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为我便于与同行交流，我把《自然系统的物理学原理》一文上传到中国预印本服务系统上。下载地址如下：
http://prep.istic.ac.cn/docs/1181313018547.html 对实验感兴趣的同行可以亲自动手做最后面的四大验证实验，意义非凡。 内容如下： 第2章 自然系统的物理学原理 中国 广西 北海剑桥研究培训中心 黄国有 hgyphysics@yahoo.com.cn 1 自然系统层次的划分 在现有物理学中，分子、原子、基本粒子或者更细微的物质单元称为微观物质世界，相对应的物质现象称为物质的微观现象；我们日常生活所及的物质世界称为宏观物质世界，对应的物质现象称为宏观物质现象；星系或星系以外更大层次的物质世界称为宇观物质世界，相对应的物质现象称为宇观物质现象。许多人不同意对宇观物质层次的划分，这些持不同意见的人认为宇观与宏观没有什么区别，物质范围从宏观扩大到宇观星系尺度上不会有什么明显不同的物质规律。我认为，尽管物质的规律是统一的，但不同尺度上的物质规律有着与其它尺度物质规律显著不同的特点，所以，对物质层次向上或向下的划分都还是必要的。宇观系统论根据不同尺度动力学规律的特点从小到大的范围划分为四个不同的物质层次：微宇观、微观、宏观和宇观。微宇观是基本粒子以下的物质层次，这一层次的动力学特点是它的动力学规律必须与整个宇宙系统的规律联系起来才能获得阐明。微宇观是一个从微观到宇观统一的物质层次，在这一层次中，粒子的动力学体系几乎不受微观电磁力和宏观万有引力的影响，它是宇宙学效果在最基本的物质元素上的直接体现。这是我将之称为微宇观的直接原因。通常，微观是指动力学体系主要由电磁相互作用支配的物质层次，宏观是指动力学体系主要由万有引力支配的物质层次，或者包括主要由万有引力和电磁力共同支配的物质层次。宇观则是动力学体系主要由万有磁力支配的层次，或者包括主要由万有引力和万有磁力共同支配的物质层次。现有的物理学理论仅仅是适用于微观和宏观的理论，它们在微宇观和宇观层次上将不再适用。宇观系统论则是一个同时适用于这四个物质层次的新理论，而且，一个真正的统一理论必须实现从微宇观到宇观物质规律的统一。 图1.1 自然系统的统一图景 物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象之间有着本质上的联系。但在目前，描述物质微观现象的物理理论与描述物质宏观现象的物理理论之间存在着无法逾越的鸿沟。譬如，描述物质宏观现象的牛顿动力学无法用于描述微观电子的运动规律，在描述宇观物质现象（如星系的动力学现象）时它也导致了很严重的暗物质问题等。描述物质微观现象的量子力学也无法用于描述宏观物质的动力学规律，更无法用于描述天体的运动。总而言之，在现有物理学理论体系中，物质的微观规律、宏观规律之间似乎是大相径庭、毫不相容的，这是现有物理学理论体系的主要缺陷。不管是从科学的角度还是从哲学的角度出发，我们都有理由认为物质世界是高度统一的。目前物质现象的差异以及物理理论之间的割裂状态主要是由于我们对物质世界还缺乏深入的认识，只有在物质现象和物理理论都统一之后，我们对物质世界的认识才算是彻底的。 目前，描述微观物质现象成功的理论是量子力学和狭义相对论，描述物质宏观现象成功的理论是牛顿的动力学理论。在宇观物质现象方面，基本上适用的是牛顿的引力理论，广义相对论也被广泛地应用于宇观物质规律的研究。但是，牛顿引力理论无法解释许许多多天体现象，如星系的结构和星系中恒星的运动问题，星系在星系团中的运动问题，更突出的还有环星系问题，旋涡星系中旋臂的形成、维持和演化问题。另一方面，广义相对论在宇宙学上得出的都是自相矛盾的结论，所以，宇观物理学直至现在仍然是一种需要填补的空白。 宇观系统论将物质规律的高度统一性上升为“统一性原理”作为它的基本假设。统一性原理要求物质世界遵循完全相同的物质规律，当前的物理学却并没有揭示这种统一的规律。宇观系统论研究的正是物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象之间的统一问题，它以现有的微观物理学、宏观物理学、天体物理学和宇宙学作为自己的基础，从微观本质上揭示物质的宇观现象及其规律。在宇观系统论中，微观粒子和宇观星系遵循完全相同的动力学规律。从宇观系统论得出的结论都是自然而合理的，它解释了宇观范围内的许许多多奇特的物质现象，初步实现了物质现象和物理理论之间的统一。 2 物质系统 凡是具有联系的物质整体都可以看作是一个系统，系统最主要的特性是它的物质性。以前的热力学对由大量粒子组成的宏观系统进行了深入的研究。与热力学系统相互作用着的环境称为外界。由系统与外界的关系，热力学把系统分成三类：（1）孤立系统：与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。（2）封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换的系统。（3）开放系统：与外界既有物质交换，又有能量交换的系统。热力学对系统的这种区分存在很大的局限性，热力学系统只有局部物质系统的意义。 除了热力学现象外,其它物理现象也必须对与之相连的系统进行具体的研究。为此，宇观系统论将物质系统分为两大部分：整体物质系统和局部物质系统。这里，我们把理想的、与外界没有任何物质相互作用关系和能量关系的物质系统称为整体物质系统。与之相对应，整体物质系统中任何一部分物质组成的系统称为局部物质系统。由于物质与相互作用和能量的不可分离性，更由于“外界”环境的物质性，有“外界”存在就必定有相互作用关系和能量关系，所以，严格地说，整体物质系统是一种没有“外界”的物质系统，而局部物质系统则是有“外界”的物质系统。 宇宙是一个完美的整体物质系统，它完全符合与“外界”没有任何物质相互作用关系和能量关系这一前提条件。或者说，宇宙完全没有“外界”，作为一个整体，宇宙不可能与宇宙之外的物质产生任何相互作用关系和能量关系。另一方面，如果某种物质与宇宙系统内部物质产生相互作用，这种物质必定是宇宙物质的一部分（即它不可能是“外界” ）。所以，整体物质系统又可以称为宇观系统或自然系统（在以后，整体物质系统、宇观系统、自然系统和宇宙这四个概念是等价的）。天体系统则是典型的局部物质系统，它是宇观系统中的一个组成部分。原子系统也是比较典型的局部物质系统。作为一种概念的延伸，地球生生态系统和人类社会系统等等都属于局部物质系统的范畴。 宇观系统由于没有“外界”，它的存在、运动和变化都只能被局限在本系统范围之内，它与局部物质系统有着本质上的区别。譬如，宇观系统遵循完整性原理；在宇观系统中，物质的运动状态只有吸收态而不可能有束缚状态和散射态；宇观系统中物质的分布和压力场的分布都是各向同性的，而局部物质系统则完全没有这种特性。热力学中的孤立系统也属于局部物质系统，由于“外界”物质的存在，任何孤立系统都不可能完全隔绝本系统物质与外界物质之间的场相互作用的联系，因而也无法隔绝与场相互作用有关的能量交换。 容易证明，宇观系统的膨胀和收缩运动规律与正常高温介质膨胀和收缩的规律完全相同。但是，宇观系统的一切物理过程都是“绝热”的等熵等质的过程,这是因为宇观系统不可能从“外界”吸收物质和能量,也不可能向环境释放物质和能量缘故。 3 自然系统的基本运动 根据相对性原理，系统整体在空间中的相对运动状态是无法确定的，因而对研究系统内部的物理规律来说，整体系统的相对运动不仅没有物理意义，而且是不存在的。 为了区别，我们把系统质心不改变的自旋和径向运动称为系统的绝对运动，把系统质心改变的运动称为系统的相对运动。虽然绝对运动和相对运动都无法在单一的实验结果中体现出来，但他们都可以通过对比实验结果的方法来确定。譬如，我们可以通过对另一参考系的观测来确定系统相对于该参考系的速度。宇宙系统整体的膨胀-收缩运动和自旋运动会在宇宙星系或光的运动中体现出来，我们可以通过适当的手段观测到宇宙整体系统的绝对运动状态。1929年，哈勃从天体光谱的多普勒红移规律发现了远处星系相对于银河中心的系统退行现象，证实了宇宙空间在向外膨胀。现代的大爆炸宇宙学就是在哈勃的发现基础之上建立起来的。宇宙系统的整体膨胀和收缩运动对宇宙物质的演化起着关键的作用，宇宙空间膨胀可以用哈勃定律表示如下： (3.1) 容易理解，宇观系统是以物质辐射的极限速度（光速）向外扩散（膨胀运动）或向内收敛（收缩运动）的，因此，宇观系统膨胀的哈勃常数等于系统光速与系统空间半径之比。 （3.2） 原理上，我们可以用实验测定的光速值和观测到的宇宙空间距离值计算得到宇宙膨胀的哈勃常数。但哈勃常数还可以从星系的退行速度和距离求得，所以，我们可以用光速和哈勃常数通过(3.2)式计算宇宙系统的空间尺度。 宇宙系统整体的自旋运动对宇宙物质的起源和运动以及物质之间的相互作用起着决定性的作用。根据角动量守恒的原则，作为整体系统，宇宙系统的自旋方式与局部星系的自旋运动形式不同，由实物粒子组成的宇宙整体的自旋方向与充满宇宙整体系统空间的非实物基元（质磁子）的自旋方向相反，实物宇宙自旋的角动量与所有质磁子自旋的角动量之和相等，从而保证了宇宙系统的角动量保持为零。正自旋的实物宇宙与负自旋的以太气体构成了宇宙系统的背景磁场，宇宙系统宏观自旋与微观质磁子自旋的形成和分离是宇宙不计岁月流逝的、漫长的演化之结果。宇宙整体自旋运动的产生和宇宙背景磁场形成之后，宇宙才真正摆脱了混沌状态而进入具有清晰物质轮廓的、富有生命力的物质演化时期。宇宙系统整体的自旋运动可以通过对星系光谱的多普勒红移或蓝移的精细观测研究来发现。我们从星系光谱的红移数据中减去哈勃红移和引力红移项就可以得出星系光谱或背景微波辐射的系统自旋红移和蓝移数据分布，获得如下图的宇宙系统自旋的红移图景。 图3.1 系统自旋的红移图景 精确的宇宙自旋的红移图景可以从宇宙微波背景辐射的多普勒红移观测到。由于宇宙微波背景辐射是各向同性的，辐射频率仅受宇宙系统整体运动的影响，因而从微波背景辐射精细结构中获得的宇宙系统自旋图将更清晰、更准确。我们对微波背景辐射精细结构的观测会受到宇宙系统膨胀的影响，这是因为微波背景辐射源是占绝大部分宇宙物质质量的质磁波子，质磁波子总是以光速运动的，而地球或其它星系的运动速度则低于光速，所以，微波背景辐射的膨胀红移并不遵循哈勃定律而是近蓝远红的规律（图3.2）。 图3.2 系统膨胀的红移图景 这样，用微波背景辐射观测到的宇宙自旋图景应该是图3.1和图3.2的结合，图3.3所示的是宇宙观测到的宇宙微波背景辐射的红移图。 图3.3 真实的宇宙背景红移图 我们惊奇地发现，宇宙系统的自旋图与中国古代的太极图完全相同，宇宙自旋图中的红移和蓝移区域组成了太极图上的阴阳两个极。可见，宇宙的整体运动不仅决定着宇宙物质的一切运动和变化，而且在人类漫长的演化岁月中影响着人的大脑和思维的结构，这使得思维朴素的古人在冥思默想的所谓真气修炼中感悟出宇宙整体运动的信息，形成了“天地一真气”、“太极生两仪”的朴素而深刻的宇宙观。 宇宙整体系统的绝对运动直接决定着宇宙物质的物理规律，宇宙系统的膨胀收缩和自旋运动是基本粒子和电磁相互作用产生的根本原因，是自然界一切相互作用的根源。 根据系统相对性原理，系统内部的物理实验无法判断系统是静止还是做匀速直线运动，所以，不管系统以多大的速度做相对运动，对系统内部的观察者来说，系统的总能量都不会发生改变。我们把这一规律上升为一条系统运动定律。 系统运动定律1：不管系统相对运动的速度是多少，相对该系统内部的观察者来说系统的相对速度和动能永远为零。 该定律符合运动的相对性原理，无需给出证明。 这意味着，不管人类花费多少能量使一个系统运动起来，系统的绝对能量（相对于系统质心所具有的能量）都不会增加。既然这样，我们是否真的一定需要外加能量或通过外力作用才能使系统运动呢？运动是相对的，与运动相关的速度、动能也是相对的。当我们静止在地面上的时候，地球的动能是0，当我们以速度V相对地球运动的时候，地球的动能马上变为 ，地球在不需要能量的情况下产生了速度为V的运动。根据运动相对性原理，这与我们用火箭发射宇宙飞船产生的速度效果完全一样。如果一个参考系以加速a相对于地球加速运动，该加速参考系上的观察者将发现地球受到一个引力Ma的作用而加速运动，这一效果与你用火箭推动地球前进的效果也完全一样。既然如此，我们为什么要花费这么多能量来加速宇宙飞船呢？我们有没有可能找到一种不用外力，不用提供额外的能量就可以加速宇宙飞船的方法呢？根据物理学原理，既然存在等效的现象，我们就应该能找到一种等效的方法，让我们能够在不需要外加能量的情况下使物质系统运动起来。但是，这种不用外力使系统加速的方法似乎是一种科学的永动机，不能找到这种方法以实现宇宙航行将是人类的第一大遗憾。因为，更令人类绝望的是，任何外力都不能使与之固连的系统产生相对运动，我们将这一规律上升为另一条系统运动定律。 系统运动定律2：任何外力都不能使与之相连的系统产生相对运动。 该定律可以从牛顿第三定律获得证明，因为作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以有 (5.1) 这里“与之相连的系统”是指受外力的系统与施外力的系统组成的新系统，外力相对受力系统而言的，仅有相对的意义。 由以上两条系统运动定律引出了一个更基本的物理学问题：运动到底是相对的还是绝对的？整体系统存在相对运动吗？既然任何“外力”都不能使与这固连的系统产生相对运动，那么，系统的相对运动如果存在，它必定由内力产生。这似乎又给人类带来一丝希望，希望在不受外力作用的情况下系统的运动状态可以改变，希望系统内部的角动量变化能引起系统的动量变化，希望系统的动量变化也能引起系统内部的角动量变化。 可见，运动的相对性仅仅是相对于局部物质而言的。对整体物质系统来说不存在相对运动。这意味着整体系统可以作为一个优越的参考系。这个优越的参考系与以前的物理学原理相容吗？ 4 自然系统的基本变化 衰变是自然系统存在和变化的最基本的方式。任何物质都有其产生和衰亡的变化过程，这就是物质的衰变。物质的衰变现象是普遍存在的，经典物理学概念下的基本粒子以及构成基本粒子的更细微的结构单元都无一例外地存在着衰变相互作用。 衰变实际上是粒子与它的环境介质之间保持的一种动态的动力学平衡体系。物质在发生衰变辐射的同时，也发生着逆衰变吸收的过程，衰变和逆衰变是同时存在的可逆反应。在一定的条件下，物质的衰变辐射和逆境衰变吸收保持动态平衡状态。这种动态平衡使物质保持相对稳定的性质。当物质条件发生改变时，物质的衰变-逆衰变平衡就会发生移动。当物质的衰变平衡移动到一定程度时还会引起物质性质的根本性变化，例如，衰变反应向衰变方向移动可以导致粒子的消亡，向逆衰变方向移动可以导致新粒子的产生。 虽然基本粒子还有更细微的结构，但物质决不是无限可分的，自然界所有的物质必定存在一种最基本的衰变反应。这种最基本的衰变反应发生在粒子和宇宙物质的最小基元之间，是事物腐败、生命衰老、原子裂解和基本粒子衰变的根源。我们把自然界最基本的衰变称为质磁衰变，把质磁衰变辐射的最小微粒称为质磁波子。质磁衰变是物质一切运动和变化的基础，是一切物质产生相互作用的根本原因。 原子物理学和高能物理学已经初步揭示了原子核和基本粒子的衰变现象，人们正是通过对原核衰变现象的研究才认识了原子内部复杂的微观结构，认识了电磁相互作用和强相互作用，发展了完整的电磁学理论体系和原子物理学体系，认识了弱相互作用，并且发展了弱电统一理论和量子色动力学。基本粒子的衰变暗示着基本粒子具有更复杂的微细结构，对基本粒子衰变现象和规律的研究是了解基本粒子细微结构唯一可行的方法。 对衰变-逆衰变平衡的研究是解决许多物理学问题的有效途径。在一定的条件下，物质的衰变和逆衰变保持动态平衡状态。在衰变-逆衰变这一对立统一的相互作用体系中，衰变辐射是导致物质衰亡的相互作用，逆衰变吸收则具有维持物质原有性质的作用。假如没有逆衰变吸收过程，一切物质都将是瞬息瞬灭的，不可能有很长的寿命，也不可能有稳定的物理化学性质。衰变导致了物质的运动和变化，逆衰变保持了物质的稳定状态。当物质的衰变-逆衰变平衡向吸收方向移动时，物质的寿命将延长，当平衡向衰变辐射方向移动时，物质的寿命将会缩短。如果基本粒子辐射的是寿命很短的场波子，基本粒子一般很难吸收到这种波子而发生逆衰变过程，使衰变平衡向衰变辐射方向移动，所以，这种基本粒子的寿命一般是很短的。物质的运动能提高背景衰变辐射波子相对于粒子的密度，使衰变平衡向逆衰变吸收方向移动。基本粒子在加速场中吸收了大量的场波子时，衰变平衡也向逆衰变吸收放向移动，这些都会导致基本粒子寿命的延长，甚至使粒子分蘖产生出新的粒子。衰变平衡向逆衰变方向移动是高能粒子寿命延长的真正原因。爱因斯坦把基本粒子寿命的延长看作是一种由物质之间的相对运动状态改变而产生的相对效应，这种观点是错误的。 5 粒子的自旋波动 波粒二象性 光的波粒二象性和微观粒子的量子特性被认为是背离经典的，量子力学的核心是描述物质波的演化方程，然而，人们一直弄不清为什么粒子具有波粒二象性和量子化特征。实际上，这都由粒子的自旋引起的。自旋的粒子在运动中实际上就是一种波动，我们把粒子自旋引起的波动称为粒子波，或自旋波。可见，粒子的自旋使粒子既是粒子也是波，表现出波粒二象性。 考虑自旋粒子上的一个点，它的波动方程为 粒子自旋波是横波，如图5-1所示。 图5-1 运动中的自旋粒子 由于电磁相互作用是由粒子的自旋引起的，经分析发现，当电磁场加速粒子时，粒子的平动速度和自旋速度是同步增加的。粒子的运动遵循下面的规律： 粒子运动定律1：在电磁相互作用中，粒子的平动速度和自旋速度总是大小相等的。 根据角动量守恒规律，粒子的质量m，半径R，动量P和角动量L的关系为： (5-1) (5-2) (5-3) 粒子波的周期是粒子自旋一周所需的时间，设粒子的自旋速度为V，则 (5-4) 粒子的波长为粒子在一个周期的时间内走过的距离 (5-5) 设 ，则 (5-6) 正是普朗克常数，它的物理意义是粒子角动量的2π倍。设 (5-7) 是粒子的角动量，它是一个不变量，因此我们得出下面的粒子运动定律： 粒子运动定律2：所有实粒子的自旋角动量大小都相等，并且始终保持守恒。 粒子波的频率为周期的倒数，即 (5-8) 设 (5-9) 是粒子的能量，则 (5-10) 可见，粒子波和光波遵循相同的动力学规律。 粒子运动定律3：粒子的半径与它的速度成反比，当粒子受电场的加速而速度增大时，粒子的半径将减小。 该定律由(5-2)式给出给出证明如下 (5-8) 在历史上，德布罗意曾经类比光的波粒二象性提出了物质波的概念，在量子力学中，物质波是一种几率波，是大量粒子表现出的统计结果。粒子波不同于德布罗意的物质波，粒子波是单个粒子运动时表现出的一种的波动结构，它由粒子的自旋运动产生。当然，也可以说物质波本质上是粒子波，只是人们以前没有了解它的本质，错误地用几率波解释粒子的微观行为。因此，我们应该从粒子的自旋波动出发，重新建立准确地描述粒子微观过程的新的量子力学。 6 粒子的能量 (5-9)式表示的是粒子的总能量，它是粒子的平动动能与自旋动能之和。 虽然平动动能和自旋动能都是我们熟悉的机械能，但粒子的自旋动能实际上是磁能，粒子的平动动能实际上是电能，电磁能和机械能本质上是一样的。 根据粒子运动定律1，粒子的平动动能和自旋动能相等，其中平动动能（电能）为 （6.2） 自旋动能（磁能）为 （6.3） 对以光速运动的粒子来说总能量为 （6.4） 这是我们熟悉的质能公式。在原子裂变和核聚变反应中，能量是以光速运动的粒子携带出去的，辐射的能量符合(6.4)式的关系。质能关系完全可以用牛顿动力学规律作出解释。 由于粒子的能量包括自旋动能和自旋动能，当我们把粒子从速度 加速到V的时候，由于它在相互作用中吸收了微粒，粒子的质量将从 变为m,引力对粒子所做的功等于粒子能量的增量，即 （6.5） 我们知道，如果粒子不存在自旋运动，引力对粒子所做的功等于粒子平动动能的增量，引力所做的功只是(6-5)式所示的一半，但实验结果表明，即使是在低速的情况下，(6.5)式也是正确的。也就是说，粒子的自旋效应即使是在低速的情况下也是严格成立的。 7 测不准关系 测不准关系是量子力学的核心思想，在量子力学中具有特别重要的地位。实际上，测不准关系不过是人们忽略粒子自旋运动的结果，当人们用宏观平动的观念测量粒子的运动时自然会发现粒子行为与经典物质规律的差别。根据粒子波规律，以动量为例，在粒子相互作用过程中，粒子的角动量会转变为动量或者体现在粒子的动量上，人们测量粒子动量与经验关系的差别在测量方法和仪器没有任何误差的情况下的最小值显然是粒子的角动量。用 表示粒子偏离中心的位置，则 （7.1） 我们知道，这正是海森堡的测不准关系。 同理，人们对微观粒子能量的测量误差至少是粒子的自旋动能，即： （7.2） 频率是时间的倒数，用 表示对频率的测量误差，则上式化为 （7.3） 这正是测不准关系的能量时间测不准的形式。 归根到底，量子力学中的测不准关系是人们忽略粒子自旋运动的结果。在考虑了粒子的自旋结构和运动后，量子力学中的测不准关系就不存在了。可见，微观粒子的世界仍然是具有确定关系的、经典的世界。微观粒子的行为仍然遵循牛顿动力学规则。 哥本哈根学派把测不准关系归结为测量仪器与粒子相互作用的不可控制性，这种观点是不正确的。用远隔实验的关联性来解释测不准关系的矛盾更是错误的，这种错误的观念导致了多世界解释一类严重背离物理学规律的学说，使量子力学进一步陷入主观唯心主义的泥潭而无法自拔，对后来物理学理论的发展造成了极其严重的不良影响。 8 宇观系统的能量 宇观系统对物质所做的功等于物质的动能的增量。对随宇观系统作自由膨胀-收缩运动的量子气体来说，可以定义宇观系统空间标度 时的动能为零。这可使物质的动能等于系统对它所做的功，即： （7.8） 在上述动能公式中，m。是起始状态时物质的质量，m是其它任何状态下物质的质量。在宇观系统论中没有动质量和静止质量的区别。物质的动能改变主要表现在物质本身质量的改变和衰变辐射速度的改变两个方面。对质量保持不变的物质来说，它只接受系统引力做功时，物质动能的改变主要表现在质磁衰变辐射速度的改变之上，结果是物质通过衰变-逆衰变动态平衡相互作用，被辐射速度较大、能量较高的质磁波子所置换。如果它克服系统引力做功，物质则被速度较低能量较小的质磁波子所置换。 我们可以把物质所拥有的电磁能定义为系统物质的总能量，或称物质的内能，并表示为： （8.1） 系统物质的内能是系统状态的函数，不同的系统状态对应着不同的内能值。由此可见，物质的内能是一种相对的物理量。 物质的任何功能转变归根到底都是物质内能Es的转变，因而，归根到底都是物质存在状态的改变或者物质的转移。物质的热能、引力能、核能以及其它形式的能量的改变最终都表现在物质内能的改变之上，亦即是表现在物质存在状态的改变或物质的转移之上。能量的转变遵循（8.1）式所示的质能关系。 从物质的内能分析，当宇观系统向外膨胀，即宇观系统的空间标度R增大时，系统物质的总内能减少。反之，当宇观系统收缩，即系统的空间标度R减少时，系统物质的总内能增加。从宇观系统的整个演化阶段看，系统物质的内能是不守恒的。只有在一定的系统状态下，能量守恒定律才具有真正的意义。 物质在接受外力做功时，物质的动能增加，物质的内能也增加。物质能量的增加既可以表现在物质质量的增加上，也可以表现在物质的衰变辐射速度的增大上。反之，当物质克服外力做功时，物质的内能减小。物质能量的减小既可以表现在物质质量的减少之上，也可以表现在物质衰变辐射速度的减小之上。对于一定质量的物质来说，物质的内能变化只表现在物质衰变辐射度的变化上。这种衰变速度的变化是通过物质本身的衰变-逆衰变动态平衡来实现的。当系统向外膨胀时，系统的质磁波子的辐射速度减小，物质的逆衰变吸收导致了物质被这种辐射速度较小、能量较低的质磁波子所置换，从而造成了物质内能的减小。反之，当系统收缩时，质磁波子辐射速度增大，逆衰变吸收使物质被这种辐射速度较大、能量较高的质磁波子置换，从而造成了物质内能的增大。 对于一定系统状态下的物质来说，质磁波子的辐射速度保持一定的数值，系统物质的内能保持恒定。这时，物质的能量转变只能通过物质之间的电磁相互作用（包括万有引力）来实现。电磁相互作用是靠物质的吸收来实现的，任何能量的转移都要通过物质的传递才能实现。没有物质的传递，任何能量都不可能传递到别的物质上。 从光速可变的角度分析，系统物质的内能是不守恒的，为了使能量守恒定律在宇观系统的整个演化阶段中都成立，我们引入宇观系统位能的概念。 宇观系统对物质所做的功只与系统的始末状态有关，与物质运动的途径和经历的时间无关，可见，宇观系统是一个保守系统。为此，我们规定，宇观系统空间标度 时系统的位能为，其它状态下系统的位能由（7.5）式给出为 （9.1） 引入宇观系统位能的概念之后，系统对物质所做的功等于系统位能的减少，显然，它仅取决于宇观系统的始末状态而与途径和时间无关。当宇观系统向外膨胀时，系统的位能增大，系统物质的总内能减小，当宇观系统向内收缩时，系统位能减小，系统物质的内能增大。由此可见，引人系统位能概念之后，系统的总能量仍然是守恒的。系统的总能量定义为系统位能和系统物质总内能之和，即： （9.2） 这便是宇观系统的能量守恒公式。 实际上，系统的位能也是系统的电磁能。当我们说物质运动到无限远处的能量变为零的时候，实际上是指物质的能量全部变成了系统的电磁能。系统的总能量没有变化，只是它的存在形式发生了改变。物质运动到无限远处的结果实际上是物质的所有成分辐射到系统空间中，它的质量和能量都变成了零。所以，关于内能和位能的划分完全是主观的，我们主观上认为存在一种物质，它运动到系统无限远处的时候质量保持不变。 质量是描述物质数量的物理量，它是物质惯性的量度。质量守恒定律是物质世界遵循的基本规律之一。能量则是描述物质状态的物理量，不同的物质状态对应着不同的能量。能量守恒只有相对的意义，系统物质的总质量则是永远保持恒定的，它与系统的存在状态和运动状态无关。但系统的总能量则是变化的，它与系统的存在状态和运动状态有关。 物质的质量和能量所描述的是不同的物理量，但它们之间存在着内在的联系，（8.1）式是宇观系统的质能关系式。从中可以清楚地看出，能量是物质状态的函数，不同的系统状态对应着不同的能量。但是，在一定的系统状态下，物质的质能关系则是确定的，物质的能量也保持相对守恒。在现阶段宇宙系统中，物质的质能关系为 （10.1） 天体系统的超光速 由下式计算 (10.2) 在现阶段宇宙天体系统中，物质的质能关系为： （10.3） 是宇宙系统的光速。 从宇观系统的质能关系式看，物质的质能关系是一种不确定的关系，它随系统状态的变化而变化。在 的值很大的高密度天体系统的质能关系与地球物质的质能关系差别很大，超能辐射和超光速辐射是 值较大的天体的两大特点。譬如，在质量为100个太阳质量，半径只有数十千米的超密天体上， 的值就高达 。而一个质量为 而密度正常的星系核，其 值也在 以上，在它演化的晚期，其 值可高达 左右。这些天体的 值都远远地超过了宇宙现阶段的c值，以至于宇宙的c值可以忽略不计。（10.3）式给出，在这些特殊的天体系统内部，物质的质能关系为 （10.4） 在这些天体内部，物质运动和变化释放的能量非常巨大，这些天体的能量辐射比普通恒星强上万倍至上百万倍以上。 特别地，在宇宙甚早期，宇宙的空间标度很小，譬如在宇宙空间标度为 时，c的值约为 。这时宇宙物质的质能关系为： （10.5） 由此可见，在宇宙甚早期，物质的辐射运动速度非常高，物质的能量辐射是今天宇宙物质能量辐射的 倍，这种超级能量辐射构成了宇宙整体速缩速胀的“宇宙大爆炸”运动。 物质不灭定律是宇宙遵循的最基本的规律之一，物质既不能凭空产生，也永远不会消失。而能量只是描述物质运动状态的一种相对的物理量。物质的质能关系仅仅表示在某一确定的系统状态下，一定质量的物质所包含的电磁能的总量。在物质相互作用过程中释放的能量总是以电磁能的形式辐射的，在某一具体的物理过程中释放的能量等于变成电磁波的物质所含有的电磁能（内能），绝对不能理解为一定数量的物质转变成了一定数量的能量。以前，有些物理学家显然将这一问题混淆了。 9 引力的内因性原理 衰变是宇宙物质最基本的变化，物质之间的引力是由物质的衰变引起的，譬如，万有引力是物质最小衰变基元衰变辐射所产生的微观推动力的宏观表现。引力由物质本身的衰变辐射产生，引力的平衡是分别建立在物体内部的衰变基元之上的，它不是别的物质施加的外力。这便是引力的内因性。引力的内因性表明，传统概念下由一个物体施加给另一个物体的引力是不存在的，但由于历史的原因，引力的概念仍将继续沿用，但它已经失去了原有的物理意义。 物质之间的引力遵循内因与外因之间的辩证关系。其它物体的存在只是引起引力的外部因素，自身物质的衰变平衡移动导致的动量变化才是引起引力的内部因素。引力的平衡不是建立在相互作用的两个物体之间，而是分别建立在两个相互作用的物体的内部。只要物质定向地吸收其逆衰变过程所需要的质磁子，它就可以获得一种由自身物质衰变辐射产生的加速度，表现出受力的作用。它们不需要“标准模型理论”假设的Higgs粒子或其它所谓规范粒子的存在。例如，某个人被高压电吸引过去，并不是高压电对人体有引力作用，而是人体物质定向地吸收了高压电场辐射的场波子而获得了一个加速度。如果人“修练”到可以不吸收高压电场辐射的微粒，再强的电场也奈何不了他。我们再作一个类比来说明引力的内因性特征：某个男士看见了一位楚楚动人的漂亮女郎而不由自主地向她走过去，表面上看似乎是女郎对他施加了某种“引力”作用。但实际上，漂亮女郎对他并没有施加引力作用，只是他的眼睛和神经吸收了女郎发出的光学信息，这些光学信息改变了他的心态和运动状态。但如果是一个失常的人，女郎再漂亮也不可能对他产生影响。中国传统气功中的“自我暗示”、“开发潜能”等也正是利用了相互作用的内因性来达到预期的效果的。 万有引力是牛顿1666年将伽利略力学概念推广到天体运动中而引入的，他在开普勒行星定律的基础上假设地球和月亮之间、太阳和行星之间存在某种吸引力而创立了万有引力定律。他进一步假设宇宙万物之间都存在这种超距引力的作用，故称“万有引力”。根据万有引力定律，太阳和地球之间的万有引力约为 牛顿，相当于地球与太阳之间每平方米承受一百万牛顿的压力，这么强的压力可以将地球与太阳之间的所有东西都挤得粉碎。可是，不管是地球上的物理实验还是人类的感觉器官都没有感受到这种强大的引力的存在，于是，万有引力被认为是一种可以跨越时空条件和物质条件而作用在别的物质上的神秘的魔力。为了自圆其说，人们不得不引入“场”的概念，认为太阳通过“引力场”对地球产生力的作用，而“引力场”则是一种不可捉摸的特殊的物质形态。一时间，“场”的概念变得时髦起来，什么“加速场”、“生态场”、“意念场”，应有尽有，一切不可解释的自然现象都归结为神秘的“场”的作用。这种神秘的“场”被唯心主义者大力鼓吹和利用，成了神学和灵学的科学依据。 引力的内因性原理表明，以前物理学家们假设的“引力场”这种特殊物质形态是不存在的，由一个物体超越时间和空间距离施加给另一个物体的引力(或斥力)也是不存在的。其中自然包括牛顿假设的万有引力以及原子核对电子的库仑力。根据引力的内因性原理，苹果之所以落在地面上，并不是地球对它有引力，而是因为苹果自身的物质保持其衰变－逆衰变动态平衡而在地球的衰变场中定向地吸收了其逆衰变过程需要的微粒(我把这种微粒称为质磁子)。这种定向吸收使苹果物质衰变辐射的动量平衡被打破，从而在苹果与地球的连线方向上产生了一个反向的加速度，表现出了向下的重力。同理，地球之所以绕太阳运动是因为地球物质保持其衰变动态平衡而在太阳的衰变辐射场中吸收了其逆变过程所需要的质磁波子。地球物质吸收质磁波子后，地球物质的衰变动平衡被打破，从而在吸收方向上产生了一个反向加速度，在日地连线上表现出了“引力”的作用。显然，这种力并不是太阳施加给地球的。这种力的平衡是分别建立在组成地球物质的最小衰变基元之上的，它不仅与太阳没有直接的联系，与地球上其它任何物质也没有必然的联系，这正是地球上任何实验和感觉都没有发现这种强大的相互作用力的原因。两物体“之间”的“引力”不是作用力和反作用力的关系，因而并不遵循牛顿第三定律。它们即不严格相等，也不严格地作用在同一条直线上，更不严格地通过对方系统的质心，即天体“之间”的“引力”具有内因性、不等性和偏离性三大特征。 在宏观物体，内部粒子自旋相互抵消，在只有平动的情况下仅表现出万有引力的作用。如果宏观物体存在自转运动，它还表现出宏观电磁作用，称这为万有磁力。对于微观粒子，衰变这定向吸收除了在平动上表现出甩有引力之外，还在自旋上表现为库仑力的作用。这种作用不仅改变粒子的平动速度，也同时改变粒子的自旋速度。 10 粒子的自旋效应 我们已经知道，自旋是粒子波粒二象性、量子化和测不准关系等量子效应的根源，实际上，自旋还是相对论效应的根源，在考虑了粒子的自旋运动之后，量子力学和相对论都回到了牛顿力学体系中。下面证明相对论效应实际是粒子的自旋效应。 粒子之间的引力是通过粒子的衰变平衡从环境吸收某种微粒(质磁子)产生的，对在相互作用中处于相对静止的物质来说，衰变辐射的速率等于逆衰变吸收的速率，粒子的质量保持不变。如果粒子逆着引力方向运动，引力对粒子做负功，粒子的速度将减小，能量降低，粒子的衰变辐射速率大于逆衰变吸收的速率，粒子的质量将减小。当粒子顺着引力方向运动的时候，引力对粒子做功，粒子的速度增大，能量增加，粒子的衰变辐射速率小于逆衰变吸收速率，粒子的质量增加。当粒子的衰变辐射速率大于逆衰变吸收速率时，粒子的寿命将缩短，反之，当逆衰变吸收速率大于衰变辐射速率时，粒子的寿命延长。粒子质量增大、寿命延长等相对论效应并不是由参考系之间的相对运动引起的，而是通过相互作用实现的。 前面已经论证过，粒子的平动速度和自旋速度总是相等的。在相互作用过程中，粒子对质磁子的吸收引起平动速度增加的同时也导致自旋速度的增大。在粒子衰变辐射和逆衰变吸收质磁子的反应中，物质的质量、能量和角动量都是守恒的。我们分析粒子相互作用过程中的质量变化，这了方便，我们选取相互作用前与粒子一起运动(包括平动和自旋)的参考系作为初始参考系，这时，粒子相对于该初始参考系来说是静止的，初始动能和自旋动能均为零，初始角动量也为零。注意，我们研究的仅仅是粒子质量的变化与平动速度之间的关系，为了不至于混淆概念，即使是速度相同的情况下我们也必须区分粒子的平动速度和自旋速度，以便能够在质速关系中将自旋速度消去，为此，我们设粒子的静止质量为 ，它吸收质量为 的质磁子时获得的平动速度为v，自旋速度为u，它的质量变为m，角动量守恒关系给出 (10.1) 质量守恒关系给出 (10.2) 能量守恒关系给出 (10.3) 在(10-1)、(10-2)和(10-3)三式中消去自旋速度u即得粒子平动速度为v时的质量与静止质量的关系为： (10.4) 根据粒子能量公式(7.1)，当我们把粒子从静止开始加速到速度V的时候，我们必须提供的能量为 (10.5) 决定粒子寿命的因素是粒子的能量，由于在相互作用中吸收了比静止粒子更多的能量，粒子的寿命自然获得了相应的延长，上式给出高能粒子的寿命与静止粒子的寿命之间的关系为 (10.6) 以上简单的推导结果表明，洛仑兹变换描述的是粒子自旋粒子的相互作用规律，它遵循物质世界的三大守恒定律：质量守恒、能量守恒、角动量守恒。参考系之间的相对运动不会改变粒子的相互作用关系，因而也不会影响粒子的质量和寿命。相互作用引起的质量变化和时间的变化是存在的，但相对论所描述的由参考系之间的相对运动表现出的相对论效应是不存在的。 粒子的自旋衰变相互作用是粒子质量增大和寿命延长的真正原因，是粒子的衰变平衡向逆衰变吸收方向移动导致粒子质量增加和寿命延长。粒子的自旋衰变相互作用是相对论效应的根源，在考虑了粒子自旋衰变相互作用后，相对论效应回归到原有物理理论可以完全解释的范围内。自旋不仅是连结牛顿力学和量子力学的桥梁，也是连结牛顿力学和相对论力学的桥梁。 11 系统相对性原理 相对性原理首先是由伽利略提出来的。伽利略根据密封船仓中的力学实验规律总结出力学的相对性原理：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。伽利略相对性原理只表明通过力学实验无法确定实验所在的惯性系的运动状态，1881年的迈克尔逊-莫雷实验结果表明，人们通过电磁实验也无法确定实验所在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，所以，一切彼此作匀速直线运动的惯性系对于描写运动的一切规律来说都是等价的，在所有惯性系中物理定律都有完全相同的形式。这是爱因斯坦建立相对论时使用的相对性原理，它可以看作是伽利略相对性原理的推广。 不管是在伽利略的力学相对性原理还是在爱因斯坦相对性原理中，惯性系都有着特殊地位，然而在现实的世界中既不可能找到一个严格的惯性系，也不可能找到一个绝对的参考系，那么我们的物理定律到底是相对于哪一个参考系而言的呢？这一问题并没有引起人们的注意，这样，我们一方面不承认绝对参考系和真正的惯性系，另一方面却毫无在意的使用所有建立在惯性系基础上的物理学定律。那么，惯性系在物理学中是否真的具有特殊的地位呢？我认为，惯性系在物理学定律的描述上并没有特殊的地位，在描述物理学定律方面，所有的参考系都是等价的，在所有参考系中物理定律都有相同的形式。物理定律不仅在所有参考系上等价，而且在所有的物质系统中等价。这就是系统相对性原理。 爱因斯坦相对性原理只表明在惯性系上做任何物理实验都无法确定惯性系的运动状态，系统相对性原理则表明，在任何参考系上都无法通过物理实验直接确定该参考系的运动状态。这里的任何参考系包括所有的惯性系和非惯性系，这里的非惯性系包括所有的直线加速参考系和所有的旋转或自旋参考系。事实上我们可以通过傅科摆等实验推断地球的自转运动，简单地看起来，系统相对性原理似乎是错误的，其实不然。系统相对性原理隐含了两条物理学中的等效原理，一是爱因斯坦总结并在广义相对论中使用的引力和惯性力等效原理，它使直线加速系与惯性系没有区别。一是我们总结并在宇观系统论中使用的磁旋等效原理，它使自转参考系与惯性系没有区别。在非惯性系中，只要我们在物理学定律中使用引力(包括电磁力)的概念，重新建立起动力学平衡体系，就可以使任何非惯性系回归到惯性系中，使我们无法通过物理实验结果来确定非惯性系的运动状态（这并不等于说我们无法通过观测对比的方法确定参考系的相对运动状态）。所以，系统相对性原理包含了深刻的统一场思想。 我们知道，惯性系的运动状态是无法通过参考系内部的物理实验来确定的，而非惯性系通过引力的引入和使用回归到惯性系中，这意味着当我们接受引力的概念时我们将无法从非惯性系内部的物理实验确定参考系本身的运动状态。反对系统相对性原理的人会拿转动参考系中的角动量守恒或科里奥利力（这实际包含在角动量守恒中）作为可以确定参考系是否存在转动或自旋运动的依据，这类似于反对爱因斯坦等效原理的人拿全局时空中的引力与惯性力存在差异作为可以区别引力场和加速场的理由，其中所犯的都是先验论的错误。实际上，万有引力本质上是一种由动量变化引起的惯性力，电磁力本质上是角动量变化引起的惯性力，这样，我们不仅无法区别系统中物体的重力加速度是由引力产生还是由系统的加速运动产生，也无法区别系统中自旋物体的进动是由电磁力引起还是由系统的转动或自旋引起。 然而，系统相对性原理所关心的并不是能否通过参考系内部的物理实验确定非惯性参考系运动状态的问题，而是引力和各种加速度引起的惯性力是否完全等效的问题。既然自然界的力都是由系统的动量或角动量变化产生的，物质之间的力就只有相对的意义。也就是说，在描述物质之间的力时，首先要弄清楚是对哪一个系统或参考系而言的。引力不仅与物质系统的状态有关，而且与物质之间的相对运动状态有关。系统相对性原理否定了力、能量和动量的绝对性，肯定物质（包括它们的辐射场）的客观性，认为物质的质量才是真正守恒的物理量。质量守恒定律是物质世界严格遵循的一条基本规律。一个与外界没有发生相互作用的系统，不管系统物质的存在方式如何，也不管它们的运动速度有多大，系统物质的总质量既不会增加，也不会减少，更不会消失。物质不灭定律是自然界遵循的最基本的规律之一。物质的存在状态和运动方式都可以改变，但系统物质的总质量则是不可能改变的。与之相对应，描述系统物质存在状态的空间和时间也是客观存在的，不会因为个别物质的运动（如人的思维或意志）状态的改变而改变，但系统的空间标度和时间进程是可以按一定的规律变化的。现在流行于物理学的唯心主义观点认为物质是虚无的，物质的相对运动可以改变物质的质量，甚至没有物质的真空也可以产生正物质和虚物质。物质可以从虚无的一个奇点创生出来，随着宇宙的演化，宇宙物质可以全部集中于一个奇点，甚至全部消失。英国邦迪和美国戈尔德提出的稳恒态宇宙理论就是这方面的代表。这种虚无主义的唯心观点既没有实验依据，也没有科学理论依据，它的最大害处是导致了科学的虚无主义，认为物质是虚无飘渺的，简直无法想象，更谈不上去认识它们或把握它们的规律了。广义相对论的黑洞理论，以及由相对论派生的虚质量、虚粒子、虚物质和虚宇宙理论就是这种科学虚无主义的进一步发展。 真正接受系统相对性原理可能要经过一段相当长的时间，关键的难处是我们要让接受了现有电磁理论与牛顿动力学理论存在巨大差别的众多物理学家相信象傅科摆和自旋陀螺这样简单明白的周期进动都与电磁相互作用没有任何区别。当这一天到来的时候，曾经是众多物理学家梦寐以求的统一场理论就真正实现了。 12 系统等效原理 系统相对性原理与各种引力的等效原理相关。经典动力学理论认为，牛顿力学的基本定律只对惯性系成立。惯性系是指没有加速度的参照系，非惯性系是有加速度的参照系。伽利略相对性原理表明，惯性系对于动力学问题是完全等价的，但惯性系和非惯性系并不等价，在描述物理规律方面，惯性系有十分特殊的权威性越地位。系统相对性原理表明，在描述一切物理规律方面，惯性系并没有任何优越性，它和非惯性系是完全等价的。我们将所有参考系在描述物理规律方面完全等价的观点上升为一条基本原理：系统等效原理。 系统等效原理的核心是：自然界所有的相互作用完全等效。自然界的相互作用虽然千差万别，但它们归根到底都有共同的来源。所有的引力都是物质系统衰变-逆衰变引起的动量和角动量变化产生的惯性力，他们归根到底都是用牛顿第二定律来描述。注意，这里的引力不仅仅限于万有引力，它同时包括库仑力和磁力。引力和惯性力等效已经为一般人所接受，电磁力与惯性力等效这点一般人还无法接受，它意味着万有引力和电磁力的统一。库仑力是角动量变化引起的动量变化产生的惯性力，磁力是物质的运动（动量）引起的角动量变化而产生的惯性力，它们都是用牛顿第二定律描述的。现代量子场论已经揭示了弱力和强力与电磁力的统一，这就为所有的力等效于惯性力提供了依据。惯性力是由物质的运动和变化引起的，这样，自然界的所有相互作用都统一于物质的运动和变化，统一于牛顿第二定律。力是虚构的，物质的运动和变化则是永恒的。 在牛顿动力学中，运动物质在惯性系中的加速度取决于外界对物质的所有合力之和，物质在非惯性系中的加速度除了取决于作用在物质上的合力外，还取决于惯性力。这个惯性力并不是客观实在的，它只是非惯系自身的加速度在物质（或质点）上的反映。爱因斯坦认为，如果要把惯性系和非惯性系看作是等价，关键的问题是如何看待惯性力，他从惯性力和引力“等效”现象出发，认为惯性力是引力的一种表现形式。我的观点是，如果要把惯性系和非惯性系看作是等价，关键的问题是如何看待包括万有引力和电磁力在内的引力，从引力产生的机制看，引力实际上就是惯性力。 爱因斯坦在等效原理的基础上对洛仑兹变换进行推广，建立了广义相对性原理，在此原理基础上，他建立了协变的引力理论，即广义相对论。基于引力和惯性力完全相同的本质，广义相对论中包含有我们需要继承的正确的物理学原理。我彻底抛弃引力和惯性力只是等效的思想，认为引力只是物质衰变状态改变引起的加速度在质点上的反映，它本质上也是人为虚构的惯性力。传统概念下由一个物体超越空间距离施加给另一个物体的力(包括引力和斥力)是不存在的，所谓“引力质量”和“惯性质量”完全是人为地区分的，它们之间不存在“等效”和“区别”的问题，它们是完全相同的物理量。这样，我们有必要给引力的概念增加新的含义。既然物质之间的引力是惯性力，惯性系和非惯性系完全等价，那么，我们在描述物质规律时，可以任意地选取一个系统作为参照系，不管系统的运动状态如何，我们都可以认为该参照系是一个惯性系，除了机械力之外，引起物质加速度的(包括自旋运动引起的科里奥利力等)都可以认为是引力。引入这种新的引力概念之后，所有的参考系都回到了牛顿的惯性系的框架之下，而且自然界所有的力都统一在牛顿第二运动定律的框架之内，统一场的梦想就这样简单的实现了。虽然要将这一简单明白的统一场思想用数学公式准确地表达出来还有很多具体的工作要做，但我们终于可以摆脱相当长一段时间以来多维物理理论给人们带来的无谓的重负，重新确立物理理论的研究方向。 13 磁旋等效原理 万有引力是物质动量变化引起的惯性力，电磁力是物质角动量变化引起的惯性力。与电磁力相关的是引起自旋角动量变化的力矩，力矩等于角动量的变化率。电磁力不仅与角动量的变化率有关，还与粒子的大小（半径）有关。电磁力与旋转体单位半径内的角动量变化率等效，这便是磁旋等效原理。 磁旋等效意味着任何具有自旋的系统都等价于一个电荷体，在自旋系统内部运动的自旋系统等价于在磁场中运动的电荷。 现在讨论一个问题：独立自旋系统内的观察者是否有可能用系统内部的实验来判断该系统的运动状态？一般人们认为，该观察者是有可能通过实验确定该系统的运动状态的。譬如说，他可以通过傅科摆或旋转陀螺的进动来判断该系统的旋转运动状态。实际上，这个观点是错误的，因为这种观点使用了先验论，认为傅科摆或旋转陀螺的进动是由参考系的自转引起的。如果允许使用这种先验论的话，我们也能在爱因斯坦的密封仓中发现惯性力和引力的区别。但实际上引力和惯性力无法通过动力学实验来区分，电磁力与自旋参考系中由于角动量变化所表现的力（包括科里奥利力）也无法区分，自旋参考系内的观察者无法区分到底是电磁力使傅科摆或自旋陀螺进动还是参考系的自旋运动使它们进动，因而他既有理由认为它们的进动是由参考系自旋引起的，也有理由认为是由磁力作用产生的。如果他不参考别的参考系(在宇观系统状态下他也无法参考别的参考系)，他是不能通过参考系内部的任何实验来确定该系统的运动状态的，除非他彻底放弃了电磁力这一物理概念。这一情形与加速的密封电梯内的观察者所观察到的情形完全相同，他可以认为他是处在引力场中，也可以认为他是处在加速的参考系上，除非他放弃引力的概念。这里，旋转的陀螺相当于电荷体，旋转参考系相当于外加磁场，旋转陀螺在旋转参考系中的运动规律与电荷在磁场中的运动规律相同。 我们已经知道，在引力场中自由加速下落的参考系等价于匀速的参考系，在引力场自由加速运动的参考系内的一切物理实验都无法判断该参考系是在引力场中加速运动还是匀速运动，这是外引力场与加速参考系的惯性力相抵消的结果。与之类似，在磁场中自由转动的参考系(如电子参考系)也完全等价于匀速惯性系，在该参考系上的一切物理实验都无法判断该参考系是转动参考还是匀速惯性系，这是外磁场与转动参考系的惯性力相抵消的结果（图13.1）。在没有引力场的空间加速运动的参考系内部存在一种力，参考系内部的物理实验无法区分它是惯性力还是引力，类似地，在没有磁场的空间旋转的参考系内部有一种力，该参考系内的物理实验无法区别它是转动引起的惯性力还是电磁力。通过比较，相信大家能明白磁旋等效原理的真正含义了。 图13.1 外磁场与自转抵消的惯性系 然而，更严重的问题在于，当我们接受了磁旋等效原理后，能否通过参考系内部的物理实验确定参考系的运动状态这一问题仍然还没有答案。这不是系统相对性原理或系统等效原理本身的问题，而是我们应该怎样对待物理学中有重要地位的引力和电磁力的问题。基于系统等效原理，如果我们愿意放弃万有引力和电磁力的概念，把它们看作是（实际上也是）运动状态变化的结果，我们实际上是可以通过物理实验确定非惯性参考系的运动状态的。举个例子说明一下，地球上的物体都有向下的重力，我们完全可以认为是物体本身做向下作加速运动，只不过地球阻止它的运动而表现出惯性力的作用。在引力场中自由下落的参考系正是它本来的加速运动状态。从运动的相对性角度分析，观测到引力的参考系本身是向上加速的参考系，它的加速度等于观测到的引力加速度。在引力场中观测到的自由下落的参考系是加速参考系中观测到的自由下落的参考系，观察者观测到的自由下落参考系与观测者保持相同的加速状态。如果我们放弃引力的概念，我们就可以通过参考系内部的实验确定参考系本身的加速运动状态。但引力的引入和使用能使物理定律具有最简明的形式，放弃引力可能就相当于放弃了物理学。同理，如果放弃电磁力的概念，我们则可以认为存在电磁力的参考系本身是旋转的参考系。例如，受库仑力和磁力作用的电荷本身是自旋的粒子，存在科里奥利力作用的参考系是旋转的参考系，这样，我们就可以通过参考系内的实验确定非惯性系的运动状态，使物理学重新回到牛顿动力学的年代。 14 系统完整性原理 系统的局部和整体是对立统一的两个方面，它们之间的关系问题不仅仅是哲学的基本问题，也是自然科学的基本问题。宇观系统是没有“外界”的整体物质系统，它的运动和变化只能无条件地被局限在本系统范围之内，它与系统“外界环境”没有任何直接或间接的联系。宇观系统总的发展和演化主要表现在局部物质与整体系统的对立统一之上,具体表现为局部物质的衰变和逆衰变的对立统一、自旋和磁力的对立统一以及整体系统的膨胀和收缩运动的对立统一。衰变-逆衰变和自旋-磁力是物质相互作用的基本模式，膨胀-收缩自旋则是宇观系统运动和演化的基本模式。 在宇观系统中，所有物质及其相互作用的总体称为系统的整体物质力量，系统中任何一部分物质及其相互作用的总和称为局部物质力量。整体物质力量始终维持系统自身的完整性，它具体表现为整体系统的收缩，导致系统总熵的减少。与之相反，局部物质及其相互作用则具有突破系统完整性的趋势，这种趋势表现为物质本身（包括它的辐射场）向系统之外运动，造成系统整体的膨胀，从而破坏系统整体的完整性，使系统逐渐趋于无序和混乱，导致系统总熵的增加。局部与整体的对立统一主要表现在这种膨胀-逆膨胀，收缩-逆收缩的对立统一之上。从热力学的角度看，局部物质的热运动、机械运动以及其它变化都使系统的总熵增加，系统整体的衰变辐射场和自旋（传统概念的引力场）则能限制局部物质的运动和变化，使系统总熵减小。这种局部物质与整体系统的对立统一使整体系统的总熵保持恒定不变。宇观系统的一切变化都是绝热的等熵的过程。由于衰变-逆衰变和自旋-磁力平衡相互作用，“热寂”的宇宙不会出现。 在宇观系统状态下，系统总的发展和变化规律可以概括为下面的完整性原理： （1）局部物质与整体系统的对立统一； （2）局部物质不能突破整体系统，整体系统将始终保持其自身的完整性。 所谓宇观系统状态是指没有外界物质相互作用和能量参与的系统状态。利用衰变场的概念，完整性原理还可以表述为如下的形式： 在没有外界物质相互作用和能量参与的情况下，任何物质，借助自身的任何能量和相互作用都无法摆脱自身衰变场的束缚而进入其它空间，物质的一切运动和变化只能被局限在本身系统范围之内，它将一直保持自身的完整性。 完整性原理的核心是“局部不能突破整体”这一具有普遍意义的论断，这一看似简单的原理蕴藏着深刻的物理学含义。它表明，所有物质的运动和变化都要受到它所处的整体系统的物质条件的限制，它们必须符合“局部不能突破整体”这一基本原理的要求。由此我们可以想象，物质的运动速度，包括光和场的辐射传播速度都要受到整体系统物质状态的限制。更明确地说，光在真空中的传播速度不可能永远保持恒定，光速是可以改变的，它是整体系统状态的函数。 完整性原理显示，物质之间的相互作用关系和能量关系也是相对的，物质的空间、时间、温度、能量、动量和力等物理量都是相对的，只有在一定的系统状态下谈论这些物理量才具有确切的意义。以前的物理学理论只适用于现阶段宇宙这一特定的系统状态。它们在宇宙演化的其它阶段，或者在特殊的天体系统上都有可能失效。这就要求我们对现有物理学理论进行一次大修订，使之成为具有普遍性的，可以全面地描述宇观系统各个演化阶段的物质规律的系统理论。这是完整性原理给物理学带来的划时代的意义。 完整性原理描述的宇观系统是一种理想的系统，但这并不影响它的实际应用价值。完整性原理是物质世界遵循的最基本的规律之一，认识这一规律对物理学和其它学科将产生深运的影响。由于有宇宙这一现实的宇观系统的存在，完整性原理首先在宇宙学和天体物理学中得到实质性的应用。 15 系统统一性原理 物质世界是高度统一的，它们遵循统一的物质规律，这是统一性原理最基本的观点。物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象都遵循完全相同的物理规律，在任何物质层次上，物质之间的相互作用，包括万有引力、弱力、电磁力和核力都有统一的来源，遵循完全相同的动力学规律，可以用完全相同的数学规律来描述。 基于物质规律的高度统一性，物质的各种现象以及描述各种物质现象的物理学理论必须是高度统一的，现有的物理学理论并没有达到这种高度统一的要求。今后物理学发展的方向是实现物质现象、物理规律和物理理论之间的统一。物理规律不仅与参考系的选择无关，也与描述它们的数学方法如空间维数的选择无关，不管是在三维还是在四维或者十一维空间上描述，物理规律本身都不会变化，任何维空间的物理理论的最终结论必须与三维和一维的结论保持一致，否则便是物理理论本身的错误。现在流行的建立在十维空间上的超弦理论和建立在十一维空间上的膜理论在揭示宇宙物质规律方面没有任何特殊的意义，它们目前只是少数人用多维模型来炫耀自己或愚弄别人的把戏。 16 声速不变性原理 使物理学理论脱离牛顿动力学体系开始于人们对迈克尔逊莫雷实验结果的认识上，人们都趋于认为迈克尔逊莫雷实验揭示光的传播速度与光所在的惯性系的运动状态无关，不管在哪个参考系上做实验测量，光的速度都是一样的，这就是光速的不变性。关于光速不变的解释，同样也有很多不同的版本。我认为“光的传播速度与光所在的参考系的运动状态无关”这一说法才是准确的。光是一种波动，波的传播速度与波源的运动速度无关不只是光特有的性质，而是一切波动都具有的共性。因为运动是相对的，在光源与观察者的相对运动体系中，光源的运动完全等效于观察者的运动，这是“光速与观察者的运动无关”成立的前提条件。我们看到，“声速与观测者运动无关”是违反事实的，在这方面，光波与声波似乎存在很大的差别，但实际上这种差别是不存在的，我们可以在光波的本质上找答案。在宇观系统论中，光波是宇宙空间的正负粒子自旋的互感波动传播，当光的波动传播到某一系统（参考系）的时候，这种光就变成了这个系统中的质磁波动，它的传播速度保持不变，这是光速在运动学效果上保持不变的根本原因。波速不变并不是光所特有的，声波也具有这种不变性。下面的实验揭示声波的速度不变性。 如图16.1所示，S是一个声源，两个观察者A和B都在相同的介质(如同一种金属)中对声波进行实验测定，不同的是观察者A相对于声源静止，观察者B处在一个足够大的，用相同介质制作的运动仓内，观察者与实验仓一起以速度V相对于声源运动(如接触性滑动，或在空气介质中运动)。在运动过程中假设实验仓B与声波传播的介质充分接触，以保证由声源S发出的声波能顺利地传播到B上。A和B都用相同的设备对声速进行精确的测定，只要观察者B相对于声源的运动速度不超过声速，不管往哪一个方向运动，他观测到的同一声源发出的速度永远与观察者A观测到的速度相等，但声波的频率则不同。 图16.1 观察声速不变性的实验 声速不变性原理可以用下面的公式来表示 (16.1) 其中v是观察者所在的参考系与声源之间的相对运动速度。当然，观察者和声源之间的相对速度为 ，可是，由于观察者与传播声波的介质一起运动，反以，他在实验中测到的声速必须在合成速度中减去参考系与声源之间的相对速度。参考系之间的速度是相对的，任何参考系内部的实验（当然包括声速测量实验）都无法确定该参考系是静止还是匀速直线运动，不管参考系的相对运动速度v有多大，它对参考系内部的观测实验来说永远是零，所以，任何参考系上实验测定的声速度都是相同的 当观察者B的速度超过声速的时候，他将不能接收到声源的信息，声源就变成了一个“声洞”。如果A和B是两个象蝙蝠一样的观察者，他们无法感觉到光信号，只能靠声波信息认识这个世界，他们用自己在实验中测量到的声速和时间表示观察距离，或用他们观测到的声速和距离表示时间，他们之间的时空坐标遵循下面的声速的洛仑兹变换关系。 （16.2） 上面的实验揭示，声速的不变性是通过声波在不同的介质相之间的振动转换实现的，光速不变性并没有超出原来物理的认识范围。超声波成像技术已经获得广泛的应用，声速的洛仑兹变换公式在军事上具有广阔的应用前景，特别是在靠声纳定位的潜水艇中，我们可以利用这一变换关系确定敌方舰艇的准确位置。声学洛仑兹变换还可以用于基于分子运动的动力学（如声学和热学）的研究。 17 光速不变性原理 迈克尔逊-莫雷实验以及许多相关实验结果揭示了这样的两个事实：（1）作为绝对参照系的“以太”是不存在的。（2）实验测得的光在真空中的传播速度在各方向上都是相同的。现在文献上一般都把第（2）点叙述为这样的光速不变性原理：光在真空中的传播速度与光源和观测者之间的相对运动状态无关。 光速与光源的运动状态无关这一点人们早已经达成了共识，波速与波源无关是所有波动的共同特征。对“光速与观察者的运动无关”这一点一般人往往想不通，并且成为许多人反对相对论的主要理由之一。根据光是介质波动的观念，我们从光发射的具体过程也能得出“光速与观察者的运动状态无关”这一结论。正象前面的声速不变性实验一样，不同的参考系上的观察者观测到的是同一光源发出的光波在不同介质相之间转换振动而形成波动的结果。 以速度V作相对运动的两个参考系在原点重合的时刻光源发出的光子一般是很多的。当光波遇到不同相的介质时，光的波动能以相同的振动模式转换到这种新的介质相，就象声波先传送到飞机壳，再从飞机壳传到密封机舱中的空气的情形完全相同。声波与光波的区别在于传播波动的媒介上，传播光波的质磁波子是物质衰变时辐射的，质磁波子的质量非常小，宇观系统论计算结果给出约为 ，现阶段它在宇宙空间的密度也非常低，大约只有 数量级，而且质磁波子是唯一的力的携带子，它本身不受引力的作用，除了粒子逆衰变过程吸收之外，其它以任何方式运动的质磁波子对任何宏观物体和微观粒子都具有完全的渗透性，它们之间不发生任何相互作用(包括相互碰撞)。这使得各种物质辐射的质磁波子之间没有明显的介质相界限，光在这种不同的介质相之间传递时不会引起其它相互作用，连光压也不会在不同的质磁波子介质相之间产生，这是光在开放的系统中也能表现出速度不变性的原因。由于空气之间具有相互作用，开放系统中的声波就无法保持明显的声速不变性。 在图17.1中，相同时刻发射的两个光子群分别在两个参考系上传播。因为光的传播速度与光源的运动无关，在光源发出另一批光子的下一个时刻，原来两个观察者观测到的光在他们看来都走过了相同的空间距离(图17.2)。这一时刻发出的光也处在相同的空间位置上。但它们与第一批光子的距离已经不相同。如果两个观察者都能用对方能观测到的信号记录这些光子的位置的话，他们都能观测到对方参考系上两批光子的距离并不相同。并且能认可这是由于B参考系和光子组成的系统相对于光源存在一个速度引起的。 图17.1 原点重合时刻光源同时发出的两个不同的光子群 图17.2 下一个时刻t光源同时发出的两个光子群 图17.3 第二个时刻2t光源发出的两个不同的光子群 同理，任一相同时间间隔发出的光在两个不同的参考系中传播时，它们的空间距离都不相同。反之，在两个参考系中空间间隔相同的光子则是光源在不同的时刻发出的。光能实现这种速度不变的传播必须具备两个基本条件：一是光波不能是连续的，而是由许多能量分立的单元组成的，这就是光的量子化。一是光子不能是独立的粒子，它只能是某种空间流体介质的波动传播。因为，如果光是独立的粒子的话，它在不同的参考系中的传播速度就不可能保持不变，光就不可能表现出相对运动速度的不变性，这与实验结果不符。可见，光速不变性和洛仑兹变换反映的是光的量子化本质和光的媒介波动特征。 同样的道理，不管参考系的相对运动速度v有多大，任何参考系上光的传播速度都相同，即 (17.1) 虽然同一光源发出的光在不同参考系上的观察者观测到的速度相同，但是，他们观察到的光的频率是不相同的。对光源和观察者在一条直线上的情形，观察者观测到的频率为： （17.2） A和B两个观察者都是用自己实验中观测到的光速和时间表示空间距离，或者用光速和距离表示时间的，他们之间的时空坐标遵循洛仑兹变换。 （17.3） 人类主要是通过眼睛捕捉到的光信息认识自然办的，人类各种实验观测结果归根到底都由光信息的传递来决定。光速洛仑兹变换描述的是人类认识的电磁时空体系，就如同声速洛仑兹变换描述蝙蝠所认识的声波时空体系一样。 18 光速可变性原理 根据系统运动定律1和动量守恒定律，用喷射物质获得运动速度变化的方法在原理上可以获得任意大的速度，因而超光速是完全可以实现的。包括光子的粒子在万有引力场中都可以无限地加速，因为引力是通过粒子的衰变辐射产生的。这光速变化原理的核心思想。在引力场的作用下，物质的速度是可以被加速到光速并超过光速的。所以，用引力加速原理设计的宇宙飞行器完全可以超过宇宙系统真空中的光速。 从完整性原理也可以得出光速可变的结论。根据这一原理，局部物质永远无法突破整体物质系统，物质的辐射速度自然也受到系统物质存在状态的限制。作为具体物质形态的光，它的辐射传播速度不可能永远是C，它必须同符合“局部不能突破整体”这一基本规律的要求。光在真空中的辐射传播速度与它所处系统空间的物质状态有关。它是一个变量，是系统物质状态的函数。 从波的传播规律上我们也能得出光速可变的结论。光是质磁子气体的波动传播，质磁气体的波动传播速度与质磁气体的压强、温度和密度有关。在物质集中的区域，物质的衰变辐射使质磁波子气体的压强、温度和密度增加，光的传播速度也增大，反之，光的传播速度降低。从大范围看，宇宙空间的质磁波子密度是各向同性的，在一定的时期内，宇宙系统光速有一个相对稳定的值。这就是我们以前说的光在真空中的传播速度。 光在真空中的传播速度取决于整体系统的物质分布状态，当整体系统的物质分布状态改变时，光在真空中的传播速度也会随之改变。这便是光速可变性原理。 光速的不变性和可变性的含义不同，光速不变性是指光速与光源和观察者之间的相对运动状态无关，指的是波在不同波相之间的传递规律，对光速的大小没有影响。光速可变性是指光速大小与介质的密度等状态有关，指的是光速大小的决定因素。系统物质状态每时每刻都在变化，光在真空中的辐射传播速度也是时刻在改变的。 在宇观系统内部，光速值在某一确定的时刻t内是一定的。今天对应的宇宙时约为 ，在今天的宇宙空间中，C的值约 。但光在真空中的传播速度有时必须考虑到局部物质分布带进的超光速修正。计算表明，地球表面的超光速值约 ，在现有实验精度范围内，地球实验测定的光速值其实就是宇宙系统的光速。太阳表面附近的超光速值约为 ，对质量庞大的星系核，超光速值可以远远大于C，超光速辐射就成了这种天体的特征。 爱因斯坦认为，光在真空中的传播速度永远是C。1905年，他在《论运动物体的电动力学》一文中将光速成不变性原理作为他的相对论的基本假设。而早在1725年布喇德雷发现的光行差现象，1851年的斐索实验和1887年的迈克尔逊-莫雷实验常被错误地用来作为这一原理的证明。实际上，这些现象和实验只能表明光在介质中的传播速度在运动学上的不变性，它们对光速大小的测定都带有局域的片面性，这些受时空条件限制的实验结果没有广泛的代表性。爱因斯坦把光速不变性当做是一条永不改变的绝对真理来接受，把物质的客观物质规律简单地归结为洛仑兹变换，不深究物质现象的本质，把客观物质规律和经验方法混为一谈，颠倒了内因和外因的辩证关系。爱因斯坦一方面意识到物质现象的相对性，一方面又把光在真空中的传播速度绝对化，并用这种绝对化的光速去解释物质的客观规律，这是不能令人满意的。 由于宇宙光速是随时间变化的，国际上用光速定义长度单位的做法是不合适的，按目前国际标准，1米被定义为光在1/299792458秒的时间间隔内走过的距离。对宇宙系统来说，这一标准米每百年会缩短约3.7纳米（ ）。在高密天体系统上，这一标准米比地球上的米长很多。从这一角度考虑，国际计量局应该恢复原米的定义。 地球近日点离太阳 米，远日点离太阳 米，地球近日点与远日点相差 ，反映在太阳系的光速上，两者相差0.2m/s. 大阳在地球近日点的超光速值约为6m/s。所以，我们可以通过高精度的光速测量实验观测到这种光速的四季变化，以此检验光速可变性原理是否正确。 19 时空观 牛顿力学和相对论力学使用的是两种不同的时空体系，他们的时空观是截然不同的。牛顿用的是绝对的、静止的时空观，爱因斯坦用的是相对的、运动的时空观。牛顿认为，空间和时间与物质一样，它们不依赖于具体的物质运动和变化而独立地存在着。空间在没有物质的地方也可以无限地延伸，直至无穷，时间在没有物质的地方也可以静静地流逝，直到永远。爱因斯坦则认为，在没有物质的地方既没有空间，也没有时间，空间、时间和物质是一个不可分割的共同体，它们不能独立地存在。在人们目前的认识中，这是两种互不相容的时空观。 在物理学中，这两种时空观都有具体而详细的物理含义，这些含义体现在对基本物理量的定义上。在牛顿时空观中，空间距离“米”的定义相当于一个存放在国际计量局里的“原米尺”的长度，它在任何地点、任何时间、任何速度下均保持不变。类似地，质量单位“千克”的定义则相当于国际计量局里的“千克原器”的质量，时间也可以认为是一个标准“原秒”的间隔，它们在任何时间、任何地点下都保持不变。也就是说，在牛顿时空观中，物质的质量、空间距离和时间间隔在任何时刻、任何地点乃至在宇宙的任何演化阶段上都是保持不变的。在爱因斯坦时空观中，上述三个基本的物理量则具有完全不同的定义和含义。在爱因斯坦时空观中，唯一的不变量是光在真空中的传播速度，它被定义为299792458米/秒。米不再是国际计量局“原米尺”的长度，而是光在299792458分之一秒走过的距离。反之，也可以认为时间单位“秒”是光走过299792458米所需要的时间间隔。空间长度单位和时间单位的定义都是相对的，它们不仅依赖于光速的大小，也依赖于另一种单位的定义。只有在这两种单位中的一种单位定义确定的情况下才能确定另一种单位的值。由于空间和时间单位都是相对的，物质的质量单位“千克”不再是国际计量局里的“千克原器”的质量，它实际上是被定义为“在1牛顿力作用下，产生1米/秒加速度所对应的物质的量”。而在目前的物理学中，这两种意义完全不相同的质量、空间和时间单位被人为地认为是相同的，这是导致物理学产生混乱的根本原因。 两种时空观对基本物理量的定义本身都没有什么可指责之处，但从不同的定义体系出发会得出完全不同的结果。从各种对称性和守恒定律判断，牛顿时空中的质量、距离和时间间隔被看作不变是合理的。爱因斯坦时空观中“光速永恒不变的观念”似乎理由不够充分，靠局部空间和局部时间所做的数量有限实验结果支持“光速永恒”的观念还是远远不够的。只有在“光速大小永远不变”这一论断严格成立时，牛顿时空观中的定义与爱因斯坦时空观中定义的时间和空间的意义才严格相同。如果真空中的光速在宇宙整个演化史上可变，或在全局宇宙空间中可变，则这两种时空观对物理基本量的定义则是完全不相同的。这是牛顿力学与相对论力学存在区别的根本原因。 牛顿的时空观和爱因斯坦的相对论时空观是对客观宇宙物质现象的两种不同的描述方法，哪种时空观更能真实地反映客观宇宙的本质？哪种时空观在描述物质规律方面具有更大的优越性？对这两个问题的回答依赖于人们认识自然的具体手段和方法以及人们对真实宇宙本质的认识程度。客观实在和主观意识的关系在这些问题上得到了最充分的体现。在我们没有彻底认识真实的宇宙之前，这两个问题还不可能有正确的答案。但是，我们仍然可以在目前人们对自然认识的基础上对它们的优劣进行一些基本的比较。 牛顿的时空观被认为是绝对的时空观，但它具有相对论空观无法取代的优越性。牛顿时空体系把客观实在放在了首位，这更符合自然辩证法则的最基本的要求。譬如说，它把国际计量局里的千克原器所代表的质量认为是不变的，这种质量不变的具体意义是指它“目前所含的物质的多少”保持不变。如果把这个原器放到珠穆朗玛峰上或者放到的卫星上，它原来所含的物质的质量仍然是不变的。如果由于某种相互作用改变了原器物质的数量而使原器上物质的质量增加或减少，那完全是另一回事。这种质量的改变相当于我们人为地向它辐射某种粒子使它吸收这种粒子成分而导致的质量改变，也与人们用工具从这原器上刮走了一部分物质而导致原器质量的减小没有什么区别。但在这种种过程中，作为原器上原有的物质的数量始终是不变的。不管它们被如何的分散到宇宙的任何地方，或者让它们与别的物质混杂在一起，它原有的质量都不会改变。这是自然辩证法中的质量守恒法则。牛顿时空观中的这种“质量不变”严格地说是指原器在没有吸收和辐射、没有增加别的物质成分，也没有从中取走任何物质成分时其质量保持不变。 而在相对论时空观中，这个质量原器的质量与观测者的运动速度有关，而且是单调地增加，不会减少。参看下面的质量公式： (3.1) 这样，虽然千克原器放在国际计量局里，从以速度v 相对于地球运动的星球上看，不管该星球往哪个方向运动，也不管它离我们多远，千克原器的质量都是增加了。质量增加意味着千克原器上物质多少的增加，也就是说，千克原器物质的多少分别在地面上、在运动的火车上和在其它星球上看是不相同的。换一句话说，在相对论时空观中，千克原器上物质的多少完全取决于观察者的主观认识或测量实践。这显然违犯了自然辩证规律的最基本的法则。 牛顿时空观中的质量不变，并不是指如“千克原器”一样的具体物体的质量永远保持不变。譬如说，将千克原器移动到珠峰上或移动到月球上，它们的质量可能是增加或者是减少，这与牛顿时空观并没有矛盾。此时的质量改变即或是存在，也是由于千克原器吸收或辐射了某种物质的成分而导致千克原器物质的量产生改变。这种质量的改变是客观存在的，我们能不能观测到这种变化则是主观的问题，这与我们所采用的观测手段和对自然规律的认识程度有关。用我们目前的实验方法我们可能没有办法观测到，但这只是我们主观方面的问题。如果我们在运动的火车上观测到静止在地面上的“千克原器”的质量增大了，而且它增大的规律符合相对论时空观的公式，这仍然是我们主观方面的问题。对空间长度和时间间隔的测量的情形也完全相似。从这个意义上说，牛顿的时空观是符合自然辩证法则的更科学的时空观。 我们在实验中已经观测到许多符合相对论时空观的物理事件，如运动电子的“质量增大”，运动μ子的“寿命延长”等现象。这说明相对论时空观具有某种合理的成分。但是，人们对物理现象的解释并不一定就符合客观规律。这种现象可能与实验方法和人们的认识手段有关，也可能与物理过程发生物理化学变化有关。前者是主观方面的，后者则是客观方面的。以电子在均匀磁场中作圆周运动的实验为例，当电子速度提高的时候，我们发现电子的圆周运动轨道的半径比原来的增大了，于是人们认为相对论所说的质量增大获得了这一实验的支持。但是，假如客观上并不是电子的质量增大，而是磁场对电子的洛仑兹力对速度有某种依赖关系，这种力的改变也可以产生与电子质量增大相同的实验现象。这样，我们就没有充足的理由肯定这种现象一定是由电子质量的增大引起的。退一步说，即使电子的质量真的增大了，也不可能只是一种相对的效应，而是由于电子在接受加速的过程中吸收了其它物质的成分使电子的质量实质性的增加。牛顿时空观要求在坚持质量守恒的前提下继续寻找导致这种质量增大的原因，进一步揭示隐藏在现象背后的物质规律。相对论时空观则不想去寻求产生这种现象的原因，而只是用“质量是相对的”这种观念对物理现象进行一种含糊的解释来代替进一步的探索。可见，牛顿的时空观是一种求真的科学的时空观。然而，相对论时空观是以人们的观测实践为基础的，它在物理实验上具有简单直观的关系，它可能更符合人类的物理实验法则，因而可能是一种实用价值很高的时空观。它可能不代表物质的客观规律，但它代表人们对客观世界的认识规律，是一种符合目前人类认识规律的方法论时空观。作为一种观测理论，相对论可能是一个非常成功的理论，但作为一种认识客观自然规律的理论，它则是一个失败的，甚至是严重错误的理论。 牛顿时空观以某种特定的物质总量定义质量单位，以某种特定的空间距离定义空间单位，以某种特定的时间间隔来定义时间单位。在这些定义下，物质的质量、空间和时间都是客观的、绝对的、不变的，它们不依赖于某个具体物体的运动状态。严格地说，人的认识和观测活动归根到底也是一种具体的物质运动，牛顿时空观中的物质质量、空间和时间也是不依赖于人的认识和观测活动而独立地存在的。如果我们现实上不能找到一个绝对的时间间隔作为我们使用的时间单位的定义，那也是我们主观意识上的问题。客观的标准时间是真实存在的，它不依赖于我们的主观认识。在相对论时空观中，表示物质多少的质量、表示空间距离的长度和表示事件间隔的时间都是建立在光速的大小和光波的频率之上的，因而它们只是相对于某个空间位置和某个时间点的光速和频率而言具有确定的物理意义。由于人类在漫长的演化过程中赖以认识客观世界的信息(包括实验信息)都与传递这些信息的光的速度和频率直接相关，以光速为基准的相对论时空观在物理实验观测上有着无法取代的优越性。包括光在内的物质波动的传播速度和频率不可能是一成不变的，它取决于具体的系统物质状态。所以，相对论时空观下的物理量不具有普遍性和一致性，因而也不能反映真实的客观存在。实际上，即使是在相对论体系中，我们最终还是以牛顿时空观中定义的物理量作为基准来认识和理解物理规律的。也只有这样，我们才能更好地认识真实的物质世界。 现在我们讨论把这两种定义完全不同的基本物理量看作相同来处理会产生什么严重的后果。在用广义相对论考察宇宙的时候，我们面临“平坦性疑难”和“视界疑难”这两个无法克服的矛盾。对于这些疑难问题的解决，物理学家趋向于做出各种没有根据的假设来自圆其说，这对于宇宙学基本问题的解决根本没有帮助，它将带进更多的不确定的因素。经深入研究，我发现这些疑难问题是两种时空观对同一种基本物理量的不同定义引起的。以“视界疑难”为例，由于宇宙甚早期光速的值很大，相对论时空观定义的空间长度单位“米”与牛顿时空观定义的“米”差别非常大。在我们说广义相对论计算宇宙时为 秒时的宇宙视界为“ 米”的时候，我们用的是相对论时空观定义的“米”。因为在那个时刻光速的值比现在的光速大几十个数量级，所以，相对论的这一“米”比牛顿时空观中定义的“米”大几十个数量级。然而，人们还在以牛顿时空中的“米”的概念去理解相对论时空中的“米”的概念，因而产生了宇宙尺度大小相差几十个数量级的问题。如果我们用相对论时空观中的“米”去理解相对论的计算结果，这一疑难问题就没有了。 对于时空弯曲的理解道理也是相同的。时空本身并没有弯曲，但牛顿时空中的米和相对论中的米的长度并不相同，如果我们硬要在牛顿时空中描绘相对论时空的几何结构，我们便会得出空间是弯曲的结论。宇宙学中的“平坦性疑难”问题可以用这种方法来解释。在承认光速系统可变性以及注意到两种时空观对物理基本量的不同定义之后，相对论物理学中的许多疑难问题就可以获得解决。物理学规律本身是相同的，如何在两种不同的时空定义中寻求物理规律的统一是目前物理学必须首先解决的问题。 从方法论上说，不管在宇宙演化的哪个时期，也不管是在哪个空间点上，不管光速的大小和定义时间的光谱频率如何变化，我们仍然可以用相对论时空中的物理量来描述自然界的物理规律而不会导致此时此地的理论与实验有什么矛盾的地方。在相对论时空体系中，任何时期、任何空间点的理论和实验结果在物理量上都可以分别保持一致，但这些物理量所代表的物理意义则与其它时期或其它空间点的相应物理量所代表的物理意义完全不相同。这使得在不同时期、不同地点的物理实验结果之间没有必然的因果关系。特别是在整个自然演化史上，物理实验观测之间没有了因果关系。把任何时刻、任何地点的理论或实验结果与其它时间或其它地点的理论和实验结果看作是相同的话，人们就会得出非常荒谬的结论。“黑洞”和“宇宙奇点”的出现就是这种谬误的最典型例子。现代宇宙学中的“平坦性疑难”和“视界疑难”也是这种谬误的典型例子。如果我们注意到光速和光频在不同的系统环境中的变化，我们便可以理解为什么“黑洞”是不存在的，宇宙的“视界疑难问题”和“平坦性疑难”问题也就可以理解了。“黑洞”和“宇宙奇点”都是混淆不同时空体系定义的物理量的产物。把各种时空体系中的物理量转换为牛顿的时空体系中的物理量时，我们发现，黑洞的“视界”和宇宙的“视界”实际上都是牛顿时空中的无穷远处。相对论时空观中使用的物理量并不是我们生活中使用的物理量，这是它导致许许多多佯缪的根本原因。 在质量、空间和时间这三个最基本的物理量中，时间是唯一没有办法找到“基准单位”（原时秒）保存于国际计量局作为参考基准的物理量。不管是以单摆周期还是以太阳年作为标准，或者象现在这样以某种原子的光谱周期作为标准定义时间单位都是相对的，从长远的角度来考虑这种时间单位都在变化。即使我们承认牛顿的绝对时间是真实存在的，但我们在现实中却找不到一个绝对的时间间隔作为这一绝对时间的标准单位。牛顿动力学体系和相对论动力学体系中使用的时间都是相对的，但牛顿动力学体系中使用的空间距离单位和质量单位都是绝对的；相对论动力学系中质量单位和空间单位则是相对的，相对论动力学体系中的质量和空间单位的相对性是导致相对论错误结论的根源。牛顿时空体系和相对论时空体系可以通过光速的变化和光频的变化统一起来。我们只需在牛顿的时空体系中引入变化的时间定义，或在相对论时空体系中引入变化的光速，互不相容的牛顿时空和相对论时空就可以统一起来了。可变光速时空体系是统一牛顿时空观和相对论时空同的科学的、真实的自然系统的时空体系。 20 物理学基本单位的定义 由于人们对物理量的定义直接与时空观有关，我们有必要重新审查我们对基本物理量的定义。 长度单位的定义： 米的定义最早可以追朔到18世纪，当时有两个关于长度“米”的定义，有人提议以半周期为1秒的单摆的长度作为1米，有人提议以地球子午线一半的千万分之一的长度作为一米。1791年，法国科学院选择了米的子午线定义作为标准，把米的长度定义为通过巴黎的从北极到赤道的子午线长度的千万分之一，并以此来制作了标准尺的原型。由于研究人员算错了地球自转的扁率，第一个铂铱合金原尺短了0.2毫米。1889新的原尺用10%的铱铂合金铸造，误差少于0.0001。1927年，原米尺被更精确地定义为保存在国际计量局里的铂铱合金棍上标示的一段中心轴线的距离。这一距离在第一次国际计量会上被宣布为标准原尺。1960年的国际计量会议用氪86原子的一条谱线的波长定义的米代替人工的铂铱合金原尺。1983年的国际计量会议改用光速来定义长度单位米，将米定义为真空中的光在299792458分之1秒走过的空间距离。但原来使用的原米尺仍然按原来的保存条件存放在国际计量局内。 质量单位的定义：18世纪末，千克是1升水的质量。1889年第一次国际计量会议公布了用铂铱合金做的千克原器作为质量单位千克的定义，并且一直沿用到今天。 时间单位的定义：时间单位秒原来被定义为一个太阳日的86400分之一。由于地球的不规则自转导致这一定义下的秒很难达到足够的精度，1960年第11届国际计量会议采用国际天文学会给出的基于回归年时间定义的秒。实验结果显示，基于原子能级之间跃迁过程的原子标准时间有非常高的精度。1967年的第13届国际计量会议决定用绝对0度下的铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁辐射的光谱线周期的192631770倍作为时间秒的定义。 其它的基本物理量单位的定义以及其它导出单位的定义都直接与上述三个基本量有关，因此，物质质量、空间距离和时间间隔的定义决定着一切物理理论和实验的结果。我们必须对这三个物理基本单位的定义作进一步的核定，以便让我们的物理理论和物理实验结果能更准确地反映真实的自然规律。 牛顿的绝对时空观是建立在一种客观的“原质量”、“原米”和“原时”基础之上的，然而我们发现，在国际标准中并没有“原时”作为绝对的客观时间标准，现实上我们也没有办法找到一个“原时”作为时间的基准单位，历史上出现过的所有时间标准都是相对的。与牛顿时空体系相比，以光速为标准的相对论时空体系中的物理量更符合现在国际标准中使用的物理量。 我们看看现在使用的这个相对的“时间标准”会给物理学带来什么结果。实验得出光和电磁波的能量辐射传播符合洛仑兹变换规则，当铯原子运动时，或者当我们在一个静止的参考系上测量运动参考系上的铯原子的光谱频率时，光谱频率会降低。结果是按静止观察者定义来确定的运动参考系上的时间变长了（运动参考系上的观察者观测到他的时间却与原来没有区别）。空间距离是用光速和时间来定义的，时间的延长等效于空间距离的缩短，即在静止参考系上观测运动参考系上的“米”相应地缩短了。在我们的经验关系中，物质的质量与能量具有线性正比关系，因而，运动参考系上物质质量的变化来源于能量的变化，运动参考系上质量的变化也遵循洛仑兹变换规律。相对论效应不是真实的客观存在，而是人们经验(包括物理实验)关系中的时间定义不确定性导致物理量变化的主观结果。这种结果仅存在于静止参考系上的观察者观测到的运动参考系上的物理事件的记录中，相对运动参考系上的观察者来说，他的时间间隔和空间长度及其它物理量并没有发生改变，就象静止参考系上的观察者观测到自己的时间间隔和空间距离及其它物理量一样。但相对论者却认为是运动参考系上的时间客观地存在变化，甚至认为运动参考系上的人的寿命在真实地延长，这简直就是笑话。我们的地球也在宇宙中以很高的相对速度运动，我们人类的寿命延长了没有呢？显然没有。举个“相对时间”延长的例子，我们现在观测到的50亿光年远的一颗恒星，尽管这颗恒星客观上昨天已经死亡，但我们仍将能观测到它还继续存在50亿年。50亿年后我们观测到它死亡的事件，假设我们观测到它与太阳“同时”消亡。我们在实验观测中观测到这颗恒星与太阳“同时”消亡的物理事件。这就是相对论所指的时间“同时性”概念，我们应该领会到相对论效应的真实物理意义了。它完全是由空间距离（用光经过空间所需要的时间来衡量）和相对运动造成人们观测到的时间差在距离和质量等物理量上的反映。 由于宇宙光速是随时间变化的，国际上用光速定义长度单位的做法是不合适的。按目前的国际标准，“标准米”每百年会缩短约3.7纳米（ ）。虽然一亿年也仅仅缩短大约4毫米，几乎不会影响到目前人类在地球上的实践活动，但从全局宇宙时空的角度考虑，这一标准“米”已经失去“空间标准”的意义。在高密度星体上，这标准米的长度则可能相当于地球上的100米或更长，这使得我们在处理高密天体的物理规律时导致了严重的错误。从严谨的科学态度出发，我强烈地建议国际计量局恢复用“原米”尺作为长度单位米的标准。这是一个合理的建议，因为，相对论时空观中使用的洛仑兹变换处理正是将这种变化的长度标准转化为牛顿时空中原米尺的标准的。只有将相对论标准转变为牛顿时空中的标准才能使我们的理论和我们的实践活动相结合起来。牛顿的时空观更能反映不变的物理规律，因而具有更广的普适性和基准性，希望国际计量局从着眼未来和全局宇宙的角度着想，尽快恢复1983年以前对空间距离单位米的定义，以保证现在的米和秒与数千年以后乃至更长时间以后的米保持一致，保证地球上的米与别的天体上的米保持一致。 通过阐明光速的全局可变性和对空间长度单位的重新定义，广义相对论可以回归到牛顿力学的范围内，回到正确的道路上来。通过阐明光速与声速的同一性，理解牛顿力学体系中没有定义绝对的时间，牛顿动力学体系与狭义相对论也走到了一起，回到人们可以完全理解的范围中。这样，经典物理学便实现了真正的大统一。 21 电子波的屏蔽实验 以前介绍了自然系统的物理学原理，对于新的物理学原理，我们须要通过实验来进行验证，为此目的，我们将分别介绍粒子波的实验验证和光速变化的实验验证途径。本节介绍电子波的屏蔽实验，以验证关于粒子波的理论。 电子波屏蔽实验 图21-1是电子波的屏蔽实验装置图，电子由电子枪EG发射，经过聚焦线圈聚焦后进入减速电极BC，由电压调节器Vr2精确控制BC减速电极的电位差，把电子的速度减小至约为零，然后进入加速电极AC进行加速，最后通过栅格G打到屏幕S上。打到屏幕上的电子速度由电压调节器Vr1调节AC加速电极间电位差来精确控制。G是微米或纳米栅格，它限制通过栅格的电子粒径的大小，只有小于栅格的电子才能通过栅格G，到达屏幕S而被观测到。除了电子枪和电压调节装置外，其它部分均置于真空管VT中。 由于粒子的自旋角动量总是保持不变的，根据(5-2)式，电子的半径随着运动速度的增大而减小，速度过低的电子由于半径太大而无法通过栅格，只有速度足够大的电子才能通过栅格。 电子的能量由自旋粒子的能量公式(10-5)给出，它由电极AC间的电场提供，设电极的电位差为U，则 (21-1) (21-2) 设栅格G孔径的大小为D，根据(5-8)式，能通过栅格的电子的最低速度为 (21-3) 对应于加速电极的最小电位差为 (21-4) 电极电压小于该值时，电子的速度小于最低速度，电子的半径比栅格孔径大，电子会被栅格屏蔽掉而不能到达屏幕S。这称为电子的屏蔽效应。 如果栅格的孔径为1微米(0.000001m)，则速度低于约200m/s的电子将被栅格屏蔽，如果栅格的孔径为0.000000001m，则速度低于约200000m/s的电子将被栅格屏蔽。对应的加速电位差分别为0.0000003伏和0.3伏。可见实验的关键是要生产出孔径小于纳米级的栅格，而且电压的调节要有很高的精度。在实际操作时，先在较大的AC电位差的情况下调整减速电极BC的电位差直至刚好观测到有电子打在屏幕S上，这时，减速电极BC已经将从电子枪产生的电子流减速至速度约为零。然后调节AC的电位差到最小电位以下，在屏幕S上将再也看不到电子通过栅格G。 22 电子波的偏振实验 粒子的自旋波是横波，象光波一样，粒子波也有偏振效应。图22-1是检验电子波的偏振实验装置图。主要由电子枪EG、加速电极AC、固定栅栏G、可旋转栅栏RG和观测屏幕S组成，它们置于真空管VT中。 图22-1 电子波偏振实验 栅栏的宽度D至少要求在纳米数量级。在栅栏G和RG平行时，一定速度的电子可以通过两个栅栏而到达屏幕S。将可调栅栏RG调至与G垂直方向，电子束在栅栏G产生偏振，一定速度范围的电子将不能通过栅栏RG而到达屏幕。 23 绝对光速变化的时间间隔差测量实验 现在介绍一种切实可行的光速变化的实验检验方法。实验设备比较简单，技术条件比较成熟，可以作为检验光速变化的重点实验加以实施。实验只需要一个高精度的计时器，要求能测量出10-16秒的时间间隔，这在现在已经能够实现。还需要一个激光器，一段100米以上的光纤。实验在封闭的空调房内进行，象检验光速变化的波长测量实验一样，本实验的时间跨度至少也要半年，以便检验光速在近日点和远日点上的变化。 图10-1 光速变化的时间间隔实验 如图所示，由激光器A发出的光通过计时器B进入光纤C的D端，计时器开始计时。光在光纤中传播到光纤的E端进入计时器，计时结束。得到激光从D传播到E所需要的时间T。连续记录激光在一年中从E到F所需要的时间是否变化即可以检验光速在近日点和远日点上的光速是否变化。 以远日点的光速为299792458m/s，近日点的光速为299792458.2m/s计算，激光在近日点和远日点通过100米光纤的时间差为（设光纤的折射率为n=1.5） 近日点和远日点激光通过100米光纤所需的时间相差约为 秒。目前的计时器精度已经远远超过这一时间差，因而实验是切实可行的。 为了消除实验的系统误差，使实验能有更高的精度，我们可以分别用一段100米和一段200米的光纤来做同步实验，从激光通过200米光纤所需要的时间减去激光通过100米光纤所需要的时间即可得到激光通过100米光纤所需要的精确时间。 当然，为了提高精度或减少高精度计时器的投入，我们还可以加长光纤的长度到1000米甚至10000米，使时间差达到10-14S。这么长的光纤卷放在实验室内不会影响实验的操作。当然，如果资金允许的话，我们可以在20000KM的卫星上做这一实验。根据理论计算，离地球20000KM处的光速比地球上的光速小0.3m/s。在卫星上，光通过100米光纤所花的时间比在地球上多约10-15m/s。在高精度的GPS定位系统中，我们或许应该考虑这一光速变化对计算时间的影响了。 用光速变化的时间间隔测量实验检验相对论比目前用GP-B引力探测器实验更具有实际意义，而实验投入的人力物力对比GP-B花去的7.5亿美元来说是微不足道的。我们国家目前就具有足够的条件实施这一实验。该实验的结果必定对物理学和高精度定位技术产生深远的影响。希望有关部门支持这一实验的实施。 24 相对光速变化的光行差实验 有人会论证说，地球上所有验证光速的实验均不能证明光速与观察者的运动速度无关，因为它们用的都是闭合光路，在闭合光路中，光速的各向异性会被消除。然而，用GP-B直接测量来自HR8703的星光的速度，这种情况便不再存在。 耗资7.5亿美元，耗时40多年的GP-B实验是为了检验爱因斯坦广义相对论的短程线效应（Geodetic effect）和参考系拖拽效应（frame dragging effect）的。在光速与观测者的运动状态无关的情况下，光行差可以作为GP-B测量陀螺轴向对远方类星体方向偏离的内径规(measuring rod)，或者通过相对论方程的使用使光行差的影响得以消除。然而，在光速与观察者运动有关的情况下，这种方法便不再成立。问题是，如果光速不变性原理是如此可靠的话，相对论的正确性不用怀疑，我们便没有必要再去验证相对论。如果光速与观察者的运动速度有关，这种消除光行差的方法便不再有效。在这种情况下，远方类星体的光行差与基于光速不变的光行差就会不同，这时，我们需要将GP-B的望远镜移动比正常光行差大的角度才能对准导星HR8703，这种角度偏移正好反映在陀螺自转轴的偏移上而导致GP-B实验数据无效。在没有进一步确定来自远方的星光的传播速度确实与观察者的运动无关的情况下，把GP-B测量到的陀螺自转轴对恒星方向的偏移作为相对论效应的证明理由并不是坚不可摧的。幸运的是，GP-B实验还可以用于检验作为相对论的最重要的基础的光速不变性原理，这是该实验的设计者和实施者所没有预料到的。为了避免GP-B实验可能的失败，也为了最大限度地发挥GP-B实验的技术优势，我提出了这个用GP-B实验来检验光速不变性原理的方案。该实验方案不需要在GP-B上增加任何设备，也不需要增加任何额外的实验操作程序，只需要记录每个轨道周期上GP-B望远镜对导星HR8703的角度偏移数据即可。 根据哈勃定律，远方类星体和地球之间以很大的速度彼此远离，如果光速与观察者的运动无关，光行差角度与距离无关，远方类星体的光行差与河内恒星的光行差没有区别，它们都严格地等于V/C，V为观察者的速度在光速度垂直方向上的分量。如果光速与观察者的运动速度有关，来自远方的星光相对于观察者的速度就会比静止时的光速小，使远处类星体的光行差与附近恒星的光行差产生差别。假设地球的公转速度在光速垂直方向上的分量为V，在光速方向上的相对速度分量为U（在光速垂直方向上的分量引起的光行差已经作为系统误差被消除），星光对地球的速度为 ，在V和U远小于光速时，光行差为： (24.1) 而光速与观察者速度无关时的光行差为 (24.2) 两者之差为 (24.3) 因为地球的公转速度V和光速C的值已经被精确地确定，即正常的光行差 已经被精确地确定，将实际测量到的类星体光行差与标准光行差进行比较即可以证实光速是否与观测者的运动速度有关，即C和 是否一样。当然，前提是哈勃定律是正确的。 根据哈勃定律，U与距离R成正比，即U=HR，则星体光行差的差别与距离成正比： (24.4) 星体光行差-距离曲线如图24-1所示。 图24-1光行差-距离曲线 例如，距离100亿光年的类星体的退行速度可达108m/s，其光行差角度偏离光速不变时的正常值幅度最大值（K＝1）可达到25%，约为 角秒。1亿光年类星体光行差偏离约为 角秒。实际偏离值可能低于这一最大值，原因是光源的速度不影响相对光速，而这一速度已经包含在U中。考虑到引力探测器GP-B所用的量子干涉仪能测量出0. 0001角秒的变化，这种光行差的偏离是很容易被观测到的。如果图24-1所示的光行差-距离关系存在，则证明光速与观察者的运动速度有关，如果不存在，相对论的光速不变性原理无疑是正确的。 GP-B在离地约640公里的接近完美的极地轨道上运行，速度V＝7.5千米/秒，轨道周期为5850秒（97.5分）。按光速不变的理论计算，（24.2）式给出GP-B轨道上的光行差为 角秒，它每运行一周，GP-B上的望远镜要改变 角秒的角度才能对准导星HR8703。 GP-B用于定位的类星体HR8703（IM Pegasi）距离地球3亿光年，它的自行用VBLA技术确定为35毫角秒/年。如果光速与观察者的运动速度有关，GP-B观测HR8703的光行差偏离值由(24.4)式计算约为50毫角秒/轨道周期。这种光行差的偏离比广义相对论预言的参考系拖拽效应0.0076毫角秒/每轨道周期（42毫角秒/年）大约6500倍，也比测地线效应1.2毫角秒/轨道周期（6600毫秒/年，18毫秒/日）大42倍。与GP-B轨道上的光行差偏离相比，HR8703的自行也可以忽略不计。不过，在一年的地球轨道周期中，HR8703的光行差偏离仅为200毫角秒/年，即便光速与GP-B的运动速度有关，GP-B仍然能测量到测地线效应，但将无法区分参考系拖拽效应。 我们知道，GP-B可以测量到小于1毫角秒的角度变化。可以用它记录每一轨道周期中望远镜对HR8703的偏离角。如果观测到比测地线效应1.2毫角秒/轨道周期大得多的角度偏移，证明光速与观察者的运动速度有关，整个相对论的框架将被推翻。否则，光速便与观察者的运动无关，相对论无疑是正确的。可以说，这是人类历史上最精密的，也是最可靠的光速测量实验，它检验的是单向光速的变化，实验结果是不可辩驳的。 假设观测到GP-B望远镜在轨道周期内对HR8703的角度偏移量为 mas，每轨道周期内测地线效应为 ，光速不变的光行差为 ，在GP-B上观察HR8703的光行差偏离值为 (24.5) 来自HR8703的星光相对于GP-B的速度为 (24.6) 只有在 =0的情况下，光速才是不变的，如果 >0，光速与GP-B的运动有关。 光行差-距离关系也可以在地球上进行观测，仅需要的是精确定位的望远镜，即至少需要一个象GP-B上使用的定位陀螺和量子干涉仪等读出设备。 在地面上进行实验的优点是不受任何限制，可以全天候地进行，可以观测更大范围的类星体的光行差。其缺点是，如果光在被大质量体地球拖动的以太中传播，它将观察不到光行差-距离效应。在这方面，GP-B实验具有任何地面实验无法比拟的优点，因为GP-B在远离地球的太空中自由地运行，它的光行差不会受地球以太的影响。所以，用GP-B实验检验单程光速的变化是千载难逢的机会。 地面实验需要的技术和设备比较容易满足，一般的天文台都可以进行。这是一个耗时的、但却是一个意义重大的工作。可以各个天文观测中心配合分担这种工作，对各种距离的类星体的光行差分别作精确的测定，然后汇兑数据，描绘出实际上的光行差-距离曲线图。 用GP-B检验单程光速的变化具有地面实验无法具备的优点。在GP-B上检验光速变化，出现结果的可能性分析如下： (1)如果观测到光行差偏离，证明光速与观察者的运动状态有关，光速符合速度叠加原理。则相对论光速恒定不变的思想是错误的。 (2)如果光是在地球拖动的以太中传播，并且地球以太可以延伸到GP-B轨道的话，则光行差偏离不遵循(2.4)式的关系，而遵循(2.3)式的关系，速度V为GP-B的轨道速度。这时，光行差偏离量只有0.0001毫秒/轨道周期。GP-B达不到这一精度而无法观测到。 在地面上观测光行差偏离出现的可能性结果分析如下： （1）如果观测不到光行差偏离，原因只有一种情况：光在以太中传播，并且这种以太完全被地球拖动。 （3）如果光行差偏离存在，并且空间分布呈各向同性，则表明宇宙系统是膨胀的。 （4）如果光行差偏离存在，但不具有各向同性，则表明光是在宇宙系统的以太中传播，并且这种以太不被地球拖动。 ※※※※※※ 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 |