解析时空理论

解析时空理论 人类对于时空结构的科学认识是从本世纪初狭义相对论的建立开始的，狭义相对论揭示了空间、 时间和物质运动的联系， 在此之后，爱因斯坦把引力场和时空几何相 结合，建立了广义相对论；即研究非惯性系的时空关系问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。广义相对论认为任何物质的运动都 与引力场有关，我们生活在一个弯曲的黎曼空间。此后，科学家们进行了各种实验，其结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明： 广义相对论的判断是正确的，这无疑确立了相对论在时空研究领域的地位。我们在学习和研究相 对论过程中一直对爱因斯坦的深邃思想表示敬佩，感谢这位伟人对科学所做出的巨大贡献。 如果从另一个角度看待时空理论的发展和创新这一问题，我们又多少感到有些困惑。自从广 义相对论建立以来的几十年间，对相对论时空问题的研究虽取得某些进展，但是许多复杂的时空 结构问题我们依旧没有搞清楚，“时空大厦”的基础是什么我们更是一无所知，经研究发现，相 对论对时空结构的描述仅仅是初步的，狭义相对论的洛伦兹变换在理论完备性方面甚至存有缺 陷，许多时空问题从相对论自身无法找到正确答案： 1. 相对论的收缩因子的物理含义是什么？ 2. 在洛伦兹变换中，与相对速度u相垂直方向的量y和z同动系中的 y'，z'相等，这一判 断的理论依据是什么？ 3. 谱线红移现象在理论上是否还有其它解释？(多普勒效应不能完全解释红移量问题） 4. 狭义相对论告诉我们相对运动的两个不同坐标系对时间、空间的描述是不同的，那么我 们还要问“” 5. 广义相对论认为，由于引力场的存在，使空间弯曲，水星轨道的摄动是由于水星沿弯曲 时空的短程线（测地线）运动，因此会产生43"/世纪的进动；那么引力如何使时空弯曲？ 这一现象的本质原因是什么？ 6. 引力场的度规张量（）有无一般解？条件是什么？ 7. 假设一列火车以速度v高速行驶，火车上载着一辆汽车以速度v与火车相对运动， 同21 时汽车上又射出一物体，其相对汽车的速度为v ，那么这物体的运动如何描述？如果3 汽车是以加速度a行驶，射出的物体与汽车的运动方向有一角度 ,，该物体的运动方程 怎样建立？ 显然，对于上述时空问题的解答已完全超出了相对论涉及的范畴，要系统全面地回答上 述问题，我们必须跳出相对论的理论框架，建立一个新时空体系。该体系涉及的时空问题从广度 和深度上都远远超过现有理论，并将现有时空理论----相对论纳入其特例范围。基于此目的，本文向您介绍一个新的时空理论，由于篇幅过长，本文将分为几个部分，第一章主要涉及惯性和非 惯性时空，第二章则统一了量子力学的全部基础。 第一章 定义： 设两直角坐标系(S')和(S), (S')为运动系，(S)为观测系。(S')中的长度l'为固有长度，时间t'为固有时间; l', t'表示(S')相对于(S)静止状态下的长度和时间； 当(S')相对于(S)运动时，在(S)中测量(S')中的长度l'和时间t'; 测量结果为l、t，则l 观测长度，t为观测时间，l、t均为观测值。 下面给出解析时空理论的两条基本原理： . ----运动系(S')及观测系(S)中的长度与时间的乘积为 时空面积S'或S。运动系(S')相对观测系(S)静止或运动状态下，时空面积是不 变量；即对任意(l', t'), 均有等式 l't'= l t 成立，上述原理的坐标方法表 述为： -----若运动系(S')相对观测系（S）运动，在某一时刻相 对速度为u或u'，那么运动系(S')与观测系（S）沿相对运动产生偏转，偏转角 , 为时空偏转角，时空偏转角的大小与相对速度u （或u'）有关，其正弦值与 相对速度运动方向u（或u'）成正比，即sin, =u/c， （或sin, = u'/c'），c为 光速。 时空面积不变原理(I)和时空偏转原理(II)是我们研究时空问题 的基本原理。根据这两条原理，我们下面找出(S')与（S）的时空关系 式。 设(S')与（S）在某时刻原点重合，(S')与（S）的相对速度为u, l与u 方向相同，根据原理(), (S')与（S）产生偏转，如图1-3： 从图中我们可以得到以下结果： OD = OAcos, 令： OD = l OA = l' 则上式 l = l'cos, (1-1) 又根据原理，(S')中的时空面积 S'与（S）的S相等， ABCODEFO 所以 t l= t'l' , t = t' (l'/l), 将(1-1)式代入 得 t = t'/ cos, (1-2) 由原理 (II)知: sin, ,u/c, 则式(1-1) 和( 1-2 ) 为: (1–3)、(1–4) 这两个等式是狭义相对论的基本公式，也是解析时空理论研究时空问题的出发 点。在本文中，您将逐步看到解析时空理论的思想方法是将时空运动几何化，狭义相对论的普遍 结论----动尺缩短，动钟延缓效应，正是由于时空偏转所致，狭义相对论的收缩因子即为解析时 空的偏转因子,可看作是时空运动几何化的结果。 下面我们求出(S')与(S)的速度关系式（非坐标关系式）： 由( 1-1 )式: l = l' cos, , 我们选 l 和 l (l, l) 12 12则 l = l'cos, , l = l'cos, 1122 两式相减 l- l= (l'- l') cos, 2121 , l= , l' cos, (1-5) 2121 当 ,l , 0时, 21 dl = dl'cos, (1-6) 同理由(1-2)式可得到 dt =dt'/ cos, dt'/dt = cos, (1-7) 则式(1-6)关于 t 微分有 dl/dt = cos, dl'/dt 将 (1-7)代入则有 ,dl/dt = cos,dl'/dt' ,？ u = u'cos, (1-8) 当 u 与 u'相反时, 2u= -u'cos, (1-9) (1–8)式表示的含义为当(S')相对（S）运动时，若(S')内有一运动速度u'，那么这个速度在 （S）内的相应速度为u（u不是坐标意义上的u），u的数值由(1–8)式决定。 x 本文的前面提到了洛伦兹变换存在理论缺陷，下面我们就讨论这个问题: 在我们所见到的所 有教科书及介绍相对论的书籍中，关于洛伦兹变换都用到下面的两个方程式，洛伦兹变换的全部 结果也是由这一方程组联立得出的结果： (1-11)式是将(1-10)式中所有不带撇的量与带撇的量对换，且 u=-u', u'/c'=u/c。洛伦兹变换并没有解释为什么 u=-u'，这是因为u=-u'是我们千百年来熟知的“常识”。即(S')与（S）间的相对速度大小相等，方向相反。[注：在教科书一般都这样写：将不带撇的量与带撇的量对换， 并把u换成-u，实际上仍是 u=-u'] (1-10)与(1-11)方程组看上去似乎没什么问题，首先我们把上式写成如下形式： 式中 将(1–13) 乘以 cos, 再整理后有： 由式(1–2)t'=tcos, 代入(1–15)，并将(1–14)、(1–15)两式相减 ,,ut-ut cos, = x-x cos, 22ut(1- cos, ) = x(1- cos, ) x = ut 或 t = x/u 这是我们得到方程的一个解，但这个解对我们来说没有什么意义。我们还可以得到方程组的其它 解（包括洛伦兹变换），也就是说方程组(1–10)、(1–11)是多解方程组。由线性代数方法 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 知齐次线性方程组(1–10)、(1–11)的秩 r < n ,故该方程组有无数解；这样，洛伦兹变换的正 确性是值得怀疑的。经慎重的分析后，我们得出以下结论： A. 洛伦兹变换中有关(S')与（S）的运动方程的解是个近似解。 B. 洛伦兹变换（1-11）式中，关于ut'一项，由于u 与t'的单位不同，ut'不能表示两坐标系 (S')与（S）原点的O'与 O的距离。故该方程的表达式有问题。 C. 洛伦兹变换中，认为相对速度（或称牵连速度） u = -u'是不正确的；在低速时（u< 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 就是对相 对论进行彻底修正，并创建一个新的时空理论来解决此类问题。由（1-30）式的计算出的结果为0.66度，它与实际值的符合程度足以说明解析时空理论适用范围已超出了太阳系空间，同时也 弥补了相对论的理论不足。这里我们必须明确一点：解析时空理论的出现并非要完全推倒相对论 大厦，恰恰相反，正像当初由于相对论的建立，解决了牛顿理论无法解释水星摄动一样，它完善 和发展了科学理论，使人类对自然的认识又前进了一步。 以下我们给出DI海格立斯双星的有关数据*，读者若有兴趣可自行对比验算： 30 M=5.2M M=4.5M 太阳质量M=1.99X10 kg 公转周期T=10.55d 1s2ss 10 （累积进动值为84年） 偏心率e=0.489 轨道半长径a=3.27X10m 55近端轨道速度v=2.02X10m/s 远端轨道速度v=1.19X10m/s 算术平均速度 v ab5=1.60X10m/s 将以上有关数据代入式（1-30），可求出84年累积进动值理论结果为： , =0.66度 （实测值为0.64度，广义相对论的理论计算值为2.34度） * 注：文中部分数据摘自Astronomical Journal v 90 (1985) p 1519 by Edward. F. Guinan and Frank. P. Maloney 和<<神奇的物质世界>> p15 相对论质疑---黄贤福 以上我们已经讨论了广义相对论中的谱线红移，光线的引力弯曲及水星轨道进动计算等问题。本 文到此已经回答了文章开始时所提的一些问题，希望您对这一新时空理论有一初步了解，由于我 们尚未涉及时空结构问题，所以在文章中我们对时空现象（如时空弯曲等）仅做了简单的解释。 时空结构问题属于物理学基础理论中最重要的概念之一，对这一问题以及有关广义相对论的引力 场方程中的度规张量（）的表达式问题的讨论我们将在以后的章节中进行。 另外，您可能注意到了本文中提出的两个基本原理--时空面积不变原理()和时空偏转原理()，并未提及光速不变的基本原则，但本文的所有的理论结果都与相对论的有关结论一致或等 同（洛伦兹变换除外）。实际上，原理（）和（）概括了光速不变的基本原则，但又比光速 不变原理及广义协变原理更广泛，更深刻地揭示了运动时空的内在联系。您也许要问；“为什么 用解析时空理论的简单方法可以解决广义相对论的复杂问题”？对这一问题的回答，首先我们需 要站在较高层次上看待物理学与数学的关系，这样才能使我们清楚地知道判断一个理论对客观的 描述正确与否究竟取决于它的物理概念还是它所采用的数学方法。 在探索时空奥秘的过程中，我们的思维方式及研究时空问题的出发点往往比采用何种数学手段更 为重要，因为数学毕竟只是研究工具。数学上的完美与其描述的客观世界的真实程度两者之间不 能划等号，究竟那一种数学方法或手段所描述的客观世界更接近客观事实，更具代表性和一般性， 只能用实践的方法来检验对这一问题这里谈一点看法： 首先需要指出的是广义相对论运用黎曼几何虽然解决了一些非惯性时空问题，但把非惯性时空完 全归于黎曼空间未免过于主观和牵强。 在这一章中我们看到解析时空理论并没有采用“弯曲的 黎曼空间”的数学方法，同样解决了非惯性时空的问题，这说明黎曼几何尽管是完美的数学表达 式，但它并非是唯一描述非惯性时空的数学手段。因此，把非惯性时空认定为黎曼空间是广义相 对论建立以来我们对于非惯性时空问题认识上的误区。回顾历史我们知道，在相对论出现以前相 当长的一段历史时期内，人们公认伽利略变换在数学上是完美无缺的，它反映了客观时空世界的 “真实性”，但随着相对论的出现，这一传统的观念被打破了，今天我们已经知道伽利略变换只 是对低速世界的描述而已，其‘完美’和‘真实’是有局限性的。这一事实告诉我们：没有哪一 个物理理论或其数学表达式是绝对正确的，可以“绝对”地反映客观事实，因为绝对真理是不存 在的。迄今为止，人类在物理学上取得的所有科学成果，都不过是我们在那些描述客观的相对真 理及相对正确的理论中选择一个被广泛接受并具有代表性又更接近自然本质的理论做为我们认 识自然和研究自然的工具。这一点过去是这样，今后也还将是这样。 广义相对论直到今日很难为广大普通读者掌握和接受，除了理解它需要一定时空理解能力外，更 主要的原因在于要掌握这一理论的精髓需具备相当深厚的数学基础，这对于一般学者来说是十分 困难事情。在广义相对论取得巨大成功的背后，我们还应当清醒看到，广义相对论把简单朴素的 时空问题引入到华丽而又深不可测的黎曼空间，一方面我们搞不清是研究物理还是数学，数学已 由‘工具’变成‘主人’，这本身已违背了我们研究初衷。另一方面，广义相对论的实质是引力 理论，并非严格意义上的时空理论，它应属于某一时空理论的应用范畴，在更好的时空理论出现 之前，人们自然把相对论当做“时空理论”来看待。好在解析时空理论的建立，使我们在研究时 空问题时又有了一新的起点，和新的方法，我们对时空世界又有了一个新的认识，但我们还将面 临新的挑战........ 我们在前面对广义相对论已经做出过的一些推断和结论（包括引力红移、水星轨道摄动等）重新 做了论证。尽管如此，作为一个新的时空理论的创立，这些理论上的论证仍是不够的。我们需要 （也必须）提出若干相对论未曾做出过的，或无法做出的全新推论： 由二维空间关系式（1-20）： 上式结果表明，当时空偏角为45度，(S')与(S)的相对速度 u = 0.71c 时，(S)中与相对 运动方向垂直的量x（或z）为零，此时的时空意义为(S')中的物体在我们的视线中消失。换句话讲，我们看不见相对速度为0.71c的任何物体，既使该物体从我们眼前飞过。（这个结论在洛 u > 0.71c 时，该物体会从反方向重新出现，且物伦兹变换中是不存在的），当相对运动速度 体左右两端发生对调，即产生所谓光锥现象，光锥的顶点在0.71c处。这一时空效果在宏观、微观上都是相同的。因此，我们可从实验室观察粒子的运动，以证实这一推论的正确与否。 与这一推论相符的惊人事实是：1. 任何物体，无论其空间尺度大小，只要其达到相对速度 u = 0.71c 或时空偏角为45度时，那么这个物体将没有空间屏障！（空间发生“短路”） 2.当相对运动速度 u > 0.71c 时会产生‘因果倒置’现象；即在我们正常时空情况下按时间顺序 发生的从空间A到B的事情，在那里的顺序为B到A。 我们在前面说过，在时空偏转的情况下，时间、空间、运动速度等均会发生变化，那么光 线在此情况下与常态时会有何不同呢？能否用‘光速不变’一句话概括？我们的结论是否定的！ 我们推断：从运动光源发出的光，在时空偏转情况下会产生“双折射”现象，即光线分裂成两束： 一束光称为寻常光线，我们用c 表示，寻常光线c 在各方向上的传播速度相等，且符合光速不oo 变原理及光的折射定律；另一束光线称为非常光线，用c来表示。非常光线c的传播速度随方ee向的不同而改变，并与光源的运动状态有关。c既不遵守光速不变原理，也不符合光的折射定律。 e 下面我们给出非常光线c的速度公式： e 由前面推断知： （1-31）式中的v即为c e 2即有 c = ccos, e 22c = c(1-u/c) (1-32) e 在（1-32）中，非常光线c与相对速度u有关，且c < c，显然光速不变原理对于非常光线ceee 是不适用的。。除非常光线c的速度公式外，我们还需e知道c与c 的夹角公式，关于c与c 的夹角公式，实际上我们在研究广义相对论时已经给出了，eoeo 一般没有谱线红移现象，而寻常e即式(1-28)并见图1-5;这里我们需补充说明一点，非常光线c 光线c 均会产生谱线红移。 o 剩下的事就是如何证明c的存在，及c的速度是否小于真空的光速c？ ee 1. 利用日蚀测量X星折射光的速度，即非常光线的光速，c由以下公式计算： e (在此情况下，测出的c比真空中的光速c约降低十万分之一) e 2. 如果测量精度足够，可利用卫星或航天飞机等安装激光反射器，测量c与ce 的差值，或 利用椭圆偏振光干涉原理确定c 的存在。具体方法就不在此陈e述了。 上述两个推论是对本文原理和的验证，同时也是对解析时空理论的彻底 检验；为此，我们期待着验证结果。 思考问题： 1. ‘物体运动速度的极限为光速’的说法与‘人类观测到的物体运动速 度的极限为光速’ 的说法有何不同？ 2. ‘因果倒置’的含义是什么？观看0.8c飞船上的人打蓝球会是怎样的 景象？ 3. 高速运动物体的时空偏转方向能否通过观测确定？这个问题与量子的 不确定性和非定域现象有何联系？ 4. 时空面积不变可否看成弦原理？ 1999年5月25日 （待续） 附件: 在前面的文章中，我们谈到了解析时空理论关于洛伦兹变换的三个结论， 其中之一，即相对运动速度u , -u'的问题，它是争论的焦点，很多读者对此表 示不解和疑惑。该问题显然也是解析时空理论在推论上的一个重大预测。 。回顾历史我们知道，狭义相对论伟大成就之一就是提出了不同坐标系对同一事件的描 述不同的相对时空观点，应该说这一观点是狭义相对论的基本常识，否认这一 点等于又倒退回“绝对空间”，“绝对时间”的伽利略变换中去了。爱因斯坦 曾用一辆运动的火车来说明这一问题。在这辆运动着的火车正中间有一个观察 者，他的结论是从火车头尾两端同时发出的光电信号会同时到达他所在位置， 但在地面上的人却不这样认为，（假设他与火车上的观察者位置相同），他不 是同时收到两个光信号的，火车头的光信号总要晚于车尾的信号，一方面说明 “同时”性对不同坐标系（参照系）的观察者来说是相对的，另一方面表明不 同坐标系的时间间隔也是不同的，反过来讲，在地面发生的“同时”事件，火 车上的人也同样会认为是不“同时”。用类似的方法爱因斯坦分析了空间长度 对不同坐标系的观察结果也是不同的，即运动系中长度l ’, 在观测系看来其长 度会缩短，爱因斯坦得出的结论是： 221/2221/2l = l' (1-u/c) 及t' = t (1-u/c) 这就是著名的动尺缩短，动钟延缓公式。我们当然不能用动系与观测系是 否平等的观点去看待这一现象，这一结论的伟大之处在于它告诉人们:在不同坐标系观测同一时空事件（长度，时间）其结果是不同的，它基于的根本原理就 是光速不变原理。前面所提到火车的首尾两个信号不会因为火车的相对速度不 同而改变信号同时到达火车上的观察者所在的位置及到达该位所需要的时间， 而这恰恰是由于光速与运动光源的运动状态无关所产生的效果。 诚然，在相对论提出时间、空间对不同坐标系观察者是不同的观点之后的 很长时间里，人们忽略了这样一个问题：不同坐标系的观察者对速度（特别是 相对速度）的描述是否相同？我们回到了本文开始提到的问题。狭义相对论的 洛伦兹变换否认相对速度（或称牵连速度）对不同坐标系有何差异，故认为 u=-u’，这就是解析时空理论与相对论的重大分歧之一。科学发展史告诉我们： 千百年的日常生活经验 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出的所谓“常识”往往是靠不住的。因此，解析时 空理论冲破了人们的固有观念，首次提出： ，因为牵连运动本身也是我们在某一参照系中描述物体运动的 量，这个量为什么“必须”要与运动系（S’）上的观察者结论一致呢？我们为 什么要赋予牵连速度“绝对”的优惠呢？这是我们在相对运动时空问题认识上 的一个误区。 另外我们知道任何物理量都是有基本单位或导出单位的，如时间s、长度m、 2 温度K、加速度m/s,力N等，但对于不同参照系下时空基本单位的统一问题我 们却很少提及或根本没有意识到该问题的重要性，这也是理论物理学上的一个 盲点。我们只想简单地在这里说明一下：u的导出单位SI为m/s，u'则用m'/s’。我们无法证明 u=-u’的关系式可以成立，除非：m = m', s = s'，如果是这样的话，我们岂不是又回到了伽利略时代？既然我们已经承认狭义相对论的结论， 即在不同坐标系下 l , l ’, t , t’， 那么由于 l/l ’与t/t’的比例关系不同，因此若承认u = -u’，必须 l = l ’, t = t’很明显这是个自相矛盾的结论。 还需补充说明一点，物理学上关于物理量的基本要求是： u=-u’是违背这一物。由此可见,在洛伦兹变换中 理学基本要求的。 从以下的推导过程我们就会明白，为什么解析时空理论中一定 坚持 22u = u'cos, （或 u = -u'cos,）。 令 u = l /t, u'= l '/t’ 则 u = l /t'?t'/t = l'/t'?(l /l ')?(t'/t) u = u' ?(l / l ')?(t'/t) 根据(1-1)，(1-2) l /l' = cos,, t'/t = cos, 2 即: u = u'cos, 2 如果u与u’方向相反，则u = -u'cos, 2 这就是我们在前面(1-8)、(1-9)中的结果，以上我们可以看出cos,实际上包含了(S)系与(S’)系的基本单位的换算关系，这一结果的合理性是不言而喻的。 然而问题到此并没有结束，在解析时空中，相对速率u的矢量与u’的矢量’是不同的，即 , -'，由于表示单位速度矢量)，'u'u'有一点可以肯定，就是在不同坐标系下相对速度的数值不变='。一个物体离开我们的速度与这一物体上的观察者认为的我们离开他的速度两者数值（模）相等， 2 其速率间的关系由u=u'cos,确定。以上可以看出由于时空偏转原因，两个坐标 系所涉及的速度、速率、速度数值及速度基本单位变换概念，给我们理解上带 来相当大的困难。不仅如此，这一问题本身还涉及到解析时空的一些基本性质 及光线的‘双折射’问题，它已超出了本文第一章内容范围，故我们把对此问 题的进一步讨论放到后面的章节进行，届时欢迎您多提宝贵意见。 崔思珑 99. 7. 31