广义时空相对论及其应用概述

1、广义时空相对论及其应用概述 夏 （xgxia2007）上传2007.07 浏览33内容提要：本文从分析爱因斯坦相对论的逻辑谬误与概念错误出发，概要地介绍了广义时空相对论，又通过对比广义时空相对论与狭义相对论的变换公式，扼要地阐述了两种相对论的本质区别。随后，利用广义时空相对论的理论结果讨论了光子静止质量的计算公式及其应用。因所得结果与天文观测完全一致，所以不仅验证了光子静止质量的计算公式，而且断定了恒星系光谱红移现象的老化机制，并否定了大爆炸模型的宇宙生成论。最后借助于对康普顿散射现象的讨论，进一步证明了广义时空相对论比爱因斯坦的相对论更为正确。【关键词：广义时空

2、相对论 狭义相对论 光子的静止质量 红移现象 老化机制 大爆炸宇宙生成论】一 问题的提出自1905年爱因斯坦的狭义相对论问世以来，人们的时空观念开始发生了革命性的变化。因为，按照狭义相对论的时空观念：“同时性是相对的”。例如，一把刚性的尺子会因运动而收缩，一个标准时钟的走时率会因为运动而变慢。也就是说，“空间”和“时间”与物体的“运动状态”有关。由这种时空观念出发，对于同一个客观事件，处在不同位置上的观测者将会得出不同的观测结果，于是便有人相信：“时间和空间不是客观实在，而是人的直观形式”。这正是康德（I. Kant）与马赫（E. Mach）的相对主义时空观。从狭义相对论出发，必然导致一系列的

3、时空佯谬，诸如：双生子佯谬，超光速佯谬，EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯谬；而从广义相对论出发，又必然导致“空间究竟是平坦的还是弯曲的”激烈争论，即导致几何佯谬。诚如所知，就是这样一个时空理论，当代的主流派学者却众口一词地说：相对论是20世纪最伟大的学术成就；宇宙是有开端的；宇宙是大爆炸的产物；宇宙中不仅存在着连光线也无法逃逸的“黑洞”，而且存在着不停向外逃逸物质的“白洞”，连接黑洞与白洞的是一种看不见的“时空隧道”，即虫洞，这种虫洞联系着时间的过去与未来；我们的地球、太阳系、银河系等，并不是存在于三维的空间与一维的时间中不断地发展变化着，而是在十一维、甚至更高维的时

4、空中卷曲地存在着；宇宙中的所有天体不是相对均匀地分布在无限大的时间和空间之中，而是分布在一个有限而无边界、且不断膨胀的“气球”之上；。诸如此类的不断夸张、随心所欲的主观臆造，已经把现代物理学和宇宙学引入了不可知论的深渊，把原本正确的时空观念引入到相对主义的老路之上！为此，我们必须本着科学的良知，认真对待爱因斯坦相对论的学术成就及其所存在的问题。在探索真理的道路上，一定要提倡实践论，反对任何形式的迷信与个人崇拜。承认狭义和广义相对论对于物理学的贡献、肯定爱因斯坦的学术成就固然重要，找出爱因斯坦相对论所存在的问题、并加以纠正更为重要！这样，只有这样，科学理论才能不断地完善与发展，人类社会才能不断地

5、进步。二 两种相对论的观念对比1狭义相对论的基本观念。爱因斯坦的相对论同牛顿力学一样，都是把“运动的钟与运动观测者”锁定在相对运动坐标系（）的坐标原点（）上、把“静止的钟与静止观测者”锁定在相对静止坐标系（）的坐标原点（）上，然后再去确定一个事件在运动中所历经的时间过程（即时间坐标）与空间距离（即空间坐标）。换言之，无论静止观测者还是运动观测者，都是站在超越一切时空范围的立场上，借助于自己的主观思维能力而不是实际测量过程，来认定一个运动事件的时间坐标和空间坐标。这就势必造成：把两个物体系统之间的相对运动演变成三个物体系统之间的相对运动。其中，一个物体系统是运动事件（或质点），另外两个物体系统分

6、别是“运动系与运动观测者”、“静止系与静止观测者”，结果便形成以下三种情形：1）运动事件（或质点）相对于静止系坐标原点的相对运动问题；2）运动事件（或质点）相对于运动系坐标原点的相对运动问题；3）运动系坐标原点相对于静止系坐标原点的相对运动问题。正如所知，爱因斯坦是把相对论理解为：站在运动系（）上的观测者与站在静止系（）上的观测者，分别对于第三个物体系统（即运动事件或质点）作相对运动时，所经历时间过程（）与（）的相互比较，以及所形成空间距离（）与（）的相互比较，即坐标变换（见【1】第1318页）。不难理解，这种情况类似于由“太阳”、“地球”和“月球”构成的物体系统。然而，这里的问题是，如果站在

7、太阳上的观测者、用太阳上的钟（记做），站在地球上的观测者、用地球上的钟（记做），都能绝对同步地给出月球相对于它们的时间坐标（）和（），那末地球上的时钟（）与太阳的时钟（）就必定具有绝对同时性（即），结果使问题又返回到伽利略（Galileo）变换之中。须指出，如果仅从思想观念上来分析运动事件所经历的时间坐标，它们的确是同步的。但问题的关键是：单纯凭借着我们的思维能力来认定时间坐标的做法，在客观上等于承认相互作用的传递速度是无穷大、同时性是绝对的！我们之所以容忍牛顿力学的做法和思想观念，是因为牛顿力学事先就已经假设：“相互作用的传播速度是无穷大，同时性是绝对的”。它的思维方法与它的逻辑前提是完全一

8、致的！而爱因斯坦的相对论则不然，因为它的逻辑前提是：相互作用的传播速度是有限的（等于真空中的光速），同时性是相对的。在这一前提下，如果仍然采用牛顿力学的思想方法，那就势必违背了狭义相对论的基本前提同时性是相对的这一正确的时空观念（见【2】§10，第7379页）。2广义时空相对论的基本观念。广义时空相对论首先强调了“操作原则”。也就是说：对于一个物理量的观测（或认定），总是离不开实际的测量过程。在实际测量中，又总是离不开观测者与被观测事件的相互接触。而相互接触只能有两种形式：一是直接接触（即站在运动事件之上）；二是间接接触（即通过中间介质传递能量或信息），如果没有任何形式的接触根本无法

9、实现对物理量的测量（即观测与定位）。在接触之中，传递信息的媒介只能是某种物质。当前，我们是以光子相对于光源的运动速度（c）作为传递相互作用的极限速度。不管用光子还是用其它物质作为媒介，只要是物质，其传递速度总是存在着极限。因而，对于离开运动事件的观测者而言，他在测量运动事件的时间坐标时，总会造成观测结果的滞后。（见【2】第7172页）。这里需要强调以下两点：第一，“空间”与“时间”是人们对于物质的存在形式与运动过程的“普遍性”所赋予的定义，它们就如同“水果”和“动物”之类的概念一样，都是人们对于同类事物的普遍特征所赋予的抽象描述。换言之，“空间”与“时间”分别代表着物质的“存在形式”与“运动过

10、程”的普遍性（即共性）。是共性就一定不是个性！就像我们不可以说“水果是酸的”那样，也不可以说“空间是弯曲的或平坦的”。毫无疑义，无论把空间说成是平坦的、还是弯曲的，都是把普遍性与特殊性并列，即把普遍性沦为特殊性；第二，相对论的物理内涵是：从不同角度出发的两个观测者，对于同一个运动事件（即时空起点和终点都相同的运动事件）所得不同观测结果之间的相互比较，即坐标变换。相反地，如果我们把两个具有不同时空起点与终点的运动事件人为地相互比较，那么，“就其为相关的事物的同一而言，是相等；就其为相关的事物的不同而言，是不相等。而相等与不相等也应是在同一基础上的不同的方面或观点；（见【3】第251页）”。换言之

11、，相互比较必须建立在同一基础上，这是最基本的逻辑原则！必须指出，在相对论问题中，由“间隔相等”到“间隔不相等”是一个外在的发展过程。在运动起点处，观测者和时钟都绝对重合，时空间隔必然绝对相等；而离开了运动起点，随着观测者与运动事件相对位置的改变，观测结果及其所构成的时空间隔将随之改变，从而产生了观测结果上的意见分歧。然而，观测位置的改变乃是主观的，而并非是运动事件所经历的时间过程与所移动的空间距离发生了客观的改变。有鉴于此，广义时空相对论提出了一个新的物理原理客观性原理客体具有不依赖于主体的客观内容。既然是物理原理，就不可能用数学方法或形式逻辑来加以证明，而只能用辩证逻辑去加以说明。3爱因斯坦

12、相对论的主要错误。诚如所知，在两个具有不同时空起点的事件间进行坐标变换的做法，是狭义相对论的基本特征；认为空间是弯曲的时空观念，是广义相对论的基本特征。因此，如果说牛顿力学存在着不足的话，那仅仅是因为它的前提条件超距相互作用与客观事实不符。而爱因斯坦的相对论却不然，它不仅违背了相互比较必须建立在同一基础上的逻辑原则，而且使用的物理概念与物理原理也都是建立在牛顿力学的思想观念之上，即建立在绝对同时性的前提假设之上，这就必然造成爱因斯坦相对论与它的前提假设同时性是相对的之间存在着根本的对立！因此说，狭义相对论的可悲之处就在于：用自身的概念错误与逻辑谬误去否定牛顿力学中存在的不足！广义相对论的荒谬之

13、处就在于：把几何公理成立的前提条件错误地理解成空间这一带有普遍性特征的概念本身具有几何性质。三 两种相对论的坐标变换对比在相对论问题中，位于点的运动观测者，可把间隔平方写成 (1)而位于点的静止观测者，可以把间隔平方写成 (2)其中，；。1狭义相对论认为：是运动观测者用笛卡儿坐标表示的运动事件相对于起点（）的空间距离（即图1中的）；是静止观测者用笛卡儿坐标表示的运动事件相对于起点（）的空间距离（即图1中的），、，但，由此导出 （3）其中，是运动观测者对于静止观测者的相对速度（即运动系对于静止系的相对速度），是静止系对于运动系的相对速度。狭义相对论的错误就在于：把和

14、、和、和这些具有不同时空起点和终点的坐标变量直接地加以比较。殊不知，具有不同基点的运动事件并非是同一个事件，建立在不同基点上的坐标变换相互比较已经违背了相互比较时所必须遵循的起码的逻辑原则！2广义时空相对论认为：是运动观测者表示的运动事件从起点（）移动到终点（）的空间距离（即图2的）；是静止观测者对同一个空间距离的描述（即图2的），显然。基于相互作用传播速度的有限性，应有。其中，代表点处的观测者收到同一运动信息所需的时间过程，显然。对于同一个运动事件，静止观测者得出的相对速度为；而运动观测者得出的绝对速度为。因为，所以。尽管，但这种不相等乃是由于观测位置的不同所造成的，这完全是主观原因。所以在

15、客观性原理的基础上，我们勒令，从而实现了广义时空相对论的坐标变换，即 （4）这里，虽然时间坐标的变换公式与狭义相对论的形式相同，但其物理意义是截然不同的。须指出，一些学者往往对客观性原理的应用感到困惑，究其原因，多半是受形式逻辑“抽象同一性”的影响太深，或者对用辩证逻辑的“具体同一性”构造物理原理的做法缺乏认识。这是需要转变思想观念的大问题！当然，在这个问题上，广义时空相对论并不是第一个“吃螃蟹”的人，因为微积分学的许多原理都是建立在辩证逻辑的基础上。正如恩格斯所说：“在高等数学中的几乎所有的证明，从微分学的最初的一些证明起，从初等数学的观点看来严格地说都是错误的。如果象在这里那样，

16、要用形式逻辑去证明辩证法领域中所获得的结果，那末情况也不可能是另一个样子。（见【4】第175页）”。3两种类型相对论的要点对比。为了便于理解，我们把爱因斯坦的相对论（即狭义相对论与广义相对论）同广义时空相对论的基本要点归纳、整理，并列表对比如下：狭义相对论广义相对论广义时空相对论空间是平坦的空间是弯曲的空间没有几何性质空间和时间的可变性是真实的空间和时间的可变性是真实的空间和时间的可变性是相对的空间与时间近似可分空间与时间绝对不可分空间与时间绝对可分 为绝对时间，是客观的。 为绝对时间，是客观的。 为相对时间（因其包含），为绝对时间，是客观的。运动系与静止系完全独

17、立，坐标变量之间没有共同起点运动系与静止系并不完全独立，坐标变量之间没有共同起点。运动系与静止系并非完全独立，但坐标变量之间必须具有共同起点。不同坐标系的度规可以不同同一个坐标系的度规不同不同坐标系的度规必须相同以相对性原理与光速不变原理为前提，即以为条件，对时间变量和空间变量进行坐标变换。以方程协变性为物理前提，对时空变量进行坐标变换，然后选出形式不变的物理方程。以客观性原理为物理前提，即以为条件，对时间变量和运动速度进行坐标变换。四 两种相对论的质能关系式对比1狭义相对论的质能关系式。狭义相对论得出 （5）这里，因为爱因斯坦假设了光子的静止质量等于零，所以得出 （6）2

18、广义时空相对论的质能关系式。基于广义时空相对论的坐标变换公式，经过一定的数学推导（见【2】第138142页），得出广义时空相对论的质能关系式 （7）其中，是光子的相对静止质量，对应着轨道电子在高能级上的情态。当时，即坐标系与趋近于重合时，上式化为 (8)这就是爱因斯坦质能公式的合理内核。当时，即运动事件相对于运动起点（）以光速运动时，则有 (9)这就是光子相对于光源运动时所具有的总能量。把式(7)按幂级数展开得） (10)通常，取二阶近似则有 (11)上式表明，物体的总能量包括两部分：其静能部分由狭义相对论描述，动能部分由牛顿力学描述。五 广义时空相对论

19、的应用1光子静止质量的计算公式。由（9）式看到，当时有 (12)实验证明，光子的能量。因为这个观测结果本身并没有受到时空的“相对论效应”的影响，所以它实实在在地反映了“光子的总能量”，因此，我们令，从而得出 (13)为普朗克（Planck）常数，是光波的频率（Hz）。再令（克·秒），则有 (14)这就是由广义时空相对论导出的关于光子静止质量的计算公式（见【2】第142146页）。已知可见光的频率范围在赫兹（Hertz），由此得出可见光的相对静止质量约为克。此外，应用(14)式，并根据牛顿力学和开普勒定律，可以算出光子通过太阳附近引力场时的偏转角度为。这一

20、计算值与近年来的观测结果()十分吻合。由此，不仅证明（14）式本身的正确性，而且证明光子具有内部结构。正因为光子有内部结构，所以它在广袤宇宙中传播时，其能量将产生量子化的衰减，从而造成频率下降，即光谱的红移。这一结论的重要意义在于：不仅否定了多普勒效应引起红移的现代解释，而且否定了大爆炸模型的宇宙生成论（见【2】第195199页）。另外，我们最近又把这一结论应用于真空动力学的研究之中，已经取得了某些突破性的进展。2对康普顿散射公式的理论证明。康普顿散射是利用光子去撞击电子的同时，观测光线的偏转现象。按照狭义相对论，只有假设电子的相对论质量为横向质量时，才能导出下述（15）式的散射公式（见【5】第224225页）。然而在康普顿散射中，碰撞前电子是静止的，在碰撞中光子把部分动量传给了电子，从而使电子产生运动。因为电子的运动方向总是与其所获得动量的方向一致，所以此时此刻电子的相对论质量理应是它的纵向质量而不是它的横向质量（见【1】第3132页）。由此而论，现行的教科书用电子的横向质量来推导康普顿散射公式的做法值得怀疑？！就康普顿散射而言，碰撞后电子的运动速度一般都远小于光速（），电子质量的相对论效应十分有限，因此我们可以近似地忽略电子质量的相对论效应。于是，把碰撞后电子的质量用它的静止质量代入，