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空間收縮,局域光速度,和相對論中的規範問題
[楼主] 作者:刘武青  发表时间:2009/03/09 09:20
点击:1059次

 

Inconsistency and Problems in Einstein's General Relativity

 

Currently, Einstein's general relativity is generally regarded as a top scientific achievement, although it is very difficult to understand. It is well known that observations accurately confirm the three predictions of Einstein [1, 2], namely: 1) the gravitational redshifts, 2) the perihelion of Mercury, and 3) the deflection of light. However, the difficulties in its understanding actually came, at least in part, due to its being not a self-consistent theory [3].

 

Einstein's three accurate predictions created a faith on general relativity. Because of such a faith, few of his peers took a critical look of his theory. Although problems were raised by Whitehead [3] and Eddington [4] on Einstein's theory of measurements, they are soon forgotten since nobody was able to solve them. Currently, instead of trying to improve the theory, many theorists tried very hard to make physical sense out of just any solutions of Einstein's equation [5, 6, 7]. And such efforts often made their works sound more like science frictions than a scientific theory [8]. Unsolved problems were still there after more than 90 years although all the problems seem to be rectifiable. In other words, general relativity actually has never been well understood.

 

It should be noted that, in spite of the confirmations of Einstein's predictions, there are problems in verifying Einstein's theory as follows:

 

  • 1) The gravitational redshifts were based on Einstein's 1911 preliminary assumption equivalence between acceleration and Newtonian gravity. However, such an assumption is inconsistent with Einstein's equivalence principle proposed later in 1916 [1, 2]. Fock [9] found that it is impossible to have a metric that is consistent with Newtonian uniform gravity. This shows that gravitational red shifts can be derived from an invalid theory although the gravitational redshifts can be derived from Einstein's equivalence principle [1, 2].

 

  • 2) Although Einstein did derive the perihelion of Mercury, Gullstrand [10] pointed out in his report to the Nobel Committee that Einstein's field equation may not be able to produce a solution for a two-body problem. In other words, Einstein's derivation may not be valid. Because of this, Einstein was awarded a prize for his work in the photo-electric effects. Moreover, it has been proven that Einstein's field equation indeed cannot produce a physical solution for a two-body problem [11, 12]. Recently, ‘t Hooft [7] tried to rebuttal this conclusion with a "counter" example of his. However, this only exposed his inadequacy in some aspect of physics such as that he does not understand Einstein's equivalence principle as well as the principle of causality [7, 13]. So, the perihelion actually cannot be considered as a verification of Einstein's theory although it does suggest that his theory would be in the right direction.

 

  • 3) From both the Schwarzschild and the harmonic solution, Einstein obtained the same first order deflection of light in terms of the shortest distance r0 from the sun center [1, 2]. Then, in support of his covariance principle, Einstein [2] remarked, "It should be noted that this result, also, of the theory is not influenced by our arbitrary choice of a system of coordinates." Obviously, this gauge invariance should have been supported by all physical quantities in all orders of calculations. Recently, calculation of the deflection angle to the second order also shows gauge invariance in terms of the impact parameter "b" [14, 15]. However, careful analysis shows that this calculation actually implies that the theory is intrinsically not gauge invariant since, for each gauge, the shortest distance r0 is different from that for another gauge [16]. To defend this inconsistency, the editorial of the Royal Society claimed [17] only b is a true measurable physical quantity, but r0 is just an arbitrary label, a hypothetical construct. However, this is inconsistent with Einstein's result on the first order approximation [1, 2]. Thus, the editorial of the Royal Society has not reached the maturity in logic.

 

Because Einstein's covariance principle is invalid, general relativity of Einstein was not a complete theory. Fortunately, the Maxwell-Newton approximation has been proven as the valid first order approximation for gravity due to massive sources [18] such that the binary pulsar experiment can be explained satisfactorily [11, 12]. According to this approximation, r0 is at least accurate to the first order. Moreover, validity of this approximation implies also that the coupling constants have different signs [11] and thus the physical assumption of unique sign in singularity theorems of Penrose and Hawking is invalid.

  

This logical immaturity also led to supporting [19] to Bondi Pirani & Robin [5] who rejected Einstein's requirement on weak gravity since it is inconsistent with Einstein's covariance principle. Nevertheless, prominent theorists such as Straumann [20], Wald [21], and Will [22], who believe in both Einstein's requirement on weak gravity and his covariance principle, failed responding to this inconsistence [5] discovered since 1959. Moreover, such logic immaturity is not just isolated incidents of this Royal Society as shown in Hawking's book [23, 24].

 

Moreover, although the International Society on General Relativity and Gravitation was formed, founders of the society such as P. G. Bergmann [25], H. Bondi [5], V. A. Fock [8], J. L. Synge [26], J. A. Wheeler [27], and etc. have never reached a general consensus on general relativity. Under the auspices of this society, "General Relativity and Gravitation" is published. Surprisingly, members of the Editorial Board actually do not sufficiently understand physical principles, such as Einstein's equivalence principle and the principle of causality [22-30]. For instance, except in Einstein's original works, there are no textbooks or reference books [28] (including the British Encyclopedia [2006]) that explained Einstein's equivalence principle correctly although this principle is stated squarely in page 57 of Einstein's book, "The Meaning of Relativity'" [2]. They also failed to understand that Einstein has changed his position on E = mc2 to as only conditionally valid [31], and also the experiments of the binary pulsars. In addition, some of such theorists criticized Einstein without getting the facts straight first [8, 26].

Einstein's difficulties are due to incorrectly adapt the mathematical notion of local distance in Riemannian geometry as if valid in physics [32]. Moreover, Einstein's theory of measurement is actually based on invalid applications of special relativity [1]. Whitehead [3, p.83], strongly objected,

"By identifying the potential mass impetus of a kinematic element with a spatio-temporal measurement Einstein, in my opinion, leaves the whole antecedent theory of measurement in confusion, when it is confronted with the actual conditions of our perceptual knowledge. The potential impetus shares in the contingency of appearances. It therefore follows that measurement on his theory lacks systematic uniformity and requires a knowledge of the actual contingent physical field before it is possible."

Unfortunately, Whitehead also rejected Einstein's equivalence principle, which actually rectifies Einstein's theory of measurement [33]. His theory of measurement is also inconsistent with the observed light bending [34, 35], and is the root for ambiguity of coordinates and ended up the need of his covariance principle as an interim measure.

 

Fundamental concepts in a great theory are often difficult to grasp [36]. To mention a few, this happened to Newton, Maxwell, Planck, Schőrdinger, and C. N. Yang [37]. Einstein is simply not an exception. Unlike Newton, Einstein did not have adequate background in mathematics, and this affects the logical structure of his theory. He believed the solutions with different gauges as equally valid [2], but did not see that his covariance principle is inconsistent with his notion of weak gravity [5]. Zhou Pei-Yuan [38, 39] of Peking University was the first who correctly rejected Einstein's covariance principle but accepted Einstein's equivalence principle. Nevertheless, Einstein is a great theorist since the implications of general relativity such as the need for unification have been discovered and verified [40, 41]. However, theoretical developments [7, 41] and NASA's discovery of the Pioneer anomaly imply that Einstein's theory is clear inadequate [42, 43].

 

 

References:

 

Dear Mr. Yen:

 

I have read carefully your article of 2005 on interviewing me regarding the work of Zhou and general relativity. You are correct that some of the contents in your article need updated since three years have passed.

 

To this end, I have written a short article, 廣義相對論中的問題與愛因斯坦的自相矛盾,

on this subject. My goal is the get the readers being aware of that general relativity is far from perfect as some media advocated. I hope this article would be useful to you.

 

Sincerely yours,

 

C. Y. Lo

 

p.s. I attached also a Chinese translation of my paper of 2003.

 

空間收縮,局域光速度,和相對論中的規範問題

 

Applied and Pure Research Institute

17 Newcastle Drive, Nashua, NH 03060, USA

 

譯自:The Chinese Journal of Physics, Vol. 41, No. 4, 233-243目前大家相信,在相對論中,甚至在空間參考框架已被選擇了以後,規範條件的選擇仍然是任意的。例如,眾所周知,史瓦西 (Schwarzschild) 解和各向同性解被認為在物理上是等效的。這裏,我指出,如此的信念實際上是不正確的。例如,愛因斯坦的旋轉盤,一旦空間參考框架被選擇了,時空坐標系統的規範條件也就己經決定了。時間是如此地定義,正如愛因斯坦所要求的,一隻鐘的速率取決於這鐘的所在地。這樣,從不同的度規得來的不同的空間收縮,不能都是在物理上成立,由於這兩個度規有同一樣的空間參考框架。而且,正如愛因斯坦指出,基於等效原理,空間收縮和時間膨脹是可測量的。因此,建議在地球的表面測量局域光速度的方向性的差別,以決定那個度規是更接近實際。

 

 04.20.-q , 04.20.Cv

關鍵字:愛因斯坦的等效原理,類歐幾裏德幾何結構,愛因斯坦的物理空間。

 

 

1. 引導

 

愛因斯坦經常是發現他自己錯誤的第一人,但是也有例外的。在這篇論文,我指出愛因斯坦在1921年的書,"The Meaning of Relativity [1]"中,關於規範的問題上犯了一個錯誤。其錯誤實質是如下:在相對論,按愛因斯坦所指出,空間收縮的效果是可測量的。然而,愛因斯坦宣稱,具有同樣的空間參考框架的兩個時空度規解 (例如,史瓦西 (Schwarzschild) 解和各向同性解) 在物理上是等效的。基於事實上史瓦西解和各向同性解產生同樣的光線的偏移 [1,2] ,愛因斯坦 [1] 評論,"應該被注意到,這結果和相關的理論,同樣地,沒有被我們的坐標系統的任意選擇所影響"。

 

這是不正確的,我反駁道,因為另外的計算可能對這兩個度規坐標系統是不一樣的。原刞上,從一個空間參考框架中對任何物理量測量,不能有兩個不同的確定性的理論數值。這樣,這兩個解在物理上不能都是有效的, 由於他們給出十分不同的空間收縮。然而,為了處理這個問題,必須首先弄明白,在一個空間參考框架中1),空間座標的物理的意義。

 

眾所周知,兩個不同的度規解能夠在物理上是等效的,如果他們聯繫著不同的空間參考框架。例如,一個慣性的框架和一個旋轉的參考框架能有不同的,但物理上等效的解。愛因斯坦 [2] 考慮了一個 Galilean (慣性) 參考系統K (x, y, z, t) ;一個慣性系統的度規是

 

       ds2 = c2dt2 - dx2 - dy2 - dz2,                                                    (1)

         ds2 = c2 dt2 - dr2 - r2 df2 - dz2, 在此 x = r cos f,          y = r sin f, (1')

 

式中的單位是釐米和秒,並且c 是光速度,3x1010 cm/sec。然後,他考慮系統K'(x',  y', z', t') 在相對地對K作均勻的旋轉角速度W。這兩系統的原點,並且z和z' 軸永久地重疊著。由於對稱性2),在 K 的 x-y 平面上、環繞原點的一個圓圈可以同時被認為是在K'的x'-y' 平面上的一個圓圈。這樣,f = f' + Wt  [3-5]。然後,計算表明系統K'的度規是如下列:

 

ds2 = (c2 - W2r'2) dt'2 - dr'2 - (1 - W2r'2/c2)-1r'2 df'2 - dz'2,                           (2)

 

此處 x' = r' cos f', y' = r' sin f', r' = [x'2 + y'2]1/2, 並且 W2r'2/2c2是實效 "引力位勢"。這樣,愛因斯坦 [2] 總結地說,用一條相對於K' 在休息的測量捧,那它的直徑與圓周的商將比p 要大,並且歐幾裏德幾何學因此垮掉。正如愛因斯坦所要求的 [1,2] ,時間被如此地定義為"一隻鐘的速率取決於該鐘所在的位置"。而且,度規 (2) 對此時空坐標系統是唯一的,並且愛因斯坦的等效原理是滿足了。然而, 對度規 (2) 而言,局域光速度是各向異性的。

 

愛因斯坦用他的等效原理,由測量時間膨脹和空間收縮建立彎曲的空間。他所闡明了測量的儀器應該在相對於空間參考框架休息,可是沒有明顯地說出,他們是處於一個自由地掉落的狀態。在另一方面, 對一條附著於坐標系統的測量棒,由於測量杆和座標承受同樣的引力,所測量的局域距離和時間將現出好像引力沒有存在一樣。正如愛因斯坦的解顯示出的,基於操作而定義的局域距離和時間組成了一個類歐幾裏德幾何結構,作為一個對時空度規的必要補充。這樣,愛因斯坦的黎曼 (Riemannian) 時空有一個類歐幾裏德幾何結構,作為一個空間參考框架。而且,類歐幾裏德幾何結是構獨立於引力3) 因而也獨立於物質的分佈。圓柱形座標是顯著地在 Eq. (2) 中。然而,Eq. (2) 意味協變性 (表達於,從這個方程自由地導出張量座標轉換) 否定了Eq. (2) 的特殊坐標軸與類歐幾裏德幾何運作性結構,具有唯一的聯繫。

 

具有一個在空間參考框架中的類歐幾裏德幾何結構,一個偽黎曼(pseudo-Riemannian) 空間可被稱為愛因斯坦空間, 命名于在它的創造者。然而,應該被注意到,一個愛因斯坦空間可以不是,滿足他的等效原理的,一個物理空間。由於類歐幾裏德幾何結構只在一個物理空間是物理上有意義的,其有效性接著必須具有一類歐幾裏德幾何學結構,這似乎引起一個邏輯迴圈的問題。在實踐上,可以首先假定類歐幾裏德幾何結構存在於被考慮的黎曼時空中。由此,物理的要求被驗證,從而證實類歐幾裏德幾何結構的存在於一個物理空間中。然而,如果這失敗於某個度規,如此的一個流形便不是一個物理空間。這樣, 表面上的邏輯迴圈問題並不確實確地存在於相對論中。

 

對一全部品質為 M 的球形的品質分發,各向同性的解有下列形式[ 6 ],

 

ds2 = [(1 - Mk/2r)2/(1 + Mk/2r)2]dt2 - (1 + Mk/2r)4(dx2 + dy2 + dz2),            (3)

 

式中r = [x2 + y2 + z2]1/2,並且 k 是引力偶合常數。也注意度規是 r 的函數, 它以一個被定義於子空間 (x, y, z) 的類歐幾裏德幾何結構,那是獨立於度規 (3) 的。(座標滿足 Pythagoras 法則,儘管根據度規 (3) 沒有歐幾裏德幾何的子空間。) 因此, 空間參考框架 (x, y, z) 中的類歐幾裏德幾何結構公式r = [x2 + y2 + z2]1/2是必然地被包括在如此的愛因斯坦-黎曼時空中。還有, 對度規 (3),局域光速度是各向同性的。

 

愛因斯坦 [1,2] 最少在兩個場合中說了光的速度是 "定義于歐幾裏德幾何學的意義上"。儘管有如此的宣告,一些理論家仍然沒理解愛因斯坦的理論,因為他們意識到如此的類歐幾裏德幾何結構。反而,這些理論家宣稱了座標並且因此光的座標速度,是沒有物理意義的,儘管他們 [3-8] 接受了一個事實上聯繫了座標4) 的光線偏移。因而我抗辨此宣言是可置疑的。

 

另一方面,著名的史瓦西解[1,2],用坐標系K'(x, y, z, t), 是

 

ds2 = (1 - 2Mk/r)dt2 - (1 - 2Mk/r)-1dr2 - r2dq2 - r2 sin2q dj2,             (4)

 

式中 r2 = x2 + y2 + z2, x = r sinq cosj, y = r sinq sinj,和z = r cosq是以類歐幾裏德幾何結構座標 r,q,和 j 來定義的。而且,度規 ( 3 ) 和 ( 4 ) 是由

 

r = r (1 + Mk/2r)2,  如果 r > 2Mk.                     (5)

 

聯繫起來 [6]。這樣,度規 (3) 和度規(4)是相亙微分同構5) (diffeomorphic) [9],雖然在物理上它們是不相容的。

 

愛因斯坦的錯誤是,他無條件地誇大了微分同構的解,在物理上是一樣的。一個關鍵的問題是,是否這些度規有相同的空間參考框架。為達到這點,應該首先檢驗規範條件這概念。

 

2. 黎曼時空間中的類歐幾裏德幾何結構, 和試驗實際規範的需要。

 

對一個均勻旋轉的系統,物理空間的時空度規是決定了的。於 1919年愛因斯坦 [10] 說, 被事件作為空間參考的物體,稱為坐標系統。另一方面,除埃丁頓 (Eddington) [11] 外的許多理論家,相信了一個規範條件能被任意地選擇。這樣,澄清規範條件的這個問題便是必要的了。在相對論中,1915年的愛因斯坦非線性的場方程 [1,2] 對時空度規 gab 是

 

Gab º R ab - ½ R gab = -K T(m)ab ,                                                       (6)

 

式中Rab是Ricci曲率張量; 源張量T(m)ab是物質的能量-動量張量,可能也是依賴於gab。 然而,在這十個張量方程中,只六個是獨立的, 由於

 

ÑaGab º 0.                                                                     (7)

 

這樣,解愛因斯坦方程 (6), 需要四個更多的條件。這四個附加的條件被認為是由於在物理黎曼空間有座標選擇的某種自由,並且被稱為規範條件。

 

在規範條件的問題上有兩個極端的看法: i) 福克 [7] 提出諧和規範條件是唯一的物理上有效的規範條件。這己為一個均勻地旋轉的系統證明是錯誤的。 ii) 另一個不正確的看法是規範條件狀況能被任意地選擇 [9]。儘管埃丁頓 (Eddington) [11] 拒絕了如此的一個觀點,這個不成立的觀點仍是流行的,因為它與另外的誤解似乎相合,也就是,一個時空坐標系統能夠是任意的。這是不正確的。任意的規範條件這個假設能導致非物理解的接受 [12-14]。

 

對於品質的球形的靜態的分佈,因為 因果原理2) [15,16] ,外引力的場有球對稱靜態的對稱。它要求[6] 時空度規有該形式

 

ds2 = F(r) c2dt2 - D(r) dr2 - C(r)(r2dq2 + r2 sin2q dj2) .                           (8)

 

然而,在當前的理論,函數 C (r), D (r),和 F (r) 不能唯一地被決定。如果 D (r) = C (r) 被假定,獲得各向同性的解 (3)。然而,這不是唯一的解。如果 C (r) = 1 被假定,獲得另外的著名的解, 用坐標系 (x, y, z, t) 的史瓦西解 (4) (即用r代替 r)。

 

上面的計算表明,這兩個解有同樣類歐幾裏德幾何學與同樣的空間參考框架。這意味著那參數" r "在度規 (3) 應該與參數 "r "在度規 ( 4 ) ,在物理上是一樣的。這樣, 微分同構的度規 (3) 和 (4) 在物理上是不同的,因為他們對同樣的空間參考框架有不同的空間收縮。因此,他們不能都是有效的。儘管在時間膨脹的差別是第二階,空間收縮 (並且因此局域光速) 很不同:一個是方向性的而另外一個是各向同性的。

 

為澄清這分析,讓我們從1916愛因斯坦的論文的節22中,跟隨他推導的一些步驟[2]:

"對於長度為一的單位放在 "平行" 於軸 x,例如,我們應該必須設定(斜體是添加的) ds2 = -1; dx2 = dx3 = dx4 = 0. 因此 -1 = g11 dx12。另外,如果該單位放在 x 的軸上躺,方程(70)的第一個給出g11 = - (1 + a/r)。由這兩關係,正確到第一階小數量,接著得dx = 1 - a/2r。"

關鍵的詞 "應該必須設定" 意味著應用他的等效原理,如果它是成立的話。這個假設是必要的,因為對史瓦西度規 (4),等效原理的有效性沒被證明。(注意:但是對愛因斯坦的均勻旋轉盤,愛因斯坦的等效原理的有效性能直接地被證明。)處於一種類似的狀況,對一各向同性度規,愛因斯坦 [1, p.91] 使用另外一個短語"得到的可能性",顯示他的等效原理的假定的有效性的不確定。換句話說,這些度規的是否提供一個物理空間,也必須被證明。

 

愛因斯坦倚靠他的 1911的引力的紅移公式和水星近日點作為一時空度規合法化的依據。然而,這沒導致一個唯一的度規,由於兩個度規 (3) 和 (4) 得到相同的近似結果。而且,這兩個度規對光線彎屈給出一樣的第一階近似。這樣,這兩個度規, 聯繫到一樣的空間參考框架,但愛因斯坦的三個測試難以區分。而且,也不困難顯示出光的延遲 (另外的累積試驗6))也幫助不了這件事 [8]。這造成了這兩個規範條件是物理上地等效的的一個假印象。而且,根據懷特黑德 (Whitehead) [17] ,愛因斯坦也不知道怎樣澄清時空座標的物理的意義。

 

另一方面,這兩個度規給出不同的空間收縮,那根據愛因斯坦的意見是可測量的。由於類歐幾裏德幾何結構弄明白了空間座標的物理的意義,只一個度規可給出現實的空間收縮。(空間參考框架與規範條件關聯的唯一性,己在一個均勻地旋轉的系統的情況中被表明。) 這樣,一個局域性的檢驗6) 是需要的。為達到此目的,可用測量局域光速7) 來決定哪個度規是更現實的。例如, 對史瓦西解,局域垂直和地平線的光速度將是,分別地,

 

,           輿              .                           (9)

 

另外地,可以選擇只測量光速度的方向性差別。邁克遜-莫利 (Michelson-Morley) 類型干涉儀 [18] ,具有一隻垂直的臂和一隻地平線的臂,將會合適做這項任務。

 

 

3. 垂直的鐳射干涉儀引力實驗

 

一個實驗室的光源 S 被聚焦在一薄薄地鍍銀的玻璃板P上,把光劃分成兩條亙成直角的光線。其一反射去鏡面M1且通過板被反映回來到B1,而其他射去鏡面M2 回射到板,並且被反映到B2 。從M1 到 P 的距離是d1 ,並且從M2 到 P 的距離是d2 。垂直的光速度是cu 和地平線的光速度是ch。cu 可認作一個常數,如果 r (或 r) 的變化與地球的半徑比較是小的話。兩鏡子交替地最高的位置。當鏡子M1 在頂時 (或交替地在底部) ,時間t1 光從 P 去到M1 並且回到 Pt1 = 2d1/cu ,和時間t2 光從 P 到M2 並且回到 Pt2 = 2 d2/ch。然後,時間差別是

 

                                                          (10)

 

當鏡子M2 在頂時(或在底部) ,需時間t'2光從 P 去到M2 並且回到 P,t'2 = 2d2/cu ,並且需時間t'1光從 P 去到M1且回到 P ,t'1 = 2d1/ch。然後,時間差別是

 

.                                                        (11)

然後,

                                                    (12)

 

是全部的時間差別,對應於一距離近似地 (由於vu 和vh 比 c 小得多),

 

,         在此  - .                           (13)

 

對各向同性的規範條件, = 0。然而,對史瓦西解,我們有,

 

,     在此 Re = 6.378x106 meters,                           (14)

 

是地球的半徑,M 是地球品質,並且 G 是在牛頓的理論的偶合常數。第二個因數是 9.8 m/sec2,由此近似地 Dv/c = 6.96x10-10

 

可見的光的波長大約是 5000 Å。如果期望的效果是干涉的邊緣移動約十分之一,那麼Dd 應該是 500 Å [18]。然後,要求臂的全部的長度,大過 Michelson-Morley實驗的,大約是,

 

 (d1 + d2) » 36 meters.                                                                (15)

 

然而,vu 能確實地被當作一個常數,並且兩個規範條件之間的區分是很好地在實驗的精確度以內。實驗的精確度,將隋著臂的長度增加,而增加。而且,有效的臂長度將增加若干倍,如果每條光束來回地在很多鏡子之間被反映 [1]。也請注意:頂,底部,和地平線的選擇位置將幫助檢測機械拉長並且壓縮的效果。

 

 

4. 評論

 

目前,各向同性的解被用於-牛頓的近似 (由埃丁頓開始的 [11]),它被用來追蹤太空船[19]。斯坦福實驗,引力 probe-B [20],也將用,與各向同性的解相容的,弱引力線性的方程來檢查。而且,這個弱引力的線性的方程能,用獨立於愛因斯坦的 1915 方程的方法,推導出來 [15]。在另一方面, 更簡單的史瓦西 (Schwarzschild) 解是被用於準確的計算 [1,6-8] ,並且也在黑洞覌念的發展中使用 [8,9]。請也注意到那度規 (2) ,毫無疑問地,不是各向同性的。因此,難以決定地球的度規是準確地各向同性或各向異性,將被實驗所贊成。雖然如此,基於實驗性結果,相對論將必須通過一個新評審。

 

理論上,各向異性的光速度的存在,是被度規 (2) 所表明了。然而,作為附加的證據,將是困難產生一足夠大的角速度W ,以便由測量局域光速,能直接地驗證度規 ( 2 )。幸好, Sagnac 效應 [21],(在一個旋轉的物體,兩光線以相反的方向在相同的回路傳播的干涉效果) 為各向異性的光速度的存在,給以間接的支持。

 

一個相關的問題是實驗室將繞地球的軸轉。然而,由於地球角速度 W(»  7.3  x  10-5/sec )是小的,在赤道上,由於旋轉而產生的有效引力位勢 W2Re2/2c2只是Mk/Re的 1.7 x10-3。這樣,在測量局域光速度到第一階近似中,如此由於旋轉的效果將是可以忽略的。然而,諧和解和各向同性解之間的差別在第二階近似 [6] ,並且,如果區分他們是必要,這樣如此的旋轉的效果就必須被考慮。

 

在節三提及了的實驗只是一種理想化的狀況,目的是表明如此的實驗的在原則上是可能。然而,在實際的情形,就象其他的精密實驗,有許多實際的問題要克服,例如減少並且估計任何干擾。這裏,我們將給一些初步的考慮。細節將在另一論文 [22] 發表,儘管一個完全的方案,是實驗物理學家所承擔的工作。

 

一個嚴重的問題顯然是從引力產生壓縮和拉長儀器的臂的效果,由於他們必須處於,在不同的時間,一個垂直或一個地平線的位置。由於如此的干擾,限制不明確的變化少於不到臂長的6.96x10-10,將是很困難的。如果一隻臂處在強大的壓力下面,由於引力的壓力效果能被減少。而且,由於引力拉長或壓縮得出變化的規則是可以得到的。

 

然而,克服如此的引力的效果的干擾並不是全新的問題。一個由北京大學周教授[22]領導的實驗組,曾嘗試測量垂直的和地平線的光速度之間的差別8),並宣稱在 1990得到10-9的精確度。他們的實驗,基於 Fabry-Perot 干涉儀,直接測量了光速度[23]。由於這儀器是設在一個真空管子中,儀器的重量將必然比一隻簡單的臂重。這樣,引力拉長並且壓縮問題將被增加。然而,如果整個的儀器在一個大真空房間內,這個問題是能解決的。他們的減少拉長並且壓縮效果的方法是把旋轉的軸放在管的中心,如此在一個垂直的位置,壓縮並且拉長被一些相亙抵消所減少。因為管子是直的,這設計能夠實現。

 

1979年,伊爾馬茲 (Yilmaz) [24] 建議一類似的設計為局域光速度實驗 9)。然而,如此的設計對 Michelson-Morley 實驗的舊版本是困難的。基於測量干涉移動大小,此舊實驗的基本的設計是L 形狀。對此設計,把旋轉的軸放在 L 的角落,似乎更適當,並且可分別測量拉長或壓縮的效果。由於局域光速度能直接地並且精確地用現代的技術米測量 [23,25] ,為了避免這個機械拉長和壓縮問題,可以比較不同的高度的,地平線方向的,局域光速度;在地球的表面上的,地平線方向的,局域光速度;和在一顆衛星或飛船上的局域光速度,如果同一儀器被用於所有的情況的話。

 

不幸地,周小組的實驗 [23] 在初步的結果獲得以後,中止了。一個主要的問題是,實驗似乎基於相信史瓦西解和諧和解10 )是獨立的 [26]。而且,理論家們如劉教授 [4] 自定義一座標光速,對一個正交系統,這樣的光速度是永遠各向同性的。俞教授 [5, p. 58] 誤導地宣稱:所有的可測量的數量必是標量。面對現存 "理論" 的襲擊,證明他們實驗的正當性,是困難的,因為空間參考框架座標的物理的意義,當時還沒有澄清。雖然如此,他們的嘗試郤標誌了一種重要的新類型的實驗的開始。由於選擇了空間收縮問題,周的小組顯示出很好地掌握了愛因斯坦的等效原理。當然,還有另外的技術能用於測量有關空間的收縮,但這是在這篇論文的範圍以外了。現論文僅限於顯示出需要,並且原則上可行,做如此的實驗11)

 

愛因斯坦的理論的一個主要的問題,根據懷特黑德 [17] ,是時空座標間的物理意義不清楚。這樣,泡利版本的等效原理和數學的協變性便接管了,並且相對論將變得基本上僅僅是一個在名義上的物理理論。沒有關鍵性的時空座標的物理的意義,相對論的當前的理論是相當任意的,並且理論上不是一貫的 [12-16,27]。然而,這篇論文了顯示出,空間時間座標的物理的意義,實際上在愛因斯坦的相對論的理論框架以內存在。因此,先前的含混不請不再是可接受的了,並且有理論上的需要測量與空間收縮有關的量。希望,由於澄清這些問題,這篇論文將復蘇對此類實驗的興趣,並且從而幫助推進使相對論更富活力。

 

鳴謝:

 

The author is grateful for stimulating discussions with Professors A. J. Coleman, P. Morrison, A. Napier, and W. Oliver. The author is also grateful to the referees for their valuable comments and suggestions. In particular, the author appreciates very much the information about the Sagnac effect and the work of Yilmaz. Special thanks are due to Mr. J. Markovitch for useful suggestions on the presentation. This work is supported in part by Innotec Design, Inc., USA.

 

 

注釋:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

參考文獻:

 

   4. 劉遼,相對論 (高教育出版社, 上海, 1987), pp. 26-30 。

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 22. 魯重賢 與 王釧,"關於相對論的規範條件的實驗測試",在準備。

 23. 李永久, 趙之貴, 周曉凡, 周培源,"在地球的表面上的地平線並且垂直的方向的光速度的相對的差別的測量", 第四個亞太的物理會議紀要, 漢城, 朝鮮, 1990年8月13-17日, 2, 1155-1159 。

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REFERENCES

 

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29. C. Y. Lo, "On Criticisms of Einstein's Equivalence Principle", in preparation.

 

 



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刘武青
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