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文档简介
1、时空弯曲是必须的吗?-物理学论文 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。 中国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
2、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=2MG/2和0处奇异(趋于无穷大)。但是,=2MG/2处的奇异是由于坐标系带来的,可以通过恰当的坐标系变换来避免。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
3、也是这样。在奇点处,“一切科学预见都失去了效果”,没有工夫,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,世界闻名物 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特别完备的科学理论,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
4、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完成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利。 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准确定律极好的近似。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(qQ),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
5、:Fe =Qq/4r2(1)如果点电荷以速度v运动,则所受电场力仍满意(1)式,同时,它还要受到磁场力(洛仑滋力)的作用,大小为:Fc =Bqvsin(2)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
6、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,时空仍旧是平直的。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
7、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:E1=-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:E1=-GMm/R光子的能量E=mc2=h, E1=h=-GMm/R =-GMm/hRF1引起光子的能量变化为:E2=F1dr=-GMm(1/r2)dr=-(GMm/r)+C以地球为参照系,当光子从太阳(r=)运动到地球(r=R)时, E2=GMm/RE2=h=-GMm/R =-GMm/hR光子的能量总变化为:
8、E=E1+E2 =-GMm/R +GMm/R=Gm(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,EE1,=-GMm/hR而E= h0,0=E /h=mc2/ h/0=-GM/Rc2=-2.12x10-6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 -2.12x10-6。对天狼星伴星光芒的引力红移,理论值为:/0=28x10-51971年,格林斯坦(J.L.GreenstEin)利用衍射技术,得到实际观测结果为:
9、 (30+5)x10-5。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。我们明白,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
10、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,由于其受到的力主如果来自于太阳的引力,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(E=h)。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
11、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:E1=F1dr=GMm(1/r2)dr=-(GMm/r)+C , 将r 从(H+R)到R积分,E1=(GMm)(1/R)-1/(R+H)在地面上,(GMm/R2)=mg, GM=gR2, E1=h=gHm/h1+(H/R)gHm/h (H/R)1,而E= h0,0=
12、E /h=mc2/ h/0=gH/c2=2.46x10-15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2.46x10-15。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,由于其受到的力主如果来自于地球的引力,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(E=h)。如果从塔底将 射线射向塔高H为
13、处,由于其受到的力主如果来自于地球的引力,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(E=h),出现“红移”现象。为了检验关于 射线“蓝移”的准确与否,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 射线的频率满意以下关系式(高处的频率较大): /0=gH/c2则说明广义相对论准确,否则错误。3、恒星光芒的偏折以遥远恒星光子的运动速度的前进方向为x轴负方向,建立平面坐标系x-o-y,在太阳引力场中,光子的运动
14、速度特别大,运动质量m很小,它的偏角特别小, 光子在y轴方向的分运动速度特别小,所以:F1sin+ F2=may=m(dvy/dt)F1=(GMm/r2),F2=(GMmv2/r2c2),对于光子,v=c,F2=(GMm/r2)F1与F2大小相等,但方向不同。光子在x轴方向的速度可以认为不变,为cdx/dtsindx=rd, sin=R/r(R为太阳半径,r为光子与太阳中心的距离),在t时辰,光子运动速度与x轴负方向的夹角为d,当光子从+远处运动到-远处时(从而到),光子的总偏角为:=(GM/Rc2)(sin+1)d=(2+)GM/Rc2=2.2" 1919年5月,两组科学观测队分别进行第一次实际观测到, 恒星光芒擦过太阳边缘到达地球的“总偏角”为1.98"+0.30 和1.61+0.12"。在各次日蚀中,至今已对400多颗恒星作了这种测量,观测数据的范围是从1.57" 到2.37&qu
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