跨越现代物理与经典物理之间的鸿沟                                          陈绍光                                                     

                              江西省科学院  江西南昌 330029

摘要：以相对论和量子力学为标志的现代物理与以牛顿力学和电动力学为标志的经典物理之间的鸿沟的形成和发展，是一部灿烂的物理学史。涉及到众多的物理学大师及其代表的科学研究模式，甚至不同哲学流派也介入到了其中。1607年伽利略用的时空称为测量的时空，抛弃了超距作用和伽利略变换的牛顿力学称为广义化牛顿力学。本文从测量的时空中的广义化牛顿力学得到了跨越鸿沟的三个桥墩:1单向光速测量法、2用多普勒效应推导出洛伦兹变换、3用多普勒效应推导出测不准原理。用三桥墩建立了狭义相对论和量子力学的主要原理。另外，分别从量子场论和广义相对论导出的新引力公式中内含了现代物理的主要方程。作为桥梁的新引力公式架在三个桥墩上，它就从基于假设变成了基于牛顿力学的实验测量结果，从而现代物理就平稳地从经典物理产生了出来。新引力公式也提升为既包含现代物理又涵盖经典物理的自然力学方程，并得出了大量的推论和预言供实验检验。

关键词：自我循环的惯性系  洛伦兹变换  测不准原理  测量的时空  新引力公式  自然力学方程

1、鸿沟的产生与演变

牛顿力学的辉煌与缺陷：  

   牛顿力学从产生之日起，就具有物理学的基础地位。直至19世纪末，她几乎将物理学的所有分支都纳入到了她的体系之内。她的惯性坐标系概念和伽利略变换是所有物理学分支必需遵从的共同规则。也正是这个规则中存在的固有缺陷，导致了她的一统天下的地位发生动摇。   固有缺陷①：惯性系定义为匀速直线运动的坐标系。但要确定某坐标系是否是匀速直线运动的惯性系，又必需在匀速直线运动的坐标系中进行测量才能判断，在加速坐标系中进行判断必然出错。这就使惯性系陷入了自己判断自己的逻辑自我循环中。也就是说，要确定某坐标系是否是惯性系必需先找到一个惯性系来做判断标准，可第一个惯性系又如何来判断确定呢?而且在现今的测量精度下，我们在地球上再也找不到一个真正的惯性系了，这意味着‘伽利略船’的概念己成为历史。   固有缺陷②：伽利略变换的基础是空间中处处有相同的时间，称为绝对同时。信号的传递无需经历时间或传递速度为无限大，才能将各处的钟校准到绝对同步。物体间的相互作用也无需经历传递时间，为瞬时即达的超距作用。绝对同时和超距作用符合于伽利略1607年的光速测量结果：光从一个山头传递到另一个山头再反射回到发出光的山头似乎无需经历时间。但是，伽利略变换要求的光速无限大不符合后来的观测结果，伽利略变换的推论在高速时也与实验相矛盾。   牛顿力学体系是开放的体系，其模式是实验-理论-再实验-再修改理论的不断循环，从而具有自我更新和不断发展的功能。这也是她能够包容和涵盖流体力学、弹性力学甚至经典电子论等众多学科的前提。她甚至能容许光速为有限值的观测与实验结果，来挑战作为自己的理论基楚的伽利略变换。
 

动摇牛顿力学基础的电磁学：  

  电学、磁学和光学几乎是与力学并行发展起来的，其实验和理论的发展速度却快于力学。电磁学推迟势的提出和成功应用，给了牛顿力学体系的超距作用观点有力的冲击。尤其是1865年将电学、磁学和光学统一的Maxwell方程,明显地不满足伽利略坐标变换。其预言的电磁波1887年被赫兹、波波夫和马可尼等人实验证实后,对于伽利略坐标变换的绝对同时是最直接的冲击。   人们常常认为，迈克尔逊-莫雷实验否定了以太的存在，是相对论建立的实验基础。其实不然，爱因斯坦在‘论动体的电动力学’论文中只字未提该实验。我们[1]发现该实验的原理是错误的，它是在光波长和光频率均各向同性的前提下，由光速各向异性的光程差推导出待测的相位差。实验原理的自相矛盾，实验结果就是无效的。因此，它并没有对以太的存在做出肯定或否定的判断。

相对论的成功与不足：  

  狭义和广义相对论在发展牛顿三定律和引力定律中无疑是成功的。成功的表现为：相对性原理的坐标变换不变量由伽利略变换改成洛伦兹变换,解决了牛顿力学的固有缺陷②，从而能解释更多的实验结果。但固有缺陷①惯性系定义的逻辑循环仍未解决。有人会说，用‘无弯曲’的平直空间的自由运动定义惯性系不就解决了吗?这与用‘加速度为零’定义惯性系是一样的。当用测量来判定是否‘无弯曲’或是否‘加速度为零’时，还得在惯性系或局域惯性系中进行。因此，狭义和广义相对论中仍存在着‘逻辑循环的惯性系’缺陷。

量子力学的神奇与疑难：   

  量子力学用‘不连续的能量子’和‘测不准原理’两大假设取代牛顿力学的‘能量连续变化’和‘初始和边界条件给定后运动方程能唯一地确定运动轨迹’，神奇地解释了许多牛顿力学不能解释的实验结果。尽管量子力学基本假设的物理内含疑难重重，至今仍争论不休。但在争论中量子力学得到了蓬勃的发展。   量子电动力学及其推广的量子场论是满足相对论的量子力学，它必然继承了相对论的成功与不足以及量子力学的神奇与疑难。其发散困难更为突出，这是因为量子力量的统计特性本身带来了无穷多个自由度，再加上相对论实质上也是统计意义的（后文有详细论证）又带来了无穷多个自由度，导致量子场论的自由度为无穷大的平方。尽管用‘重整化’等一些巧妙的方法回避或临时绕过了发散困难，但并不是真正解决了问题。因此，量子场论是个尚待完善的理论。

公理化模式与传统模式：  

  量子力学的成功与相对论用‘光速不变原理’和‘等效原理’两大假设的成功如出一辙。用的都是以假设的原理为前提，通过严密的数理逻辑推导得出结论的公理化模式。现代物理的公理化模式是封闭性的，强调绝对的是非对错，欲一步直达最终的绝对真理。爱因斯坦的天才成功使公理化模式在20世纪后开始流行。   20世纪之前经典物理的传统模式是以实验为基础的积累模式，是实验-理论-再实验-再理论的不断循环。积累模式是开放性的，从17世纪初延续到现在，一直是多数物理学家奉行的主要模式。其强调实验是判断是非对错的唯一标准，一切理论都只是相对真理，需要继承与发展。   研究模式上的南辕北辙构成了现代物理与经典物理之间的鸿沟，尤其是不同的哲学流派也介入到了量子力学的物理诠释之争，甚至夸大为唯物主义与唯心主义之争，使鸿沟进一步扩大到似乎不可逾越。

用单向光速的测量得出‘光速不变原理’：

新引力公式与绝对存在的‘等效原理’：

   新引力公式是吸收了微粒子碰撞的引力起源学说和广义相对论的精华，再融合到量子场论而形成的。其最基本的核心内容是微粒子碰撞产生了不可线性叠加的引力，也就是说，引力具有屏蔽效应。由于新引力公式中的引力质量就是惯性质量，等效原理绝对成立。新引力公式与广义相对论可相互推导出[8]，产生引力的微粒子就成了广义的‘引力子’。新引力公式用物理质量可变导致的引力不可线性叠加,取代爱因斯坦方程数学形式上的非线性，成为了广义相对论的新版本。

新引力公式融入量子场论：

   新引力公式贯通了经典物理和现代物理，并涵盖这两者成为统一的自然力学方程[9]。新引力公式的核心思想是质量可变及其伴随的引力屏蔽效应。它可以溯源到量子场论的质量‘重整化’的质量可变及其伴随的引力屏蔽效应。也可以溯源到爱因斯坦方程的‘非线性’特性产生的质量可变及其伴随的引力屏蔽效应。除这两者之外，还可溯源到M.Majorana的微粒子碰撞引力起源的‘真实质量’与‘表观质量’及其伴随的引力屏蔽效应。M.Majorana与爱因斯坦是同时代的人，两人几乎同时对牛顿引力定律提出了各自的修正公式。Majorana的修正更为本质、更为深刻，1918-1920年又亲自实验证实了他的修正公式[10]，却至今未得到公认。爱因斯坦则早己誉满全球，我对Majorana的崇敬也就更多。 

[6]陈绍光，引力能统一到弱电作用中吗? 在1990年10月于湖南慈利召开的‘第九次全国相对论与引力物理讨论会’上首次发表，2011年10月重新发表在‘中国科技纵横’总第127期(2011年10月上)第99-100页

[7]陈其良、汪斌，陈绍光引力公式的产生及其特点，中国科技纵横，总第127期(2011年10月上)第101-103页

[8]陈绍光，量子场论的水星近日点进动，中国科技纵横，总第125期(2011年9月上)第88-90页

[9]Chen Shaoguang, Relativity and Quantum Mechanics without Hypothesis and Origin of Gravitation , 2010 first edition, Sichuan Publishing Group·Sichuan Science & Technology Publishing House Press, P.83; P.398-392

[10] Q.Majorana，Philosophical Magazine 39, 488-504（1920）                                 

 用在论文中的标题陈老師的風格一贯是低调,例如1989年的《真空极化影响引力吗?》中他已得出了量子场论的引力起源公式、1990年的《引力能统一到弱电作用作用中吗?》中他已经从弱电统一理论得出了爱因斯坦方程的Schwarschild度规並算出了引力常数的大小数量级,事实上实现了引力作用与弱、电作用的统一。本文的标题用跨越未用填平除了低调外，他更考虑到他只是填平了物理上的鸿沟使相对论和量子力学的原理成了经典物理的推论结果，他只是从物理上用经典物理吃掉了现代物理。从科学研究的方法上，现代物理的公理化模式是无法吃掉的，而且公理化模式将会持续几十代和几千年的时间。因为爱因斯坦的天才成功、爱因斯坦的灵感一闪的一夜成名，将激励一代一代的青年沿着爱因斯坦走过的道路前进，这条道路无需艰苦的实验，又符合当权者的利益而得到有力的资助支持，应该会万世不衰! 

引起主要物理理论都不自洽的惯性系：

   牛顿力学定义的惯性系的自我循环问题，在狭义相对论的惯性系和广义相对论的局域惯性系中仍然存在着。导致这三个理论都存在逻辑循环的矛盾，原则上都是不自洽的。同时还牵连到使用了惯性系概念的量子力学和量子场论也成为不自洽的。这个问题很多人都注意到了，但没有解决之前，谁也不愿意说出来。彼此心照不宣的是：现有的主要理论虽然都不自洽，但总得有理论可用，先凑合用吧!

   解决现今主要理论都不自洽的问题，彻底的办法是抛弃掉匀速直线运动定义的惯性系。单向光速的测量法所用的测量的时空正是这样做的。测量的时空，顾名思义，它不设前提，一切以测量结果为准。实际上也只能如此，若是测量的前提要求空间均匀各向同性，它若不是，你就不进行实验测量?若要求惯性系为前提条件下进行测量，可地球表面己知是非惯性系，你难道就要远离地球去进行测量?所以，测量的时空不能有前提条件，不能受惯性系的限制。它只要求有公认的尺和钟，以及公认的测量规则。千克-米-秒制中的国际定义单位，是测量的时空的唯一前提。

   测量的时空只是人类认识世界的工具，简言之，它正是1607伽利略进行光速测量时用的时空。伽利略变换1632年才创建，伽利略测光速的年代是不受伽利略相对性原理限制的,即不受伽利略坐标变换不变性的约束。抛弃了超距作用和伽利略变换的牛顿力学，称为测量时空中的广义化牛顿力学。

单向光速的测量结果：

甄别坐标系的光波多普勒频移：

   测量的时空抛弃了匀速直线运动定义的惯性系，许多情况下（例如单向光速的测量）也是无需惯性系概念的。但几百年来人们用惯了惯性系，在一些问题的分析中用惯性系还是方便的。现在知道不能用匀速直线运动定义惯性系，可用接收到的光波的多普勒频移特性来定义惯性系。光发射器的运动速度与光的传播速度、频率、波长完全无关。光接收器的运动速度v与光的传播速度无关，但接收到的光频率和光波长与v线性相关。这是因为测量速度只需确定发射与接收点的瞬间位置，而测量频率和波长则需要一段时间的计数过程，v会影响计数。当多普勒频移值恒定，接收器所在的坐标系就是惯性系，当多普勒频移值变化，接收器所在的坐标系就是非惯性系。当多普勒频移值为零，接收器所在的坐标系就是绝对静止坐标系。由测量CMB温度的偶极各向异性，得出太阳系对CMB的绝对速度为400 km/s。但多普勒频移公式中的频率f是光波每秒的振动次数，f只是由CMB温度或能流密度决定的光子频率 ν = E/h的一半，太阳系对CMB的绝对速度应更正为200 km/s。CMB坐标系就是绝对坐标系。相对性原理说的不存在优越坐标系是错误的。传播光的真空就是绝对静止的优越坐标系，与真空虚光子动态平衡的CMB正是真空的标志物。

激光与微波网络的自然坐标系：

   自然坐标系是测量的时空推荐的坐标系，它由不同频率的激光和微波交织成的网络组成。检测物体在网络中运动时产生的多普勒频移，物体的运动状态就确定了。其可行性无需再论证，运行中的军事和民用雷达以及火箭、卫星、飞船的跟踪导航系统己经是这样做了，只是尚不够普及。普及程度较高些的GPS系统，是直接用恒定的单向光速的传播时间来定位。它未用多普勒频移的数据处理法是因为多数用户的运动速度低。GPS定位测量的事例，每一个都是验证单向光速是否相等的实验。接受定位的目标具有不同的速度和加速度，在不同的引力场中进行。结果无一例外地成功定位（仪器故障除外），有力地证明了光速与接收者的速度、加速度无关，也与接收者所处引力场的强弱无关。

与环境融为一体的光的本性： 

     有静质量的物质粒子的波动性是在与真空涨落虚粒子的碰撞中产生的，粒子的波动性本质上就是粒子的类布朗运动。

     没有静质量的光子和中微子在恒星的热核聚变反应中产生出来后，就与其四周的真空涨落虚粒子（数量最多的是能量接近零的虚光子和虚中微子）发生碰撞。碰撞中交换动量和能量，统计地说，能量总是由高能量的粒子传输到低能量的粒子。在漫长的历史过程中逐步能量均一化而达到动态平衡，真空涨落的虚光子和虚中微子渐渐地由接近于零的能量提高到目前的2.7K和1.9K，这是它们的粒子性渐显的极慢过程。与此同时，高能光子和中微子则逐渐损失能量成为现今的有明显波动性的2.7K CMB辐射和1.9K宇宙中微子背景辐射。不少于10 ¹³年的光子和中微子的波动性增大的过程，是 经历千次以上的星系从形成到毁灭的演化循环才达成的。目前观测到的河外星系的哈勃红移，是这个漫长的光在传播途中红移的瞬间摄影。路途中的引力红移是浓缩放大了的途中红移。因为引力场中的虚中微子分布不均匀，作用在光子上的碰撞压力不会被完全相互抵消掉，才能做负功起着减小光子内能的作用。无引力场的真空中，虚中微子分布均匀，它们碰撞光子的力会相互抵消而不做功，起不到红移光子的作用。

     虚光子的空间分布主要受电荷的影响，基本上不受质量的影响。使得虚光子在宇宙中的分布基本上均匀。均匀分布的虚光子不对光子做功，对光子的红移基本上没有贡献。所以，只用虚中微子的途中引力红移估算的哈勃红移常数会符合实验观测值。

     真空中虚光子的作用是使刚跃迁出的纯粒子性的光子获得波动性，从而能在真空中传播。若是跃迁出的光子立即脱离真空进入数学空间，则光子就是一个没有波动性的理想的纯粒子。光子是在与真空的结合中获得了波动性。微调激光腔的长度获得单模激光的选频过程，是让真空虚光子与光子发生共振，它表明激光光子的频率能部分地被人塑造。Maxwell方程中产生位移电流的电场变化，本质上是真空极化的正负电子偶的变化。真空虚光子起着沟通正负电子偶形成闭合电流回路的作用。

量子纠缠态的本质：

     洛伦兹变换的成立需要相反方向运动粒子的配对，导致洛伦兹变换有应用的局限性，而且即使在可应用的多粒子系统中又存在近似性。满足洛伦兹变换不变性的相对论量子力学和量子场论跟随着也具有局限性和近似性。当然，多数的配对是一级多普勒效应彼此完全抵消变成为二级多普勒效应的洛伦兹因子γ，可直接用自然力学方程中导出的洛伦兹变换不变性定理来处理。但是，多粒子系统中不可能每一个配对都能完全抵消掉一级多普勒效应效。残余的一级多普勒效应的动量和能量的大小是变化的，它有时存在于这一对粒子偶中，有时又出现在那一对粒子偶中。它不属于具体的粒子偶，而是粒子系统公共所有的。它正好对应于量子场论中粒子系统的零点能和虚粒子。相对论量子力学中无限多负能级和负能量粒子以及量子场论的发散困难和虚粒子，正是洛伦兹变换的局限性和近似性带来的。或者说，未被完全抵消的残余一级多普勒效应对于严格遵从洛伦兹变换的相对论量子力学和量子场论来说，构成了对最基本的场的干扰——引起量子场的零点涨落（或真空涨落），这正是虚粒子产生的根源。量子场论的质量和电荷的‘重整化’是用有限的观测值取代理论中的无限的发散值，或者说，是用可实验观测的零点能和虚粒子对量子场论的局限性和近似性进行补充修正，使之更接近于客观实际。