  关键词:广义相对论  狭义相对论  真理与谬误

 

        等效原理是正确的,张量逆变是错误的

    我们知道,物体所受的引力与物体的质量成正比,同样,物体所受的惯性也与物体的质量成正比。如果分别把这两种质量叫引力质量和惯性质量,物理实验证明,这两种质量实际上是不可区分的。因为,到目前为止的一切实验都没有找到它们的差别。所以,惯性质量与引力质量等价,才能成为爱因斯坦广义相对论的基础。有学者将广义相对论的等效原理区分为强形式和弱形式,我认为这是不能成立的。因为,实际上根本就不存在等效原理的弱形式。所谓等效原理的弱形式,是指“惯性力场与引力场的动力学效应是不可分辨的”,它强调动力学效应,其实说的还是静止质量与运动质量的区别。这完全是为了维护狹义相对论的所谓运动质量大于静止质量而生造的一种理论。其根源是把爱因斯坦当成了神,凡是爱因斯坦的理论,正确的是正确的,不正确的也是正确的;正确的要坚持,不正确的拐个弯也要坚持。其实,狹义相对论发表十年之后才发表广义相对论本身就说明了广义相对论是对狹义相对论有突破,否则,就没有必要发表广义相对论。所以,把永久性引力场与非永久性引力场视为同一,这是广义相对性原理成立的先决条件。然而,一旦确立广义相对性原理,那么,狹义相对论中存在的问题很快就暴露出来。

爱因斯坦广义相对论的等效原理是正确的,但他的张量逆变则是错误的。因为,张量是不能逆变的,张量逆变是建立在动量守恒和角动量守恒的基础上。然而,量子力学的微观物理实验已经证明了动量不守恒,角动量也不守恒。因为,认为动量守恒和角动量守恒都违反时间相对、不守恒的原理,而时间相对、不守恒,必然要求能量相对、不守恒。这都从热力学第二定律可以得到证明。因为,时间的不可逆性,决定了时间及其能量的逆变会出现熵增加的趋势,就是说会出现负值。星球的运动是椭圆运动,而不是正圆运动,就说明星球的运动不是匀速圆周运动,而是匀减速运动。行星的进动,也说明了能量在不断缩小。

由此可见,物理学虽然要将数学作为工具,但数学并不能代替物理学。原因是物理学是实证学,而数学则是演绎学。数学推理的大前提不能自证。大前提如果是正确的,其结论就是正确的,反之,如果大前提是错误的,那结论也就是错误的。张量逆变就是由于大前提错了,所以,它的推论当然也就是错误的。比如,广义相对论中用到的度规矢量的对称性和时间反演的对称性,这都是违反热力学第二定律的,违反时间不可逆定律的,违反时间相对性原理的。如果度规矢量是对称的,时间反演是对称的,那时间就成了绝对的了,那里还有时间相对的道理。

 

  时间弯曲是正确的,空间弯曲是错误的

  时间膨胀也叫时间弯曲。所谓时间膨胀,就是当时钟相对于观察者运动时,其走时率将比相对观察者为静止的时钟的走时率要慢。这里比较的实质在于:将单一时钟上的时间流逝与跟它有相对运动的参考系中的测量结果相比。它是狹义相对论的根本特性之一。这一理论彻底改变了牛顿力学关于时间是绝对的、不变的、是均匀流逝的思想,所以,是正确的。但爱因斯坦想进一步论证空间也与时间差一样会发生弯曲、膨胀,这就从根本上错了。因为,爱因斯坦认为物质的分布将引起空间的弯曲,使空间不再是平坦的闵可夫斯基世界。下面我们就来看这种空间弯曲、膨胀的假说到底错在那里?

  我们知道,时间是一维的,而空间是三维的,时间是运动能量的量度,而空间是静止质量的量度。牛顿第一定律告诉我们,“静则恒静” ,就是说,静止质量空间要运动起来,必须有运动能量时间这个“外力”推动。如果没有运动能量时间推动,那么,静止质量空间是运动不起来的。在运动能量时间不推动静止质量空间运动的时候,运动能量时间是直行的,比如,光的直射就很好地说明了这一点。但是在运动能量时间推动静止质量空间运动时,情况就不同了。如果,静止质量空间的力大于运动能量时间的力,那么,运动能量时间就有一个聚集能量的过程。这样,在运动能量时间聚集能量的过程中,就必然弯曲了,膨胀了。这在我们人用力推车时,为什么要把腰弯起来是一个道理。这就是运动的时钟会变慢的原因之所在。但是静止质量空间并不存在这个问题,当运动能量时间的力小于静止质量空间的力时,静止质量空间纹丝不动,而当运动能量时间的力聚集到超过静止质量空间的力时,静止质量空间就运动起来,发生了位移,但并没有发生弯曲、膨胀。爱因斯坦时空弯曲、膨胀理论是建立在质能互变和时空互变的基础上,认为时间膨胀了,空间也会膨胀。其实,这是一种想当然。他并没有解决一维的能量、时间是怎么能变成三维的质量、空间的?或者说,这种互变的机理是什么?闵可夫斯基的所谓“四维时空” ,仅仅只是三维空间和一维时间的综合,是一种数学游戏,而并非物理真实。我们说质量可以变成能量,只是说,运动的质量可以变成能量,其实,严格地说,运动的质量只是一种动量,而并不是真正意义上的能量。所以说,爱因斯坦相对论关于时间弯曲、膨胀的理论是正确的,但关于空间弯曲、膨胀的理论是错误的。

 

          钟慢效应是正确的,尺短效应是错误的

  尺短钟慢效应是爱因斯坦相对论的一个基本推论。证明尺子短了的那个原始实验,是火车上悬挂的一根杆子。由于火车飞速前进,所以,车上的人测得的杆的长度与火车下的人测得的杆的长度不同。这个理论能成立吗?难道一个人坐上火车与下了火车的质量就不同了吗?那为什么会发生上述效应呢?这只能说明这是一种视觉效应——钟确实变慢了,但尺子并没有缩短。这种远小近大的视觉效应根本不能作为证明质量相对的依据。长度测量与运动无关,或说,长度测量与参照系无关,这是基本常识。

时间延缓效应在高能物理中得到大量实验证明,不稳定粒子静止时有一定平均寿命,当它们高速运动时测得的平均寿命可以比静止时大得多。同时,在有加速运动的情形下,时间延缓导致绝对的物理效应,当一个时钟绕闭合路径作加速运动,最后返回原地时,它所经历的总时间小于在原地点静止时钟所经历的时间,或说,在宇宙飞船上进行了太空旅行的那个兄弟在返回地球后,确实要显得比留在地球上的兄弟年轻些。这种效应通常称为双生子佯谬。其实,中国古老的道家文化中早就有这种“天上一日,世上千年”的说法。试想:光的时间能与火车的时间一样吗?

从时空度规函数的角度来分析,我们知道,牛顿空间是不显时间的空间,是三维空间,也就是欧氏空间,那么,取笛卡尔坐标长、宽、高乘以长、宽、高,3×39,一共9个分量。而闵可夫斯基的四维时空是与时间相联系的弯曲时空,需要用非欧几何,即黎曼几何来表示。在四维时空的坐标中,长、宽、高、时间乘以长、宽、高、时间,这样,4×416,就成了16个分量。其中,由平直空间移植过来的长、宽、高9个分量,再加上一个时间分量,一共是10个独立分量。而其他6个分量就是弯曲了的时间,或说是慢了的时间。这里,我们并没有发现“尺短”的数学依据。由此,我们还可以发现时间弯曲了,能量弯曲了,但空间并没有弯曲,质量并没有弯曲。因为,时间弯曲是由引力引起的,引力的源是物质。物质没有弯曲,并不影响时间的弯曲。

其实,时间变慢与空间缩短是一回事。爱因斯坦认为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走得越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。其实是,正因为时间变慢了,所以,在同一参照系的时间内走过的路程就更长了。这样,就显得尺子似乎短了,其本质上都是钟慢效应引起的。所以,钟慢是原因,尺短是结果。物体沿运动方向缩短的真实情况是物体的动量变小了,而不是物体本身变小了。况且,尺短效应会和爱因斯坦自己所主张的运动质量大于静止质量的观点相悖,一方面认为运动的物体尺子短了,变小了;另一方面又认为,运动的物体质量变大了,那到底是大了,还是小了呢?其实,运动的物体既没有变大,也没有变小。物体还是那个物体,说它变大了是随着速度的增加动量变大了,或说,运动的物体的动量大于静止的物体的动量。其实,静止的物体就没有动量,而只有质量。至于运动的物体尺子为什么会短,真实的情况是末速度小于了初速度。因为,能量小了,所以,时间就小了。时间与能量是一回事。能量小了,时间小了,当然速度就慢了。这才是所谓尺短钟慢的真实情况。爱因斯坦将质量与动量混为一谈了,将速度与尺度混为一谈了。

 

         在不同的参考系中物理规律都是不同的

爱因斯坦的广义相对论的第一个理论就是,在任何参考系中,物理规律都是相同的。要认识这个问题,首先得确定参考系问题。对于物理世界来说一共有两个参考系:一个是静止参考系,一个是运动参考系。爱因斯坦继承牛顿的观点,认为这两个参考系是惯性参考系与非惯性参考系。这里注意,我说的静止参考系,并不就是爱因斯坦所说的惯性参考系。爱因斯坦的惯性参考系包括匀速直线运动在内,而我说的静止参考系并不包括匀速直线运动在内。同样,我说的运动参考系也包括匀速直线运动在内,而爱因斯坦的非惯性参考系并不包括匀速直线运动在内。爱因斯坦是根据牛顿的观点,认为力不是维持运动速度的原因,而我认为力是维持运动速度的唯一原因,这就是分歧的焦点。我认为,静止的参考系又叫向心的引力参考系,或说,静止状态是由向心的引力引起的,还可以说维持静止状态的原因是向心的引力作用。同样,运动(既包括匀速直线运动,也包括加速度运动)的参考系又叫离心的斥力参考系,或说,运动状态是由离心的斥力引起的,还可以说维持运动状态的原因是离心的斥力作用。其实还可以说,静止的引力参考系是有空间质量的粒子参考系,而运动的斥力参考系是有时间能量的波动参考系。这两种参考系各自有各自的规律,各自有各自的特征。静止参考系与运动参考系的物理规律完全不同,引力参考系与斥力参考系的物理规律完全不同,质量参考系与能量参考系的物理规律完全不同,空间参考系与时间参考系的物理规律完全不同,电场参考系与磁场参考系的物理规律完全不同,质子参考系与电子参考系的物理规律完全不同,实体粒子参考系与波动粒子参考系的物理规律完全不同。正因为如此,所以我说,在不同的参考系中,物理规律是不同的。

然而,爱因斯坦为了建立它的相对论体系,便在广义相对论中说:“在任何参考系中,物理规律都是相同的”。这当然符合爱因斯坦把质量和空间也说成是相对的要求,这样,他的相对论体系就没有矛盾了,然而,这却违反了质量守恒定律。爱因斯坦为了把空间和时间,质量和能量都说成是相对的,他动用了数学的形式——张量逆变。前边说了,张量是不能逆变的,因为,张量逆变会出现时间和能量的熵增加趋势。况且,张量逆变是建立在动量守恒和角动量守恒的基础上。但量子力学的微观物理实验已经证明了动量不守恒,角动量也不守恒。显然,爱因斯坦广义相对论中的第一个理论是不能成立的,它符合了相对论的要求,却违背了物理真实。正确的理论应当是:在不同的参考系中,物理规律是不同的。

 

  在相同的参考系中物理规律都是相同的

上面我们已经论证了在不同的参考系中,物理规律是不同的。现在,我们再来看在相同的参考系中,物理规律到底是相同的还是不同的。

我们的物理学教科书从来认为,在相同的参考系中,物理规律是不同的。同一定律在宏观领域是守恒的,而在微观领域可以是不守恒的。如能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒定律,等等,都是这样。还有如质量守恒定律,在牛顿力学认为是守恒的,然而,在相对论领域则认为是不守恒的,运动质量大于静止质量。宏观领域的物理规律不同于微观领域的物理规律,宏观高速领域的物理规律不同于宏观低速领域,原子微观领域的物理规律不同于核子微观领域。牛顿力学的原理在核子领域不适用,而相对论力学的原理在牛顿力学不适用。这样各自为政,四分五裂的结果是导致我们的物理学长期得不到统一。其结果是“公说公有理,婆说婆有理”,没有一个标准,显然,这是不正确的。物理学大师爱因斯坦提出了统一场论的思想,但他用后半生40年的时间,也没有将各种作用力统一起来。量子力学的代表人物玻尔提出了互补论,但他经过长期努力,最终也并没有将物理学“互补”起来。都与这种各说各的理的状况有关。正确的途径应当是,一个定律必须从始至终在各个领域都能贯穿到底。如果不能贯穿到底,那么,或则是“定律”不成立,或则是必须重新审视物理学的结论。比如,质量守恒定律,牛顿力学中质量是守恒的,电磁力学中质量场是磁场,磁场是守恒的,在量子力学中,质量场是强作用场,而强作用场是守恒的。如此看来,相对论力学中质量也应当是守恒的。爱因斯坦认为运动质量大于静止质量的观点不符合质量守恒定律,显然,爱因斯坦关于质量相对的观点是错误的。再比如能量守恒定律,因为,势能是守恒的,但动能是不守恒的,因而,这一条“定律”就不是定律。因为,相对论力学已经证明时间是相对的,那么,作为力的时间积累的能量,当然也就是相对的、不守恒的。在电磁力学中电荷是能量,正电荷是守恒的,但负电荷是不守恒的,所以,电荷实际上是不守恒的。还有,在量子力学中,微观物理实验已经证明能量不守恒、动量不守恒、角动量不守恒。显然,被物理学信奉了几百年的能量守恒定律实际上是局部守恒整体不守恒。

由上可见,在相同的参考系中,物理规律应当是相同的,或说,同一条规律不能出现在这个领域适用,那个领域不适用的现象。

 

主要参考书目

  [美]爱因斯坦著《相对论》周学政徐有智编译北京出版社200710月第1

      张树斌:《绝对相对力学》20119月,陕西科学技术出版社出版

吴大猷著《理论物理》第4册,科学出版社19835月,第1

 

作者简介:张树斌(1947--)男,汉族,陕西清涧人,原山西临汾市汾东路双语学校长,经济师,出版有《常道》、《大同论》、《互补论》、?绝对相对力学??绝对相对哲学?和《绝对相对经济学》等多部专著。

联系方式:13835738062,电子邮箱:Lfzhangshubin@163.com

 

 

 

纪念爱因斯坦广义相对论发表百年论文(10    64-226406692667 学术动态  1002896625

2015-01-18  北京相对论研究联谊会学术委员会 美国格物杂志社 张志杰纪念室主办  主编吴水清

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