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这是《自然系统的物理学原理》第一章，通过对物理学发展历史的回顾，找出物理学错误思想产生的关键点，提出解决整个物理学不协调问题的方案。
本章包括： 第一节 简洁优美的经典力学 第二节 争论不休的量子力学 第三节 似是而非的相对论 第四节 众幻之门的多维时空理论 第五节 困境中的物理学 第六节 突破重围的宇观系统论 其章节将陆续在这里贴出，希望读者提出修改意见。版权所有，转载本书内容请注明出处。 ※※※※※※ 黄氏时空由光频多普勒红移定义可变时间单位秒t'=tsquart[(C-V)/(C+V)].时间秒的变化导致了可变光速C'=Csquart[(C-V)/(C+V)].光速的变化导致了可变距离单位米l'=lsquart[(C-V)/(C+V)].黄氏自旋衰变相互作用模型:引力=动量变化率，电磁力=角动量变化率.超光速C=2ZM/r |
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第一节 简洁优美的经典力学 物理学的建立首先是从力学开始的，而力学最早起源于人们对自然现象的观察和生活工作经验的积累。古希腊的阿基米德(Archimedes)对杠杆平衡问题、物体重心问题和浮力问题等作了系统的研究，其成果奠定了静力学的基础。伽利略(Galileo)最早用科学实验和数学分析相结合的方法研究物体的运动，他阐明了自由落体运动的规律，提出了加速度的概念。他最早用望远镜观察天体的运动，通过天文观测证实了哥白尼(Copernicus)的日心说。牛顿(Newton)继承和发展了前人的研究成果，总结出三大力学定律，建立了完整的动力学体系。他从苹果落地的现象中得到启发，在开普勒天体运动定律的基础上创立了万有引力定律，使天体物理学获得了蓬勃的发展。达朗贝尔(d'Alembert)、拉格朗日(Lagrange)和哈密顿（Hamilton）等人将力学推广到多质点系，建立了分析力学。欧拉(Euler)进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程。柯西(Cauchy)、泊松(Poisson)、斯托克斯(Stokes)等人把运动定律和物体的性质结合起来研究，建立了弹性固体力学和粘性流体力学。到了20世纪，随着数学理论和科学技术的迅猛发展，力学研究进入了更广阔的天地，航空航天工程中的声障和热障等重大技术问题都获得了解决，人类的活动开始摆脱地球引力的束缚向更遥远的宇宙空间迈进。 在物理学中，人们总是首先尝试用纯粹的力学理论去解释声、热、光、电现象以及分子和原子的运动规律。牛顿的经典力学体系确立以后，力学原理首先被成功地应用于声学研究，声音被看成是在弹性介质中传播的机械波。热现象的研究最初是以“燃素”模型为先导的，到了十九世纪中叶，克劳修斯(Clausius)、麦克斯韦(Maxwell)、玻耳兹曼(Boltzmann)等人利用统计方法，把热学中的宏观物理量归结为与之对应的微观粒子运动的统计平均值。牛顿把他的力学思想应用于光学研究，他假设光是由具有惯性的微粒组成的，并以此解释了已知的光学现象。虽然牛顿以后的两百年间一直交织着光的粒子说和波动说的斗争，但是，建立在连续介质基础上的波动理论最终也必须应用牛顿力学定律。光“以太”力学模型在19世纪初期兴起，虽然“以太”的性质还没有被人理解，但是，它作为光传播的介质在很长一段时间里并没有受到根本的动摇。电磁学的早期研究则是在“电流体”和“磁流体”两种力学模型下进行的，可见，电磁学从它萌芽的一天起就已经打上了经典力学的印记。库仑(Coulomb)1785年所做的扭秤实验确定了电荷之间的作用力与距离平方的反比关系，建立了库仑定律。库仑定律实际上是对牛顿万有引力定律的类比，人们在这种类比的意识驱动下引入了“电荷”这种新的物理量。1831年，法拉第(Faraday)发现了电磁感应现象后，第一次把“场”的概念引入物理学中，重复着“燃素”和“以太”一类的经典力学模型。1864年，麦克斯韦把法拉第等人的电磁学研究成果概括为一组偏微分方程，并预言了电磁波的存在。赫兹(Hertz)于1887年通过电偶极子振荡和受迫电偶极子振荡实验用人工方法产生了电磁波，从而证实了麦克斯韦的预言。在伽俐略时代，经典力学已经揭示了运动的相对性，实际上否定了绝对空间和绝对时间的存在，为以后物理学特别是相对论的发展奠定了思想基础。经典力学中的广义坐标、变分原理和哈密顿算符等一系列原理和方法也成为后来发展的量子力学和相对论不可或缺的原理和方法。 建立在牛顿三大运动定律和万有引力定律基础上的经典力学体系以简洁优美、因果关系明确而具有永恒的魅力，它已经成为物理学家的思想基础，成为研究和解决物理学问题的最终方案。从牛顿的矢量描述到拉格朗日和哈密顿的解析描述，经典力学已经发展成为一个完美的理论体系，能解决从静力学到动力学，从声学、热学到天体物理学方面的各种问题。经过伽俐略、牛顿、拉格朗日和哈密顿等人的精心构筑，经典力学成为20世纪之前最宏伟、最庄严、最神圣的科学殿堂。经典力学理论体系的完美使物理学家们深信，自然系统的一切物理现象都能够用力学来准确地描述。只要系统的初始条件被确定，它的未来就能够用力学规律准确地把握。拉普拉斯(Laplace)在1812年所著的《概率解析理论》的绪论中说：“我们必须把目前的宇宙状态看作是它以前状态的结果和以后发展的原因。如果有一种智慧能够了解在一定时刻支配着自然界的所有的力，了解组成它的各实体的位置，如果它还伟大到足以分析所有这些事物，它就能够用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动。从最大的天体到最小的原子都毫无例外，而且对于未来，就象对于过去那样，都能一目了然。”这种机械决定论的观点在当时非常流行。历史的发展也给了经典力学创造神话的机遇，英国天文学家亚当斯(Adams)根据天王星的详细观察资料，用经典力学的计算结果推断太阳系外面必定有一颗没有被发现的行星，他于1845年给出了该行星轨道的参数。第二年，人们果然奇迹般地发现了这颗经典力学所预言的行星，它就是海王星。经典力学的巨大成就使人们几乎是无条件地接受了这一理论。人们把它看作是科学的最高权威和最后标准，把它看作是物理学研究的最高纲领。 经典力学描述了小至微观粒子大至恒星的运动过程，成为声学、热学、光学、电磁学和天体物理学的基础。经典力学和经典物理学已“结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和美丽的动人心弦的殿堂”（ 德国物理学家劳厄(Laue)语），物理学家们踌躇满志，以为宇宙再也没有什么未被发现的秘密。1888年，在美国科学促进协会的年会上，物理组副主席迈克耳逊(Michelson)在谈到光学时说：“无论如何，可以肯定，光学比较重要的事实和定律，以及光学应用比较有名的途径，现在已经了如指掌了，光学未来研究和发展的动因已经荡然无存。” 1894年，他在芝加哥大学赖尔逊实验室(Ryerson Laboratory)的献辞中扩展了他对物理学未来发展的看法：“虽然任何时候也不能担保物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经被牢固地确立起来了，下一步的发展主要在于把这些原理应用到我们所注意的种种现象中去。正是在这里，测量科学显示了它的重要性——定量的结果比定性的工作更为重要。”有的物理学家指出：“未来的物理学真理将不得小在小数点后第六位去寻找。” 虽然量子力学和相对论似乎揭示了物质世界存在不遵循经典力学的规律，但人们仍然致力于寻找这些理论回归经典的方法。从唯物主义者的思维考虑，物质的宏观规律和微观规律不会有本质上的区别，物理规律也不会因为速度的改变而改变。随着人类对物质规律的进一步认识，现在看来迥然不同的量子力学和相对论最终会被证明遵循经典力学的规律。人们最终会惊叹于经典理论的完美无缺。 ※※※※※※ 黄氏时空由光频多普勒红移定义可变时间单位秒t'=tsquart[(C-V)/(C+V)].时间秒的变化导致了可变光速C'=Csquart[(C-V)/(C+V)].光速的变化导致了可变距离单位米l'=lsquart[(C-V)/(C+V)].黄氏自旋衰变相互作用模型:引力=动量变化率，电磁力=角动量变化率.超光速C=2ZM/r |
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第二节 争论不休的量子力学
19世纪末期，物理学理论在当时看来已经发展到相当完善的阶段，一般的物理现象都可以从相应的理论中得到说明，物体的机械运动在速度比光速小得多时，准确地遵循牛顿力学的规律，电磁现象和光的波动理论最终被总结为麦克斯韦方程，热现象理论有完整的热力学和统计物理学。当时许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露，剩下的只是把这些基本规律应用到各种具体问题上进行一些计算而已。然而在经典物理学取得重大成就的同时，人们发现了一些经典物理学无法解释的物理现象，如黑体辐射、光电效应、原子的光谱线系和低温固体的比热等。 为了解释黑体辐射的能量分布特征，普朗克(Planck)于1900年假设，物体辐射和吸收的能量值只能是某个最小能量单位的整数倍，这一最小的能量单位被称为“能量子”。能量子表明物质的微观过程是不连续的，这就是量子的特征。1905年，爱因斯坦(Einstein)成功地用量子的观念解释了光电效应。1913年，玻尔（Bohr）在卢瑟福(Rutherford)原子模型的基础上用量子的观念建立了原子结构的量子理论，成功地解释了原子光谱的特征。 黑体辐射、光电效应表明，光不仅具有量子的特征，也具有波粒二象性，即光既是一种波，也是一种粒子。1923年，德布罗意（de Broglie）提出物质波的概念，把光的波粒二象性赋予了所有的粒子。他认为，粒子的能量E和动量P与波的频率V和波长λ之间的关系象光子和光波的关系一样，可表示如下： (2.1) (2.2) 能量量子化和物质波粒二象性的观念是量子力学的精髓，物质波的概念为量子力学的发展奠定了基础。 1925年，海森堡(Heisenberg)在波尔原子理论的基础上发现，如果抛弃不可观察的轨道一类的概念，忽略掉微观量子的测量过程，用一种新的规则表述粒子的位置和动量等物理量及其运算时，粒子的量子特征可以获得一致的描述。在此基础上，波恩(Born)和约旦(Jordan)发现，表达粒子位置和动量的矩阵之间满足一种量子的对应关系，物理量之间的运算可以转变为矩阵之间的运算，他们因此建立了矩阵力学。1926年，薜定谔(Schroedinger)在研究德布罗意物质波的基础上，发展了描述物质波的演化方程，建立了波动力学。矩阵力学只涉及微观粒子的测量结果，既不关心原子的量子状态，也不关心测量的过程，粒子的位置和动量之间的对应关系是作为一种假设引入的。但在波动力学中，粒子的位置和动量之间的对应关系成了波动方程的自然结果。然而，形式不同的矩阵力学和波动力学在数学上是等价的，狄拉克(Dirac)和约旦通过一种普遍的变换理论把它们统一起来，发展成为完善的量子力学体系，并建立了量子场论的基础。20世纪40年代后期，由费曼(Feynman)、萨拉姆(Salam)和温伯格(Weinberg)等人将量子场论发展成以量子电动力学和量子色动力学为核心的标准模型。 量子力学的基本内容包括量子态的概念、物态方程和观测物理量之间的对应规则等。量子力学建立在以下五个基本假设之上： 1．微观体系的状态被一个波函数完全描述，从这个波函数可以得出体系的所有性质。波函数一般应具备连续性、有限性和单值性三个条件。 2. 力学量用哈密顿算符表示。如果在经典力学中有相应的力学量，则在量子力学中表示这个力学量的算符，由经典表示式中将动量P换为算符 得出。表示力学量的算符有组成完全系的本征函数。 3. 将体系的状态波函数 用算符 的本征函数 展开 (2.3) 则在 态中测量力学量F得到结果为 的几率是 ，得到结果在 范围内的几率是 。 4. 体系的状态波函数满足薛定谔方程： (2.4) 是体系的哈密顿算符。 5. 在全同粒子所组成的体系中，两全同粒子相互调换位置不改变体系的状态（全同性原理）。 非相对论量子力学是以薛定谔方程为基础的，在上述五个基本假设之外，粒子的自旋也是作为假设引进的，而在相对论量子力学中，自旋则可以象粒子的其它性质一样包含在波动方程中。 量子力学用一个满足薜定谔方程的波函数来描述微观体系的状态，它给出的是微观粒子的位置和动量等力学量在某一范围内出现的几率。在量子力学中，当微观粒子处于某一状态时，它的力学量不是处于单一的确定值，而是有一系列可能的值。至于微观粒子为什么具有这种不符合经典因果律的特征，则没有人能解释清楚。在开始的时候，人们认为波函数表示的是电子的密度，波恩用薜定谔方程处理粒子的碰撞问题时发现，把电子波函数的平方解释为电子的密度是不正确的，它实际上表示电子在给定空间点上出现的几率。这就是量子力学的几率波解释。海森堡在研究中发现，要用薜定谔方程描述云室中电子的径迹几乎是不可能的，他从云室电子径迹比电子尺度大得多的表象中得到启发，认为电子径迹的增大是因为电子的位置和速度具有某种不确定性，使人们根本无法精确地确定电子的位置和速度（现在看来，这一想法有点过于主观）。他认为这是一条自然规律，这就是他提出的“测不准原理”：粒子的位置和速度是不能同时被精确地确定的。如果用 表示粒子位置的测量误差， 表示在该点上粒子动量的测量误差，则 ，这就是测不准关系。测不准关系表明，当粒子的位置确定时，它的力学量不能被完全确定，反之，当粒子的力学量确定时，它的位置就不能被确定。以唯物主义者的观点看，人的测量精确与否只是人的方法和认识上的问题，不能等同于粒子的物理真实图景，测不准关系如果是指人的测量误差，它不会作为粒子的客观行为反映微观体系上。然而，海森堡的原意却不是这样，他认为不仅仅是人的测量会影响粒子的行为，不确定性在微观体系中是真实地存在的。玻尔提出了“互补性原理”，进一步阐述量子力学的不确定性，他认为，宏观和微观、整体和部分之间并没有传统的因果关系，不确定性和模糊性是量子世界固有的特性，而不仅仅是人们对于它的不完全感知的结果，测量实验这种人的主观行为和精神因素不仅直接影响着微观粒子的行为，而且远隔的独立测量也会相互影响。互补性原理认为，讨论概念性的物理量没有意义，物理量只有在测量它的时候才能谈论它的特定取值。这等于说，在你测量的时候，粒子是在这个位置，在你不测量的时候，粒子并不在这个位置上。为了恢复经典物理学中的实在性，玻姆在量子理论中加入隐变量，以获得一种决定论性的量子理论。爱因斯坦则希望建立一个更重大的理论，以便解决量子理论中的所有问题。他的统一场论思想影响着数代物理学家，直至现在有人想建立一种能解决所有事物的理论。波恩的几率波解释、海森堡的测不准关系和波尔的互补性原理一直被认为是量子力学的正统解释。但直到目前为止，没有人能真正理解量子力学的真正含义，对量子现象产生的原因以及量子力学是否已经准确地描述了原子的体系等问题一直存在较大的分歧。人们至今也没有弄清楚波函数描述的真实物理图景是怎样的，更多的物理学家则只侧重于量子力学的应用而不在乎它是否有坚实的物理学根基。 关于量子力学的争论贯穿于整个20世纪的物理学发展过程中，爱因斯坦和波尔这两位物理学巨人为量子力学争论了30年，最终也没有获得一致的意见。以玻尔、海森堡为代表的哥本哈根学派认为量子力学对微观粒子状态的描述是完备的，波函数精确地描述了单个体系的状态。波函数之所以只提供统计的数据，测不准关系之所以存在，是由于粒子与测量仪器之间相互作用的不可控制性。他们认为，在时空中发生的微观过程并没有经典物理学中的因果关系，它们在更多的时候是随机的。爱因斯坦、德布罗意、薛定谔等人坚持反对这种观点，他们认为量子力学理论是不完备的，波函数对体系的统计描述只是一个中间阶段，应该寻求更完备的概念和理论。爱因斯坦意识到量子力学和相对论是不相容的，量子力学是非定域性的，但光速不变性原理否定了任何形式的超距作用，定域性成为相对论的一种假设，如果量子力学描述的是粒子的真实物理过程，则相对论的普适性就会受到怀疑。爱因斯坦不相信“上帝会掷骰子”，在他看来，哥本哈根学派简直就是一个量子的疯人院，一个具有因果关系的经典世界被他们踩在了脚下。1935年，爱因斯坦(Einstein)与波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)一起提出了著名的EPR悖论，这是一个巧妙的思想实验，意思是说，量子力学无法同时测定粒子的位置和速度，那么把它炸成完全相同的两半A和B，让它们在真空中分开很远的距离(譬如10万光年)，然后分别精确地测量A的位置和B的速度。这是两个无关联的测量，它们各自对位置和速度的精确测量都没有违反测不准关系，因而是允许的。然后，根据对称的力学规则(守恒原理)，由A的位置可知道B的位置，由B的速度可知道A的速度，这就等同于同时精确地测定了A(或B)的位置和速度，正好说明测不准关系是不成立的。对EPR这个“晴天霹雳的冲击”，玻尔的反驳是，远隔的测量实验也是相互关联的，独立地精确测量A的位置和B的速度也是不可能的，并且，只有在做了这种测量之后，粒子的位置和速度等物理量才具有确定的值。玻尔的论证有两个要点，一是自然界存在某种超距作用，这种作用使哪怕是相隔10万光年的两个测量实验能即时产生影响。一是唯心主义的意志决定论：一个物理量只有在它被测量之后才是实在的。薜定谔则用他那只“既死又活的猫”来对量子力学发难，他设想在一个封闭的匣子里，有一只活猫、一个原子和一种由原子衰变事件触发的处死猫的装置。按照经典理论，在你没有打开箱子观察之前，原子或已经衰变了，或没有衰变，只有两种情况。猫或是死了，或者还活着，这在人们测量它之前就已经是确定了的。但量子力学认为存在第三种情况：叠加态，猫处于不确定的生和死的叠加态中，直到打开箱子进行观察的时候才能确定猫的死活。从唯物主义的角度看，观测所用的仪器与粒子的作用会导致原子的衰变这种情况是存在的，但是死了的猫不可能再活，还活着的猫则可能因为人的观测导致原子的衰变而被害死。如果量子叠加态指的是这种情况，我们便不能再拿猫来说量子力学的是与非了。然而，量子力学家们所信奉的是一种超距的神秘力量的影响。20世纪70年代以来所做的一系列关于远隔粒子关联的实验就是试图证明量子力学预言的这种神秘影响的存在的，其中最著名的是阿斯柏特（Aspect）的光子对实验，实验者宣称，从不同的方向测量由一个原子的激发态级联辐射出来的一对光子，发现它们存在一种关联。日内瓦大学的吉森（Gisin）所领导的研究人员把被扰乱的光子对用光纤送到相距10公里外的两组探测器中进行探测，他们公布，测量的结果仍会互相影响。更富于唯心主义色彩的是近年又流行起来的多世界解释，它最早由艾弗雷特(Everett)在1957年提出的时候，玻尔曾表示对此不屑一顾，但后来经狄维特（DeWitt）等人进一步完善，再经艾弗雷特的导师惠勒(Wheeler)以及弦学家霍金(HAWKING)等人的宣扬，到20世纪90年代后期，多世界解释居然远远超过了哥本哈根的正统解释，被奉为新的正统。多世界解释把波函数看作是一种无需解释的客观实在，它是一个由多重世界（宇宙）组成的叠加态，在人们对粒子实行观测的时候，它们立刻分裂为两个不同的世界，我们观测到的经典世界仅仅是这种叠加态的一个分支。在他们看来，薜定谔的猫同时存在于分裂的两个宇宙中，虽然猫在我们观测到的宇宙是死了，但在另一个我们观测不到的宇宙它仍然活着。这种多世界的思想广泛地存在于后来发展起来的时空洞理论（超弦理论）中。不得不说的是，科学发展到如此高的地步已经变成纯粹的笑话了。从内容上看，关于量子力学的争论只是关于对量子力学认识问题上的争论，不直接影响到量子力学自身的发展和应用，但却在一定程度上左右着理论物理学发展的方向。从哲学的意义上看，争论主要集中在因果性和物理实在与意识之间的关系问题上。在经典物理学中，对体系的测量不会改变它的状态，体系的变化是唯一的，并按运动方程进行演化。但量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率，经典物理学中的因果律在微观领域已经失效。从科学方法上看，量子力学只侧重于描述粒子的微观过程所表现出的宏观效果，它只能把研究对象和它所处的环境当作一个整体来处理，并且认为单个粒子的微观过程是无法准确地把握的。这种根深蒂固的不可知论思想使物理学家们畏缩在通向认识真实的微观物理规律的门前，使他们满足于对物理现象的表观描述，不再深究这些现象的本质问题，这在很大程度上阻碍了物理学的进一步发展。 众所周知，量子力学对单一电子在场中的运动的描述是成功的，对多体问题则无法准确描述。然而，高能物理实验结果表明，当粒子的能量改变与粒子的静止能量可相比时，粒子能转化为别的粒子，甚至有人认为真空也可以激发出正负粒子对来，因此，量子力学对单体问题也是无法准确地描述的。在高能情况下场和粒子难以区分，后来发展起来的量子场论用统一的方式来处理粒子和场，每一种基本粒子都用一个场来描述，在此基础上发展成今天的标准模型。建立在标准模型基础上的量子场论被认为是物理学史上最成功的理论之一，用它预测电子和磁场的作用强度与实验观测值仅差 数量级。但是，量子场论是建立在对称变换群数学模型基础上的，没有可靠的物理规律作为基础，它必须引入“规范场”和“规范粒子”，认为物质通过规范粒子的交换引起新的相互作用，即规范相互作用。无论是弱电统一理论还是量子色动力学（QCD），虽然它们在理论上似乎完美无缺，但它们赖以成立的最重要的规范粒子，如弱电统一理论中西格斯(Higgs)粒子一直没能在实验室中找到。根据标准模型，质子会产生衰变，但质子寿命的下限已被IMB-3探测器精确地定为 年，这已与现有的“标准模型”相矛盾。尽管标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验，但它们只提供了一个粒子的分类标准，粒子的质量、电荷以及其它属性的数据还要来自实验。爱因斯坦所担心的量子力学和相对论的不相容性也真实地存在着，量子电动力学（QED）对电磁场进行量子化这一思路和方法对引力场根本不起作用，电磁理论和量子论的结合与广义相对论和量子论的结合也得不到一致的结果，这充分地暴露标准模型的局限性。物质世界是统一的，真实的物理过程是唯一的，它不可能遵循两种截然不同的规律，不同的理论对同一物质现象和规律的描述必须得到一致的结果。 ※※※※※※ 黄氏时空由光频多普勒红移定义可变时间单位秒t'=tsquart[(C-V)/(C+V)].时间秒的变化导致了可变光速C'=Csquart[(C-V)/(C+V)].光速的变化导致了可变距离单位米l'=lsquart[(C-V)/(C+V)].黄氏自旋衰变相互作用模型:引力=动量变化率，电磁力=角动量变化率.超光速C=2ZM/r |
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第三节 似是而非的相对论
1905年，爱因斯坦在光速不变性原理和相对性原理的基础上建立了狭义相对论，1916年，他又从万有引力和惯性力等效的现象出发，建立了以四维时空坐标变换以及张量分析为基础的广义相对论。这种新的理论能很好地解释质点在高速领域和弱引力场中运动的某些动力学现象，因而获得了普遍的承认。近一个世纪以来，爱因斯坦相对论被广泛地用于物理学特别是高能物理、天体物理和宇宙学问题的研究。 然而，由相对论引发的问题很多，关于相对论问题的争论在规模和范围上甚至远远地超过了关于量子力学问题的争论。在相对论中，物质的质量、能量、动量、空间和时间都是不确定的，虽然在某一个观察者（参考系）上看，物理量取得确定的值，但对不同参考系上的观察者来说，这些物理量的值并不相同，可见，只有在特定的参考系（观测者）上谈论这些物理量才具有确定的意义。物理理论在量子力学和相对论建立之前是经验性的理论，物理理论和我们的感觉经验保持完美的一致。量子力学和相对论的建立完全地改变了我们感觉经验中的世界，甚至严重地挑战着因果律乃至质量守恒定律等严格的哲学规律和物理学规律。我不主张把相对论看作是经典理论，既然把位置和动量不确定的量子力学都看作是违背经典理论了，没有理由把质量不确定的相对论看作是符合经典理论，我们应该把相对论和量子论一起纳入非经典物理学的范畴。 在相对论中，所有的物理量都具有不确定性，只有在确定观察者的情况下，物理量才具有确定的值，只有在确定观察者的情况下，物理量才是实在的。可见，相对论的世界比量子世界具有更多的不确定性和模糊性。在量子力学中，只有实验这种具体的实践活动能影响物理量，而在相对论中，观察者的主观判断也能改变物理量的值。根据相对论，我们在运动的火车上和在地面上看，地球的质量是不相同的。然而，如果物质的质量是一种相对的物理量，它随观测者的运动状态改变而改变的话，质量就不再是守恒的物理量，这一推论违反了自然哲学的基本要求。根据相对论，物质的运动速度是不允许达到或超过光速的，到达光速会导致质量的无限大，超过光速会导致非物理问题。如所周知，光子是以光速运动的，人们必须把光的静止质量看作是零才能避免无穷大问题。按照这种推论，引起物质相互作用的场似乎也具有与光子一样的特性，用经典的语言说就是：光和场是一种特殊的、没有质量的物质形态。质量定义的是物质数量的多少，质量为零意味着没有包含物质，这种虚无的、质量为零的物质概念显然违反了科学原理的基本要求。在宇宙学上，广义相对论还遇到了无法克服的致命困难。按广义相对论，有引力场存在的宇宙空间是弯曲的黎曼空间，但宇宙学分析表明，即使是在引力场非常强的甚早期，宇宙空间也是严格平坦的。这与广义相对论的结论相矛盾，被称为“平坦性疑难”。另外，广义相对论计算表明，对宇宙空间的观测在宇宙整个演化历史上是没有因果关系的。但作为一种观测事实，宇宙大尺度物质的分布是均匀的，即人们对宇宙各部分的观测都有因果关系。这与广义相对论的结论矛盾，被称为“均匀性疑难”或 “视界疑难”。广义相对论的结论与最基本的自然规律不相符，这显示了相对论本身的局限性。 我们重新审查爱因斯坦建立广义相对论的历史背景时发现，在相对论的三大基础原理中，只有“相对性原理”和“等效原理”是获得了大量的实验支持的，但“光速不变性原理”的基础并不牢固，也没有获得充分的实验事实的支持，它不过是爱因斯坦的一种假设。 相对性原理最早是伽利略根据密封船舱中的力学实验现象总结出来的。相对性原理揭示，任何惯性系中的力学规律是完全等价的，不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系。在惯性系内部所做的任何力学实验都不能确定该参考系的运动状态。但是，有没有其它实验方法可以确定惯性系的运动状态呢？当时流行一种观点，认为宇宙空间充满着一种称为以太的媒质，光是靠以太来传播的。以太被看作是绝对静止的参考系，物质相对于以太的运动被认为是绝对运动。根据这一观点，物理学家设计了各种实验，企图测量惯性系相对于以太的绝对运动。其中最有代表性的是1881年的迈克尔逊-莫雷实验。实验结果表明，人们通过电磁实验也无法确定实验所在的惯性参考系的运动状态，不能确定该参考系是静止的或是作匀速运动的。伽利略相对性原理可以推广到任何实验，在惯性参考系内通过包括电磁实验在内的任何方法都不能确定该的参考系的运动状态。 图3-1 迈克尔逊－莫雷实验 迈克尔逊－莫雷实验结果只能表明两个事实：第一，光并不是人们所假设的一样在以太中传播，以太不能作为绝对的参考系。第二，地球上的光速是各向同性的，与地球的运动状态无关。人们普遍认为，迈克尔逊-莫雷(Morley)实验证实了爱因斯坦相对论中假设的光速不变性原理，这是一种错误的认识。如图3-1所示，迈克尔逊-莫雷实验所用的光源、反射镜和观测镜是固连在一起作为一个整体运动的，它类似于伽俐略的密封船舱，实验所用的光是在这个闭合的回路中产生、反射和传播的。我们知道，在密封的船舱内，电子枪在哪个方向上打出去的速度都是一样的，如果电子与等距离的墙发生完全弹性碰撞（反射）的话，它们会在相同的时间内回到发射点。迈克尔逊莫雷实验使用的光源相当于光子枪，这样，我们用伽俐略密封舱中的射击实验就能解释迈克尔逊-莫雷实验的结果。迈克尔逊-莫雷实验只能表明光与普通物质没有区别，根本没有表明光速是不变的。实际上，1728年布拉德雷（Bradley）发现的光行差现象和1911年的萨格纳克(Sagnac)实验都已经证明了光速与观察者的运动速度可以按伽俐略速度叠加原理进行叠加，1851年的斐索(Fizeau)流水干涉实验则证明光速会受水体运动的影响。 说明光速与观察者运动速度可以叠加的最好例子是光行差现象。图3-1是光行差原理示意图，地球公转速度为30km/s,假设观察地球公转速度垂直方向上的恒星，来自远方恒星的光速C与地球公转速度V合成如图3-1A,我们要将永远镜向地球运动方向倾斜20角秒才能观察到恒星S，同理，如图3-1B,当地球公转运动到轨道的另一侧时，我们要把永远镜向反方向倾斜20角秒。在一年之中观察这颗恒星时，望远镜方向要改变的角度为： 天文观测恰好证明了这点，可见，光速和地球运动速度可以按伽俐略速度叠加规则进行叠加。 图3-2 光行差示意图 图3-3是斐索实验示意图。从光源Ｓ发出的光被半透明反向镜M1并分成两束。一束透过M1到达M4 ，沿逆时针方向依次被M4 ，M3 和M2反射而回到M1，透过M1进入望远镜T。另一束则被M1反射到M2，沿顺时针方向依次被 M2，M3和M4反射而回到M1，并经M反射进入望远镜T。在望远镜中观察两束光的干涉条纹。在实验中将水流方向反转过来，使进水口变为出水口，即可观察到干涉条纹的移动。斐索在实验中观察到了0.46条干涉条纹的移动，证明光速受水流运动的影响。 图3-3 斐索干涉实验 图3-4 萨格纳克干涉实验 图3-4是萨格纳克实验示意图。整个实验装置是可以绕中心点C旋转的，从光源Ｓ发出的光被半透明反射镜M1并分成两束。光束1透过M1到达M4 ，沿逆时针方向依次被M4 ，M3 和M2反射而回到M1，透过M1进入望远镜T。光束2则被M1反射到M2，沿顺时针方向依次被 M2，M3和M4反射而回到M1，并经M1反射进入望远镜T。在望远镜中观察两束光的干涉条纹。在实验中，光束1的运动方向与系统的旋转方向相反，光束2运动方向与系统旋转方向相同。当实验装置绕中心点旋转的角速度改变时，观测到了干涉条纹的移动。实验结果表明光速与观察者的运动状态有关（观测镜T和反射镜都可以看作是观测者），否定了“光速不变性原理”中关于“光速与观察者的运动状态无关”的结论。基于光速变化的萨格纳克效应已经在实践中获得了广泛的应用，高精度的光纤陀螺仪就是利用这一原理制成的。 现在分析萨格纳克实验结果是否与伽俐略变换保持一致。在旋转实验中，光束走过的环路可以看作是半径为R的圆环，在干涉仪以角速度ω顺时针旋转的情形，环路本身的线速度为ωR。相对观察者T来说，顺时针方向和逆时针方向的两束光的速度分别为 和 ，圆环的周长为L＝2πR，因而两束光在环形通路中到达T的时间分别为 和 ，两者的时差为 用环路包围的面积S= 代入上式并略去二级小量得 干涉条纹移动的条数为 这是从伽俐略速度叠加原理推导出的结果。实验结果正好证实了这一结果是正确的，说明光速与观察者的速度是可以叠加的。 不管相对论如何解释光行差现象、斐索实验和萨格纳克实验，但是，光速可以与观察者的速度叠加这一事实是不可否认的。在物理学的立场上，人们应该把尊重实验事实放在首位，而不应该把理论提供的自圆其说的解释放在首位。从实验事实上看，“光速与观测者的运动速度无关”的假设是不成立的，光速不变性原理是违犯实验事实的。不过，光速和声速一样与波源的运动速度无关，这点已经被对双星的观测实验证实。 当时物理学的真正困难在于，描述电磁现象的麦克斯韦方程组不遵循伽利略变换规则。洛仑兹在研究运动电荷的电磁现象时总结出了一个对麦克斯韦方程变换保持不变的坐标变换规则： (3.2) 牛顿运动定律的方程对伽利略变换是不变的，对洛仑兹变换则是改变的，人们弄不清楚为什么电磁规律不遵循经验性的伽利略相对性原理，不遵循牛顿运动定律。 爱因斯坦用光速不变的观念解释不同参考系上的时空差别，建立了对洛仑兹变换协变的相对论力学方程，用以代替牛顿的第二运动定律，这就是相对论的基本框架。但爱因斯坦对电磁规律(特别是光速不变性)的盲目推广使相对论带进来许多诸如时间延缓、空间收缩和质量增大等似是而非的问题，这些问题不仅与原有的物理学概念不相容，而且它们相互之间也是排它性的。譬如，时间延缓和空间收缩就是两个相互等效的现象，或认为是时间延缓，或认为是空间收缩都行，但不能同时考虑其存在，承认空间收缩就不能承认时间延缓，反之亦然。举个例子说明一下这个问题：实验测定静止的π介子的寿命为 秒。在高能加速器中的π介子获得0.8C的速度，实验测得π介子在衰变前走过的距离不是 米，而是10.32米。如果时间延缓和空间收缩是一种客观存在的事实的话，那么，π介子走过的10.32米的空间距离应该收缩为6.24米，而π介子的寿命则延长至 秒。这样，π介子在它的寿命期内走过的空间距离对我们来说就不是10.32米，而应该是17.2米，但实际观测值是10.32米，这一值只能用空间收缩或时间延缓中的任一种效果来解释，而不能同时用这两种效果来解释。在相对论力学中，物质的质量被认为是相对的物理量。地球的质量相对于地球上的人类来说约为 ，但相对于以0.998C 运动的μ子来说，地球的质量约为静止质量的10倍，地球的质量仅仅为一个μ子的运动就增大了十多倍，这种理论显然是毫无意义的。至于相对论中那个似是而非的双生子佯缪，或认为做高速宇宙航行老子比儿子年轻的奇谈怪论更经不起考验，在浩瀚的宇宙中，地球相对于遥远的星球在以很高的速度运动，是不是地球上的人一定比生活在那里的人寿命更长呢？ 光速永恒不变导致的另一个错误是广义相对论中的黑洞理论，它几乎成了现代物理学理论的基础。然而，近一个世纪以来，宇宙观测上根本没有找到任何足以论证黑洞的存在的证据，宇宙物质分布的连续性和均匀性这一观测事实却暗示着黑洞在宇宙中不可能存在。我们知道，宇宙观测所接收到的信息都是天体在不同波段上的光子辐射，精确的观测发现，星际和星系际空间中存在由分子和原子构成的弥漫介质，如果黑洞存在的话，黑洞对星际空间分子和原子以及光子辐射都有强烈的吸收作用，我们应该能观测到宇宙物质分布的不连续区域，宇宙观测事实却否定了这一可能性。另外，按广义相对论计算，宇宙系统的黑洞半径和我们观测到的宇宙空间尺度(或宇宙系统的理论半径)一样大，这意味着整个宇宙是一个巨大的黑洞，可现实是，我们生活在宇宙的黑洞中，我们并没有发现宇宙物质在什么不同寻常的地方，宇宙物质在任何方向上的运动都是可能的。 相对论是一个似是而非的理论：似是而非的光速不变性原理、似是而非的时间延缓和空间收缩、似是而非的黑洞……相对论处处暴露出原则性的错误。除此之外，许多新的实验事实和观测事实也呼唤着新的物理学理论的出现。 ※※※※※※ 黄氏时空由光频多普勒红移定义可变时间单位秒t'=tsquart[(C-V)/(C+V)].时间秒的变化导致了可变光速C'=Csquart[(C-V)/(C+V)].光速的变化导致了可变距离单位米l'=lsquart[(C-V)/(C+V)].黄氏自旋衰变相互作用模型:引力=动量变化率，电磁力=角动量变化率.超光速C=2ZM/r |