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我们究竟应该建立一个什么样的时空理论？ 马国梁 自从1905年爱因斯坦发表《论运动物体中的电动力学》一文为标志宣告相对论诞生以来，赞扬和批评的声音即此起彼伏、相持不下。对相对论的各种理解、应用以及与之不同的新思想、新理论如雨后春笋般的涌现出来。以至到现在仍然众说纷纭、莫衷一是。在物理学的发展史上演出了一场长达百年的闹剧。这一局面值得我们深思：问题出在哪里？我们究竟应该怎样才能建立一个公认的时空理论呢？只有这一问题得到真正解决，才能了断相对论这桩百年公案。 一个正确的时空理论应该是在现实的世界中诞生。既要理论自洽且与当时的科学事实相吻合，又要提出可供后人检验的新论断。可惜爱氏相对论在这些方面始终得不到人们的一致赞同。他在否定了牛顿的“绝对时空”以后又走向了极端“相对论”的邪路，这些都是不公正的。那么现代科学究竟告诉了我们些什么呢？一个正确的时空理论到底应该是怎样的呢？对此我们不妨权作如下展望—— 一、新理论应该承认空间是物质的、统一的。现代科学已经充分证明：“真空并不是一无所有的虚空，而是指没有实物粒子的一种总能量处于最低状态的场，即基态的量子场。”[ 1] 这个场是激发产生引力场、电磁场以及电磁波等的基础，是实粒子产生的土壤和湮灭后的归宿，是容纳所有实物质系统在里面悬浮、运动的海洋；这个场作为公共背景物质，还使物体间的隔离及相对运动有了实际的物理意义，它使物体有了惯性运动和惯性力产生，它也是使物体的时空特性能够发生改变的外部原因，这一切如离开了空间的物质性则都是不可思议的。按照现代宇宙学理论，宇宙空间至少在距我们150亿光年远的半径范围内是连续、均匀、统一的。这为其中所有实物质的运动、演化提供了广阔的舞台。 二、新理论应该承认物体相对运动和绝对运动的统一性。物体彼此间的运动是相对的，但它们在空间中相对背景物质的运动则是绝对的。相对运动是两物体的绝对运动之差，是绝对运动的一部分。两种运动各有各的效应，各有各的用途，且不可顾此失彼。我们可在背景物质上建立绝对静止参照系，而在运动物体上建立绝对运动参照系。 三、新理论应该承认物体时空性质的可变性。物体的空间性质即物体在空间中的大小和形状，其时间性质即物体内部各运动、变化过程的快慢或长短。虽然由于惯性使它们具有相当的稳定性，但我们没法严格证明它们是一成不变的。它们完全可能因时、因地、因运动状态而异。增加这一思路可为我们解释某些物理现象提供更大的灵活性。 四、新理论应该坚持物体质量的守恒性和物体受力的多变性。物体的质量即物体所含物质的多少，在封闭状态下它是没有增减变化的；而物体的受力（包括引力、惯性力）则可能因时、因地、因运动状态而异。这样就使我们避免了在质量问题上的混乱。 五、新理论应该正视久经考验的实验事实并能给出简单、合理的解释。观测发现：在空间基态场中，光是以恒定的速度向各个方向传播的。但在运动的物体上，迈克尔逊—莫雷实验结果却没有证明“各个方向的单程光速都相等”，而是充分证明了“在各个方向的回路光速都相等”。这个结果如用“地球拽引说”来解释是不能令人信服的，因为它无法说明当地球的质量减小到多少时“拽引作用”即不再产生上述结果。因此剩下的也就只有“尺缩钟慢说”了，这是目前唯一可行的途径。 按照“尺缩钟慢说”的途径，我们只要假定“在做绝对运动的物体上所有的纵向长度（包括直尺）的收缩率和所有的运动、变化过程（包括时钟运行）的减慢率都是sqrt（1 – u2/c2）”那么“回路光速不变”现象即可以得到圆满的解释。这一假设从“物体时空性质的可变性”上是可以理解的，其原因是由于空间基态场的作用。至此我们这个新时空理论的框架也就大体明朗了，具体如下所述—— 1. 对于同一点的时空坐标，在绝对运动惯性系和绝对静止参照系之间的变换公式是 x＇= ( x – ut ) / sqrt ( 1 – u2/c2 ) y＇= y z＇= z t＇= t sqrt ( 1 – u2/c2 ) 2. 运动速度变换式是 vx′=（vx – u）/ ( 1 – u2/c2 ) vy′= vy / sqrt ( 1 – u2/c2 ) vz′= vz / sqrt ( 1 – u2/c2 ) 3. 加速度变换式是 ax＇= ax /( 1 – u2/c2 )3/2 ay＇= ay / ( 1 – u2/c2 ) az＇= az / ( 1 – u2/c2 ) 4. 关于力学变换问题. 其中物体质量的变换最为简单，由前述的“物体质量守恒”特性可知 m＇= m 而力的变换式则需要根据力的产生机制、变化规律或力的作用效果来定，恐怕非常复杂。 至于力速关系，种种迹象表明：它也许是（1 – u2/c2）的n次幂，但n 的数值却不好确定。如果在做绝对运动的惯性系中，牛顿第二定律确能保持形式不变的话，即 F′= ma′ F = ma . 那么加速力的变换式就应当是 Fx = Fx′( 1 – u2/c2 )3/2 Fy = Fy′( 1 – u2/c2 ) Fz = Fz′( 1 – u2/c2 ) 即使在动惯性系中看来是恒力的F′，如改在静参照系中看，F也仍然是越来越小的。 5. 物体的绝对运动动能公式可以推出为 Ek = ∫F ds = ∫m dv2/2 = ∫F′( 1 – v2/c2 )3/2 ds = F′s ( 1+ F′s /2mc2 )/ ( 1+ F′s /mc2 )2 当 F′s → ∞ 时 则 Ek → mc2/2 6. 光量子的能量公式为 E = hυ = mc2 其中一半为运动动能，另一半为自旋动能。 它的动、静质量统一为 m = hυ/c2 是频率υ的单值函数.。 光量子的自旋角频率为 ω = 2πυ ； 自旋半径为r = sqrt (5/2)λ/2π 7. 光的多普勒效应公式. 设光源的绝对运动速度为v ，运动方向与被观测光线的夹角是α ；观测者的绝对运动速度是u ，运动方向与被观测光线的夹角是β. 那么观测者的观测结果将如下所述. 观测光速是 c′ = ( c – u cosβ)/( 1– u2/c2 ) 与v 、α无关. 观测波长是 λ′ =（c – v cosα）T。/ sqrt [ ( 1– u2/c2 ) ( 1– v2/c2 ) ] 观测周期是 T′ = T。sqrt [ ( 1– u2/c2 )/ ( 1– v2/c2 ) ](c – v cosα)/( c – u cosβ) 观测频率是 υ′ = 1/ T′ 其中，当观测者以光速追光时，u = c . β = 0 则 c′ = 0.5 c 得半光速。 8. 光在运动介质中的传播规律. 单就频带很窄的可见光来说，它的折射率与介质密度基本上成线性关系。其比值为 ( n – 1 ) /ρ ≈ 2.3 ×10-4 m3/kg 在做绝对匀速运动的介质中从一点光源发出的光，在与介质同步运动的观测者看来，它在各个方向传播的波面呈标准的椭圆球形。其速度公式为 c′ = c / ( n + cosβ′ u / c ) 但在绝对静观测者看来，运动介质内光在各个方向上的传播速度却变成了 v = u + ( c – u) / n′ = [ c + u ( n′– 1) ]/ n′ （黑体字母表示是矢量.） 其中 n′ = 1 + ( n – 1)( 1– u cosβ/c )/ ( 1– u2/c2 ) 当介质做低速运动即 u<< c 时，点光源周围光波面的形状近似为偏心球面。光速的大小近似为 v = c/n + ( 1—1/n2 ) u cosβ 可见介质的拽引系数为 f = 1—1/n2 . 这与前人的研究结果是一致的。[ 2] 9. 关于同时性和因果律. 同时性和因果律都是用来反映各物质事件的时间关系的，它们当然具有客观自在性。然而我们的观测都是通过信息进行的，所有信息的发出、传递和接收都是一系列因果事件。由于信息种类的多样性和其传播速度的有限性、差异性，所以我们的观测结果不一定能和客观的真实情况相一致。这两者不可混为一谈。 10. 关于掠日星光的偏转问题. 掠日星光的偏转现象不能证明是引力场的作用，也不能证明空间是弯曲的。而是证明了太阳大气的折射作用。其偏角计算公式为 Δα = 2(n。-1)SQRT(πr。/2H ) 其中大气标高 H = RT /μg 参考地球大气折射数据可推出太阳表面大气的折射率是 n。= 1.000 000 047 而密度则为 ρ = 2.1×10-4 kg/m3 这与实际情况是相符的。 几个推论： A. 在运动的真空惯性系中，光沿任意闭合路径传播的平均速度都是c ；在运动的介质惯性系中，光沿任意闭合路径传播的平均速度则都是c / n 。 B. 在地球表面东西方向上朝向固定的激光源，其干涉或衍射条纹的移动量随地球的自转呈周期性变化。由此我们可以推出地球的绝对运动速度。 u / c = Δλ/λ。= Δx / x。 C. 一条固定光线当垂直穿过透明圆柱体的两端面后，屏幕上光点的位置由于旋转拽引所引起的偏移量是 Δx =( n - 1/n ) hωr/c （ ωr << c ）。 以上就是目前我们对这个新时空理论的基本构想，当然它究竟正确与否还有待今后对它的各种检验。但我们坚信真理必胜，一个更新的时空理论必将会取代爱氏相对论，并为物理学的发展开辟更为广阔的正确道路。 参考文献 [ 1 ] 关士续，申仲英等.自然辩证法概论.北京：高等教育出版社，1991.5 [ 2 ] P.G.柏格曼著.周奇，郝苹译.相对论引论.北京：人民教育出版社，1961.12 作者简介 马国梁，男，1959年3月出生，山东省济南市人。1982年初毕业于山东农业大学。毕业后多年从事中专物理教研工作，现为山东省章丘市第一职业中专高级物理教师。从1996年开始研究相对论问题，著有《经典相对论》一书并在网上发表。 |