|
第九节 万有引力的碰撞理论挑战广义相对论 关于万有引力的起源，历史上有多种说法。惠更斯提出过旋动说，伽利略在《关于两种新科学的对话》一文中说:“许多哲学家对这问题（重力）发表了许多不同的见解，有的说，是由于向心的吸引，有的说，是由于物体内各个极小部分彼此之间的推斥，有的则认为，是由于落体周围媒质的某种应力，它驱使落体从一个位置移到另一个位置。这些幻想以及其他的见解，本应予以检查，可是，现在实在不值得去做。” 牛顿在不公开的场合认为重力的本质是以太流对物体表面的轰击。在公开的场合则是这样讲的：“我已经用……重力解释了天体现象和海洋的运动,但还未有把这种力量归之于什么原因。……直到现在，我还未能从现象中发现重力所以有这些属性的原因。我也不想作任何假说。……而假说在试验哲学中是没有地位的，……重力实际上是存在的。它是按照我们已经阐明的定律在起作用，它对说明种种天体及海水的运动是很有用的，能达到这一点对我们来说已够满意了”。 爱因斯坦认为物质的存在引起空间弯曲，他用弯曲的“曲率张量”来反映空间弯曲的性质，把描述物质性质的能量、动量和质量等合并在一起，建立一个描述物质的“能量张量”，在空间的曲率张量和物质的能量张量之间建立一个引力场方程，它是爱因斯坦的引力理论的核心，被称为广义相对论。 法国科学家乔治·利萨如在万有引力的实质问题上早就表示了如下看法。他认为，物体的万有引力是由看不见的微小粒子——一种充满着空间的“超粒子”对物体的碰撞结果。具体地，物体从四面八方遭受到这些看不见的粒子大量撞击。倘若宇宙间只有一个物体，它受到来自各方的推力互相均衡，就保持静止。但在有两个物体的情况下，其中的每一个便变得象掩护另一个的挡箭牌那样。在彼此面对的表面上撞击必然较少，而在朝外的表面上，撞击则开始占有优势，于是均衡受到破坏，两个物体便被推向靠拢。这就是万有引力的起因。 这一机制是非常合理的，然而，用“万有引力是超粒子对物体的碰撞”，那么万有引力是如何产生的，它为什么是吸引力，万有引力大小公式以及万有引力为什么是一种体力的解释就既自然又简单。特深入讨论如下。 在天文学上，人们根据光度定出的质量总比根据力学定出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。例如，根据星系周围的物质转动曲线，发现宇宙大尺度范围内存在暗物质。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。假设从地球周围，一直延伸到很远的空间中各向同性地分布着许多非常小的粒子，它们是以很高的速度作直线运动的暗物质，能与原子核和电子发生碰撞。虽然目前还不能直接探测到这些暗物质，但是这些暗物质对物体的碰撞还是会显露出来。 设O为一质点，其质量为m1；ds为一面积元，质量为m2，与质点O的距离为ｒ。质点O与ds保持静止，ds对O所张立体角为dW 。 取ds为研究对象。首先，不通过ds的粒子，对ds没有作用；其次仅通过ds而不通过O的粒子对ds的碰撞而产生的合力为零。这是因为空间粒子运动的各向同性的缘故。剩下来需要考虑的只有那些既通过质点O又通过ds的粒子了。它们被限制在dW 内，且仅有两种相反的运动方向：即由质点O运动到ds及由ds运动到质点O。从上述两个方向进入ds的粒子是有区别的：由于质点O对粒子的反射、散射与阻碍作用，从ds左边进入的粒子数比从右边进入的要少，平 均 速度也要小。这样 ， 左边粒子对ds的碰撞力f1将小于右边粒子对ds的碰撞力f2，总的效果使得ds受到一个指向质点O的合力F： F = f2－f1 F就是ds所受的万有引力。 显然，ds所受的万引力的大小与质点O对空间粒子的反射、散射及阻碍作用有关。这些作用实质上是空间粒子与质点O中的许多原子核发生碰撞而引起。质点O所含的原子越多，对空间粒子的反射、散射和阻碍作用越强，从而使得从两边进入ds的粒子的数量和平均速度的差别也越大，ds所受的万有引力当然就越大。因此，万有引力F与质点O的质量m1成正比。 与质点O相距为r的球面面积为4πrr，单位时间里径向进、出该球面的粒子面密度分别为：k =4πrr与k1= N1/4πrr。因为N、N1为常数，故进、出质点O的粒子的面密度k、k1与r的平方成反比。 粒子的面密度越大，单位时间里，从ds两边与ds碰撞的粒子就越多，ds所受的万有引力也越大。因此，ds所受的万有引力与粒子面密度成正比，从而与r的平方成反比。 同时，ds的质量越大，其所包含的原子核也越多，从ds两边与ds碰撞的粒子也越多，ds所受的万有引力也越大。因此，F又与m2成正比。于是 根据以上的讨论，就有这样的结论：ds所受的万有引力F与m1和m2成正比，与距离的平方成反比。 F=Gm1m2/rr 这就是万有引力定律。 如果把ds无限缩小而成为一个质点，就得到两质点间的万有引力公式。 由此可知，万有引力不是物体的固有属性，一个物体并没有吸引另一个物体的特殊本领。它是空间粒子对二个以上物体的碰撞产生的综合结果。因此，万有引力起源于暗物质对物体的碰撞。 我们对万有引力作如下一些讨论。 第一，万有引力是大量空间粒子对物体碰撞的统计结果。因为空间粒子的运动的随机性，万有引力应随着时间有涨落现象。这种涨落已为观测所证实。观测的结果表明地心引力常数 第二，上述机制假设两物体保持相对静止。如果两物体是相对运动着的，情况就会有所不同。当两物体互相离开时，相对地增加了空间粒子的速度，从而增加了万有引力。也就是说，万有引力将稍微增大，同样地，当物体相互靠拢时，万有引力将稍微减小。因此，当水星离开太阳时，水星所受的万有引力将逐渐增大，而靠近太阳时万有引力将逐渐减小。 第三，万有引力大小与两物体的质量成正比的关系也是近似的。可以肯定，对于质量巨大的物体来说，它实际上受到的万有引力将比按公式计算的值要小。这是因为，空间粒子通过一部分质量后，其密度与速度都变小了，再通过另外同样多的质量时，产生的碰撞力会变小。特别地，当两物体的质量大到能将空间粒子全部俘获，万有引力就达到了极限。这时无论怎样增加质量，万有引力再也不会增加了。特别地，在发生日食时会产生“引力异常”现象。这种“引力异常”现象已为人们观测到。 第四，因为万有引力实质上是两个物体的存在，破坏了空间粒子的各向同性而产生的。如果考虑到粒子之间的互相碰撞，空间粒子的这种差异不可能保持到无限远。就象水面上航行的船只所激起的浪花不可能伸向无限远处的道理一样。因此，万有引力平方反比律在空间尺度上有一定的适用范围，超出这个范围以后，引力不再是与距离的平方成反比地减小，而是减小得更快一些。在相当遥远的距离外，万有引力实际上已不存在了。很明显，这种万有引力的机制根本不存在“引力佯谬”（西利格佯谬）和“引力波”。 第五，不难看出，既然万有引力是由于空间粒子的碰撞产生的，那么引力质量就是惯性质量，于是，等效原理就不证自明。这已为当今各种试验所证实。反过来，这些试验就成了万有引力碰撞起源的有力证据。 但是万有引力的这一起源需要人们从更深的物质层次去找原因。要求有一个至今尚未确认的暗物质粒子——“超粒子”的存在。在“超粒子”的存在未证实前只能是一种猜想。但是： 1．这一碰撞机制是简单和实在的，除了一个目前还无法证实的暗物质的假设外，一篇几千字的文章就能将万有引力的本质描述清楚，虽然看不见暗物质的碰撞，但它给人的感觉是实在的，看不到它的存在并不等于它真的不存在。只不过人们看不到它们罢了。 2．这一碰撞机制需要暗物质的存在，也就是它能预计到空间中有暗物质存在。这正是广义相对论的缺陷，广义相对论认为空间的弯曲程度取决于物质的质量及其分布，如果它是对的，那么它必须能预计到空间的暗物质的存在。实际上不是这样。 3．这一碰撞机制提出了屏蔽效应和引力波不存在的机制，通过实验可以验证。 4．这一碰撞机制证明了等效原理并排除了引力佯谬。 万有引力的这一起源会使爱因斯坦的广义相对论全面崩溃。其理由如下： 一、 引力波存在问题 引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一。引力的本质是什么？它是不是以波动的形式向四面八方传播的呢？爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，发现了引力场方程，早在1916年，爱因斯坦对引力场方程取近似值后得到了波动解。尔后在三十年代，他和罗森曾在引力场方程中求得严格的柱面波解。引力场的波动解表明：时空的波动作为一个独立的实体，以光速在真空中传播。因此，为了描述时空中某点的弯曲，需要有20个坐标的函数来描写，其中10个函数对应于以引力波形式自由传播的弯曲部分，即“弯曲的涟波”。 但是，对引力波作出预言是一回事，引力波的存在又是另一回事。人们虽在地球上建造了许多探测宇宙引力波的实验装置，却均未捕捉到有关引力波的可靠信号。半个世纪以来验证引力波一直是科学家们困惑的难题。虽时有探测到引力波的报导，但用更高灵敏度的试验装置却不可重复。半个世纪以来验证引力波一直是科学家们困惑的难题。 用暗物质的碰撞来说明万有引力，实质上是因为两个物体的存在，破坏了暗物质的各向同性。根本上就不存在引力波。 二、 暗物质存在问题 人们根据质量和光度的比值测量出的质量，总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。这是一个普遍的规律。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。 几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已 经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度 中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系 。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了。 [图片说明]：普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗 物质占了近23%，另外的73%是占主导暗能量。 但是直到70年代，一些相当有影响的天文学家仍然相信星系是宇宙中的主要成分，认为下落不明的质量根本不存在，质量并没有短缺。1987年，通过星系的转动曲线证明了暗物质的存在，在这一事实面前，这些天文学家开始慎重考虑暗物质问题。 所谓星系的转动曲线是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。转动曲线描述了物体距星系中心不同距离时，在星系盘里的轨道速度。速度是通过多普勒效应得到的——我们接收到的光的波长变化与物体接近我们还是远离我们的速度成正比。然而观测结果却发现，在星系发光区域之外，物体的转动 速度与距离无关。也就是说，不同距离上的物体竟有相同的转动速度。对于这个反常结果唯一的解释是，星系周围的空间并不是真空，而是存在着质量可观的晕，这个晕不发光，是不可视的。 此后，天文观测又发现许多能证明暗物质存在的证据。譬如，我们附近的恒星运动反映出银盘里的物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，允许我们探测不同温度的气体，计数光度只及太阳十万分之一甚至更暗的单颗恒星，尽管如此，银河系的密度仍和天文学家经理论计算所预期的相差甚远。 一些科学家确信，宇宙中实际存在的物质总共是发光部分的1000倍。 在银河系周围，有六七个矮球状星系，它们距离银河中心大体在20~60万光年之间。它们处在银河系的引力场中，而不被银河系的潮汐力所瓦解，可见它们的质量不可能太小。另外，矮球状星系光度不大，可知其中发光物质不多，暗物质一定不少。还可进一步推断，构成暗物质的粒子的质量必定较大，否则就不可能留在这种矮小的星系里。由此猜测这种暗物质十有八九是引力微子或光微子。 暗物质的存在会严重威胁到广义相对论，爱因斯坦在创立广义相对论时，显然是没有考虑到这些暗物质的，作为一个精密的理论，是没有理由不预见到这么多的暗物质的。 而用暗物质对物体的碰撞来说明万有引力，正是需要部分暗物质与物体的碰撞，破坏了暗物质的各向同性才能产生。因此，在某种意义上，这种万有引力的起源，已经预见到了暗物质的存在。 三、奇点问题 爱因斯坦和 D.希耳伯特几乎同时在1915年得到了完整的引力场方程。 方程左边是描述引力场的时空几何量，右边是作为引力场源的物质能量动量张量。显然，这个方程反映了爱因斯坦的马赫原理的思想。 1917年，受因斯坦在对宇宙进行考察时，引进了宇宙常数项，对方程进行了修改。 不久之后，他本人放弃了这一项。但是近年来，不少物理学家认为常数项的引进是有必要的。 1927年爱因斯坦等人提出，质点系统的运动方程应该包括在引力场方程之中。1938年，爱因斯坦及其合作者完成了这一理论。他们采用后来称为后牛顿近似的方法，在对质点系能量动量张量的简单假定下，从引力场方程中推导出了质点系的运动方程，这就是著名的广义相对论的运动理论。 60年代以来，彭罗塞等人系统地运用整体微分几何的方法来研究广义相对论。彭罗塞和霍金等人建立的奇性理论，提示了广义相对论时空结构的重要性质和问题。 早已知道在广义相对论中存在奇性。例如，史瓦西度规在ｒ=2MG/C2以及ｒ＝0处是奇异的。直到1959年才发现,只要引入两个坐标系来覆盖时空,就可以避免ｒ=2MG/ C2处的奇点。但是ｒ＝0处的奇点却不是这种由于坐标选取不当而带来的虚假的奇异。又如,弗里德曼－罗伯孙-沃耳克宇宙度规在宇宙时ｔ=0处奇异，这也不是由于坐标选取不当带来的。 在时空等于零时,广义相对论的引力方程就出现一个奇点，,在奇点处包括相对论在内的一切物理定律都失效。 在广义相对论中是否一定存在这种同坐标选取无关的奇性，彭罗塞和霍金等人建立的奇性理论回答了这个问题。他们证明，只要关于物质、能量、以及因果性等一些合理的物理条件成立，在广义相对论中就不可避免地存在着奇点。在这类奇点处，时空流形达到尽头。不仅在宇宙模型中起始的奇点是这样，在星体中引力坍缩终止的奇点也是这样。由于不知道奇性所遵循的规律,物理学、包括广义相对论，将随着奇点的出现而失效。 一般认为，出现这种运动起始或终止于奇性的现象反映了广义相对论理论上的某种不完善，并不一定是客观世界所固有的。当前，有关奇性的深入研究以及如何避免这类奇性的问题，是一个很活跃的领域，克服广义相对论的这个重大疑难，将会使物理学对于时间、空间和引力的认识达到更高的境地。 在奇点处，曲率和密度无限大、一切物理规律都已失效。对于这样一种只在数学定义中出现却威胁到物理学的东西，是不受物理学家欢迎的。人们普遍相信，考虑到引力场在微观尺度上的量子效应，奇点应该是可以避免的，就像当年用量子论来解释黑体辐射从而避免了紫外发散一样。 然而，目前基于广义相对论的量子引力理论却是不成功的。究其原因，在于引力场本质上是弯曲的时空背景，充当供其他物质场“表演”用的舞台；而当对它进行量子化时，又把它作为演员来看待。同一事物充当两个互为矛盾的角色，这在哲学概念上可以辩证地理解，但在物理理论的具体操作中却存在无法克服的困难。这显然是一件非常糟糕的事情。 |