饶钢：广义相对论的缺陷

 

广义相对论的缺陷

                       饶钢

                          2014.5.8（2014.6.2修改）

摘要：爱因斯坦将马赫对牛顿“绝对空间”的批评称为“马赫原理”；而爱因斯坦的“广义相对论”说是主要来自“马赫原理”的“启发”。然而，当我们了解“广义相对论”对“引力”和“惯性”是如何理解时却发现“广义相对论”缺乏像马赫解释的那种以“大尺度空间”为惯性参照空间的基础。“绝对空间”依照“万无引力”理论是存在的。

 

原始的“绝对空间”概念来自牛顿，就是在这样的概念下他建立了“牛顿定律”；也是在这样的“绝对空间”概念下，牛顿轻松地解释了力和质量间的关系，即：F = am. 在此，m为物体质量，a为相对“绝对空间”的加速度。同样牛顿用这样的、以“绝对空间”为依据，成功实现了对太阳系中行星动力行为的分析。

著名的牛顿“水桶试验”是他解释“绝对空间”存在性的有力事例。马赫对此做了进一步的分析，并提出了自己的异议；马赫认为牛顿提出的“绝对空间”是由大范围天体的质量决定的；所以，“绝对空间”具有相对性；这种相对性来自本地客体以外的大范围内的其他客体。我们能从这样的理解中感到马赫的分析具有突破性，即将“绝对空间”概念引入到具有“相对性”的，并将所相对的客体指向所讨论客体以外。

爱因斯坦给马赫的这个思想称之为“马赫原理”。马赫没能说出“绝对空间”是什么原因造成的，爱因斯坦同样没有，在爱因斯坦在“广义相对论”中所使用的“度规张量”（参见黎曼几何^[1][2]）同样是使用局部的物质质量参与计算得到的。所以在此认为爱因斯坦的广义相对论在谈论“相对性”时存在问题。
    现在理论对广义相对论的解释是：“等效原理指出，当空间某一范围存在引力场时，就不能引入和采用惯性系。因为在惯性系统中，惯性力等于零，而引力却不为零，这与等效原理矛盾。因此，在引力场中只能引入局部惯性系”^[3]。 所以在广义相对论看来纯粹的惯性系只能是“局部性的”，而在广义相对论（以下用“广”表示）看来所有的引力都要划为“惯性力”的等效，由此所产生的“惯性系”与“加速度系”共同存在的系统（有“引力”参与的）称为“非惯性系”；而问题在于在“广”对速度和加速度的定义中没有明确指出是相对哪一个“惯性系”而得来的；由于爱因斯坦在“狭义相对论”中就建立了“惯性系”的“等效”性，从而认为“绝对空间”这样的“惯性系”无法确定（或不存在）；从而以至在建立“广义相对论”及其“非惯性系”之前就把“惯性”参照系（“绝对空间”）的概念全部抹掉了；也就是说爱因斯坦在建立“广义相对论”的“非惯性系”中所使用的基本“惯性”（存在相对的加速度）和“速度”的相对性就根本没有根据！
    为什么说爱因斯坦将“惯性”（参照系）抹掉了，有以下几个方面的考虑：

1. 在“狭义相对论”中，“惯性系”的“等效”，使得在空间中具有“速度”运动的物体的相对性仅仅是指人为的两个坐标系统之间的相对性；而这两个系统中的任意一个坐标系又是相对于哪个参照系不能说清楚（因为以上两个所讨论的“惯性系”完全可能是相对一个所谓的“非惯性系”而言，而使所定义的“惯性系”遭到自身定义的破坏）；同时，在“狭义相对论”提出之时，普遍认为物体的“质量”与运动速度相关，所以很显然在“狭义相对论”看来确切的参照“惯性系”是必须的；然而，在那时由于“惯性系”的“等效”，却把最基本的参照“惯性系”（“绝对空间”）给忽略了；

2. 他在“马赫原理”的基础上否定了牛顿的“绝对空间”的概念，认为“惯性”来自“相对”（系统间的相对加速度），而这样的“相对”是没有根基的；我们可以找到这样的事实：对加速度运动的物体如相对一个相对“绝对空间”加速的 “非惯性系”的惯性力可以为零（考虑的加速度与参照系相对“绝对空间”的加速度方向正相反，值相等）；所以“惯性”同样存在相对性，而这个相对性来自爱因斯坦否定的“绝对空间”概念。爱因斯坦虽然在推导“广”时以假设两个系统的相对运动，而实际上这两个系统总要与“绝对空间”具有相对性，但他回避这个最基本的事实；

3. 现代理论，基于“广”，但不得没有“绝对空间”的概念，结果使用了“真空”，而“真空”又是相对谁，没有人说得清楚！

4. “广”的非欧几何中的“度规张量”主要来自牛顿的“万有引力”（质点性的），如对水星进动的计算上也只考虑太阳和水星，就连太阳系中的其他行星都没有提及。可 “马赫原理”如能被“广”有一点尊重的话也得考虑银河系中星星的作用；而实际上，“广”非但不提银河系，却暗中使用被“广”否定的“绝对空间”—“真空”概念；

5. 以“马赫原理”得到启发的“广”并没有马赫的思想；仅仅是一个细致化的，数学化（微分几何，或是称为使用“黎曼几何”）的牛顿理论——“质量中心”理论。

6. 所谓“引力质量与惯性质量”一致，没有新意，因为“引力”和“惯性”是两个独立的概念，它们产生的原因可以是同一个因素^[4]，所以“引力”和“惯性”与质量成线性比例关系无可非议。

“绝对空间”由以上观点是必须存在的。而依照“万无引力”^[4]理论“绝对空间”是存在的，“引力”和“惯性”都是外在性因素决定的；在“万无引力”理论的观点下，“惯性”来自宇宙射线，而“惯性力”的产生机制来自相对“宇宙射线”的“红移”；而“引力”仅仅是宇宙射线在物体内“红移”动量衰减的结果。因此，在“万无引力”理论看来，“绝对空间”（“以太”）是存在的；这种“绝对”的存在在于在任意空间点上能够得到相对所有的宇宙星体的射线，而星体的射线具有各自的动量值和方向，“绝对空间”就是一个相对所有星空中星体辐射动量的“平均值”决定的“空间”。 “万无引力”理论认为宇宙是无限大的；“宇宙射线”的作用是首要的，它产生宇宙间星体在大范围空间中呈现相斥的机制；“引力”仅仅是这些射线作用的一个附属效应。

 

结论：由以上理由，本文认为“绝对空间”是存在的，本文给出了“绝对空间”存在的理由；相比之下，“广义相对论”在参照系的使用上缺乏基本的说明，并且在“绝对空间”存在性上存在理解上的问题；即广义相对论是一个孤立的相对系统，它并没有如同马赫原理所描述的宏观惯性系作为参照的基础。

 

参考：

1.      黎曼几何引论，陈维桓，李兴校，2002年，北京大学出版社。

2.      相对论与非欧几何，费保俊， 2005年，科学出版社。

3. 经典宇宙和量子宇宙，王永久，2010年，科学出版社。

4. 维变---连续阶次微积分，饶钢，2006年，农业大学出版社。