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物理学论文-时空弯曲是必须的吗?.doc

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物理学论文-时空弯曲是必须的吗?.doc

物理学论文时空弯曲是必须的吗相对论和量子论是二十世纪人类认识自然的两个最伟大的科学成果。在等效原理和广义相对性原理的假定基础上,爱因斯坦建立了广义相对论,这是一个关于引力场的理论,它表明,无能量存在的真空是平直的,是一种三维的欧氏空间,但当真空具有能量时,真空即发生弯曲变形,此时的真空就不再是平直的欧氏空间,而是弯曲的黎曼空间,欧式几何不再适用,而应代之以黎曼几何。广义相对论用几何化的方法描述引力场基本是成功的,基本揭示了引力场的几何本质。但是我认为,将物理性质的引力场进行这种抽象的数学几何化的做法,是不能令人满意的。除此之外,广义相对论还有其他缺陷。一、广义相对论的缺陷1、广义相对论奇点的存在广义相对论的引力场方程为这个方程是高度非线性的,一般不能严格求解。只有在对时空度规附加一些对称性或其他要求下,使方程大大简化,才有可能求出一些严格解。在引力场球对称的假定下,可以得到方程的史瓦西解显然,度规在r2MG/c2和r=0处奇异(趋于无穷大)。但是,r2MG/c2处的奇异是由于坐标系带来的,可以通过适当的坐标系变换来避免。r=0处的奇点是本质的。在奇点上,时空曲率和物质密度都趋于无穷大,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。在奇点处,一切科学预见都失去了效果,没有时间,也没有空间。无穷大的出现显然是广义相对论的重大缺陷。另外,对于广义相对论的数学形式复杂性,世界著名物理学家波恩说它的形式复杂得可怕。2、广义相对论与量子理论不相容量子理论是非常完备的科学理论,而广义相对论和量子理论彼此间并不相容。1920年,韦尔提出了一个将电磁场和引力场联系起来的电磁场几何化的理论,他的基本想法是把电磁场与空间的局部度规不变性联系起来。韦尔的理论不仅没有得到学术界的认可,而且也与实验结果不符。之后,瑞尼契、惠勒、米斯纳等人也作了很多将电磁场几何化的尝试,都没有获得成功。人们也曾试图将引力场进行量子化,并从中寻求引力场与电磁场的本质联系,企图用量子论的方法实现引力场与电磁场的统一。电磁场的场量子是光子,类似地人们欲将量子化的引力场的场量子称为引力子。但经过几十年的努力,引力场的量子化尝试连连失败。二、对万有引力定律的改造显然,牛顿万有引力定律是有缺陷的,我们认为该定律是一个正确定律极好的近似。为了便于进行类比,我们来看一个电磁学现象在一个范围内,同时有一个恒定的电场和磁场磁感应强度为B,其中,电场由带电量为Q(场源)的均匀球体产生。距离球心r处,有一静止检验点电荷,带电量为q(q<<Q),其对场源的影响可忽略不计。则点电荷不受磁场的作用,Fc0所受电场力(库仑力)为有心力,大小为FeQq/4πεr2(1)如果点电荷以速度v运动,则所受电场力仍满足(1)式,同时,它还要受到磁场力(洛仑滋力)的作用,大小为FcBqvsinθ(2)θ为B与v的夹角,洛仑滋力Fc不是有心力,其方向恒与速度v的方向垂直,由左手定则确定。可知,洛仑滋力Fc对点电荷不做功。万有引力F1(GMm/r2)与(1)式很相似,因此,我们假定,在万有引力场中运动的物体,除受引力F1之外,同时受到另一个类似洛仑滋力力(暂称为附加力)F2的作用,F2是速度v的函数,其方向恒与速度v的方向垂直,在v与r构成的平面(密切面)之内,指向曲率中心一方,大小为F2(GMmv2/r2c2)由此得到万有引力的精确表达式为F(GMm/r2)1(v2/c2)(GMm/r2)(GMmv2/r2c2)(3)其中,c为真空中的光速,m为物体的运动质量。mm0/1(v2/c2)1/2我们称第一项(GMm/r2)为爱因斯坦引力,第二项(GMmv2/r2c2)为附加力。至此,我们已经完成了对万有引力定律的改造,下面对新理论进行检验。三、对新理论的检验我认为,在考虑引力场和变速运动的情况下,时空仍然是平直的。1、太阳光谱线红移根据改造的万有引力定律和光的波粒二象性,就可以得到太阳光谱线红移的结果。当光子从太阳r0R运动到地球r∞时,对于速度为c的光子,太阳的爱因斯坦引力f1对光子作负功,地球的爱因斯坦引力F1对光子作正功,太阳、地球附加力(F2)对光子不作功。f1引起光子的能量变化为ΔE1∫f1drGMm∫1/r2dr(光子的质量m变化很小,故可提到积分号外)以太阳为参照系,当光子从太阳rR运动到地球r∞时,将r从rR到r∞积分得ΔE1GMm/R光子的能量Emc2hν,ΔE1hΔνGMm/RΔνGMm/hRF1引起光子的能量变化为ΔE2∫F1drGMm∫1/r2dr(GMm/r)C以地球为参照系,当光子从太阳r∞运动到地球rR时,ΔE2GMm/RΔE2hΔνGMm/RΔνGMm/hR光子的能量总变化为ΔEΔE1ΔE2GMm/RGMm/RGm(M/R)(M/R)相对而言,地球的引力比太阳的引力小很多,地球的质量与半径的比值(M/R),比太阳的质量与半径的比值(M/R)小4个数量级,故对光子能量总变化的主要贡献来自太阳的引力,ΔE≈ΔE1,ΔνGMm/hR而Ehν0,ν0E/hmc2/hΔν/ν0GM/Rc22.12x106负号表示光从太阳运动到地球频率变小。这就是太阳光谱线红移的理论值。实际观测结果为2.12x106。对天狼星伴星光线的引力红移,理论值为Δν/ν028x1051971年,格林斯坦(J.L.Greenstein)利用衍射技术,得到实际观测结果为(305)x105。我们必须注意,虽然新理论的结论与广义相对论一样,但原因却不相同。我们知道,光源的固有频率是指,相对光源静止的观测者检测到的光源所发出的光子的频率。例如,某原子的固有频率取决于该原子的能级结构,它是该原子的固有属性,与引力场的大小毫无关系。无论是黑洞、太阳、地球上的氢原子,还是遥远太空中远离引力场的氢原子,对于相对氢原子静止的观测者,它们在跃迁时所发出的频率大小都相同,等于氢原子的固有频率。如果光源远离观测者,观测者检测到的光源所发出的光子的频率将变小(频率红移)这是多普勒效应,但是,广义相对论认为,太阳光谱线引力红移的原因是太阳表面的引力场比地球表面的引力场强,因而太阳表面的钟走得较慢,当用某种物质从太阳发出的光谱线的频率,与同一物质从地球发出的光谱线的频率进行比较时,结果是,从太阳发出的光谱线的频率较小(红移)。新理论认为,太阳光谱线红移的原因是从太阳表面的光子运动到地球时,由于其受到的力主要是来自于太阳的引力,而该引力对光子做负功,引起光子能量的减少,但光速大小不变,只能是光子频率减少了(Ehν)。当用某种物质从太阳发出的光谱线的频率,与同一物质从地球发出的光谱线的频率进行比较时,结果是,从太阳发出的光谱线的频率较小(红移)。从太阳发出的光谱线到达地球的观测者,将同时产生多普勒蓝移效应。钟的快慢与固定在它之上的坐标系的速度和加速度有关,与观测者的坐标系有关,与它所处在的引力场强弱无关。2、地球光谱线蓝移1959年庞德等人在哈佛大学首次在地面上直接验证了引力频移。利用在塔顶发射射线,在塔底接收。塔高H为。此实验在地面上,故可忽略太阳对光子的作用。地球的爱因斯坦引力F1对光子作正功,地球附加力(F2)对光子不作功。F1引起光子的能量变化为ΔE1∫F1drGMm∫1/r2dr(GMm/r)C,将r从(HR)到R积分,ΔE1(GMm){(1/R)1/(RH)}在地面上,GMm/R2mg,GMgR2,ΔE1hΔνΔνgHm/h1(H/R)≈gHm/h(H/R)<<1,而Ehν0,ν0E/hmc2/hΔν/ν0gH/c22.46x1015这就是光谱线蓝移的理论值,表示光从塔高H为射到地球表面,光频率变大。实际观测结果为2.46x1015。我们必须注意,虽然新理论的结论与广义相对论一样,但原因却不相同。广义相对论认为,射线蓝移的原因是塔高H为处的引力场比塔底的引力场弱,因而塔高H为处的钟走得较快,故在塔底接收来自射线的光谱线频率较大。新理论认为,射线蓝移的原因是从塔高H为处的射线运动到塔底时,由于其受到的力主要是来自于地球的引力,而该引力对光子做正功,引起光子能量的增加,其相应的频率增大(Ehν)。如果从塔底将射线射向塔高H为处,由于其受到的力主要是来自于地球的引力,而该引力对光子做负功,引起光子能量的减少,其相应的频率减少(Ehν),出现红移现象。为了检验关于射线蓝移的正确与否,我们可以做两个实验(1)在珠慕朗玛峰大约8000米海拔高度,或者1万米高空的飞机上,原地测出(不要从高射向低,也不要从低射向高)以上射线的频率(2)在广西的北海银滩原地测出以上射线的频率。如果在高低两处测出以上射线的频率满足以下关系式(高处的频率较大)

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