1、廣義時空相對論及其應用概述 夏 （xgxia2007）上傳2007.07 瀏覽33內容提要：本文從分析愛因斯坦相對論的邏輯謬誤與概念錯誤出發，概要地介紹了廣義時空相對論，又通過對比廣義時空相對論與狹義相對論的變換公式，扼要地闡述了兩種相對論的本質區別。隨后，利用廣義時空相對論的理論結果討論了光子靜止質量的計算公式及其應用。因所得結果與天文觀測完全一致，所以不僅驗證了光子靜止質量的計算公式，而且斷定了恒星系光譜紅移現象的老化機制，并否定了大爆炸模型的宇宙生成論。最后借助于對康普頓散射現象的討論，進一步證明了廣義時空相對論比愛因斯坦的相對論更為正確。【關鍵詞：廣義時空

2、相對論 狹義相對論 光子的靜止質量 紅移現象 老化機制 大爆炸宇宙生成論】一 問題的提出自1905年愛因斯坦的狹義相對論問世以來，人們的時空觀念開始發生了革命性的變化。因為，按照狹義相對論的時空觀念：“同時性是相對的”。例如，一把剛性的尺子會因運動而收縮，一個標準時鐘的走時率會因為運動而變慢。也就是說，“空間”和“時間”與物體的“運動狀態”有關。由這種時空觀念出發，對于同一個客觀事件，處在不同位置上的觀測者將會得出不同的觀測結果，于是便有人相信：“時間和空間不是客觀實在，而是人的直觀形式”。這正是康德（I. Kant）與馬赫（E. Mach）的相對主義時空觀。從狹義相對論出發，必然導致一系列的

3、時空佯謬，諸如：雙生子佯謬，超光速佯謬，EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯謬；而從廣義相對論出發，又必然導致“空間究竟是平坦的還是彎曲的”激烈爭論，即導致幾何佯謬。誠如所知，就是這樣一個時空理論，當代的主流派學者卻眾口一詞地說：相對論是20世紀最偉大的學術成就；宇宙是有開端的；宇宙是大爆炸的產物；宇宙中不僅存在著連光線也無法逃逸的“黑洞”，而且存在著不停向外逃逸物質的“白洞”，連接黑洞與白洞的是一種看不見的“時空隧道”，即蟲洞，這種蟲洞聯系著時間的過去與未來；我們的地球、太陽系、銀河系等，并不是存在于三維的空間與一維的時間中不斷地發展變化著，而是在十一維、甚至更高維的時

4、空中卷曲地存在著；宇宙中的所有天體不是相對均勻地分布在無限大的時間和空間之中，而是分布在一個有限而無邊界、且不斷膨脹的“氣球”之上；。諸如此類的不斷夸張、隨心所欲的主觀臆造，已經把現代物理學和宇宙學引入了不可知論的深淵，把原本正確的時空觀念引入到相對主義的老路之上！為此，我們必須本著科學的良知，認真對待愛因斯坦相對論的學術成就及其所存在的問題。在探索真理的道路上，一定要提倡實踐論，反對任何形式的迷信與個人崇拜。承認狹義和廣義相對論對于物理學的貢獻、肯定愛因斯坦的學術成就固然重要，找出愛因斯坦相對論所存在的問題、并加以糾正更為重要！這樣，只有這樣，科學理論才能不斷地完善與發展，人類社會才能不斷地

5、進步。二 兩種相對論的觀念對比1狹義相對論的基本觀念。愛因斯坦的相對論同牛頓力學一樣，都是把“運動的鐘與運動觀測者”鎖定在相對運動坐標系（）的坐標原點（）上、把“靜止的鐘與靜止觀測者”鎖定在相對靜止坐標系（）的坐標原點（）上，然后再去確定一個事件在運動中所歷經的時間過程（即時間坐標）與空間距離（即空間坐標）。換言之，無論靜止觀測者還是運動觀測者，都是站在超越一切時空范圍的立場上，借助于自己的主觀思維能力而不是實際測量過程，來認定一個運動事件的時間坐標和空間坐標。這就勢必造成：把兩個物體系統之間的相對運動演變成三個物體系統之間的相對運動。其中，一個物體系統是運動事件（或質點），另外兩個物體系統分

6、別是“運動系與運動觀測者”、“靜止系與靜止觀測者”，結果便形成以下三種情形：1）運動事件（或質點）相對于靜止系坐標原點的相對運動問題；2）運動事件（或質點）相對于運動系坐標原點的相對運動問題；3）運動系坐標原點相對于靜止系坐標原點的相對運動問題。正如所知，愛因斯坦是把相對論理解為：站在運動系（）上的觀測者與站在靜止系（）上的觀測者，分別對于第三個物體系統（即運動事件或質點）作相對運動時，所經歷時間過程（）與（）的相互比較，以及所形成空間距離（）與（）的相互比較，即坐標變換（見【1】第1318頁）。不難理解，這種情況類似于由“太陽”、“地球”和“月球”構成的物體系統。然而，這里的問題是，如果站在

7、太陽上的觀測者、用太陽上的鐘（記做），站在地球上的觀測者、用地球上的鐘（記做），都能絕對同步地給出月球相對于它們的時間坐標（）和（），那末地球上的時鐘（）與太陽的時鐘（）就必定具有絕對同時性（即），結果使問題又返回到伽利略（Galileo）變換之中。須指出，如果僅從思想觀念上來分析運動事件所經歷的時間坐標，它們的確是同步的。但問題的關鍵是：單純憑借著我們的思維能力來認定時間坐標的做法，在客觀上等于承認相互作用的傳遞速度是無窮大、同時性是絕對的！我們之所以容忍牛頓力學的做法和思想觀念，是因為牛頓力學事先就已經假設：“相互作用的傳播速度是無窮大，同時性是絕對的”。它的思維方法與它的邏輯前提是完全一

8、致的！而愛因斯坦的相對論則不然，因為它的邏輯前提是：相互作用的傳播速度是有限的（等于真空中的光速），同時性是相對的。在這一前提下，如果仍然采用牛頓力學的思想方法，那就勢必違背了狹義相對論的基本前提同時性是相對的這一正確的時空觀念（見【2】§10，第7379頁）。2廣義時空相對論的基本觀念。廣義時空相對論首先強調了“操作原則”。也就是說：對于一個物理量的觀測（或認定），總是離不開實際的測量過程。在實際測量中，又總是離不開觀測者與被觀測事件的相互接觸。而相互接觸只能有兩種形式：一是直接接觸（即站在運動事件之上）；二是間接接觸（即通過中間介質傳遞能量或信息），如果沒有任何形式的接觸根本無法

9、實現對物理量的測量（即觀測與定位）。在接觸之中，傳遞信息的媒介只能是某種物質。當前，我們是以光子相對于光源的運動速度（c）作為傳遞相互作用的極限速度。不管用光子還是用其它物質作為媒介，只要是物質，其傳遞速度總是存在著極限。因而，對于離開運動事件的觀測者而言，他在測量運動事件的時間坐標時，總會造成觀測結果的滯后。（見【2】第7172頁）。這里需要強調以下兩點：第一，“空間”與“時間”是人們對于物質的存在形式與運動過程的“普遍性”所賦予的定義，它們就如同“水果”和“動物”之類的概念一樣，都是人們對于同類事物的普遍特征所賦予的抽象描述。換言之，“空間”與“時間”分別代表著物質的“存在形式”與“運動過

10、程”的普遍性（即共性）。是共性就一定不是個性！就像我們不可以說“水果是酸的”那樣，也不可以說“空間是彎曲的或平坦的”。毫無疑義，無論把空間說成是平坦的、還是彎曲的，都是把普遍性與特殊性并列，即把普遍性淪為特殊性；第二，相對論的物理內涵是：從不同角度出發的兩個觀測者，對于同一個運動事件（即時空起點和終點都相同的運動事件）所得不同觀測結果之間的相互比較，即坐標變換。相反地，如果我們把兩個具有不同時空起點與終點的運動事件人為地相互比較，那么，“就其為相關的事物的同一而言，是相等；就其為相關的事物的不同而言，是不相等。而相等與不相等也應是在同一基礎上的不同的方面或觀點；（見【3】第251頁）”。換言之

11、，相互比較必須建立在同一基礎上，這是最基本的邏輯原則！必須指出，在相對論問題中，由“間隔相等”到“間隔不相等”是一個外在的發展過程。在運動起點處，觀測者和時鐘都絕對重合，時空間隔必然絕對相等；而離開了運動起點，隨著觀測者與運動事件相對位置的改變，觀測結果及其所構成的時空間隔將隨之改變，從而產生了觀測結果上的意見分歧。然而，觀測位置的改變乃是主觀的，而并非是運動事件所經歷的時間過程與所移動的空間距離發生了客觀的改變。有鑒于此，廣義時空相對論提出了一個新的物理原理客觀性原理客體具有不依賴于主體的客觀內容。既然是物理原理，就不可能用數學方法或形式邏輯來加以證明，而只能用辯證邏輯去加以說明。3愛因斯坦

12、相對論的主要錯誤。誠如所知，在兩個具有不同時空起點的事件間進行坐標變換的做法，是狹義相對論的基本特征；認為空間是彎曲的時空觀念，是廣義相對論的基本特征。因此，如果說牛頓力學存在著不足的話，那僅僅是因為它的前提條件超距相互作用與客觀事實不符。而愛因斯坦的相對論卻不然，它不僅違背了相互比較必須建立在同一基礎上的邏輯原則，而且使用的物理概念與物理原理也都是建立在牛頓力學的思想觀念之上，即建立在絕對同時性的前提假設之上，這就必然造成愛因斯坦相對論與它的前提假設同時性是相對的之間存在著根本的對立！因此說，狹義相對論的可悲之處就在于：用自身的概念錯誤與邏輯謬誤去否定牛頓力學中存在的不足！廣義相對論的荒謬之

13、處就在于：把幾何公理成立的前提條件錯誤地理解成空間這一帶有普遍性特征的概念本身具有幾何性質。三 兩種相對論的坐標變換對比在相對論問題中，位于點的運動觀測者，可把間隔平方寫成 (1)而位于點的靜止觀測者，可以把間隔平方寫成 (2)其中，；。1狹義相對論認為：是運動觀測者用笛卡兒坐標表示的運動事件相對于起點（）的空間距離（即圖1中的）；是靜止觀測者用笛卡兒坐標表示的運動事件相對于起點（）的空間距離（即圖1中的），、，但，由此導出 （3）其中，是運動觀測者對于靜止觀測者的相對速度（即運動系對于靜止系的相對速度），是靜止系對于運動系的相對速度。狹義相對論的錯誤就在于：把和

14、、和、和這些具有不同時空起點和終點的坐標變量直接地加以比較。殊不知，具有不同基點的運動事件并非是同一個事件，建立在不同基點上的坐標變換相互比較已經違背了相互比較時所必須遵循的起碼的邏輯原則！2廣義時空相對論認為：是運動觀測者表示的運動事件從起點（）移動到終點（）的空間距離（即圖2的）；是靜止觀測者對同一個空間距離的描述（即圖2的），顯然。基于相互作用傳播速度的有限性，應有。其中，代表點處的觀測者收到同一運動信息所需的時間過程，顯然。對于同一個運動事件，靜止觀測者得出的相對速度為；而運動觀測者得出的絕對速度為。因為，所以。盡管，但這種不相等乃是由于觀測位置的不同所造成的，這完全是主觀原因。所以在

15、客觀性原理的基礎上，我們勒令，從而實現了廣義時空相對論的坐標變換，即 （4）這里，雖然時間坐標的變換公式與狹義相對論的形式相同，但其物理意義是截然不同的。須指出，一些學者往往對客觀性原理的應用感到困惑，究其原因，多半是受形式邏輯“抽象同一性”的影響太深，或者對用辯證邏輯的“具體同一性”構造物理原理的做法缺乏認識。這是需要轉變思想觀念的大問題！當然，在這個問題上，廣義時空相對論并不是第一個“吃螃蟹”的人，因為微積分學的許多原理都是建立在辯證邏輯的基礎上。正如恩格斯所說：“在高等數學中的幾乎所有的證明，從微分學的最初的一些證明起，從初等數學的觀點看來嚴格地說都是錯誤的。如果象在這里那樣，

16、要用形式邏輯去證明辯證法領域中所獲得的結果，那末情況也不可能是另一個樣子。（見【4】第175頁）”。3兩種類型相對論的要點對比。為了便于理解，我們把愛因斯坦的相對論（即狹義相對論與廣義相對論）同廣義時空相對論的基本要點歸納、整理，并列表對比如下：狹義相對論廣義相對論廣義時空相對論空間是平坦的空間是彎曲的空間沒有幾何性質空間和時間的可變性是真實的空間和時間的可變性是真實的空間和時間的可變性是相對的空間與時間近似可分空間與時間絕對不可分空間與時間絕對可分 為絕對時間，是客觀的。 為絕對時間，是客觀的。 為相對時間（因其包含），為絕對時間，是客觀的。運動系與靜止系完全獨

17、立，坐標變量之間沒有共同起點運動系與靜止系并不完全獨立，坐標變量之間沒有共同起點。運動系與靜止系并非完全獨立，但坐標變量之間必須具有共同起點。不同坐標系的度規可以不同同一個坐標系的度規不同不同坐標系的度規必須相同以相對性原理與光速不變原理為前提，即以為條件，對時間變量和空間變量進行坐標變換。以方程協變性為物理前提，對時空變量進行坐標變換，然后選出形式不變的物理方程。以客觀性原理為物理前提，即以為條件，對時間變量和運動速度進行坐標變換。四 兩種相對論的質能關系式對比1狹義相對論的質能關系式。狹義相對論得出 （5）這里，因為愛因斯坦假設了光子的靜止質量等于零，所以得出 （6）2

18、廣義時空相對論的質能關系式。基于廣義時空相對論的坐標變換公式，經過一定的數學推導（見【2】第138142頁），得出廣義時空相對論的質能關系式 （7）其中，是光子的相對靜止質量，對應著軌道電子在高能級上的情態。當時，即坐標系與趨近于重合時，上式化為 (8)這就是愛因斯坦質能公式的合理內核。當時，即運動事件相對于運動起點（）以光速運動時，則有 (9)這就是光子相對于光源運動時所具有的總能量。把式(7)按冪級數展開得） (10)通常，取二階近似則有 (11)上式表明，物體的總能量包括兩部分：其靜能部分由狹義相對論描述，動能部分由牛頓力學描述。五 廣義時空相對論

19、的應用1光子靜止質量的計算公式。由（9）式看到，當時有 (12)實驗證明，光子的能量。因為這個觀測結果本身并沒有受到時空的“相對論效應”的影響，所以它實實在在地反映了“光子的總能量”，因此，我們令，從而得出 (13)為普朗克（Planck）常數，是光波的頻率（Hz）。再令（克·秒），則有 (14)這就是由廣義時空相對論導出的關于光子靜止質量的計算公式（見【2】第142146頁）。已知可見光的頻率范圍在赫茲（Hertz），由此得出可見光的相對靜止質量約為克。此外，應用(14)式，并根據牛頓力學和開普勒定律，可以算出光子通過太陽附近引力場時的偏轉角度為。這一

20、計算值與近年來的觀測結果()十分吻合。由此，不僅證明（14）式本身的正確性，而且證明光子具有內部結構。正因為光子有內部結構，所以它在廣袤宇宙中傳播時，其能量將產生量子化的衰減，從而造成頻率下降，即光譜的紅移。這一結論的重要意義在于：不僅否定了多普勒效應引起紅移的現代解釋，而且否定了大爆炸模型的宇宙生成論（見【2】第195199頁）。另外，我們最近又把這一結論應用于真空動力學的研究之中，已經取得了某些突破性的進展。2對康普頓散射公式的理論證明。康普頓散射是利用光子去撞擊電子的同時，觀測光線的偏轉現象。按照狹義相對論，只有假設電子的相對論質量為橫向質量時，才能導出下述（15）式的散射公式（見【5】第224225頁）。然而在康普頓散射中，碰撞前電子是靜止的，在碰撞中光子把部分動量傳給了電子，從而使電子產生運動。因為電子的運動方向總是與其所獲得動量的方向一致，所以此時此刻電子的相對論質量理應是它的縱向質量而不是它的橫向質量（見【1】第3132頁）。由此而論，現行的教科書用電子的橫向質量來推導康普頓散射公式的做法值得懷疑？！就康普頓散射而言，碰撞后電子的運動速度一般都遠小于光速（），電子質量的相對論效應十分有限，因此我們可以近似地忽略電子質量的相對論效應。于是，把碰撞后電子的質量用它的靜止質量代入，