万有引力的本质就是引力场的折光性

                                  伍 锦 程

【摘要】 本文通过分析引力场对光波的偏折作用，发现引力场与光速的关系，导出与引力场强度相对应的折光率，证明了引力场的折光性。根据量子力学原理，认为物质粒子实质上是光的驻波构成的波包，因此物质粒子在引力场中的加速运动可用波包中的驻波受引力场的折光作用来描述。并根据宇称守恒定律，分析了物体与光波在引力场中运动时的质能变化，初步得出了万有引力场的本质是负质能的结论。

关键词：引力场折光性  光波偏折角  粒子波包  引力加速度  引力质量与惯性质量  宇称守恒定律  正质能与负质能

万有引力的本质是什么，它是如何在两个物体之间超距离地产生引力作用的？广义相对论认为万有引力的本质是时空卷曲，可是这种把引力场完全几何化的理论远远超出大多数人的理解能力，没有几个人真正懂得广义相对论。而量子力学认为两个物体之间的相互吸引力是通过发射和接收引力子的作用。但是，光波在引力场中的运动会偏折，难道说引力场对光波的作用也是通过相互交换引力子来进行的，光波也能发射和接收引力子吗？显然是不可能的。那么引力场是如何使光波偏折的，又是如何吸引物质粒子加速的？下面将分析光波在引力场中的偏折运动，进而导出粒子在引力场中的加速运动，并得出引力作用的本质就是引力场的折光性的结论。

1、      光波在引力场中的偏折运动

图1表示一束光波在引力场中的偏折。图中的M为产生引力场的物体，光束从引力场的右方射入，在引力场中偏折了一个角度后从左方射出。现在取光束在引力场中偏折的一段A至B进行分析，根据波的运动定律：平面波的波面总是与它的运动方向垂直。作AB两处波面的延长线相交于O，两线的夹角α即这段光束的偏折角。光束的宽度为D，光束的内缘弧长为S₁，半径为r_α1，外缘弧长为S₂，半径为 r_α2  ，光束的偏折角与两条弧长的关系为：

α=S₁/r_α1=S₂/r_α2                              A                 S₂                             B

由上式得                                                                                           D

      r_α1=S₁r_α2/S₂                                                                                           S₁

上式中

       r_α2=r_α1+D                                                  r_α1   r₁      r₂   r_α2

得

      r_α1=S₁（r_α1+D）/S₂                                                              M

整理后得                                                                                    α

       r_α1=S₁ D/（S₂－S₁）                                           O

导出                                                                                       图1

α= S₁/ r_α1=（S₂－S₁）/ D   （1）                     

上式表明，偏折角的大小与光束的内外径弧长之差成正比。那么是什么原因造成了光束的同一个波面的内外径在相同的时间内走过了不同的距离呢？必然是内外径的光速不同。光束在引力场中的偏折运动就象阅兵场上的队列走过弯道一样，弯道内侧的人走得慢，外侧的人走得快，队列就会转弯。又是什么原因导致了内外径的光速不同呢？当然是物体M所产生的引力场，引力场的存在改变了空间的导光性质。

在光学理论中，光波在物质介质中的运动速度要小于真空中的运动速度，光波在物质介质中速度的大小与介质的折光率成反比，而介质的折光率又与介质的质量密度有关，介质的质量密度越大则折光率也越大，光速则越小。由于万有引力场具有能量，也必然具有质量，因此引力场也是具有质量的介质，光波在引力场中的运动速度就必然大于理想真空中的速度，引力场越强的地方则质量越大，所以距离引力中心半径越小的地方光速就越小。光波在引力场中的传播速度小于理想真空中的光速，已经被雷达波在太阳引力场中传播时间的延迟实验所证实。所以引力场与光速的关系也可以用折光率n来表征，即引力场强度越大则折光率也大而光速则越小。因此（1）式可写成：

α=（S₂－S₁）/ D=（tc/n₂－tc/n₁）/D= tc（1/n₂－1/n₁）/D   （2）

偏折角速度为

                            ω= c（1/n₂－1/₁n）/D                                       （3）

那么折射率n与引力场强度有什么样的联系呢？依照广义相对论，引力场中的光速为：

                            c_n=c₀（－g₀₀）^{1/ 2}=c₀（1－2GM/c² r）^{1/ 2}                         （4）

类比于光学中的折光率，引力场中的折光率为：

n=1/（1－2GM/c² r）^{1/ 2}                                                  

但是使用这个公式来计算雷达波从地球到水星的往返时间时，只得出比无太阳引力场时延迟110微秒的结果，计算星光经过太阳表面时的偏折角也只有0.87弧秒，比实验结果少一半。

另外，依照广义相对论，引力场中的时间膨胀为：

t_n=t₀（1－2GM/c² r）^{1/ 2}                                                             （5）

如果结合（4）式和（5）式，光波在引力场中的波长就有：

λ_n = c_n T_n=c₀（1－2GM/c² r）^{1/ 2}·T₀（1－2GM/c² r）^{-1/ 2}=λ₀    

上式居然得出光的波长不受引力场的影响而保恒不变，这显然违反了等效原理，而广义相对论正是把引力场等效于加速力场来论证光波在引力场中波长的变化，从而导出了引力时间膨胀，所以光的波长应当与振荡周期一样具有相同的变化因子：

λ_n =λ₀〔（1－2GM/c² r₂）^{1/ 2}                               （6）

引力场中的光速应当是：

c_n=λ_n/ T_n = c₀（1－2GM/c² r）                                                  （7）

引力场中的折光率为：

n=1/（1－2GM/c² r）                                                （8）

应用上式来计算雷达波从地球到水星的往返时间的延迟量以及星光经过太阳表面时的偏折角都得出了和观测实验相符合的结果。

       把（8）分别代入（2）式和（3）式，得：

α= tc〔（1－2GM/c²（r+D））－（1－2GM/c² r）〕/D

=2tGM/c（r ²+ r D）                                        

和

       ω=2GM/c（r ²+ r D）

上式中D为光束的宽度，它所反映的是引力场的折光率在光束的内外边之间的变化率。D是任意值，其大小对光束的偏折角速度有稍许影响，以D→0时为极限，导出：

α=2tGM/cr ²                                                                                                                             （9）

和

       ω=2GM/cr ²                                                                                                                             （10）

下面应用（10）式来推导光波在太阳引力场中的加速度公式。由于光波的传播速度的最高极限为光在理想真空中的速度c，而理想真空的折光率为1，相当于在引力场半径r为无限大处的折光率，而越接近引力场中心折光率越大，光速则越小，因此光在向引力场中心下落时不仅不被加速，反而是在减速，只是光的波长在缩短，能量在增加。但是当光波在引力场中沿水平方向运动时，它就不断地向垂直方向偏折，因此所谓的光波在引力场中的加速度实际上是光波从水平方向折向垂直方向的矢量转变，即向心加速度。

结合（7）式和（10）式，光波在引力场中的加速度为：

g_c=ωc_n=2GM/r ²·（1－2GM/c² r）                                  （11）

对比牛顿公式，可知在弱场的情况下光波的引力加速度正好比物质粒子的加速度大一倍。关于这个差异，将在下一节中解释。

       另外，根据（7）式，我们知道光波在引力中的速度随引力半径的缩小而减小。把（7）式重写如下：

c_n= c（1－2GM/c² r）

在上式中，当括号中的分数值等于1时，则光速为0。假如上式中的引力质量为一个太阳的质量，则当太阳的半径坍缩到2.95千米时，太阳表面的光速为0，太阳的光就发射不出来了，这意味着太阳变成了一个黑洞，黑洞的视界周长为18.5千米。

根据（7）式，当一个星体坍缩成黑洞时，它的视界半径（光速为0处的半径）为：

r_h=2GM/c²                                                                                      （12）

视界周长为

C _h=4πGM/c²                                                                  （13）

在此特别要指出的是：本理论是把引力空间视为平直空间，而广义相对论是把引力空间视为卷曲空间，所以现在的黑洞理论只给出黑洞的视界周长，不给出黑洞的直径，因为所有黑洞的卷曲直径都是无限大。这样就产生了一个矛盾——当一个有限直径的星体坍缩后却成为一个无限大直径的黑洞。另外，现在的黑洞理论认为如果一个星体坍缩到视界周长之后，就没有什么压力可以阻止星体的继续坍缩，星体很快就坍缩成一个奇点。但是根据（7）式，当星体坍缩到视界时，视界内的光速为0，甚至也不存在引力，这意味着视界内停止了一切运动，那星体的物质又怎么可能继续坍缩到奇点呢？或许整个黑洞就是一个真空激发态的饱和体，如果里面还有什么运动的话，那就不是我们现在所认识的物质和能量。

2、      物质粒子在引力场中的加速运动

大家知道，能量光子具有波粒两重性，物质粒子也同样具有波粒两重性。科学实验已经证明能量大于1.02Mev的光子可以转变成一对正负电子，如果光子具有足够的能量，它也可以转变成其他粒子对如质子和反质子等。而正反粒子对也能够发生湮灭而转变成光子。这证明光子和粒子的本质是一样的，是同一本质的两种现象。如果说光波是行波，那么粒子就是驻波构成的波包。既然粒子是波包，那么波包中的驻波在引力场中也必然会产生偏折运动而表现为粒子的引力加速运动。

图2所示说明波包中的驻波在引力场中的运动。为了便于描述，把波包中的驻波分解成水平方向和垂直方向两个矢量。其中图2a表示没有引力场时波包中的光波作水平方向的来回运动。由于没有引力场的折光作用，光波的运动方向不会发生变化，来回运动的光波的动量相等但方向相反，合动量为0，所以波包没有表观运动。在图2b中，由于引力场的折光作用，光波在一次次的来回运动中不断地从水平方向向垂直方向偏折，并把它从偏折作用中折向垂直方向的动量不断地传递给整个波包，原来静止的波包开始向下运动，随着时间的增加，波包中的驻波从水平方向折向垂直方向的动量不断累加，推动整个波包向下运动的速度也越来越快，这就是波包表观的粒子引力加速度。

                       a                                       b                                       c

                                                                图2

       图2c所示为波包中作垂直方向上下运动的光波。当光波垂直向下运动时，由于越接近引力场中心的折光率越大，光速就越小，因此实际上光波不仅不被引力场加速，反而是被减速，只是波长在缩短。而向上运动的光波则相反，它是越离开引力场中心光速越快，波长则越长。光速与波长的这种变化为正比关系，即：

c_n1/ c_n2=λ_n1/λ_n2

       如果我们把光波的波长-能量-质量与光速的变化连系起来，就会发现光波上下运动时的动量总是保持不变的，即：

P_n1=P_n2=hc_n1/λ_n1 c=h c_n2/λ_n2

因此波包中作上下运动的光波的动量相等但方向相反，合动量为0。从这点上讲：如果一个波包中只有在垂直方向作上下运动的光波，那么这个波包在引力场中是不会被加速的。因此使粒子在引力场中作加速运动的只是波包中水平方向的驻波，而垂直方向的驻波不仅没有加速作用，反而起惯性阻力作用，这就是为什么物质粒子在引力场中的加速度只有水平方向运动的光波加速度的一半的原因。

       至此要特别指出的是：从本文一开始到现在，虽然一直在论述引力场的作用，但实际上并没有涉及到什么“力”，在所有的方程中根本没有代表力的字母“F”，尽管传统的“力”的概念是如此重要，于致物理学也称作力学。被引力场加速的粒子不仅没有“力”的作用，甚至连构成粒子的波包中驻波的总动量也没有变化，只是波包中驻波的运动方向从水平方向的矢量折向垂直方向的矢量而已。因此可以得出这样一个结论：万有引力的本质就是引力场的折光性。

       另外，由于越靠近引力场的中心折光率越大，光速则越小，光的波长也收缩得越短。如果我们把光波作为测量尺的话（事实也正是这样），那么这把尺越靠近引力场中心就收缩得越短，因此测量出来的周长与直径之比就会小于π。广义相对论把这个测量结果视为引力空间的卷曲，而我们现在知道这是测量尺收缩的结果，引力空间实际上还是平直的。引力场不仅只是改变光的波长，它同样也会改变物体的长度。因为物质粒子是由光的驻波构成的波包，而波包的大小必然与驻波波长有关，驻波波长的变化必然会导致波包尺寸的变化。

3、      粒子的运动速度与引力加速度的关系——引力质量不等于惯性质量

牛顿引力加速度的大小仅与引力场强度关，与粒子在引力场中运动速度是无关的。下面将证明粒子在引力场中的加速度不仅与引力场强度有关，同时也与粒子在引力场中的运动速度和方向有关系。

由于粒子（波包）在引力场中的加速运动是源于波包中水平方向驻波的偏折运动，而波包中垂直方向的驻波不仅没有加速作用，反而起惯性阻抗作用，因此粒子在引力场中加速度的大小就与波包中这两个方向的驻波比例有关。如果我们用m_x和m_y分别代表波包中水平方向和垂直方向的驻波相对应的质量，波包的总质量m=m_x+m_y就是惯性质量，那么根据（11）式就有：

gm=m_x2GM/r²·（1－2GM/c² r）                                                        （14）

和

g=m_x/m·2GM/r²·（1－2GM/c² r）                                                         （15）

当粒子静止时，波包中水平方向驻波的质量为总质量的一半，m_x0与m₀之比为1/2 ，上式转化为牛顿公式：

g=1 /2·2GM/r²·（1－2GM/c² r）≈GM/r²

       当粒子在引力场中运动时，由于多普勒效应（水平运动）和引力场（垂直运动）的作用，波包中驻波的能量和质量就会增大，增加的能量就是粒子的动能，增加的质量由相对论的速质关系式给出：△m= m₀/（1－v²/c²）^{1/ 2}－m₀ 。如果粒子沿水平方向运动，那么增加的质量就属于水平驻波的质量，当运动方向与水平方向有一夹角时，（15）式转化成：

g=［m_x0+cosα〔m₀/（1－v²/c²）^{1/ 2}－m₀〕］/〔m₀/（1－v²/c²）^{1/ 2}〕·

2GM/r²·（1－2GM/c² r）                                                                        （16）

由于粒子静止时，波包中水平方向驻波的质量为总质量的一半，m_x0与m₀之比为1/2 ，上式转化为：

g=［（1－v²/c²）^{1/ 2}+ cosα〔2－2（1－v²/c²）^{1/ 2}〕］· GM/r²·

（1－2GM/c² r）                                                                                       （17）

当粒子在引力场中沿水平方向运动时，方向角为0度，上式中cosα=1，上式简化成：

g=〔2－（1－v²/c²）^{1/ 2}〕· GM/r²·（1－2GM/c² r）           （18）

上式表明，当粒子在引力场中沿水平方向运动时，引力加速度的大小随水平速度的大小变化，当速度很小时，上式中的（1－v²/c²）^{1/ 2}≈1，上式转化为牛顿公式。而当速度接近光速时（1－v²/c²）^{1/ 2}≈0，上式转化为光波在引力场中的向心加速度：

g_c =2GM/r²·（1－2GM/c² r）                                  

当粒子在引力场中沿垂直方向下落运动时，方向角为90度，（17）式中cosα=0，（17）式简化为：

g=（1－v²/c²）^{1/ 2}· GM/r²·（1－2GM/c² r）               （19）

上式表明，当粒子在引力场中作垂直下落运动时，引力加速度将随着下落速度的增加而减小，当粒子的下落速度等于光速时，上式中的（1－v²/c²）^{1/ 2}=0，这时粒子的引力加速度也减小到0。

       由于波包中起引力加速作用的是水平方向的驻波，而垂直方向的驻波不仅没有引力加速作用，反而起惯性阻抗作用，减小了整个波包的引力加速度，这说明引力质量与惯性质量是有区别的：引力质量是波包中产生加速作用（重力）的水平方向驻波的质量。而惯性质量是产生抵抗加速度的惯性力的质量，它包含了波包中所有驻波的质量，因此惯性质量总是大于引力质量，而两者的比例随波包的运动速度和方向变化。

       在上面的公式中，m 代表惯性质量，它与速度的关系由相对论给出m= m₀/（1－v²/c²）^{1/ 2}，与粒子的运动方向无关。m_x代表引力质量，它不仅跟随粒子的运动速度变化，同时还跟随运动方向变化。合并（15）式和（16样）式，得出：

m_x= m_x0+ m₀ cosα〔（1－v²/c²）^{－1/ 2}－1〕

由于粒子静止时m_x0= m₀/2，上式变为：

m_x= m₀ /2+ m₀ cosα〔（1－v²/c²）^{－1/ 2}－1〕               （20）

       显然，本文得出的结论与相对论不同，广义相对论认为引力质量与惯性质量是相等的，并以厄缶实验为证。但是按照上述理论来分析：厄缶实验只能证明各种被悬挂的物质在相对地球静止的状态下引力质量与惯性质量的比例是不变的。如果我们把厄缶实验改进一下，使悬挂的物体象砣缧仪一样处于高速转动的状态，那么在改变旋转轴向和转速时，就会显示出引力质量与惯性质量不相等。如果真是这样，那么作为广义相对论的基础——等效原理就不成立了。

4、      万有引力场的本质是负质能

         宇宙中的任何事物都有其正反两个方面，这就是宇宙的对称性。现代科学已经证明物质可分为正物质和反物质两种，实验中每产生一个正粒子，总是伴随着产生另一个反粒子。我们所了解的世界是由正物质构成的，按照宇称守恒定律它还应当存在相等数量的的反物质，但是现在除了在实验室中用高能加速器生产极少数量的反物质外，在自然界中也只有偶尔出现由宇宙高能射线产生的反粒子，还没有发现自然界中存在大量反物质的证据。其实还存在一个比缺少反物质更重要、并且还没有人注意到的问题，那就是负物质和负能量的存在问题。反物质不是负物质，因为反物质也同正物质一样具有正能量，正反物质相遇时虽然湮灭了，但是转化成了正能量的光子，所以能量并没有消灭，质量也没有消灭。而正负物质或者是正负能量一旦合并，那就等于什么都没有了。但是按照宇称守恒定律，必定存在正物质和正能量的对称面——负物质和负能量。

         宇宙也具有相等数量的正质能和负质能（质量与能量是同一体的两个面，以下将统称为正质能或负质能）的相法是非常吓人的。因为这两者一旦合并，就等于宇宙中什么都没有了。但是想想看：如果没有相等的负质能，宇宙中的正质能又从何而来呢？宇称怎么守恒呢？其实，负质能总是与正质能同时产生，相伴存在的。那就是负质能总是以引力场的状态存在于正质能的周围，它们不会发生湮灭，而是通过引力作用同时影响双方的数量变化，其过程符合守恒定律。

         量子力学已经指出真空涨落产生正负能量是普遍存在的，只是产生出来的正负能量必需在某些条件下才能分开，否则正负能量马上又会复合为零，比如在强场条件下的分离，这也就是所谓的黑洞蒸发。那么有什么理由认为万有引力场的本质就是负质能呢？

         我们知道，引力场总是伴随着物体存在，而且场强总是与物体的质量成正比。如果物体的质量增加了一倍，它的引力场强度也会增加一倍。如果我们仔细分析两个物体的合并过程，就会发现物质合并的量是非线性的，两个物体合并后的总质量大于合并前的总质量。多个物体的合并为什么会使它们的总质增多呢？

         其实道理也很简单：当两个相距很远的物体由引力作用而合并时，由于引力场的加速作用，它们的相对速度不断地增加，因此它们的动能也会不断增加，合并后它们的动能又转换成热能。而根据质能关系，它们的质量就会增加，这些增加的质量是从那里来呢？显然是从它们的引力场中获取，因此引力场的正质能必然减少，实际上也就是引力场的负质能增加，所以引力场的强度不仅不会减小，反尔是增强，而整个体系的质能并没有变化，正质能与负质能的总和还是零，这个过程符合宇称守恒定律。只是我们所能利用的是物质的正质能，而引力场的弥漫范围要比产生它的物体大得多，所以从物体这个局部来看，合并后的总质能是增多了。从质能的来源分析是：在引力作用下，真空涨落的正能量交给了物体，负能量留给引力场。因此物体的质量增多了，引力场强度也更大了。

         我们知道物质粒子是光的驻波构成的波包，而光波在引力场中会受引力作用而发生紫移或红移，如果我们从光波在引力场中的这种波长变化来分析，就更容易理解合并物质的质量增多：当波包向引力中心运动时，随着引力场强度的增大，折光率也越来越大，波包中驻波的波长变得越来越短，波长的缩短说明了驻波的能量增加。光的波长随引力场强度的变化就象电磁感应一样产生了能量的变化，波包从真空涨落中获取了正能量，使粒子的质量增加了。而引力场也获得了负能量，使引力场强度更大了。相反的过程是当波包离开引力中心时，随着引力场强度的减小，折光率越来越小，波包中驻波的波长变得越来越长，能量也就减少了波包把部分能量还给了引力场，这些正能量中和了引力场的部分负能量，引力场强度也就减弱了。

         一方面物质的合并过程使它们的质量不断的增多，另一方面质量的增多又导致引力场强度的增加，这两方面的相互作用就象银行中的存款利息滚利息一样地增加，所以物质合并的质量是非线性的增加。相反的过程是大质量的物体分解成多个小物体的分离过程是总质量的非线性减少的过程。因些我们可以得出这样一个结论：宇宙大爆炸的膨胀过程是宇宙总质量的减少过程，依照动量守恒定律，这会导致宇宙膨胀的加速，使得宇宙再返回到收缩过程的可能性更小了。

5、      实验验证

         实践是检验真理的标准。本文所创建的理论是否正确，也必需经过实验的验证。前人已经做过星光在太阳引力场中的偏折实验和雷达波在太阳引力场中传播时间的延迟实验，这些实验正是本人创立这一理论的依据。但这还是不够的，因为它们只能证明引力场对光波的折光性。没有证明物质粒子是由光的驻波构成的波包，就不能证明引力场对粒子的引力作用也是源于对波包中驻波的折光作用。而本文所导出的粒子引力加速度公式不同于牛顿引力加速度公式，以及物质的引力质量不等于惯性质量的结论，正是根据粒子是光的驻波构成的波包、引力加速是波包中水平驻波在引力场中的偏折作用而得出的。如何对这些结论进行实验验证，是检验本理论是否正确的关键。下面提出几个实验设想：

5.1  验证“物体的运动速度与引力加速度的关系”实验

         这个实验需要在地球上空的轨道仓中进行，在这个零重力的空间（在轨道仓中适当的位置）中，一个不转动的飞轮能够保持在轨道仓中相对静止不动，而一个高速转动的飞轮则会产生一个微小的加速下落运动。如果飞轮转动的线速度为每秒1千米，旋转面与地球的水平面平行，那么根据公式（18）可计算出它在轨道仓中的相对加速度大约是1×10^－10米/秒²。

         这个实验实际上是检测飞轮作为自由落体时，对比它本身转动和不转动的两种状态下的加速度之差。

5.2  验证“物体的运动速度与引力质量的关系”实验

         这个实验的主要装置为一台超高精密度的天平称，一个安装在万向支架上的飞轮。

         当我们称一个物体的重量时，实际上是测量这个物体受地球的引力作用所产生的重力，而物体中受引力场的折光作用的是波包中的水平驻波，即引力质量，而物体的引力质量会跟随它的运动速度和方向变化。当一个飞轮高速转动时，它的质量就会比静止时大一些，虽然这里面也包含了相对论的动质量，不过能够被称出来的只是物体中的引力质量。

      对比飞轮在静止不转时和高速转动时所称出来的重量是否发生变化，就可以验证物体的引力质量是否跟随它的运动速度变化。

5.3  验证“引力质量和惯性质量不相等的关系”实验

      这个实验是厄缶实验的改进型，把原来悬挂在弦线上的各种物体改成安装在万向支架上的飞轮。

      通常都认为厄缶实验证明了广义相对论引力质量和惯性质量相等的结论，但本文已经指出厄缶实验只能证明各种物质在相对地球静止的状态下引力质量和惯性质量的比例不变。如果我们在弦线上悬挂一个安装在万向支架上的飞轮，并驱动飞轮高速转动，那么飞轮的引力质量就会增加。当飞轮分别处于静止不转、高速转动、转动轴向发生变化的三种状态时，弦线的平衡位置都会发生变动。