时空弯曲是必须的吗?
作者:佚名; 更新时间:2014-12-10

  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r=2MG/c2和r=0处奇异(趋于无穷大)。但是,r=2MG/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, Fc=0;所受电场力(库仑力)为有心力,大小为:

        Fe =Qq/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:

        Fc =Bqvsinθ……(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。

        m=m0/[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(r0=R)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=-∫f1dr=-GMm∫(1/r2)dr(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(r=R)运动到地球(r=∞)时, 将r从r=R到r=∞积分得:

       ΔE1=-GMm/R

  光子的能量E=mc2=hν, ΔE1=hΔν=-GMm/R

            Δν=-GMm/hR

  F1引起光子的能量变化

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