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参考系是物理学一个十分重要的概念，在讨论物体的运动时，必须以参考为前提。一切运动都是在某一个参考系中进行的，用一个以上的参考系来描述同一个运动，却不加以参考系变换，必然会引起混乱。当我们说明某一运动时，已经指明了这个运动的参考系。比如，测量一架飞机的速度是500米/秒，我们已经指明了以静止的地面为参考系。从飞机上发射一枚导弹的速度是800米/秒，同样也是指明地面为参考系。如果指明以飞机为参考系，则导弹的速度就成为800米/秒—500米/秒= 300米/秒。 经典物理学规定，一个匀速直线运动或静止的参考系称为惯性系。只要存在一个惯性系，就可以找到无数个惯性系，在一个惯性系中的运动可以通过变换得出它相对于另一个惯性系的运动状态。这种变换称伽利略变换。伽利略变换指定了在不同的惯性系中所采用的时间标准与空间标准是同一的，即绝对的时间与绝对的空间。在牛顿力学里，牛顿把绝对空间定义为“与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的。”把绝对时间定义为“绝对的，真正的和数学的时间，自已流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。” 绝对时间与绝对空间的认定是经典物理学的基础，它使物理学建立在一个坚实的基点上，用此不动的绝对时间和绝对空间来考察一切运动，就象是一个坐标系的原点。有了原点，我们便可以知道其它一切点的运动状态。动量守恒原理是以空间的均匀性为前提的；能量守恒原理是以时间的均匀性为前提的，如果否定绝对的时间与绝对的空间，动量守恒与能量守恒将不再被遵守，从而物理科学也将自我否定。 可以说，科学研究绝大多数都以地面做为静止参考系，来考察其它物体对这个参考系的运动状态。比如，对光速的测定。光速是在地球上的真空管中测定出来的，它的精确值现在是： C = 299792458米/秒 它是以静止的地面为参考系的。 我们知道，如果以太阳为坐标原点，地球是以30千米/秒的速度自东向西绕太阳公转，也就是说，如果以太阳系的空间为静止参考系的话，遵照伽利略变换原理，在地球上测量一束同时射向东和西的两束光的速度应该是不同的。 美国科学家麦克尔逊和莫雷在1887年所做的实验即是以寻找这种光速差异为目的而设计的。其结果是实验并没有发现这种差异。麦克尔逊后来获得了美国历史上第一个诺贝尔物理学奖。（诺贝尔奖委员会公布的麦克尔逊获奖原因是他对光谱学和计量学的研究）有意思的是，麦克尔逊对自己的实验结果感到没有把握，以至于在1907年的受奖演说中没有好意思提这个实验。诺贝尔委员会也没有提及这个实验结果是“有争议的。”后来，爱因斯坦根据他的实验否认了以太的存在，并设定光速在任何惯性参考系中都是一个恒定值，且以此为基础推导出钟慢尺缩的狭义相对论，这是后话。我们先来分析一下麦克尔逊—莫雷实验，并重述一下他的实验过程和思路。 麦克尔逊设计了一个干涉仪，干涉仪有几个基本构件。左边是一个光源，标为S。麦克尔逊在实验中使用了黄而亮的钠光。光束到达一个中心点，有一面半镀银的镜子，一半光被垂直反射出去，另一半直穿过去。这样光被分解成两束。两束光分别沿各自的方向被导向两面镜子M1和M2。两束光到达各自的镜子后，又经反射回到中心位置。由于臂长L1与L2是相等的，它们往返一次所需的时间也是相等的。如果光束的速度为C，每束光单向运行的距离为L，那么往返一次所需的时间为2L/C。由于L1= L2，因此，当两束光返回干涉仪的中心位置时，一束光的波峰与另一束光的波峰能重叠在一起，波谷也重叠在一起，不会出现干涉现象。 假如麦克尔逊干涉仪的两臂长不等，那么每束光往返一次所需的时间就会不一样。结果，两束光到达干涉仪的中心位置时就会出现异相，彼此的波峰和波谷相互交错，出现干涉现象。干涉使原来的波形产生了变化，我们会看到明暗相间的干涉条纹。这样，观测者就可以测出两个臂长微小的差异。这是因为光束往返的距离差异会导致两束光返回中心位置时所用时间的差异。为了消除臂长带来的误差干涉，麦克尔逊想到了一个巧妙的办法。他把干涉仪放在一个水银池中，使整个仪器能够平稳地旋转。如果将仪器转动90度，两个臂的方向就颠倒过来。垂直的臂成了平行的，平行的臂成了垂直的，那么光所经过的途径产生了变化，干涉条纹的变化也会显示出来。 由于地球的公转运动，光在通过两个臂长时所走的距离不一样，因而所用时间也不一样，应该可以看到两束光交汇时产生的干涉条纹。根据计算，地球移动的速度与光速的比率是万分之一。实验需要的精度是这个比率的平方，即亿分之一。麦克尔逊干涉仪的臂长约11米，两臂的精确率调节到10亿分之0.25，这样的精度应该足以显示出光的不同速度所产生的干涉条纹。然而，他们什么都没有发现，没有任何干涉效应。难道地球在宇宙中是静止的吗？ 在麦克尔逊的实验中，垂直于地球运动方向的直臂上，光运行的轨迹是直角三角形的斜边，它比臂长的距离L长一些，运行在这条垂直于地球运动方向的臂上的光速在去与回的双向上几乎不受地球运动的影响，都约等于固有光速C。 我们把所有设计原理都纳入到一个图里，便于比较分析，该示意图是为了定性分析，所以并不拘泥于比例和定量。 以O为圆点画一个圆，臂长OM1和OM2相互垂直并高精度等长，OB'的射线上放置一个光源，光通过O点位置的分光镜，分出的两束光分别到达反射镜M1和M2然后再反射回分光镜聚焦到接收器R，从R处的干涉条纹变化就可以测出光在两个臂长所走过距离的光程差，从而知道地球相对以太的运行速度。因为地球是运动的，所以光从O运动到M2的时候，干涉仪的镜子M2已经运动到A了，光从A再反射到B，B和运动的O重合，光线奔向接收器R。运行在OM2臂长的光实际上走的是OAB的等腰三角形的两个腰，所以运行距离要大于OM1上光走的往返距离，这样在汇聚点一定会出现波峰波谷相位差导致的干涉。这个思路就是迈克尔逊和莫雷的设计原则。 现在我们开始分析这个思路。如果两个臂绝对垂直，且OM2和反射镜M2也绝对垂直，那么从O射向M2的光子在运行中，M2也在向西运行，所以光会落在A'，从A'反射到B'，B'不可能和O重合，（如果臂长是10m，并且和另一臂及镜子M2垂直，B'和O两点的距离是2mm），就是说该光线不能和OM1上反射回来的光线重合而产生干涉，这样实验就没法做了。怎么办？调整！所以就必须要人工调整光线OA以一个倾角指向A点，这样才能保证两道光线的重合。这就意味着两个臂的夹角小于直角，而他们并没有意识到这个变化带来的后果，他们还是按照原先认为的M2平移到A,但实际上，因为他们在调整光线聚合时移动了光臂OM2导致两臂夹角小于90度，实际运行的光臂是OM3,光运行到M3反射到D，D和运动的O点重合光线汇聚到R。三角形OM3D是一个等腰三角形，线段OM3等于M3D。同时OM1，OM2，OM3都是园的半径，它们等长，这样就可以得到光实际走的等腰三角形的两个腰的长和臂长OM1的往返光程是等长的，即 OM3+M3D=OM1+M1O 他们预想的光走的是OA+AB>OM1+M1O,光程差会导致干涉条纹的出现。但是，光实际走的是OM3+M3D=OM1+M1O，不存在光程差导致的干涉条纹。原因是他们在实验中为了光线的重合而调整光臂的角度以适应反射镜M2在地球运动的情况下向西的偏移，导致光臂形成了小于90°的夹角，虽然光臂没有缩短，但是却缩短了他们设想中的光程，光程差没有按照他们希望的出现。这个操作恰恰抹除了地球相对空间运动的位移，而这个错误是在实验操作中无意犯下的，他们并没有意识到。这就导致实验得出了一个错误的结论。 通过分析整个麦克尔逊实验的设计，我们发现实验的精确度很高，思路也很精巧，且具有可重复性，是一个出色的实验案例。但这个实验设计的原则却是错误的。实际上，实验测定的不是地球相对以太的移动，而是地球相对以太的加速度。 如果要在地球上测定光速在不同方向上的差异，实验的设计必须改变。 光在空间的运行是光的本性，光一旦脱离开光源，它就以绝对速度自行通过空间。我们现在的实验设计是把光设计为一个光子而不是一束连续的光，且光的路径是单程而不是双程。只有单程光路才能确定不同方向光速显示出的测量差异。 新的实验可以使我们得出这样的结论：光速是恒定的，它是光在空间中的特性，它的参照系是绝对静止的空间，没有绝对空间便不会有光速的绝对值。通过地球上测量光在各向上的速度值，我们可以找出我们相对绝对空间的运动，也许能指明我们宇宙的中心在哪个方向。 阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）在1905年创立的狭义相对论的基础便是对光速所涉及的参考系的定义。他在论文中对狭义相对论做出两点基本解释，也就是狭义相对论的基础。 1． 物理学定律对所有匀速运动的参考系中的观测者来说都相同。 2． 光速对所有匀速运动参考系中的观测者来说都相同。 这两条假设中，确切地说，第二条假设中已经隐含了对时间与空间的新看法。它否定了绝对时间与绝对空间的经典物理学。如果确定了这种假设，则在一个相对静止的参考系中测得的光速等同于另一个相对匀速运动的参考系中测量的光速，那么，两个参考系中的时间与空间必定是不同的。因为速度是空间（距离）与时间的函数，要保证两个参考系内的光速值相同，就必须要变换空间与时间。两个参考系中的时间与空间的变换就是狭义相对论的钟慢尺缩效应。这一切的基础似乎可由麦克尔逊—莫雷实验来作为实例证明。然而，麦克尔逊却把实验设计的原则弄错了。 在爱因斯坦对狭义相对论所做出的两点解释中，相对论学者认为两种解释实际上是一种意思。第二种解释是对第一种解释的特定说明。而对大部分物理学家来说，他们基本同意第一条解释，它实际上是伽利略相对性原理的表述。对第二条解释，则认为它对相对论而言十分重要。实际上，物理学家们总是隐约感觉到怀疑第二条假设的合理性。爱因斯坦认为第二条假设是第一条假设的必然推论。而我们认为它们之间不存在任何因果关系。实际上，光速是一个常数，它根本不是物理规律。常数在不同的参考系中得出的数值可以是不同的。光速是光在空间运行的基本特性，它是由空间的物理特性决定的，而不是由参考系来决定的。参考系可有无数个，而空间却只有一个。空间是绝对的，唯一的，静止的。光速也是唯一的、恒定的。 有关狭义相对论的悖论是很有启发的。设A相对于我们做高速运动，那么我们在测量A上的一把尺和一个钟时，会得出对方的尺缩短了因子R，而对方的钟却慢了因子R。因为运动是相对的，A在相对我们高速运动时，我们也相对A做同样速度的运动。所以在A上的人以他们的系统做参考来测量我们时，也同样会发现我们的尺与钟发生了同样的变化。那么到底哪一个变化是真实的呢？ 为了更为生动地说明，我们把上面的问题换成两个孪生兄弟来叙述，即著名的双生子佯谬。一对双生子一个留在地球上，一个登上飞船以近光速旅行（相对论限制了到达光速）。回来时，到底是哪一个孪生子变老了呢？相对论者在解答这个问题时有几种说法。 1． 两人年龄一样。尺缩钟慢效应只是测量效应，不是真实的运动学效应。 这显然与相对论观点解释的π介子在高速运动中的延期衰变和光在引力场中时间延缓所造成的引力红移等实际效应相矛盾。 2． 认为是做了高速运动的哥哥时间延缓了。当哥哥回来时，哥哥的年龄比弟弟小了。因为哥哥相对弟弟来说，做了绝对的运动，而弟弟是相对的静止。 这种解释所用的绝对运动，无意中把相对论完全否定的绝对空间拽了出来，从而与相对论本身形成矛盾。 3． 哥哥的飞船在旅行中要先加速以达到近光速，然后减速直至为零，再向反方向加速回程，然后再减速停止在地球上。这样一个运动系不能满足惯性系的原理，这是一个加速系，加速系是不能运用狭义相对论的。所以哥哥的旅行不涉及钟慢尺缩效应。因此，悖论本身就不应该存在。 那好，我们可以用惯性系来代替非惯性系。只要我们假定哥哥跳上一艘近光速匀速飞行的飞船开始旅行，然后又跳上一艘反向的飞船回到地球再跳下来。这样，加速、减速将不存在于这个参考系中，这个悖论又重新回到了起点。 悖论往往意味着逻辑上的矛盾。它预示着理论要么是不完善的，要么是根本错误的。 爱因斯坦论述的狭义相对论是局限在惯性系内的。在1915年他发表的广义相对论中,爱因斯坦又将物理规律在惯性系中相同扩展为在一切参考系,不管是惯性系还是非惯性系都相同,即广义相对论的基础“等效原理”。爱因斯坦根据他的等效原理，断定引力场中的光线路径是曲线。而光的特性总是走最捷径的路途，因此推论引力场中的空间不是平直的，而是弯曲的。光走的是弯曲空间的测地线，而不是三维空间的直线。这种结论从数学上很容易理解，而从物理学上却是难以理解的。一个三维的空间实在不容易去想象它是如何弯曲的。既使是一个最出色的物理学家也无法描绘现实的物理空间如何弯曲。那么，数学的解与物理学的解能否等同？在回答空间弯曲这个问题时，常常会听到一个比喻，就是在一个二维平面上的动物无法理解这个平面外的第三维，即立体空间里的动物。所以，生活在三维空间里的我们也无法理解弯曲空间的实像。这种简单的外推并不能解释弯曲空间的实在性，同时这种简单外推是否被允许？（我们可以用测量三角形内角和的方法来证明存不存在弯曲空间）。 爱因斯坦为了证明引力场中空间的弯曲，设计出一个今天众人熟知的实验：测量经过太阳旁边的星光产生的偏移。 1919年，英国天文学家爱丁顿为了寻找相对论的证据，特意率领一支远征队，远渡重洋来到非洲的一个小岛上观测日全食和拍摄照片，并提出了星光在经过太阳旁边时确实发生了偏折。 随着爱丁顿考察结果的宣布，爱因斯坦一夜之间轰动了世界，广义相对论为世人所瞩目。尽管后来发现爱丁顿观测的偏折率与误差率几乎一样大，其结果并不可靠。但几十年来，反复天文观测确实得出光线在太阳附近偏折的事实。所得结果在1.3秒到2.7秒之间。（两者相差一倍） 我们常常相信我们愿意相信的东西。星光产生偏折的一个最简单因素却没人去理会，那就是太阳周围稀薄的日冕对光线产生的折射作用。就象一支筷子插入水中产生的折射一样。由于日冕的密度稀薄，包着太阳的这一层日晕散射很低，我们实在难以发现它们。不过，我们倒是可以考虑用经过太阳旁边不同距离的星光偏折率来判断该点的物质密度。 科学家测定星光偏折率所得到的数值并不相同，甚至是差异很大，既有空间上的，也有时间上的。太阳引力在空间与时间上都是一个非常稳定的常数，如果引力致使星光弯曲，星光偏折率在扣除测量误差后应该恒定在一个数值左右，出现这样大的数值差异是不合理的。如果解释为测量光线弯折已经考虑到了日冕的折射效应，，是纯粹的引力弯折效应，那么高达一倍的误差率根本就没法解释。而日晕的密度在空间与时间上出现微扰则是充分合理的。 我们来看一个天文学上对脉冲双星PSR1913 + 16的观测实例。根据广义相对论，大质量天体会引起空间本身产生弯曲，弯曲的程度与质量及与质心的距离相关，换成经典物理学语言，即与引力场强度相关。光通过引力场强度更大的空间，就意味着通过更加弯曲的空间，因而光走的“弯路”越长，从而时间延迟的也越长。毋庸置疑，太阳的引力场强度肯定远远小于一颗中子星的引力场强度。那么，理论要求光通过太阳边缘的时间延迟一定会远小于光通过中子星边缘的时间延迟（延迟只与“空间弯曲”程度有关，不要理解成三维空间中运行的长度相关）。但是，精确的测量表明，雷达信号通过太阳边缘返回的延迟约250微秒，而对脉冲双星PSR1913 + 16的信号测量延时约50微秒，通过太阳的延时，远远大于通过中子星的时间延迟。这与广义相对论完全相悖，而如果用折射的理论来解释，则不存在问题。 爱因斯坦提出弯曲空间是根据他的等效原理所做的理想实验。这里，他假设了一个电梯（局域参考系），当该电梯在地球表面静止时，内部一切物体都受到重力作用，并对地板产生一个压力。如果去掉地球，但却使电梯以地表加速度值向上提升，则电梯内的一切物体均会形成地球表面上的一切运动形式。如果我们只在电梯内而不知道外面的情况，则无法知道电梯在以加速度运动还是电梯静止在地球引力场中。所以引力与加速度是等效的。很显然，如果从上升的电梯左壁射向右壁一道光线。由于在光线运行过程中电梯已上升了一段距离。所以这道光线是要向下弯曲的。又因为引力与加速度是等效的，且物理规律在加速系中同等。可以推定，静止在地表的电梯射出的光线也是弯曲的。引力越强则弯曲得越厉害。由此断定光线（空间）在引力场中会发生弯曲。 这个理想的实验忽略了一个重要的前提——参考系。电梯内光线产生弯曲的参考系是电梯这个局域参考系，而光线运行轨迹的参考系是背景绝对的空间。从绝对空间来讲，光线还是一条直线。只有在电梯内光线才产生了相对电梯的弯曲，电梯的向上加速运动是造成光线弯曲的原因。电梯的向上运动本身就指明了是以静止的绝对空间为参考系的。这是一个参考系的伽利略变换。 量子空间论 如果光在空间传播是相对论的关键，那么光的发射和吸收则带来了量子理论。1900年，普朗克用他提出的量子假设来解释光发出的奇异色彩。五年后，爱因斯坦利用普朗克的量子概念来解释光电效应，即金属表面受到光的照射后释放电子的现象，并因此项成果而获得了诺贝尔物理学奖。后来，科学家在解释原子的光辐射和电子的波特性时也使用了量子的理论。量子论正确解释了许多原子现象及化学元素周期表的规律性，并继而对激光、晶体管、半导体的出现起了理论指导作用。可以说，没有量子论便没有现代的科学技术，而量子论的出现应归功于德国物理学家普朗克的量子假说。他提出物质中振动原子的新模型，从而正确计算出黑体辐射的频率光谱。普朗克假定物质原子不在连续的频率下振动，而只能在特定或量子化的频谱范围内振荡，即能量是一份一份的，每一份是一个量子。普朗克也因量子的发现并在其它科学家强烈的呼吁下，而获得了1918年的诺贝尔物理学奖。 十九世纪做的大部分光学实验都证明光是一种连续波，普朗克为解释黑体辐射而计算不同波长的能量，他必须假定光是以分离群体或说量子形式被射出或吸收。也就意味着光的产生和传导是在空间非连续分布。如果说能量或者光在空间是“跳越式”前进的，而光速的绝对性又说明光速是光在空间传播的本性。那么，光或能量有什么理由跳跃于连续的空间呢？回答很可能是——没有。所以，只能有一种可能，即空间本身是分立的。光子是在分立的空间元中依次传递。 从另外一个角度我们也试着理解一下空间分立的必然性。在我们面前摆着一个一立方米的铁块，它与一立方米的空间严格对应，铁块可以完全代表这部分的空间。无论我们将铁块分到多小，这一小块也必然会有体积。换句话说，没有体积的物质无论堆积多少也形不成有体积的实体。既然一立方米的铁块确实存在，我们就可以断定这个铁块是由有限个最小体积组成，即空间拥有分立的结构特征。相反，无限的空间将导致许多荒谬的悖论。 如果确定了空间是分立的，空间有最小的结构，那么分立的空间元之间是什么呢？（提到分立，必然有“之间”，没有“之间”的物质必然是一个整体，也就不存在分立的概念），它肯定不是空间，空间不可能存在于空间之间，它肯定与空间的性质完全对立，完全相反，我们暂且把它称为反空间（反空间是空间单元的间隔，它与空间共同组成了我们所熟悉的整体空间体积）。能满足空间与反空间特点的结构只有一种，那就是间格结构。（图中画的是平面形式，我们可以轻易想象成立体的三维形式）。每个空间元的周围是六个反空间元，每个反空间元的周围是六个空间元。这个简单的结构决定了光的特性。 在纯粹的空间中，正反空间元是完全相反的，因而是相互吸引的。每一个空间元都对它周围的六个反空间元形成强大吸引。同样，每一个反空间元也对它周围的六个空间元形成同样强的吸引。由于空间元的分布结构是完全对称且抗衡的，所以整个的空间是均匀的，刚性的，稳定的，宏观上也是平滑的，连续的。 既然正反空间元强烈的相互吸引，这说明两者是具有能量的，且分出正反，就好象一块磁铁的两极。空间是正向的能量，反空间是反向的能量。空间的结构决定了空间在宏观上能量趋于零；在微观上能量趋于最大。 当一个光子被制造出来后，这个光子会占有一个空间元。由于它打破了纯粹空间的能量平衡，这个多出来的光子能量被它相邻的反空间元吸引过去；当光子进入反空间元时，又打破了这个区域的能量平衡，于是它又被下一个邻近的空间元吸引过去。光子便会在这个正反能量场的交替中向前运行。这种恒定的运行是绝对的。光子单位时间向前运行的距离就是光速。光子在正反空间元中的运行轨迹就是频率与波长。 我们用图来加以说明。如一个光子的运行轨迹是8-9-16-17-10-11-18-19-12-13-20-21，那么，8-9-10-11-12-13-14的七个空间元便是光子运行的距离。如果我们设定这段时间为一秒，它就成为光速。如果光子的轨迹是8-9-16-17-24-25-32-33-40-41-48-49，那么，光子的速度依然相同，在一秒内运行的还是七个空间元的距离。但两者的频率和波长却是不同的。第一种轨迹是光具有的最高频率和最短波长，第二种轨迹是光具有的最低频率（υ=1秒）和最长波长 （λ=C≈30万公里）。8-9-10-11-12-13-14的轨迹是严格限制的。这条轨迹意味着光速改变了，光也失去了频率和波长。一切光的频率和波长都限定在上述两条轨迹中间。选择哪一条轨迹将取决于这个光子的能量大小。上述两条轨迹范围之外的轨迹将不再具备球波的属性。 让我们努力想象光在立体的空间中传播的景象。一群光子从一个空间元散开前进，经过一段距离，光子又重新聚在一个空间元中，形成一个波长。然后又散开前进，再聚合为一个点，在一秒钟内聚合的次数便是频率。当光子聚在一个空间的点上的时候，它表现为粒子的特性。光子在运行的时候，又表现为波的轨迹。所以，光具有波粒二象性是光与空间的本性决定的。光既是粒子又是波，但某一时刻，它只能是其中一种。 在单位时间内（或者说在单位体积内，这两种说法是相同的，后面我们将会把时间与空间同化），越高能量的光子，因为波长短，所以频率高，即聚合成粒子的次数多，它就更多地表现为动量的粒子性，相反，则更多地表现为能量的波动性。一个光子的粒子性与波动性是随着时间的延续而周期出现，同一个时间点不能同时存在粒子状态和波动状态。粒子性与波动性是互补的。一个低频率的光子在波态占用的时间长，那么在单位时间内，它更大概率地是以能量的波态出现，即粒子出现的概率与频率成正比，与波长成反比，很简单地把单位时间换成单位空间，便是粒子在空间分布上的几率波的概念。海森堡的测不准原理也可由此给出解释。 现在我们将审视一下空间与时间的内在关系。请看空间的结构图，光在空间的运行是由空间的本性决定的，它所耗用的时间也是由相同的原因决定的。也就是说，光在运行中的距离（空间）与时间是由同一原因决定，且恒定不可改变，即光速的绝对性。这样，我们就可以将最短的时间定义为空间元的边长。我们可以用空间来代替时间，这个数值就是光速。 由于空间已经指明了几何意义上正的方向，（如果几何意义上是负的，我们便都不会存在）所以时间也被指明了正的方向，因此，时间之矢是不可能倒流的。时间的箭头永远指向未来。所谓动力学的时间箭头可以倒转是一种误解，动力学时间倒转的根本含义是运动方向的倒转，倒转的运动要耗费同样长的时间。只有热力学指明了时间的方向，且规定了发展的不可逆性。 光子在空间运行的速度由光子与空间结构的本性所决定，这就决定了光速是不变的，光速是一个恒定常数。而且光速是物理世界中速度的极限，它具有绝对性、唯一性。由于光速的唯一性，那么具备光速的物质只能是光子。这就是说，无论什么物质，当它（如果）被加速到光速时，物质会全部转化为光子形式存在，即能量的形态。物质与能量是等同的，它们之间由速度而连接，物质的多少代表着能量的多少。 这个质量与能量的转化无论从动力学（质量）还是从热力学（能量）都可以简单而明确地推出。 首先，从热力学来看 一个封闭的热力学系统的温度与内部粒子的质量和速度之间有关系式， Mv2= 3kT (k是玻耳兹曼常数) 我们知道，温度是能量E的最直接量度，当我们把粒子速度定义为光速时，（此时，系统内的粒子全部转化为光子形式存在）我们就可以得到公式 E = mc2即质能公式 再从动力学来看 根据牛顿力学，一个质量为m的物体在一个引力场中的总能量等于动能与势能之和。我们要使这个运动的物体达到光速才意味着使这个物体的全部质量转化为完全的能量。使物体达到光速就意味着吸引体必须达到史瓦西半径，即黑洞。这样，得到公式： E = E动+ E势= mv2/2+ KmM/R 把史瓦西半径R = 2KM/C2代入上式得： E = mv2/2+ KmMC2/2KM = mv2/2+ mC2/2 当物体m到达史瓦西半径那一刻，也即意味着到达了光速，它的动能公式里的v变为C，于是得到公式： E = mC2 即质能关系转化公式 在爱因斯坦的狭义相对论中，E = MC2 的推导过程是不明确的，现将这一过程抄录于此。这个推导录自爱因斯坦一生独自写的唯一一本书《相对论的意义》 ················· 事实上可以认识：对于远低于光速的速度，这些动量的分量和经典力学里的相符。对于高速度，动量的增长比较随速度的线性增长要快，以致在接近光速时趋于无限大。 如果将(43)里最后的方程应用于静止质点（q = 0），便知道静止物体的能量E0等于其质量。如果取秒为时间的单位，就会得到： E0=mc2 （44） 所以质量与能量实质上是相象的；它们只是同一事物的不同表示。物体的质量不是恒量；它随着物体能量的改变而改变。由（43）里末一个方程可知，当q趋于1，即趋近光速时，E将无限增大，如果按q2的幂展开E，便得到： 这个表示式的第二项相当于经典力学里质点的动能。 由上面这一过程可以看出，爱因斯坦通过空间与时间的变换，最后得到公式E = m， 即能量等于质量。然后，爱因斯坦在质量的后面加上了一个系数C2，从而得出E = MC2。这个系数的来由并没有说清，而且系数为什么取光速的平方而不是光速或光速的立方，也没有说明。 与爱因斯坦同时代的，可以说与爱因斯坦接触最密切的物理学家玻恩在他的《我们这一代的物理学》里指出了狭义相对论，尤其是质能关系式的得出当时曾引起很大的争议。 由质能关系式可以看出，物质与能量是统一的，在现代大型粒子加速器上也用实验证明了能量与物质的相互转化。量子理论认为，一个振荡的能量场会产生激发态，激发态的波峰便是能量场创造的粒子。在前面的论述中，已经知道空间拥有强大的能量，那么就不能否认，在这个强大的真空能量场的振荡中会创造出粒子。物质由真空创造，并不是不可理解的事情。而且它们遵从质能关系式E=MC2 前面论述中已知，空间是绝对的、唯一的、静止的，因而就必须要求它有一个坐标原点，即空间的中心。由中心向外辐射的空间波引起现实空间的振荡，这个观点将在后面论述，这里我们只记住空间波的概念即可，这有助于我们讨论下面的内容。 万有引力是牛顿伟大的发现，也是物理学最伟大的成就之一，它使人类认识世界的步伐跨出了飞跃的一步。今天，我们对引力太熟悉了。人们之所以站立在地球上而不是飞上空中，便是地球的引力吸引住我们的身体。太阳系之所以存在便是太阳的引力吸引住了其它的行星，包括我们地球，所以我们才能一年四季享受着太阳的光辉。一个物体在向引力中心坠落的过程中不断地被加速，根据牛顿公式F = ma 可知引力场对物体施加了力，即引力场具有能量。被引力场束缚的物质总是呈三维的球形，这说明引力场是一个球形波能量场。 热力学定律规定，能量只能由高向低流动。能量凝聚态的物质在引力场中永远向引力最强的引力中心运动，这指明了引力最强的地方是空间中能量分布最低的地方。就是说，引力与能量成反比。而引力本身就是能量，这就意味着引力能量的方向与产生物质的空间能量方向是相反的，我们把它称为反能量，依照质能关系式，E = MC2，反能量构成的物质便成为反物质（后面论述反物质的形成）。 在空间中，分布着数量巨大的引力源，但空间波是唯一的、绝对的、均匀的，空间波与引力波都具有波的特性，当两者相遇，会产生波的相干，由引力波“切割”空间波形成一个个波包。由于空间波是均匀的，波包的大小便由引力的强弱决定，引力强度与波包的体积成为反比关系。大波包内的能量多于小波包内的能量，它们的差别导致了自然界中存在的一百多种元素质量上的差别。 波包对能量原先的均匀分布产生了“切割”作用，使得能量出现局域分割状态，波包内出现结构中心，此中心对波包内的能量产生强大的内敛作用。这种束缚是由空间本身提供的，它强烈束缚住波包内的能量形成实态的物质，这种内敛作用便是强力。由于强力是空间结构本身所造成的束缚能力，所以只有在极小尺度内才具有作用，一旦超过这一尺度，空间便跨跃入宏观的平滑状态，强力现象消失无踪。 波包内空间结构特点决定了内敛作用强度由结构中心向外缘的递减，由此造成能量密度也呈递减分布。每一个粒子都有一个坚硬的“核儿”。体积越小的粒子意味着越坚硬，能量密度越高，也就要求打开它的能量更大。粒子的这种密度层结构，决定了它的许多粒子特性。 前面已经说明了波包的体积形成不同原子量的元素，而波包体积是由引力的强度决定的。如果引力再增强，则波包会受到引力波的弹性挤压，使得波包内的能量密度增高，波包变得不稳定。当能量密度高到一个限度时，波包内一部分的能量或物质将被挤压出这个波包以达到重新的稳定状态，这就是元素的放射性衰变。引力波对波包挤压作用就是引起元素放射性衰变的弱力。因此，同样的元素在不同的引力场强度中放射衰变的速度会不同。波包在受到了强烈的引力波挤压或能量注入时，将以快速而集中的方式释放里面被束缚的能量，这就是原子裂变。 引力制造的波包在空间形成一个能量的阶梯，能量凝聚态的物质便在这个由高到低的能量场中一直滑下去，物质永远向引力中心移动。引力、强力、弱力都是空间结构的变化导致的，虽然它们的强度有着极大的差别，但它们的原理是同一的、明确的，它们都可以用空间结构来加以说明，并统一到空间结构的叙述中去。 引力场是三维的球形波，设A点为质点，B点为自由物体，且mB<< mA，围绕A点会构成有限个但难以计数的同心圆，（因为空间是有限的）每一个圆的引力强度是不同的，越接近A点，引力强度越大。这种引力强度的变化表现为自由落体B的加速度a，每一个圆则表示引力场中点的引力强度，它对应着这一点的环绕速度V= GM除以R的平方根 （v意味着刚好抵消A的引力，使B自由飘移，这里B的运动系是一个加速系，但我们的等价关系只与速率有关，与参考系无关）。由此可知，加速度a与速率v两者都可以等价地表示引力场强度。换句话说，一个加速系等同于制造出一个局域的引力场；一个惯性系等同于处在一个引力场中的某一点上。 根据牛顿定律，物体半径与质量达到关系式  时，物体便成为黑洞。黑洞意味着光也无法脱离黑洞的引力，意味着任何物体在到达黑洞的边界时，它的速度变为光速。即黑洞除了以光子的形式存在以外，它不会以任何实体的形式存在。黑洞导致空间反演，反演的空间是原先空间结构的异化，即正反空间的位置互换。畸变的空间由黑洞产生并传播出去，从而引起原先空间的振荡。空间是能量经由黑洞转化而来的。空间具有能量的属性，是能量的相变。由于空间的唯一性，这就要求空间的中心是制造空间的唯一点，这一点就是宇宙的原点，整个宇宙只有唯一的黑洞。现代天文观测有许多证据似乎支持黑洞的普遍存在。由于黑洞在原则上是不可观测的，因此，当一颗恒星或许多恒星围绕着一个“看不见”的质量运动时，我们就推测它有可能是一个黑洞。现在我们要说，它只是有着巨大引力红移（因此“不可见”），由稳定的轻粒子组成的巨大质量星体。 前面提到引力场能量是负能量，按照E = MC2，引力场制造出反物质。它与空间波创造的物质是对称的，它们质量相等、符号相反，相遇后会完全湮灭成光子。从空间结构上，可以认为物质的结构中心是空间元，反物质的结构中心是反空间元。引力场的强度与反物质的质量成正比。 在太阳中，强大的引力场制造了大量的反物质。它们与正物质湮灭并为太阳提供了巨大的能量，在太阳的中心，这种湮灭率最高。在太阳外围较弱引力场中，反物质的质量会减少，但因为外围的物质极其稀薄，这些少量的反物质要向太阳运动较长的距离才能遇到正物质，所以，日冕层里反物质的密度相对要高，导致日冕层的温度达到几百万度，远高于太阳表面6000℃的温度。同样，遥远的星系核、类星体中的巨大能量释放，也主要是由正反物质湮灭而提供的。 尽管地球的引力场非常微弱，它也在不断地制造着反物质，放射性衰变和反物质湮灭是地球内部两种重要的热量来源。反物质也是可以在地球表面测得的，只是它的质量极小，存在时间极短。 出现在星体上的反物质我们无法探测，我们最常看到的反物质出现在现代的高能粒子加速器上。从加速度与引力场等价的原理可以知道，加速器制造的是一个局域强引力场。当粒子之间撞击时，一个巨大的速度差发生在一个足够小的空间内，这个与引力场等价的加速场就会瞬间创造出反物质粒子。 黑洞是天文学中一种数学理论的产物，它一直没有被证实，它在真实世界中不应普遍存在。我们知道，黑洞的引力无限大，以致于速度极限的光都无法逃脱它的引力半径。根据反物质的原理，无限大的引力能产生无限质量的反物质，也就是说，在这个引力场中所有的物质将与同样质量的反物质完全湮灭，那么，除了能量态的光子以外，不再存在任何物质。如果反物质是被引力能量所创造的，那么，黑洞便失去了它在宇宙中普遍存在的理由。黑洞只能是唯一的，它创造了唯一的空间。 在宇宙中，到处存在着物质与反物质，物质存在的地方，就是反物质存在的地方，就象一张纸的两个面。我们生活在一个物质与反物质的世界中。 核聚变反应是与核裂变反应相对立的一种核反应理论,核裂变反应是重原子核由粒子轰击并使之碎裂，从而释放出重原子核里面的禁闭能量。这种被禁闭的结合核子的结合能在原子核中表现为质量。以我们前面的分析可知，这种结合能就是空间结构产生的紧束力量。核裂变的解释与我们对空间结构的分析虽然表示方式有差异，但原理是基本相同的。 核聚变是轻核子聚合成重核子并放出比裂变更强的能量。现代核物理的聚变模型有 质子—质子链反应 1H + 1H→2H +β++ V 2H + 1H→3He +γ 3He + 3He→4He +2 1H 总的结果是4个氢核聚合成一个氦核，同时放出26.7 MeV的能量 41H = 4He + 2β＋+ 2γ + 2V + 26.7 MeV 碳—氮—氧聚变模型 12C + 1H → 13N + γ 13N → 13C+β++ V 13C +1H → 14N + γ 14N +1H → 15O + γ 15O→15N +β++V 15N + 1H→12C +4He 总结果仍然是4个氢核聚合成一个氦核,在这个反应中，碳、氮、氧并不消耗，它们只起中介的作用。 氘氚氦聚变模型 2H + 2H →3H + 1H + 4.04 MeV 2H + 2H →3He + 1n + 3.27 MeV 3H + 2H →4He + 1n + 17.58 MeV 3H + 2H →4He + 1H + 18.34 MeV 这些核反应要加速许多入射粒子才能引起一次反应，因此耗费的能量远远超过从核反应中获得的能量。 现代核物理学认为，原子核的质量由质子和中子构成。不同质量的核，质子数与中子数也会不同。由于核子间有强烈的相互吸引的核力作用，当我们将原子核分散成彼此无关的核子时，就需要耗费相当大的能量。因此，原子核的质量比组成它的质子与中子的质量总和小。它们之间的差额叫质量亏损。按照质能关系的原理，质量亏损的那部分能量就是把质子和中子结合成原子核时将要放出的能量，也就是把原子核中所有核子分开时需要提供的能量，这一能量叫原子核的总结合能，它的大小标志着原子核稳定度的大小。由总结合能除以原子内的核子总数，便得到了每个核子的平均结合能，叫比结合能。比结合能在铁族元素达到最大值，由铁元素向两边延伸，比结合能下降。由此得出，铁是自然界元素中最稳定的，因为它每个核子与其它核子“握紧”的力度最大。因此，当两个质量数小的轻核聚合成一个较重核，或一个质量数大的重核分裂成两个较轻核时，由于比结合能的增大，都会使核能释放出来。前者是轻核的聚变反应，后者是重核的裂变反应。就每单位质量物质反应所释放能量的大小来说，聚变反应比裂变反应更有效，因为聚变时比结合能的改变更大。
比结合能B/A随质量数A的变化示意图 科学家通过光谱分析得知太阳和其它恒星上氢的含量最高，其次是氦。为了解释太阳与恒星的能源问题，美国和德国的物理学家提出了复杂的碳循环和稍简单一些的质子循环来说明氢聚变为氦的物理过程（见前述），随后氦又继续聚变以生成稳定的铁。如果恒星再大一点，则在超新星爆发的巨大压力下，铁又聚合成更重的其它元素直至铀。 这些理论就是目前成熟的核聚变理论。氢弹的爆发似乎已经无可争议地证明了核聚变的成功。尽管我们描述的非常简单，只是概括性地说出核聚变理论的框架，但这个框架已可以使我们对理论提出一些疑问。 1． 现代粒子物理学中，对粒子组成的理解是否合理？我们往往简单地将小粒子直接相加而组成大粒子，这就产生许多的问题，如β衰变过程中（放出电子），实验充分肯定衰变粒子是从原子核中发出，按照简单相加的方法，可以推断电子是原子核的组成部分，这显然与原子核中不存在电子的实验论断相矛盾。 按照前述中关于质量亏损的描述，一个大原子量的原子核是由低原子量的原子核或基本粒子直接相加组合而成，这种静止的观点是否反映了真实世界的影像。假设粒子可由更小粒子相加组成，那么一个粒子的质量应该由质子质量、中子质量，结合能质量三者之和组成，新的粒子质量由于多出的结合能质量应该大于组成它的小粒子质量之和。而实际的元素并不如此，现有理论得出的论断是否正确？ 2． 粒子聚合成更大粒子是物质创造的过程，（因为它是质量增加，能量转换成物质的过程），根据质能关系，这一过程是以吸收能量为前提的。按照热力学观点，小的粒子有序性要小于大的粒子的有序性。这样，由高熵向低熵的转化也要求以吸收能量为前提，而不是放出能量。 3． 碳循环和质子循环聚变为氦的模型，推测性过强，实验的基础薄弱，尤其是在高温、高压环境的模拟方面更是欠缺实验基础。 4． 总结合能与比结合能都不是说明原子核稳定性的依据。例如，铀核（235）的总结合能1783.9 MeV远远大于氦4的总结合能28.3 MeV，但氦核远比铀核稳定的多，同样氦的比结合能为7.074 MeV，铀的为7.591 MeV，稳定的氦核比结合能还要小于不稳定的铀核的比结合能。 5． 按照理论，由于质子携带正电荷，质子之间的正电荷互相排斥，会削弱强力的作用，导致核的不稳定。中子不携带电荷，只携带强力，它不会受到质子的电磁力排斥。因此，一个质子与两个中子组成的核将由强大的核力紧密地结合成一个十分稳定的核。但实际上，氚核却是半衰期为12年的极不稳定的核，大多数的拥有富余中子的同位素都是不稳定的。 6． 理论计算氢聚变反应所需温度应该达到10亿度以上，既使是容易反应的氘氚反应，所需温度仍接近亿度。这都远远高于认定的太阳内部1500万度的温度，太阳的聚变反应何以进行呢？ 7． 如果太阳正在进行着氢聚变反应，为什么拥有丰富的氢的太阳没有形成链式反应而一次性燥发？如果说位于太阳外层的氢由于压力不够，没有形成链式反应，那么地球上的氢弹爆炸，同样也不是在高压下形成反应。 8． 根据超新星爆发理论，铁镍核心的恒星在爆发时，受到巨大的压力和高温。很难想象，在这样极端的物理条件下，原子不是被压裂，而是被精巧地重组成更为复杂的重原子核，包括铀核。而这些铀核竟然没有在极端的高温高压下重新裂变。有没有充分的根据断定在这种极端条件下，会形成稳定的重核而留存下来？ 9． 根据太阳核聚变理论，实际观测到的太阳中微子只及理论的三分之一，这消失的中微子哪里去了？是实验出了问题，还是理论出了问题？ 种种疑问指向最终的一个疑问：核聚变理论是否行的通？如果行不通，又如何解释氢弹的爆炸与太阳的能源机制？ 氢弹的原料并不是氢，氢是非常稳定的粒子，氢弹用的是不稳定的易衰变的氢的同位素氘和氚。用原子弹的爆炸能量引发氘氚反应，从而获得更大的能量。氘与氚相对铀核来讲小得多。前面已提到过，越小的粒子意味着能量密度越高，打开它的能量要求就越大，同时，一旦打开，它释放的能量强度也更大。由于原子弹的高温打开了氘氚内部的能量，从而使它放出比铀裂变更强的裂变能量。氢弹的爆炸是一次裂变引发的另一次裂变。 太阳的能源一方面来自强引力场制造出的反物质，一方面来自于高温、高压、强引力下原子核的衰变和裂变。由于引力波的挤压，使得许多地球上可以存在的重元素在太阳上早已裂变消失。目前我们在太阳上能观测到的最重元素是金，它也有消失的一天。这些元素裂变或衰变的产物大多指向稳定的氢氦。氢氦成为恒星的物质主体。 这样说，太阳形成的历史图像将与我们现在的太阳及恒星的模式不大相同。我们将利用前面的许多结论，来合理地构建出一个太阳系历史的模型。 由空间波的振荡创造出来的物质形成弥漫的星云。任何微小的扰动都会形成不同的星系结构。一大一小两个恒星组成的双星结构是最普遍的系统，而我们太阳系星云的最初扰动有一点点特别，本来是构成两个恒星的结构却成了现在的太阳与九大行星结构，被分裂的土星和木星代替了可能的一颗小恒星（它俩的质量之和占了太阳系行星总质量的92%）。这样，九大行星就分为了密度较高的类地行星和密度较低的类木行星。现在，让我们重温一下太阳系形成的那个时刻。 一团混沌的星云飘浮在宇宙空间中，由于微小扰动，形成一个引力中心，轻粒子与重粒子向引力中心下落。在这个宇宙尘的粥里面，重粒子与轻粒子分出了密度层（因为宇宙尘的密度适当加大时，就会产生阻力，重粒子速度就会快于轻粒子的下落速度），越靠近引力中心，重粒子越多。与此同时，粒子的下落、互相碰撞、引力的拖拽，使得整个星云慢慢转动起来，此时由于扰动又产生了另两个小的引力中心，即土星木星引力中心，由于这种不规则的扰动，两个引力中心造成的不平衡引力场，又导致了其它几个引力中心的出现，从而形成了以太阳为中心的行星系。由于星云已有了初步的密度分层，使得太阳及接近太阳的行星形成高密度的类地行星，远离太阳的行星则形成低密度的类木行星，太阳由于是在引力的中心位置，它将是重粒子的密集区域。我们已经知道，引力波会挤压波包，使得元素产生衰变或裂变。太阳上的重粒子在强大的引力场中不停地裂变和衰变，放出巨大能量。可以想见，最初的太阳是一个猛烈爆发的巨型原子弹，（原始恒星常具有爆发的特点）。当初的爆发喷出许多碎块，形成在太阳系中游荡的彗星，甚至象冥王星这样的轨道与密度异常的小行星也可能是由太阳的喷发制造出来的。（在太阳形成的早期某一时段，未成形的太阳将会以固态存在一段时间）。随着时间的延伸，太阳上的重元素不断地裂变成了较轻的元素，太阳也随着稳定了下来。如今，太阳的能量主要是由裂变和衰变中等质量的较重元素及太阳强大引力制造的反物质两种方式来提供。（太阳中心的反物质湮灭率最高） 同样，我们生活的地球，在太古时期也经历了猛烈的运动，可以想见，当时的地球是一个地狱般的景象。但今天的地球却成为了一个平静而美丽的蓝色星球，我们生活其上。 地球与月亮的形成与太阳系的形成模式相同，且时间同步。月亮的整体密度比地球小。月亮的较小引力使得重元素在月亮上的衰变时间比在地球上长，如果仅根据元素放射半衰期推断，我们会得出月球比地球的年龄还要长的错误结论。 随着人类科学技术的发展，对空间的探测越来越深入，也越来越精确，人们的目光投向了宇宙的深处，用现有的科学知识和观测数据来解释宇宙，宇宙成为了物理学最大的研究对象。由于距离的遥远，宇宙现象的纷繁复杂及我们自身科学技术的不完备，使我们对同一个宇宙做出了不同的解释，形成各种宇宙论，站在不同的角度解释宇宙的部分现象。其中，大爆炸宇宙论能解释的现象最为丰富，它也成为现今宇宙学中的主流理论。做为比较，略为简述一下。 稳恒态宇宙论：它认为宇宙是在空间与时间中静止的，宇宙是无始无终的，为了适应宇宙膨胀的要求，宇宙中的粒子会被无中生有地创造出来。 运动宇宙论：建立在狭义相对论基础上的宇宙学说。这个模型设立了一个宇宙的中心，由中心在某一个时刻（t = 0）向四面八方飞散无数各种速度的粒子，这些粒子组成星系。这个模型解释了哈勃定律，但把空间与物质分开了，有限的物质在无限的空间中运动。这个模型里排斥了引力的作用。 重子对称宇宙论：宇宙的物质总体是0，宇宙是由相等的物质与反物质组成，由于特殊的机制将它们分开，从而形成了互不相碰的物质星系与反物质星系，只要两者相遇时，便会产生大规模的湮灭，巨大的能量又会将两个星系推开。但这个模型不能给出轻核素的合成，也难以解释微波背景辐射。正反物质星系的湮灭也没有被观测到。 等级式宇宙论：把宇宙划分为不同的系统，各系统有不同的物理参量。因此，宇宙是由无数个复杂的子系统组成的。这实际上否认了宇宙的统一性、简单性，把宇宙变成了无法认识的大杂烩。 大爆炸宇宙论：大爆炸宇宙学是基于广义相对论的弯曲时空建立起来的。但有意思的是，除了说明宇宙的有限无界之外，大爆炸宇宙学自始至终运用的是被爱因斯坦广义相对论抛弃的“引力”这个概念。大爆炸宇宙学是根据哈勃定律建立起来的。哈勃定律告诉我们，所有星系都在离我们远去，其退行速度与我们的距离成正比。于是大爆炸宇宙论推测在过去的时间中，它们必定是集结于一点，这一点便是宇宙的起点，它的出现才导致空间、时间及物质的出现。刚开始的宇宙密度极高，温度极高。膨胀到现在，宇宙空间中弥漫的能量已经低到2.7K的温度，这便是观测到的宇宙微波背景辐射。 大爆炸宇宙学也解释了氢氦的丰度问题。根据现有的测量结果，氢占宇宙中可见物质的四分之三，氦占四分之一，其它的元素所占比例很小。这种氢氦的丰度使科学家们推断它们应该是宇宙原生的。根据量子理论测算，宇宙起点时的温度是100亿度，此时不存在元素，只有微小的粒子。随着宇宙扩大，温度也在降低，几秒钟后，中子的丰度“冻结”在所有重粒子的15%左右，由于氦的核中是两个中子两个质子，于是形成的氦的质量为中子浓度的2倍，即30%，考虑一些核聚变的细节后，更精确的占有份额是四分之一，其余的是氢元素占四之三。这样，在大爆炸5分钟后，物质便确定了氢氦的丰度。而其它的元素是在后来的超新星爆炸中制造出来的。 由于对宇宙膨胀，宇宙微波辐射和氢氦丰度的解释，使得大爆炸宇宙学成为了主流的理论。但随后的一些问题却质疑了大爆炸理论。 1． 宇宙的早期是完全的辐射，温度降低后才形成粒子，这些粒子形成今天的星系。测算的光子数与重子数之比为10亿比1，这就是说，每10亿对正反粒子只多出了一个重粒子得以生存，并组成所有星系。这个粒子的出现象是魔术师变出来的，如果没有这个粒子，则宇宙只是一片光芒，没有星系，也没有人类。如果多出一个粒子，则宇宙的总质量就多出了一倍，与今天的宇宙就完全不同了。为什么不多不少就是这个数。 2． 为什么宇宙在大尺度上是如此均匀。观测表明，宇宙微波背景辐射在各个方向上的强度变化极小，是极其均匀的。宇宙早期的膨胀中，空间相距遥远的各点是彼此在视界之外的，它们无法交换能量以达到均匀。那么，“各自为是”的能量点扩散到今天却为何依然保持这么好的均匀性？ 3． 在大爆炸发生的100亿~200亿年后的今天，宇宙物质的密度为什么非常接近临界值，而空间几何性质又为什么非常接近平坦空间。要达到今天的平衡就意味着宇宙开始后的一秒，平衡精度要达到千亿亿分之一。这种宇宙初期的精确度就好比在120亿光年远的星系上拿一杆枪来瞄准我们地球上的一根蜡烛一样。这种高精度是什么因素来保证的。 4． 是什么原因使原始密度出现微小的起伏，而导致今天星系的存在。 为了解释这些疑问，又出现了“暴涨”理论。简单地说，就是宇宙的爆发在10-34秒~10-32秒的极短时间内宇宙的所有距离增加了1050倍，也就是1000万光年的跨度。而没有暴涨阶段，宇宙在这段时间内只会膨胀10倍，远远小于原子核的尺度。于是，暴涨理论便解释了上述的四个疑问，从而获得了广泛承认。现今的主流宇宙学是暴涨型大爆炸宇宙学。除了前面涉及到的对大爆炸理论的疑问，我们对大爆炸理论和暴涨理论提出另一些疑问。 1． 暴涨的机制完全建立在猜测基础上，数值的基础充满任意性。在一个极短的时间内宇宙得到了极大扩展，这完全失去了物理学意义。暴涨理论是为解释问题而设计理论，该理论缺少逻辑性和客观性。 2． 在解释为何宇宙在大尺度上如此均匀时，暴涨理论提到早期宇宙在暴涨过程中，将原来的微小不均匀给“抹平”了，所以才使得现在的宇宙非常均匀。而在涉及原始密度出现的不均匀导致了星系的生成，暴涨理论又解释是因为暴涨结束时的不均匀导致原始密度的起伏。同一个暴涨，既抹平了不均匀，又制造了不均匀。暴涨想什么时候停就什么时候停，而且停的如此恰到好处。暴涨没有物理规律，有的只是随心所欲的意志和纸上的计算。 3． 大爆炸宇宙论出现的处处精确平衡，使我们不得不认为宇宙真是太巧合了，维持这么多且这么高度的巧合本身就是不可思议的。宇宙如果由偶然性主宰，便从根本上排除了必然的规律性，那么宇宙就是不可认识的，宇宙不存在物理规律。 4． 大爆炸理论必然涉及到奇点。无论从逻辑上，还是从物理学上，这个奇点都是难以合理解释的。 5． 大爆炸理论在计算氢氦丰度时，虽然用了数学计算，但其基础是不稳固的。宇宙初期的温度、哈勃常数的不定、高温下粒子聚合的机制等等都是不十分肯定的，任何一项的变动都会引起氢氦丰度的改变。为什么中子丰度是15%而不是5%或50%？中子丰度的依据是什么？严密的数学计算如果建立在不严密的基础上，也不会得到严密的结论。 6． 现代宇宙观测已经表明，宇宙在大尺度 上存在着结构，是有序的，是在引力控制下的。如果空间在膨胀，那么，大尺度宇宙就不会形成蜂窝状星系团结构，结构会被膨胀所冲散。因为在大尺度上，膨胀的力量远远大于引力聚合的力量。 这些疑问由大爆炸宇宙学难以给出答案。但在我们的逻辑构架中，这些答案将非常自然地得出。 我们能不能用前面的理论来构想一个新的宇宙学模型呢？答案是肯定而且是简单的。 从静止的，因而是绝对的，唯一的空间这个原理出发，我们必然得出宇宙总体的结构是一个有着中心原点的球体。宇宙球内的物质联合形成引力中心O并向中心加速坠落。这是一个非常简单的引力场结构，根据牛顿定律可以精确了解引力场中质点的运动过程。
我们把A，B，C设为宇宙中的星系，宇宙球的引力场强度由球面向球心逐渐加强，即B点所在的引力场强于A点的引力场强度，B的下落速度大于A的速度，C的引力场强度介于A，B之间，由此得知它们的下降速度是A〈C〈B。如果以A，B，C分别为坐标系的话，都会得出其他的星系在远离自己而去。而且距离越远的星系远离自己的速度也越大，它们成正比关系，这便是哈勃看到的星系退行。由于星系数量的巨大，使我们观测的视界受到很大限制，理论上说，宇宙中存在着大范围区域是我们不可能观测到的，比如宇宙球另一面的蓝移现象。 我们知道引力波与空间波是方向相反的两种能量波，空间波与引力波都是以球心O为圆点并充满整个宇宙球的。由于方向相反的两种波的干涉会导致热量的产生，或直接理解为引力波的反物质场与空间波的物质场湮灭而产生能量，这便是均匀的宇宙微波背景辐射。在每一个质点A，B，C各自的周围，微波背景辐射的能量场是相对均匀的。随着质点向中心的移动，其背景辐射会越来越强。从大空间跨度来说，微波背景辐射的强度A〈C〈B。可以确信，地球周围空间的微波背景辐射将会极缓慢增加。我们现在的微波背景辐射的强度是很低的2.7 K，说明我们离宇宙中心的距离还很遥远，我们向宇宙球心的运动速度还很低。根据微波背景辐射，我们可以知道我们在宇宙中的位置及运动的速度。 引力强度确定了波包的大小，因此从整个宇宙的引力场来说，波包的大小是不同的，A〉C〉B，在A场中不会衰变的元素在B场中就会衰变。而且由空间波创造的物质的质量（元素）在A场中比在B场中要高。换句话说，如果在A星系中，存在最重的元素是铀，在C星系中就会是金，而在B星系中最重的元素就是铝。也许我们现在所处的引力时代是氢元素时代，一切裂变的产物会指向氢，一切生成的产物也会指向氢。氢是这个时代最稳定的物质结构，其次是氦。所以，氢氦是这个时代的元素主体，氢比氦丰度更高。 如果氢是这个时代最稳定元素，则氢以上的元素，包括氦，都应该有放射性衰变，只是衰变的强度不同。同样，在我们向宇宙中心前进了一大段距离后，我们就会处在引力场更强的区域，那时，氢也会产生衰变，稳定的元素会是比氢更轻的粒子。我们就得更改我们的元素周期表了（如果人类还可以存在的话。也许物种灭绝与此有关）。宇宙中的元素由生成时的重元素向演化中的轻元素发展。根据星系元素的平均丰度，可以大体确定星系的年龄与质量。 如果一个固定质量的星系在A处生成，然后向B处运动，由于星系本身引力的作用及宇宙球引力的作用，使得星系的物质不断转化为能量而释放出去。这样，当星系由A运行到B时，它的质量会减少，体积也减小，轻元素占物质的比例越来越大。由于越轻的元素能量密度越高，裂变时产生的能量强度更大。所以，在接近宇宙原点运行的星系，必然具有以下特征：速度快，重力大，密度高，星系小，能量强。这倒是非常符合类星体的特征。 四面八方的星系以越来越快的速度涌向宇宙中心，在距离宇宙中心的某一个半径点，这些星系会以光速运行，即整个星系变成光子辐射。在宇宙原点，即引力中心点，极高能量进入变异点产生能量的相变，能量被转化为反演的空间波从原点发射出来向宇宙球的边缘辐射。辐射的空间波与原先的空间波产生振荡，从而在宇宙球的各处又产生出新的物质，这就是为什么在星系或恒星的周围总是弥漫着宇宙尘的原因（星晕或星系晕）。星系在运动过程中，一方面在减损质量，放出能量；一方面在吸引空间中产生的物质而增加质量。由宇宙原点不断向外辐射的空间波使得宇宙整体的质量分布沿宇宙半径由外向内成平方关系递增分布。 引力是波，波只有在三维球体中才有解。球形是物质在引力场中最稳定的状态。引力波证明了我们的空间是三维的，而不是其它的维，弯曲空间概念本身就破坏了三维空间的结构。数学可以帮助物理，但数学毕竟不是物理。 空间—物质—引力通过宇宙原点构成一个封闭的循环。空间—光子—物质是能量的三种相变。宇宙是运动的，演化的，但总体上是永恒的。引力是终极的，它主宰了物质世界，也主宰了宇宙。 引力红移 经过实验的检验，我们确定光就象声波一样，存在着多普勒效应。当光源朝向观测者移动时，光会出现蓝移，而背向观测者移动时，光则出现红移。变化率与光源的相对速度成正比关系。前面已经论述过，速度是引力场强度的等价表示，速度给光波造成的多普勒效应在引力场中的一个点也会造成同样数值的移动（这个比例关系与速度和光速的比值相关）。由引力红移与引力场强度的关系可知，引力红移与星体的平均密度（重力）正比相关。 换一个角度，按照波动理论。引力波是能量，光波也是能量，光波在迎向引力波源运动是能量的加强，背向引力波源运动是能量的减弱。根据公式 E = hv 由引力场中不同高度产生的势能差便得出频率的改变，即 △v = △E势/h 这些解释都可以得到符合物理基本规律的结果。引力红移本质上讲是一个能量概念。但爱因斯坦相对论对引力红移的解释是光在引力场中由于时间膨胀导致光的振动频率减慢，于是波长加长，出现了引力红移。爱因斯坦把时间——频率设定为一个关联概念。而实际上，频率是一个能量标度。能量只能由能量来加强或抵消。 按照爱因斯坦相对论，时间膨胀可以导致光速变慢，即重力场中不同高度的光速会不同。 设在海平面上测量光速与在海拔1000米处测量光速，按照相对论，两处的计时会由于引力的原因有一个差值△t，海平面上的钟走得略慢一些。相对论告诉我们光速是恒定的。这样，我们让光通过一根1米长的真空管，在海平面上测得的通过时间与在海拔1000米上测得的通过时间不会相同，因为两者的计时器有一个差值△t。这样，我们就会得出两处的光速不同，显然这与相对论认定的光速值恒定相矛盾。 光子具有静止质量 在现代物理学中，光子被视为无静止质量，却拥有能量的基本粒子。牛顿在光的微粒说中没有肯定或否定光子具有静止质量。爱因斯坦明确否定光子具有静止质量。原因之一是爱因斯坦的运动质量公式 m = m0/
中，光子的v = C，使得公式分母为0，但光子的运动质量m具有有限值，故光子的静止质量必须为零。分母为0将导致数学上的无穷。物理学的历史已经证明，物理在数学的无穷面前总会显得束手无策，且背后往往蕴涵着危机。当初的原子结构，紫外灾难等这些连续性概念导致出现无穷，致使旧观念被否定，新理论被树立。光子的静止质量会导致相对论中无穷的出现，是不是一种暗示。 否认光子有静止质量的原因之二是光速为恒量，光无法静止，一旦静止，就不再是光，从而也谈不到光子的存在了。看起来这是一个显而易见的逻辑，但这种理解混淆了静止与静止质量的含义。静止质量在物理学中的意义是指物质本身的固有质量，而不在于它是否处于静止或相对运动状态。比如一发炮弹在静止时称量的质量为3kg，那么这枚炮弹发射出去，在空中飞行的时候，它静止质量3kg的属性依然没变。 现在，我们做一个理想的实验。我们将大量的光子封闭在一个完全不漏光，全反射的循环光路中，那么光路中的光子依然在以光速运动，然而这些光子却在一个有限的体积内。如果我们拥有极敏感的秤，我们就可以称量这些光子是不是有静止质量。当然，我们的实验做不到如此高的精度。我们只有从理论上分析光子是否有静止质量。 根据质能转换公式E = mC2及高能粒子实验，现代物理学普遍认为质量与能量是可以相互转化的。这样，从理论上讲，被压缩在一个有限体积内的能量就应该表现出质量的属性。能的最终表现形式就是热，即不同波长的电磁波。根据普朗克公式ε= hv，可知，频率高的光子比频率低的光子拥有更大的质量，且频率与质量呈正比关系，即 m = hv/C2 将该式变形得 mC2/v = h 把v换成λ得 λmC = h 即 λp = h 这样从频率与质量的正比关系中，可以得出波长与质量的反比关系，即德布洛意的物质波。 现代物理实验已用扭摆的方法对光压进行了精确的测量。即用光照射扭摆的一侧，使扭摆发生微小扭动，从而测出光对扭摆施加的力。光子对扭摆的冲击造成扭摆的扭动，就象子弹对目标物的冲击一样。这说明光子具有动量p，光子将动量传递于扭摆，而动量则是由m来携带的。根据动量公式P = mv把m = hv/C2代入，适当变换后得出 P光= hv/C 即频率高的光子比频率低的光子动量大，光压强。在光对物质的透射中，频率越高的光子穿透能力越强，这说明频率高的光子拥有更大的动量，从而拥有更大的质量。 宇宙中充满大量运动着的光子。仅测算微波背景辐射的光子数即达500个每厘米3，如果光子具有静止质量，那么，宇宙中的光子对宇宙总体质量的贡献就不会是一个可以忽视的数量。再加上由空间波不断制造的物质粒子，它们构成了宇宙看不见的暗物质主体。其他的暗物质还有不发光星体及由于引力红移使得恒星及星系质量判断失误造成的质量缺损。在观测高密度恒星，星系核及遥远的星系时，引力红移是一个必须计量的，有重要影响的量，否则会使我们对宇宙质量的估计偏低。 我们的计时钟 在物理学中，时间和长度的测量是物理实验的基础，我们在测量微小时间差的时候，一般都是使用原子振荡或电磁波频率等数值来计时。从使用角度讲是可以的，但以此做为时间的标准则是原则性错误。因为它们都是能量概念，会根据引力强度、速度、温度等改变的，如果以此做为时间的改变则是错误的理解。正象我们许多去证明相对论的实验一样。时间原则上是一个机械概念，是位置的移动所耗用的过程长短。根据空间绝对性及时间可由空间来替代的原则，时间也是绝对的，其数值由绝对的光速推出。这才是时间的标准。 加速器中的粒子 在巨型加速器中被加速的粒子不是质量越来越大，而是局域引力场强度（重力）越来越大，其物质波的波长越来越小。粒子速度提高的关键是加速器的能量密度而不是加速时间。粒子速度如果达到了相对应的加速器强度，被加速粒子则不是再提升速度，而是将加速器的能量再释放出去，粒子对加速器来讲象是透明的一样。如果使粒子速度更高，就必须增强加速器的能量密度，（即粒子加速度）而不是单纯增强加速器的体积和耗电量。越快速的粒子其特性越倾向于一个高能光子，如果能得到同样高能光子，则近似可以替代加速器。 运动粒子寿命延长 π介子是一种极不稳定的粒子，它可在实验室或宇宙射线的碰撞中产生出来，在实验室中产生的∏介子从产生到衰变约2.5X 10-8秒的寿命,而在高速运动条件下的л介子(0.99C)的生存时间可以达到1.8X 10-7秒。 这个观测事实经常被引用为相对论的一个证据，来说明高速状态下时间膨胀效应。 观测到的运动寿命延长的粒子都是轻子。我们知道，速度等价于引力场强度，一个高速粒子相当于携带一个局域强引力场，强引力场的波包体积小，这就保证了体积小的粒子可以稳定存在。如果速度一直没有变化，则可以一直保持该粒子不变，存在时间可无限延长。但由于该粒子的运动受到其它粒子对它的摩擦阻碍作用，速度不断降低，从而不断衰变，从周围吸收能量，最后形成稳定的粒子。而该粒子则衰变消失。 由于地球的相对弱引力场也会制造反粒子，并不能排除高能粒子也会在地表附近产生，π介子也可以发生于我们的身边。 太阳的脉动 恒星核聚变理论不能解释太阳的脉动现象。现代天文学观测，太阳主要存在几分钟周期和160分钟周期的脉动。由于引力中心反物质与物质的湮灭，高能量迫使太阳向外膨胀，再由于引力的巨大，使膨胀的物质又重新向引力中心汇聚，这又引起新的湮灭反应。如此循环便造成太阳的脉动。在其它的恒星上，在星系核中，在类星体中，都存在这种脉动，如果能量再强大，则会形成物质喷射或恒星爆发。（如超新星爆发）物质与能量总会自动达到均衡。一个星体的质量、体积、密度、压力、温度总会自动调整。它们的物理状态是有内在联系的。知道了一个物理状态，便可近似推知其它的物理状态。 星系 可以肯定地说，星系的大尺度结构与小尺度结构是同时演化的。从宇宙的整体看，将宇宙中心做为圆点，把宇宙看作是一层层的球壳组成，产生的物质也是按大尺度的扁平壳层平行分布的，由于球体的曲率原因，使得扁平的星云物质产生密度扰动从而分出星系，星系又分出恒星，它们同时在引力作用下在各自的系统演化自已，由于某一壳层区域存在相近的曲率，所以星系团、星系、恒星三者的质量、体积、数量存在着规律性和近似性。 从引力性质可以知道，球形是引力的最终表现形式，是物质结构最稳定状态。宇宙是由引力主宰。所以球状星系是古老的，发育最完全的星系，盘状星系则是中年星系，而棒形星系则是年轻星系。我们的银河系属于中年。越接近宇宙中心，球形星系越多，星系成对聚拢的机会越多，星系的体积越小，但发出的能量却越大，因此射电星系在数量上更多，在空间分布上也更密，类星体会较为常见，甚至超新星的爆发也是经常的，这些特征与我们这片年轻的宇宙区域形成鲜明的对照。 水星近日点的进动 水星绕太阳旋转的椭圆轨迹每年有一个偏移，根据牛顿定律计算的偏移值要小于实际的观测值。而爱因斯坦计算的进动值原先与牛顿定律的计算值一样，后来，爱因斯坦做了修改，使进动值提高了一倍，这就与水星的实际进动值比较接近了。于是水星近日点的进动便作为相对论的又一个证据。我们可以指明一个明显与相对论计算完全不符的观测事实。 美国宾夕法尼亚州大学的爱德华·吉南和弗兰克·马洛尼两位天文学家发现距我们2000光年的DI海格立斯双星的运动与相对论完全相悖，它们的质量都很大，分别为4.5和5.2个太阳质量，公转周期为10.55天，轨道偏心率0.489左右。据此，按相对论计算，其轨道应该有明显的最近点进动现象。然而事实上，当两星的其中之一运动到另一个星体之前并发生全食时，人们只观测到两次较明显的亮度衰变。天文学家根据时间建立了该双星的亮度曲线，计算出偏全食时间，并据此演绎出双星相应位置。鉴于DI海格立斯双星的观测已有84年的历史，人们拥有丰富的资料，经对3000多轨道进行详细分析，吉南和马洛尼两位天文学家计算出两星最近点进动仅为0.64度，而相对论理论推算的结果却是2.34度！ 如果相对论的解释是不对的，我们还得回到牛顿的经典力学。太阳是一个巨大的气体球，在压力的作用下，密度由外向内逐渐增强。密度使太阳分出了层次，使得太阳内部的转动与太阳外部的转动速率不一样，内部转动的速度快于外部气层的转动。由于内部物质密度较大，内部球体转动的离心效应构成对内层球体的压扁作用，而太阳外层轻薄的气体却很均匀地形成一个对称的球体，使我们无法看到太阳内部的质量分布结构。均匀对称的外部球体包含一个压扁的太阳内部球体，这种质量的不均衡会造成水星近日点的过大进动。 元素的稳定性 在科学所发现的一百多种元素中，有一部分是稳定的，有些是不稳定的。它们的稳定性似乎无规律可寻。但自然界决不是杂乱无章的。如果有两种或两种以上的规律支配一个现象，这个现象往往会迷惑我们，使我们无所适从。元素的稳定性便是如此。从弱力的论述中，已经解释了由于引力波对波包的挤压，造成元素，尤其是重元素受到弹性挤压后产生放射性，这是一个决定元素稳定性的因素。但是，许多重一点的元素为什么比轻一些的元素反而还稳定呢？比如氢的同位素氚，它的半衰期只有12年？这就取决于元素稳定性的第二个条件：几何结构。如果我们假定三维空间中最稳定的结构是球体，那么线形结构，平面结构或者三维不规则体都不是稳定的，它们易于被打破而趋于平衡的稳定结构。元素的稳定性也基于这个原理。氚的不稳定结构使得它极易衰变。 由于元素结构的分布具有周期性，所以元素周期表中的元素周期性地出现放射性及超稳固性（如He.O.Ca等）。氢元素同时具有稳定性的二个条件，所以氢是自然界中目前最稳定的元素。 大数假说 1937年，英国著名物理学家狄拉克曾比较一些基本的自然常数，提出了大数假说，由此断定宇宙是一个和谐的系统。简单的说，由有量纲常数（光速C，普朗克常数h，电子电荷e，原子质量Mp，电子质量Me，牛顿引力常数G，哈勃常数H）通过组合得到的比值，即无量纲常数往往表现出（1039）a 这个极大的数。（其中a=1或2）。由此，狄拉克断定，自然界中出现的没有量纲的这个非常大的数是彼此相关的，这个数连接了宏观与微观两个世界的本质，他将这个原理称作大数假设。具体来讲 1． 光穿过一个原子所需的时间与宇宙的年龄相比可以得到比值7×（1039） 2． 宇宙中的总质量与质子质量的比值是1.2×（1039）2 3． 以原子尺度与可观测宇宙半径的比值也是（1039） 在了解了宇宙的统一性，简洁性以后，就会发现这些大数的比值全部来自于绝对而不变的空间与时间。由绝对的空间时间导出的常数也是绝对的，大数假说反映了绝对时间和绝对空间的本质。 我们知道，不同元素的原子质量相差是很大的，可以达到二百倍，而它们的原子体积却是近于相同的，这说明波包的大小是差不多的，它“握紧”了原子。如果我们所处的这个空间区域波包的大小是由宇宙中心的引力决定的，那么，我们就可以断定波包的大小（原子半径）与宇宙的半径相比的数值等于光穿过一个波包（原子）的时间与光穿过宇宙半径（即宇宙年龄）的时间的比值。宇宙中的总质量与质子质量的比值（1039）2可以理解为宇宙中物质的质量分布随着半径向宇宙中心递增，这正与我们的宇宙模型完全符合。 由此可以看出，宇宙是整体的，和谐的，统一的。它有着最深刻的简洁性和最强的逻辑性。 数学与物理学 物理学是反映自然的科学，所以它不应该脱离存在的实体，一旦物理学借助数学的工具推向了无限状态，物理学家们往往就会警觉，因为真实的物理世界在无限面前是无意义的。这就是数学给我们带来的困惑。我们太相信数学了，因为数学有着严密的逻辑性。但我们要记住，严密的数学也是建立在几个显而易见的公理上面的。这些公理反映了我们对自然界的基本认识，从这个角度说，数学与物理是完全同一的。我们对自然的误解，如物质无限可分，一个点不占有任何体积等等则导致数学的纯思辩特征，进而产生了与物理学的差异。也导致了数学自体形成的悖论，如飞毛腿阿基里斯永远也追不上乌龟，欧几里德几何是黎曼几何的特殊形式等等。反过来，用纯思辩数学导出的物理也就不可避免地产生无限的极端结果。如果我们不想让数学成为单纯的智力游戏，而希望它成为我们认识世界的工具，显然，我们应该去掉数学里面一切的无限，使它回归自然。—— http://blog.sina.com.cn/s/blog_40e7cb7a0102vll5.html |
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