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空间三性质、光子力学及当代物理学前沿问题的

整体解决方案

王少波

                    一、 本文概要

本文提出了宇宙三要素和空间三特性等基本概念。从辨证唯物的宇宙观、空间观出发，根据严密而简单的数学手段，推导出爱因斯坦的相对论理论。指明了狭义相对论与广义相对论的内在关联，并将光速不变、等效原理及引力与惯质量的等同性等相对论前提假设作为新理论的直接推论；澄净了物理学概念带来的认识上的混乱。并对类星体、超光速、黑洞奇点、空间弯曲、宇宙模型等当代前沿领域的诸多疑难问题提出了一个统一的解决方案。

                            二、宇宙三要素

           我们的宇宙空间是四维的，它由三维空间和一维时间构成。

            时间、空间和物质是构成宇宙的三个基本要素。时间无始无终；空间无边无际；物质无穷无尽。时间具有单向、不可逆性；物质具有同一性；空间具有连续和不均匀性。

                         三、空间（真空）三特性

1、空间不空：空间有着固有的内在本征性质，我们叫它空间真实性。

2、空间可以描写：某一点空间的真实性通过这一点的当地光速表现出来。光速的大小就是对该点空间性质的描写，我们叫它空间可测量性。原则上只有说明是空间那一点的光速才有意义。根据以往的经验我们知道，在地球所处的范围内每一点的光速均为，即：

                  C≡C。(地球光速)                （1）   

3、空间有不同：宇宙间有着不同性质的空间区域，我们叫它空间多样性。也就是说，光速原则上一个时间与空间的函数，即：

                 C→C(x,y,z,t)                       (2)

      它对应一个取值范围 0≤ C ≤ ∞。

                       四、光子力学

     对于一个处于外力F作用下的质量为M，速度为C光子，根据广义的牛顿力学：物体所受外力的作用等于物体动量的改变，我们有：

          F=ΔP=ΔM(x,y,z,t)C(x,y,z,t)

           = MΔC(x,y,z,t)+C(x,y,z,t) ΔM(x,y,z,t)   (3)

     也就是说，光子所受的外力等于它的动量的改变。光子动量的变化由两方面组成：一是质量不变，光速随时空改变；二是光速未变，质量随时空改变。

五、结论与应用

结论一：自由光子运动的动量守恒定律

     对于一个未受外力作用的光子，我们有：

             ΔMC=0          即P=MC=常数        （4）

另一方面，从量子力学我们知道，这个常数为

              P=h/λ                             (5)

   由此我们得出一个结论：对于一个不受外力作用的光子，在其跨越不同光速的空间区域时，它的动量是守恒的，其波长λ没有改变。其速度的变化由频率μ的相应变化来适应。也就是说，光子与空间背景发生了能量交换。

结论二：在特殊情况下过渡到相对论

   对于一个足够均匀的空间区域，各点的光速是完全相同的，而且恒等于地球光速C。；根据（3）式我们有两种情况：

  一）无外力存在。这时光子的速度与质量均为常量

        ΔM(x,y,z,t)=0   ;  ΔC(x,y,z,t)=0   (6)

即：M(x,y,z,t)=M。；C(x,y,t,t)=C。           （6）’

     C。与M。为地球上光子的速度与质量，均为常数。这就是爱因斯坦狭义相对论所讨论的范围。

  二）有外力存在的情况下，F=C。.ΔM(x,y,z,t)我想那应该是广义相对论研究的领域：外力的存在，改变了光子的质量。

结论三、光速不变的本质和相对论的推广

根据空间背景观点和空间本征性原理，空间是真实的存在，是物质的另一种表现形式。光在空间某一点的速度决定于该点空间性质。

既然空间性质是客观实在的，它就与人们是否对它测量，或者以怎样的方式对它进行测量是没有关系的。光在传播过程中的历史记录与最终被测量的结果没有关联。也就是说不管光线来自何方，不管光源是运动的还是相对静止的，当这束光线到达某一空间点的时候，它已经取得了这一点所对应的速度；速度的大小取决于该点的空间本征性，与它的历史状况完全无关。根据同样的道理，我们也能说明为什么光速与测量者的运动无关。

这样，“光速不变性原理”实际上表达的是空间本征性质与测量无关这样一个简单的、直接的客观事实。即：

相对论是空间本征不变性的直接推论。

    相对论是一个普适性的局域理论，对于整个宇宙而言，应作相应推广：

    空间本征性不会随人们的测量而改变，空间对物体的运动产生约束，一切物质的运动速度都不能超越当地光速。

结论四：存在着一个以空间背景为参照物的绝对坐标系

我想这个结论是非常明显的，以空间背景为参照物对宇宙间所有物体运动的描述是独一无二的。所谓惯性空间应当是这样一些空间区域：一个不受外力作用的光子将以恒定不变的速度作直线运动。所谓惯性系应当是相对于真空背景静止或作匀速直线运动的参考系。物体的运动是绝对的，而对运动的描述可以是相对的。值得指出的是，由于光速不变是从哲学的要求中得出的，所以Lorentz变换不是光速不变的产物，而是惯性系间协变性的要求。钟慢尺缩也不是光速不变的结论，而是测量信号速度有限的后果。

结论五：没有真正的超光速，在地球上探寻超光速现象是徒劳无功的

 根据宇宙多样性原理和推广后的相对论原理，超越地球光速的现象在宇宙中是普遍存在的，但超越当地光速的真正意义上的超光速是不能存在的。我们认为，既然光速在宇宙间没有限制，也就完全没有必要再引进什么虚质量、快宇宙等牵强附会的新概念来难为相对论。还有一个结论：在人们有能力改变空间本征性质以前，在地球上搜寻超光速的一切努力都将是徒劳无功的。

推论六：类星体只是一些处于超地光速区域的普通天体

    类星体是射电天文学观测的结果。它的特点是红移特别巨大。根据哈普定理：红移越大，相对地球退行的速度也越大，离地球也就越遥远。这样，类星体就被解释成一个远离地球，相对地球高速退行的，有着巨大能量的小个子天体。从而引发了远距离与大能量的矛盾。

    我们推测：类星体或许离我们不太遥远，或许也不高速退行，它们只是一些处在超地光速区域的普通天体。我们进行一个假想实验：考察两个全同氢原子的同一物理过程。这两个原子一个在地球上的实验室里，另一个在某个超地光速区域的天体上，它们均从N能级跃迁到M能级。在地球实验室中：

     λ=C / μ                                (7)

    在超地光速区的天体上，根据量子理论与宇宙同一性原理，这个光子产生时它的初始频率与地球上是一样，即

     μ’=μ                                 (8)

    但由于处在不同的空间背景下，其初始光速C’与地球不同，因此其初始波长也不同，为

            λ’=C’/μ                             (9)

    该光子到达地球实验室时获得了地球的光速C。但由于与空间背景交换能量，它的最终频率发生了变化。这在地球上可以测量得到，这个频率减小了，向红段发生了移动。根据结论一，光子在穿越不同时空区域时其频率必然发生改变，波长并未改变。光子是通过改变自身频率来适应空间性质的变化。也就是说，速度的变化源自频率的改变。这样就有，红移：

     Ζ= (λ’-λ)/       λ= λ’/λ-1                (10)

代入⑵与⑷式，我们得到

  Z=C’/C-1                                            (11) 或

      C’=(1+Z)C                               （12）

从⑸、⑹中我们可以看到光速差异产生了视觉红移。当某一天体处于4倍于地球光速的超地光速区时，其红移值为3。这个红移值是相当大的了。这样的天体应当就是一个类星体。在这里我们完全没有考虑相互之间的相对运动，我们引入了一种产生红移的新机制：空间性质的差异导致视觉红移。我们认为这是产生巨大谱线移动的一种途径。

结论七：黑洞不必有奇点

    黑洞是宇宙中最奇特的天体，理论预言了它的存在，观测间接的发现它就在我们的视野中。黑洞有奇点，那里没有因果规律，那里是科学的终结。

    我们认为，黑白两洞是宇宙多样性原理的必然产物。空间提供物质运动的条件，同时也对物质的运动也产生约束。一切物体运动的速度都不能超越当地光速。根据宇宙多样性原理，宇宙中存在着这样一些区域，那里的当地光速无限接近于或等于零。在这些区域内，空间的本征性质极大地约束了物质的运动，一切已知的运动形式趋于停止，光线也不例外，光子受空间背景的禁锢，无法逃逸，因此我们也就什么也看不见，在我们的视野中呈现出漆黑的背景。我们认为，这样的空间区域就是一个黑洞。但它们不再是一个引力无限大的数学奇点，而是一个物质运动被极端约束的有限空间区域。这样的区域具有黑洞的所有性质，但没有奇点。

当光速趋向于无穷大时，那里也许就是人们所期待的白洞的所在。

结论八：空间没有弯曲

广义相对论讨论的是空间弯曲的情行。认为由于引力等因素的存在，平直的空间变得弯曲了。在这里物体受引力作用改变了运动状态被解释成引力弯曲了空间，而弯曲了的空间作用于物体。这种数学处理在对物体运动的描述上或许是等效的，但这种数学上的等价性掩盖了物理真实性。黑洞被解释为空间被引力无限弯曲，弯曲得光线老在里面打转无法逃逸出来。我们认为，是光子的质量改变了，或是光速变慢了，并非空间变弯了。

结论九：超越光速的可能性依然存在

    谁能改变空间的本征性质，谁就能最终超越光速的极限。

结论十：爆炸是宇宙的局部运动，我们所处的是一个相对稳定的无限的宇宙。

六、检验这一理论的方法：

1、寻找巨大蓝

传统大爆炸理论断言，大约200亿年前，由于一次非常偶然的扰动，宇宙从一个密度无限大、体积无限小的数学点上喷发而出，然后象气球一样膨胀，天体相互背离而去，于是产生了多普勒红移。在这一模型中可以存在小的蓝移，而巨大蓝移则不能出现，因为不能说有些天体高速背离而去，而有些却高速相向而来。这样的模型毫无规律可言。根据宇宙多样性原理，宇宙中完全有理由存在着这样一些亚地光速的空间区域，那里的光速远远小于地球光速。当光线从那里出发到达地球时，由于空间性质差异，它的谱线表现为巨大蓝移。如果人们能找到巨大蓝移的存在，则一方面打破了大爆炸宇宙论的垄断，同时也从另一个侧面佐证了我们的正确性。

2、巨大红移与巨大蓝移的比例

所有光谱的移动是在地球上测量的，红移与蓝移是相对于地球光速而言的。由于地球光速在宇宙光速分布上是较小的，所以大于地球光速的情况要比小于地球光速的情况多；因此在观测上我们发现巨大红移的比例要比发现巨大蓝移的比例要大的多。

                        七、最后总结

      我们处在一个相对稳定的真实的三维空间之中；宇宙在小尺度上可以急剧变化，在大尺度上则是相对静态的。宇宙空间是由各种不同本征性的区域构成的连续的整体；物质与光随着时间在其间运行。运动是绝对的，对运动的描述是相对的。空间对物质的运动有束缚作用，一切物体运动的速度都不能超越当地光速。真正的超光速现象是没有的，在地球上寻找超光速是没有结果的。空间并非一无所有，它有着其自身的本征性；当地光速就是这种本征性的具体体现。爱因斯坦的相对论是空间本征不变性的直接推论。

    宇宙中存在着各式各样的天体，它们与我们的地球一样，是由相同的物质形态构成的，只是它们所处的空间背景不同而已。红移与蓝移同在，黑洞与白洞并存是我们这个宇宙物质同一性与空间多样性的生动表象。

至此，我们的工作已基本完成，理论的危机得到暂时的缓解，宇宙、天体、时空、相对论在空间背景上又达到了新的和谐与统一。相对论不是什么新理论，它只是牛顿力学在更普遍环境下的推广；狭义相对论与广义相对论之间是有联系的，它们是光子力学的两个特例。前者我们已经做了比较完备的分析，对后者和一般情形的研究超出了我的知识范围，就留给那些有数学专长的物理家们、宇宙学家们出成果吧。

2003年10月16日改于湖北省通城县鄂南商城

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