物理学中的相对性与绝对性

             (The Relativity and Absoluteness in Physics)

关键词    相对性 (relativity)  绝对性 (absoluteness)  哲学 (philosophy)  物理学    

(Key Word)  (physics)  绝对静止坐标系（the reference frame of absolute rest）  绝对物理量  （absolute physical measure）伽里略变换（Galile transform）  叠加原理（the superposed principium）  相对运动坐标系（the reference frame of relative motion）   相对物理量（relative physical measure）  洛伦兹变换（Lorentz transform）  相对真理（the relative true）  绝对真理（the absolute true）

内容提要：在绝对静止坐标系中一切物理量都是绝对量，相对于绝对静止坐标系运动的坐标系间的变换遵循伽里略变换，其物理量服从叠加原理，为相对物理量，牛顿力学适用。但大爆炸原点不在我们所在的宇宙中，因而，找不到建立绝对静止坐标系的参照物，只能建立相对运动坐标系。在此坐标系中，一切物理量都是相对物理量，坐标系间的变换遵循洛伦兹变换，不服从叠加原理，牛顿力学成为相对论的低速近似。

Content Summary：All physical measures are absolute measures in the reference frame of absolute rest ，the commutations between the motive reference frames  relative to the reference frame of absolute rest will follow Galile transform ，the physical measures defer to the superposed principium ，and it is one kind of the relative physical measure ，which is applying to Nuwton mechanics 。Because of that the origin of the big bong does not exist in the universe living by us ，so in the universe living by us the refernce for the reference frame of absolute rest cannot exist ，can but constitute the reference frame of relative motion 。In which all physical measures are relative physical measures ，the commutations between the reference frames will follow Lorentz transform ，the physical measures can not defer to the superposed principium ，Nuwton mechanics becomes the approximation of Einstein relativity at the lower velocity 。

      物理学在一开始就与哲学紧紧地联系在一起。哲学的思维始终影响着物理学的发展，物理学的新发现又影响着哲学的新认识。其中，尤以相对性与绝对性最为突出。

      物质的运动和变化是绝对的，静止和不变是相对的。这作为一般的哲学思维是哲学家和物理学家都接受的。但物理学更需要的是对客观世界的有效描述，而描述就必须选定参照系（在数学上就是坐标系）。参照系不同，对同一客观对象描述的结果很可能不相同（数学结果，甚至数学关系会不同）。

      在牛顿时代，物理学形成了建立在绝对静止坐标系上的时空观和牛顿力学体系。在绝对静止坐标系上对具体物体的运动描述是基准描述，其相关的运动物理量，如时间间隔和空间位置（包括大小和形状）、速度、加速度、力、能量、动量和角动量、温度等等都是绝对物理量。一切物理常数都是绝对常数（绝对量），一切物理量的度量标准都视为（包括时钟和量尺）恒定的（绝对标准）。物体的惯性质量是其固有属性，不随运动而变。而相对于"绝对静止坐标系"运动的坐标系间的变换遵循伽里略变换，其物理量服从叠加原理，为相对物理量。尽管当时科学界已经否定了地心说，信奉了日心说，知道地球不仅有自转和公转，还随太阳绕银河中心旋转，再将地球作为绝对静止坐标系的参照物是不对的。但牛顿力学在工程领域的杰出成功，长期地使人信奉为完美的自然科学。虽然，坐标系是在具体的参照物上建立起来的，所谓的物理量都是与具体的研究对象--物体或物质相联系的，都应该从属于该物体或物质。但当时的哲学思维却脱离了牛顿和伽里略早先的认定，变成了：时间和空间是独立于物质（或物体）的自行流逝的无始无终的绝对时间和无限伸展的空旷的绝对空间。这绝对时空是物质运动、演化的舞台。而且认为相互作用是可以超距瞬时建立的。

      量子统计现象首先动摇了牛顿力学的完满形象。而寻找绝对静止坐标系的参照物--以太又一无着落。爱因斯坦从电磁场理论和相对运动坐标系直接描述物体运动问题着眼，建立起了相对论力学，打开了人们的新思路和新视野。在天体物理和高速运动及核技术方面的巨大进展，得益于相对论力学的杰出理论贡献，使绝大多数科学家信奉了爱因斯坦相对论，爱因斯坦被公认为二十世纪对人类文明发展贡献最大的自然科学家。狭义相对论是描述惯性运动坐标系（绝对静止坐标系是其中之一）中物体运动的物理科学，牛顿力学成为其低速近似。广义相对论是描述非惯性坐标系（有引力源的或转动的）内物体运动的物理科学。在这个体系下，时间和空间是与物质（或物体）紧密联系不可分割的，其相关的运动物理量，如时间间隔和空间位置（包括大小和形状）、速度、加速度、力、能量、动量和角动量、温度等等都是相对物理量。不同惯性坐标系间的变换遵循洛伦兹变换，其物理量不服从叠加原理。光速与其光源的运动速度无关。物理量的度量标准与运动速度有关，特别是时钟、量尺和质量。相对论的宇宙观指出：宇宙的时空有始有终（始于宇宙大爆炸而终于黑洞），不是无限的，而是有限的。相互作用不是超距的，而是通过媒介（作用子）传递的，因而需要时间，其速度不超过真空光速，故而具有推迟势。真空光速是个有限值，真空光速是物质运动速度的极限，特别地，有静止质量的物质的运动速度不可能达到真空光速。

      由于某些佯谬的困扰，由于相对论与量子论统一的困难，也由于相对论的有限时空观与宇宙无限的传统哲学观念的矛盾，总还有部分科学家对相对论持保留态度。如今有静止质量的中微子以 30万公里/ 秒的光速传播，天文学又发现有二个星系以远高于30 万公里/ 秒的速度分离，使更多的人开始怀疑爱因斯坦相对论。否定者有之，修正者有之。

      本人在大学学习期间，看到光从光疏物质进入光密物质（或反之），光线发生折射，折射率与光在媒体中的光速有关。光速的不同，不能用媒体分子或原子的碰撞来解释，因为分子和原子的间隙远比分子、原子大，只能从分子、原子间的电磁场强度的差异来解释，特别是晶体中的双折射现象。既然电磁场能改变光速，强引力场也会改变光速。因而，我对爱因斯坦说引力使空间弯曲，导致光线弯曲，一直抱相反的看法。认为是引力场强的大幅变化，使光速变化，光程线成曲线，使空间看起来似是弯曲了！从天文学知识得知，星系空间中充斥着引力场、电磁场，而它们都是物质（只是无静止质量而已！）星系空间还充斥着微粒流（电子、中微子、α粒子和其它粒子）和电磁流体，还有空间气体和星际尘埃，因而，把星系空间视为真空肯定是不正确的，把其间测得的 30万公里/ 秒的光速视为真空光速肯定是不正确的，真空光速肯定另有其值，也应大于 30万公里/ 秒。爱因斯坦明确说的是：真空光速是个有限常数，而光速可变又是个实实在在的事实，而有些人把它变成：光速不变！或者以此来责难爱因斯坦相对论，或者以此来搞相对论与量子论的统一，搞不成而责难爱因斯坦相对论，岂不怪者！另外，量子论的时空是分立的，相对论的时空是连续的，时空几何不统一，不先解决这个问题，搞二者的统一，怎么成呢？！我还注意到，相对论指出：引力和相对运动破坏了同时性。既然这样，特别在宇宙学中使用单一时钟的单度规时空，能客观地描述吗？！量子现象中，粒子的运动速度不是单一的，遵从麦克斯韦速度分布率，这样一来，也有相对运动，同时性也不满足，量子理论中仍使用单一时钟，合理吗？！大爆炸理论和黑洞研究的进展促成了我的正交的多宇宙多度规时空理论的形成。

      正交的多宇宙多度规时空理论指出：由宇宙大爆炸形成的一个多宇宙体系 (中心是宇宙体系的中心黑洞，周围是众多的正反物质宇宙，外层是光子层。每一个正宇宙对应的反宇宙在中心黑洞的另一侧 )自形成至今一直在加速膨胀(早期是暴涨，后来近 200亿年也有较快速的膨胀，现在已处缓和的加速膨胀期，其加速度越来越小)--形象化地说，就像一堆肥皂泡，个个都在膨胀，总的宇宙体系的时空在加速膨胀，每个宇宙（包括中心黑洞）的时空都在加速膨胀（具体的计算见我的书《大爆炸形成多宇宙时空》）。而我们所见所在的宇宙是其中的一个物质宇宙。它与周围的其它宇宙以光子层相接相切，它与宇宙的中心黑洞也以光子层相接相切，并以切点处中心黑洞的视界光速运动，当前是 30万公里/ 秒，这也是我们所测到的星际空间相光速。并已随中心黑洞转过了30度。由于缓和的加速膨胀期非常之长，光速变化很小（在今后的2×10 ⁸ 百亿年内光速只仅仅增大1/3 ，宇宙整体再转过了15⁰ 。），所以我们几乎感觉不到光速的变化。 中心黑洞从形成之初就不断地吞噬其周围的正反物质宇宙，其膨胀速度（尤其是其质量）快于其周围的正反物质宇宙，当它占有了大爆炸时宇宙体系的总能量的近 89% 时，由克尔黑洞（旋转椭球体）演化成史瓦西黑洞（球体），其周围的正反物质宇宙也都由旋转椭球体变成球体，此时中心黑洞的视界光速处处为 40万公里/ 秒，其周围的正反物质宇宙的运动速度和星际空间相光速也都是40 万公里/ 秒。中心黑洞及其周围的正反物质宇宙（即整个宇宙体系）进入了收缩期，当中心黑洞吞噬光其周围的正反物质宇宙时（占有了整个宇宙体系的全部能量），成为裸黑洞，其视界光速达到最大值-- 80万公里/ 秒，这就是爱因斯坦所说的真空光速。这时与周围的时空不再有相互作用，它不可能再从周围的时空吞噬物质，而是通过越来越强的驻波辐射和霍金辐射不断向周围的时空辐射场物质及其能量（辐射频率也越来越高），而减小其质量和尺度（但密度越来越大），到临界尺度时（这个尺度比纳米还小），其内的白洞爆炸，宇宙的大爆炸再次发生！新宇宙体系"创生"的过程又开始了！

      这个理论表明，就宇宙的大爆炸创生的宇宙体系而言，宇宙的时空是有限的，时间有始有终（长的而言，从大爆炸起始，到中心黑洞内白洞的爆炸而终；短的而言，从大爆炸创生的宇宙体系起始，终了于中心黑洞吞噬光其周围的正反物质宇宙之时）空间也是有限的，最小为临界尺度（1.6× 10^-13 米），最大为膨胀期结束时的尺度。但若以大爆炸之前是大收缩，大爆炸后新宇宙体系经膨胀期后又再度收缩到临界尺度再次大爆炸。如此看，宇宙的演变是无始无终的，其绝对寿命是无限的。我们无法认定，我们是处于第几次大爆炸所形成的新宇宙体系中！而这个理论并不排除，离我们相当远的地方又存在其它的宇宙大爆炸（不论是同时的，还是非同时的）及其形成的宇宙体系。如果这样，宇宙在总体上，其空间也会是无限宽广的。不过，这个理论指出：零点这个奇点是不存在的！物质不可能收缩到零点（特别是单靠引力，物质连压缩到 11倍普朗克尺度内都不可能！并非像一些科学家想当然地认为，引力可将物质压缩到零体积！）不管黑洞的收缩力多强大，在其中心的白洞的中心存在一个内边界，超越这个边界，就是没有物质存在的绝对的真空（我称之为绝对零真空）！（具体的计算见我的书《大爆炸形成多宇宙时空》）。同样道理，绝对零真空存在于任何天体的中心和每个基本粒子的中心，即基本粒子都是空心的！我把那个内边界称之为相对零真空，在那里物质的运动速度为零（它不具有越过边界进入绝对零真空的能力！）。另外，宇宙不管膨胀多久，由于其最外界的物质的运动速度不可能超过 80万公里/ 秒，它终存在还没能到达的地方，那儿也是没有任何物质存在的，因而绝对无穷大真空也应是个客观存在。因而，物质宇宙的时空存在外边界（尽管它在无限地扩展），这个外边界我称之为相对无穷大真空。所以，物质时空的存在区间是（0，∞），而非[0，∞]，奇点0 和∞被排除于物质时空之外！绝对无穷大真空和绝对零真空是被物质时空分隔开来的，是永远不可能相遇的。

      在我的理论研究中，大爆炸点作为绝对静止坐标系的原点的参照物。我认为绝对静止坐标系是一种特殊的坐标系，虽然它也是惯性坐标系，但与那些作匀速直线运动的惯性坐标系不同，在那里所有的其它惯性的、非惯性的运动，它都能用牛顿力学正确地描述，在那儿时间和尺度都是标准的--绝对时间和绝对尺度，在那儿适用伽里略变换，速度（包括光速）都满足叠加原理。（例如，我们所在宇宙中的光速，在此绝对静止坐标系中看来是 60万公里/ 秒--绝对光速，而作为 我们所在宇宙这一相对运动坐标系来看是30 万公里/ 秒--相对光速，这相对光速确与光源的运动速度无关 。但根据C = C _∞exp [-σ₁ ζ- σ₂ E²] ，光速由途经的空间的物质密度 ζ和场的强度E 而改变，即光速与时空的本征特性相关。） 而作匀速直线运动的惯性坐标系，严格地讲只有狭义相对论才能正确地描述其它物体相对于它的运动，在那儿伽里略变换不适用，适用的是洛伦兹变换，光速与光源速度无关，不能叠加。在那儿，一切测量都是相对量，无论是何种时间和尺度，都是相对时间和尺度。在低速下近似地得到牛顿力学的结果。而非惯性坐标系须广义相对论才能正确处理。由于我们所见所在的宇宙相对中心黑洞是既有平动，又有转动，大爆炸点在其之外，所以，不可能在我们所见所在的宇宙内找到绝对静止参照点和绝对物理量的计量参照物。在我们所见所在的宇宙内不可能建立绝对静止坐标系，牛顿力学只能是相对论力学的低速近似。

      正交的多宇宙多度规时空理论指出了量子现象遵从统计率的根源（多宇宙多度规时空的度作用造成的），物质波粒二象性是时空量子化、频谱化的结果，测不准率是Δ S≠0 的缘故。也论证了中微子问题和二个星系的分离速度远超30 万公里/ 秒并不与爱因斯坦相对论矛盾。还提出了统一场方程组的一般形式。这个理论的三个具体结论（宇宙还在加速膨胀，我们所在的宇宙的尺度和它是旋转椭球形的）先后为天文学的新发现而证实，并且还有许多具体结论可以通过天文学和物理实验的检验。关于黑洞的温度和熵公式得到了优于霍金的结果。但唯象化的数学处理需要更严密的数学支持，一系列的具体结论有待科学实践的验证。而且，宇宙很可能具有并非一处的大爆炸形成的多个宇宙体系，彼此之间可能有相关联的相对运动，再则，多次大爆炸和大收缩可能并不保证能量守恒，这些都表明它不会是物理学的最终理论（我认为最终理论是不存在的），它还是相对真理而非绝对真理。

                                             2007年10月7日