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论引力场内的时空效应(1)

(2007-02-03 09:18:07)

 

摘要

本文首先阐述了引力质量和惯性质量运动特性,继而通过等效原理推导出了引力场内的时空效应。指出在质能场交换论条件下所发生的空间和质量效应,与广义相对论相同;而时间效应却与之正好相反。作为验证,本文引用了引力频移实验,进一步论证了这一问题。为了度量自然界的时间,本文对标准时间予以了定义。

 

关键词:引力场—时空变换,引力频移 标准时间定义

 

引力质量和惯性质量

 

    牛顿万有引力定律要求任何物体都具有一种称为引力质量的内在属性,用以度量每个物体所产生的引力。同时,牛顿还用三个基本定律概括了物体的惯性质量的行为,即外力的作用是使物体改变惯性运动状态的原因,物体总是阻止或反作用于惯性运动状态的改变,其量度是由惯性质量来表示的。在经典力学中,没有理由认为引力质量必须和惯性质量相等。

    然而,在现实生活中,我们都注意到了这样一种事实,所有物体在地球表面都以同一加速度自由下落,这意味着引力质量与惯性质量成正比关系;如果在具体的运算过程中取适当的单位,二者也就是相等了。

    广义相对论是以等效原理和广义协变原理为理论基础的,其中等效原理就是以引力质量等于惯性质量这一事实为前提的。1906年匈牙利物理学家厄缶通过实验证明,引力质量等于惯性质量是一个与物体材料无关精确成立的规律。

    物体的惯性是如何产生的呢?马赫原理认为,惯性是由宇宙中的质量分布决定的,一物体的惯性质量由宇宙中所有其他物质的存在所决定,惯性力在本质上是一种引力。

    应该说马赫原理直接道出了惯性的本质。所谓物体的惯性,就是宇宙中所有物质万有引力平均作用的结果。但须要指出的是,万有引力的作用不应该是超空间的,因为这种力的传递只能以光速进行,是一个有限量,相对宇宙空间而言,这种力的作用范围受时间的限制。而宇宙从诞生至今,其年龄又是有限的,所以就自然界物质的惯性而言,还不能说是宇宙中所有物质万有引力的作用结果,只能是一个有限的、局部空间中的物质万有引力的平均作用效应。在地球上所能感受到的万有引力作用的空间范围,大致相当于我们在宇宙空间中的视界。不难推断,随着视界空间半径的增大,物体的惯性质量和引力质量也在同步增长,反映到实验上就是万有引力常数的变化。

    在质能场时空论中,物质的万有引力作用,实质上是物体质能场间相互交换能量的过程。(注:关于万有引力的本质性问题,将在以后的文章中作进一步讨论)因此上说,惯性质量是一物体在自然界的视界范围内,与其他所有物质进行质能场交换时,所表现出的一种平均作用量度。而引力质量主要是指一物体与周围一定范围的物体(如地球及太阳系、银河系内诸天体)相互进行质能场交换时,所表现出的一种作用量度。从这一角度来讲,引力质量要略小于惯性质量。

    以上讨论的是一般状态(静止)下,引力质量与惯性质量的关系。那么,在运动状态下,引力质量和惯性质量又将发生怎样的变化呢?

    在狭义相对论中,做高速运动的物体将发生质量增大的相对性效应。那么,发生相对性效应的质量是指哪种性质的质量呢?在高速运动状态下,人们常用质量增大后进一步加速所需能量与质量成正比这一事实,来描述物体的近光速运动状态;而却从不提及近光速运动状态下,质量趋于无穷大时物体的引力效应。因此,我们有理由认为,发生相对性效应的是惯性质量,而不是引力质量。因为惯性质量与加速度成反比,质量增大将阻止物体的进一步加速;如若是引力质量发生了相对性效应,那么,当质量急剧增大时,引力效应也将同步增大,这是实验中所没有发生的现象。

    在质能场交换论中,运动物体的质量变化效应与其运动方向有关,既有质量增大的正效应,也有质量减少的负效应,还有质量不变的零效应。由于质量变化是由质能场交换量引起的,所以按照对质量的定义,发生变化效应的只能是引力质量,而不是惯性质量。这一点与狭义相对论正好相反。

    例如,在地球上向木星发射一颗近光速运动的火箭。按照质能场交换论的观点,这颗火箭对地球来说,属于相离运动,将要发生的是质量减少的负效应。然而,此时这颗火箭相对木星来说,则属于相近运动,将要发生的是质量增大的正效应。具体地说就是,在地球上观测这颗火箭所产生的引力效应,与静止时相比,其强度减弱了,这是因为火箭引力质量减小的缘故。如若在木星上观测这颗火箭,就会发现,此时火箭的引力效应增大了,因为火箭的引力质量增加了。

    那么,此时火箭上的情况又如何呢?在火箭这一独立的物质系统内,它所发生的质量变换效应是来自地球产生的质量负效应与来自木星产生的质量正效应之和,即ΔM=(+)M+(-)M ;由火箭静止状态下的惯性质量(M。)和变换质量(ΔM)重新组成了火箭运动状态下的惯性质量M’,M’= M+ΔM ,火箭的运动速度就是由这一惯性质量( M’)和动力共同决定的。

    同时,物体运动状态下的惯性质量,也是太阳系中与该物体(如火箭)保持相对静止的其他天体所观测到的引力质量。

    总之,物体在运动过程中,首先是引力质量发生变化,从而导致物体的惯性质量也随之发生改变。运动物体的惯性质量与引力质量之间,不仅在量上存在着差别,而且在方向上也存在着差异,惯性质量是各向同性的,而引力质量则是各向异性的。引力质量与惯性质量相等,只是在物质系统间处在相对静止时成立。系统内物体的相对运动,彼此间发生质量转换,但系统的总质量保持不变。

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