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惯性时空理论 学习笔记

(2014-07-23 02:32:22)
标签:

时空

时空理论

相对论

分类: 时空引力

难得看到有人对我的理论有这么好的理解!我非常感激这难得的知音!现转载于此,可以帮助大家理解我的理论观点。文中的红字是作者的学习笔记。新版本的“惯性时空理论”请见今年发表在“PHYSICS ESSAYS"上的一个得到狭义相对论的新途径


转载自:太阳下的火星 http://blog.tianya.cn/post-2692483-22311523-1.shtml


惯性时空理论 学习笔记

   标签:IT数码2010-03-09 21:54 星期二
  惯性时空理论
  Gordon Liu
  33 Coronation Road, Hillcrest, Auckland,New Zealand 0726
  电子邮件:gordonliu168@gmail.com
  文摘
   本文讨论了狭义相对论的两个基本前提:狭义相对性原理和光速不变原理。我们指出,狭义相对性原理在表述上是不一致的,以及把光速不变性作为基本前提使用是不恰当的。作者采用显而易见的惯性系等价原理和狭义完整原理作为新的惯性时空理论的基本前提。新理论避免了有关狭义相对论的基本前提的混淆和争论,使得洛伦兹协变理论有了明确而坚实的基础。因此,它使我们对洛伦兹变换的物理意义,时空的本质,光速不变性以及经典电动力学和牛顿力学之间的差别有了全新和深刻的理解。光速不变性只是这个理论的一个自然推论。洛伦兹协变性只是狭义完整的物理方程的特性。这样,为把时空理论从惯性参照系推广到非惯性参照系铺平了道路,而不需要考虑引力。 
   关键词: 时间空间;相对论;惯性参照系
   
  Theory of Inertia Space-time
  Gordon Liu
  P. O. Box 34195, Birkenhead, Auckland,New Zealand 0726
  E-mail:gordonliu168@gmail.com
  Abstract
  In this paper, the two basic premises of the Special Theory of Relativity, the Principle of Special Relativity and the Principle of Constancy of Light Velocity, are discussed again. We pointed out that the definitions of the Principle of Special Relativity are inconsistent and the use of the constancy of light velocity as the basic premise is improper. We employ two very obvious principles: the Principle of Equivalence of Inertial Frames and the Principle of Special Integrality as the basic premises of the new theory of inertia space-time. The new theory has avoided the confusions and argument on the basic premises of Special Relativity, provided the Lorentz covariant theory of space-time with a clear and solid foundation. Thereby it allows us to obtain a complete new and profound understanding with regards to the physical meaning of Lorentz transformation, the essence of space-time, constancy of light velocity and the difference between the classic Electrodynamics and Newton Dynamics. The constancy of the velocity of light is just a natural inference of this theory. The Lorentz covariance is just a characteristic of the physical equations of Special Integrality. Furthermore, in this way, a path has been paved leading towards the generalizing of the theory of space-time from the inertial frame to non-inertial frame without considering gravitation.
   
  Keywords: Space-time; Relativity; Inertial Reference Frame
   
  一、引言
   提到时空理论,自然会想到爱因斯坦的狭义相对论。狭义相对论发表已整整一百多年了。一百年多来,狭义相对论已经渗透到了近代物理学的广泛的领域,成为近代物理的基石之一。然而,自从狭义相对论发表以来,对狭义相对论的非议就没有停止过。时至今日,无论是正统的或是非正统的,专业的或是非专业的学者仍然是常有人向狭义相对论提出异议或修正或向其发起挑战。这种况日持久的争议在物理学的历史上是不多见的。这或是爱因斯坦的狭义相对论太高深难懂,非一般人所能理解;或是狭义相对论本身确有问题?
   作者通过对狭义相对论产生的历史背景及两个基本前提仔细分析后发现,狭义相对论之所以取得丰硕的成果,是因为它继承了伽利略和牛顿的各惯性参照系平等的相对性原理及正确采用了洛伦兹变换;但爱因斯坦在表述狭义相对性原理上的混乱以及在推导和解释洛伦兹变换时把光的传播性质放在最基本的位置上,使得狭义相对论并不比洛伦兹采用“尺缩”和“钟慢”解释洛伦兹变换优美太多。这就是众多人对狭义相对论产生非议的主要原因之所在,同时也影响了爱因斯坦对时空本质的理解,导致"双生子佯谬"这样的矛盾,也影响了把惯性参照系的时空理论顺利推广到非惯性参照系中,从而导致目前困难重重的几何化的引力理论。
  
  
本文能够公正地看待相对论。准确地发现了相对论的错误之处不是相对性原理和洛伦兹变换,而在于“表述”混乱、“推导、解释”上把……放在最基本的位置上”。
  
   本文试图澄清狭义相对论的问题症结,并提出新的惯性参照系的时空理论的基础,从而对时空的本质有新的认识,这也更进一步为使惯性参照系的时空理论顺利自然过渡到非惯性参照系铺平道路,而并不与引力问题混为一谈。
   
  二、关于狭义相对论两个基本原理的讨论
  2.1 狭义相对性原理的表述问题
   狭义相对性原理的表述归纳起来主要有两种:其一,“一切惯性参照系对全部物理学实验的行为是完全等效的”,我们称这种表述为物理表述;其二,“正确的物理方程对于时空变换(有人甚至说是对于洛伦兹变换)都是协变的”,我们称这种表述为数学表述。
   这种物理表述是牛顿单纯力学的相对性原理的普通推广。这句话显然只能这样理解:在一个惯性参照系中做的任何一种物理学实验所得到的正确的物理学定律与在另一个惯性参照系中做的同样实验所得到的物理学定律是相同的。按此推理,在一切惯性参照系中都能得到完全相同的静电学高斯定理(如果高斯定律是某一惯性参照系中得到的精确的实验定理的话)。因此,单一的高斯定理是满足狭义相对性原理的物理表述的。我们不认为高斯定律只在以太存在的惯性参照系中成立,而是在任何惯性参照系中成立。但是,单一的高斯定律(假设我们还不知道其它电磁学定律)是不满足狭义相对性原理的数学表述的,然而我们不能否认高斯定律的数学形式是一个正确的物理方程。
  
   提出物理表述和数学表述,分别来看。
  
   以往人们包括爱因斯坦常常把这两种表述不加区别,混为一谈。其物理表述强调的是惯性系的平权性,并没有涉及不同惯性系对同一物理过程的观测上的关系,即没有涉及参照系之间的变换问题;而其数学表述扩大了物理表述的内涵,则强调的是不同参照系对同一物理过程描述的变换关系问题,与其物理表述的本意不一致。如上面关于高斯定律的分析就说明了这一点。其实,两种表述之间只差一个条件,这就是本文将要提出的“狭义完整性”。然而,恰好数学表述的采用是导致狭义相对论取得许多正确结果的重要因素。其实,我们将看到,这种数学表述是比其物理表述更强的要求,是更基本的原理的一个推论。如果把其数学表述直接作为狭义相对论的基本前提,那这个前提不是显而易见的。用一个不是显而易见的要求来作一个理论的基本前提是不适宜的,这往往会掩盖许多真正的本质的内容,妨碍我们对事物的理解。洛伦兹在推导洛伦兹变换时所提出的“时间延迟”和“长度收缩”的假设就是这样。这种数学表述不易直观理解,需要更基本的概念和原理来进一步解释。这是狭义相对论导致一些错误结论和遭之非议的原因之一。
  
  物理表述强调的是惯性系的平权性,并没有涉及不同惯性系对同一物理过程的观测上的关系,即没有涉及参照系之间的变换问题;而其数学表述扩大了物理表述的内涵,则强调的是不同参照系对同一物理过程描述的变换关系问题,与其物理表述的本意不一致。
    两种表述之间只差一个条件,这就是本文将要提出的“狭义完整性”。
    数学表述的采用是导致狭义相对论取得许多正确结果的重要因素。
    数学表述是比其物理表述更强的要求,是更基本的原理的一个推论。
    数学表述不易直观理解,需要更基本的概念和原理来进一步解释。这是狭义相对论导致一些错误结论和遭之非议的原因之一。
  
  2.2 光速不变性作为基本原理的不恰当性
   爱因斯坦把光速不变性作为理论的基本前提提出是不合适的。把光速放在一个特殊的地位上显得不自然,让人难以接受。人们不禁要问:为什么光速是恒定的?把光速不变作为基本前提就造成了一种假象,即时空的相对性源于光的传播性质。这就掩盖了对时空的本质理解,由此导致校钟与测光速的逻辑循环问题。 
   当初爱因斯坦面对众说纷纭的争议曾经说过:“相对论经常受到批评,说它未加验证就把光的传播放在理论的中心地位,把时间建立在光的传播定律上”。对此,他的回答是:光速不变实际上“即不是关于光的物理性质的假定,也不是关于光的物理性质的假设,而仅仅是为了得出同时性定义我按照自已的自由意志的一种约定”[ 1 ]。
   爱因斯坦根据这种自由意志的约定,推导出了洛伦兹变换,似乎解释了洛伦兹变换的意义,但却又陷入了新的矛盾与困惑。爱因斯坦的同时性的操作定义也妨碍了人们对时空的正确认识。先验地认定,不能用移钟法校时,认为时钟移动以后会改变时率,我们将看到事实并非如此。
   后来有人提出的光速回路不变原理是不经一驳的,因为在一个惯性参照系中的回路光,在另一个相对运动的惯性系中看来则不是回路光。
   另一个不曾为人们注意的是,爱因斯坦的光速不变的约定严重妨碍了他将他的惯性系中的时空理论推广到非惯性参照系中,因为把光速传播放在理论的中心位置的校钟方法,在非惯性参照系中遇到了严重的困难。结合牛顿引力理论不满足洛伦兹变换的考虑,促使爱因斯坦建立了现在遭遇到许多困难的广义相对论(另文再述)。
   本文将提出两个非常显而易见的基本前提:惯性系等价原理和狭义完整原理。新的理论完全克服了狭义相对论的不足;狭义相对论的正确结论被包含于这个理论中;光速不变性只是这个理论的一个自然推论;洛伦兹协变性只是狭义完整性物理方程的一个性质。更重要的是,它能使我们认清时空的本质意义,从而展示了不同于狭义相对论的新的时空观,并为使惯性参照系中的时空理论向非惯性参照系推广铺平了道路。
   
  爱因斯坦把光速不变性作为理论的基本前提提出是不合适的。为什么光速是恒定的?把光速不变作为基本前提就造成了一种假象,即时空的相对性源于光的传播性质。这就掩盖了对时空的本质理解,由此导致校钟与测光速的逻辑循环问题。
  爱因斯坦先验地认定,不能用移钟法校时,认为时钟移动以后会改变时率
  提出:惯性系等价原理和狭义完整原理用以修正相对论。
   很多人都感觉“把光速不变性作为理论的基本前提提出是不合适的”,都没有找准不合适在哪?本文找准了。提出:惯性系等价原理和狭义完整原理用以修正相对论。看来可行。

   
  三、基本概念和原理
  3.1 惯性参照系
   要认识和描述物质的运动,首先必须选择参照系。没有参照系,物质的运动便无法描述。参照系应是一个坚实的实体,它不受所观测现象的影响。在本文中只讨论这样的参照系:物体在其中不受任何外力包括引力时,保持静止或匀速直线运动。这样的参照系称作惯性参照系。其它的参照系则称非惯性参照系。由惯性系的定义可知,相对于一个惯性系匀速平动的参照系都是惯性参照系。
   在宇宙中,由于任何物质之间都存在有作用力,因此,一般不存在绝对精确的惯性参照系,但总可以找到相对精确的惯性参照系。如太阳质心就是比地球质心更好的惯性参照系。把惯性参照可以看作是从实际中提炼出来的理想的一类参照系,这样做有利于简化对物质运的描述。
   值得指出的是,经常有人对参照系与坐标系不加区别,混为一谈。参照系是物质实体,稳定、坚实;而坐标系是为了描述度量物质运动而建立在参照系上的带有标度的抽象的方便框架。在一个参照系中,可以选择建立不同的坐标系来描述物质的运动。
  
  要认识和描述物质的运动,首先必须选择参照系。
  参照系应是一个坚实的实体,它不受所观测现象的影响。
  物体在其中不受任何外力包括引力时,保持静止或匀速直线运动。这样的参照系称作惯性参照系。相对于一个惯性系匀速平动的参照系都是惯性参照系。
   由于任何物质之间都存在有作用力,因此,一般不存在绝对精确的惯性参照系,但总可以找到相对精确的惯性参照系。
  对参照系与坐标系不加区别,混为一谈。参照系是物质实体,稳定、坚实;而坐标系是为了描述度量物质运动而建立在参照系上的带有标度的抽象的方便框架。
  物质运动→参照系→惯性参照系→坐标系→区别

  3.2 空间和时间
   在选择了参照系之后,对物质运动进行观察和描述,就必须采用一种方式来确定物质的状态和广延性及其运动的延续性。我们称运动物质所具有的位置状态和广延性为物质的空间特性,称物质运动的延续性为物质运动的时间特性。我们注意到,离开了参照系,物质的运动便无法确定;离开了物质及物质相对参照系的运动,空间和时间的概念便毫无意义。时间、空间是物质运动的最基本的性质。由惯性参照系的定义可知,在惯性参照系中,不受任何外力作用的物体可以在任何方向保持匀速直线运动。因此,在惯性参照系中物体沿任何方向的伸展都是均匀的,各点的标准时钟都均匀地流逝,即惯性参照系具有各向同性和均匀的特性。这样可以建立一个均匀的坐标系以便用数学的方式来描述物质运动的状态,可以用许多标准的时钟来度量时间,用标准的直尺来测量距离,就象我们通常做的那样,这里暂不涉及坐标系的具体度量及各地时钟之间的校对问题,后面再具体论述。假定坐标系已经建立,各地的时钟已经校准,我们看到,在惯性参照系中,空间几何关系是欧基里德的,各向同性、均匀。
  
  称运动物质所具有的位置状态和广延性为物质的空间特性,称物质运动的延续性为物质运动的时间特性。
  离开了物质及物质相对参照系的运动,空间和时间的概念便毫无意义。时间、空间是物质运动的最基本的性质。
  在惯性参照系中物体沿任何方向的伸展都是均匀的,各点的标准时钟都均匀地流逝,即惯性参照系具有各向同性和均匀的特性。在惯性参照系中,空间几何关系是欧基里德的,各向同性、均匀。
  空间特性、时间特性 时间、空间是物质运动的最基本的性质。
  应该说:时间、空间是描述物质运动的最基本物理量。也是目前大家最没有理解清楚的物理量。时间、空间和物质三者是物理学研究最重要的三要素,是必须联系一起考虑的三要素。离开了物质及物质相对参照系的运动,空间和时间的概念便毫无意义。在这三要素中,时间属阴,物质属阳,而空间本属阴,我们能够认识的是局部空间。局部空间的阴阳属性最难把握。局部空间在这里被称作“参照系”。
  我也赞同:“在惯性参照系中,空间几何关系是欧基里德的,各向同性、均匀”。并且,我认为时间这一维也一定是均匀、连续的。因为时间是为描述物质运动而“产生”的,是测量物质运动的标尺尺度。它与空间任何维都相互垂直。

  
  3.3 惯性系等价原理
   在一切惯性参照系中,做同样的物理实验,会得到完全相同的物理结论,我称这为惯性系等价原理。如果这一物理实验可以得出一个物理定律,并用方程的形式描述的话,那在一切惯性参照系中得到的物理方程本质上是完全相同的。辟如,在一个惯性参照系中做相对于这个参照系静止的电荷之间的相互作用的实验,会得到一个实验定律——库仑定律。根据惯性系等价原理,如果在另一个相对这个参照系运动的惯性参照系中做同样的实验,也能得到同样的库仑定律。
   其实,可以看出,惯性系等价原理是伽利略、牛顿力学的相对性原理和爱因斯坦狭义相对性原理的物理表述的继承和沿用。本意上是一样的,之所以取一个不同的名称,是考虑以往关于相对性原理的表述上的混乱,以示区别。
  
   在一切惯性参照系中,做同样的物理实验,会得到完全相同的物理结论,我称这为惯性系等价原理。惯性系等价原理是伽利略、牛顿力学的相对性原理和爱因斯坦狭义相对性原理的物理表述的继承和沿用。
   
  
  3.4 狭义完整原理
   在一个惯性参照系中,对同一类物理现象的各种运动情形进行实验,会总结出一些基本的实验定律和一些基本的物理方程,如在近似的惯性参照系----地球上做各种电磁学实验,象库仑、法拉弟、奥斯特和麦克斯韦等前人一样会总结得到以下几个方程:
   (3.1a) 
   (3.1b) 
   (3.1c)
   (3.1d)
  其中E和B分别是电场和磁场,ρ和j分别是电荷密度和电流密度,c是光速。这就是熟知的麦克斯韦方程组。我们知道这些经典的电磁学方程完全能够描述惯性参照系中的各种电磁现象。这四个方程包含了电荷、电场和磁场相对惯性参照系静止,匀速运动(稳态)和加速运动(迅变)的各种电磁现象的描述,我们称这样的方程组是狭义完整的。在惯性参照系中,任何物质当处于静止(静态)、匀速运动(稳态)或加速运动(迅变)时,其表现的性质是不同的。狭义完整性是对物理方程组的一个基本要求。由此我们总结出一个结论,在惯性参照系中,描述一类物质运动的狭义完整方程组足以描述在这惯性参照系中发生的任何这类物质运动,我们称这个结论为狭义完整原理。
  经验告诉我们,仅有麦克斯韦方程中的任何一个特殊方程是不能对所有电磁现象进行完全准确地描述的,要得到描述一类现象的狭义完整的物理方程,原则上可以通过做这类物质运动的各种运动情况的实验总结获得。如果说当初法拉弟有此经验,他就不会花费十年时间来寻求磁生电的理论。他就会想到让磁场产生变化(或加速运动),看会出现什么现象,不至于是偶然发现磁场变化产生了电流。
  
  这四个方程包含了相对惯性参照系静止,匀速运动(稳态)和加速运动(迅变)的各种现象的描述,我们称这样的方程组是狭义完整的。在惯性参照系中,任何物质当处于静止(静态)、匀速运动(稳态)或加速运动(迅变)时,其表现的性质是不同的。狭义完整性是对物理方程组的一个基本要求。
  在惯性参照系中,描述一类物质运动的狭义完整方程组足以描述在这惯性参照系中发生的任何这类物质运动,我们称这个结论为狭义完整原理。
  任何物质当处于静止(静态)、匀速运动(稳态)或加速运动(迅变)时,其表现的性质是不同的。狭义完整性是对物理方程组的一个基本要求。
  物理方程组→包含了相对惯性参照系静止,匀速运动(稳态)和加速运动(迅变)的各种现象的描述→方程组是狭义完整的→狭义完整原理
  作者条理很清楚。抓住了要害,找到相对论的漏眼。找到了修补方法。

  
  
  四、各惯性参照系中狭义完整方程之间的关系
  4.1 狭义完整方程的普适性
  所谓狭义完整方程的普适性是指这些描述一类物质运动的物理方程对在一切惯性参照系中所有可能发生的这类物质运动的描述是完全的、适用的。
  前面已经指出,麦克斯韦方程组是满足狭义完整原理的。但麦克斯韦方程组是否对所有的惯性参照系都适用?或许它们只对某个特殊的惯性参照系(如地球参照系)适用呢?这正是历史上曾经热烈争论过的问题,也是导致爱因斯坦提出狭义相对论的原动力。在十九世纪末,这个问题的答案并不是显而易见的,但根据惯性系等价原理和狭义完整原理,答案是简明而肯定的。因为根据惯性系等价原理,在一切惯性参照系中都能得到麦克斯韦方程组中的每一个方程,而这四个方程所组成的方程组是满足狭义完整原理的,所以麦克斯韦方程组在一个惯性参照系中适用,在其它惯性参照系中也适用。麦克斯韦方程组具有普适性。这一点在爱因斯坦的狭义相对论中是含混不清的。人们不清楚,麦克斯韦方程组为什么具有普适性。我们注意到,狭义完整性要求使得物理方程对某个惯性参照系中的物质运动的描述完全和适用,而惯性系等价原理允许某个惯性参照系中的狭义完整方程应用于一切惯性参照系。
  
   所谓狭义完整方程的普适性是指这些描述一类物质运动的物理方程对在一切惯性参照系中所有可能发生的这类物质运动的描述是完全的、适用的。
   麦克斯韦方程组是满足狭义完整原理的。麦克斯韦方程组在一个惯性参照系中适用,在其它惯性参照系中也适用。麦克斯韦方程组具有普适性。
   狭义完整性要求使得物理方程对某个惯性参照系中的物质运动的描述完全和适用,而惯性系等价原理允许某个惯性参照系中的狭义完整方程应用于一切惯性参照系。
   狭义完整方程的普适性定义→论证麦克斯韦方程组是满足狭义完整原理的→麦克斯韦方程组是具有普适性→说明狭义完整原理与惯性系等价原理之间的差别异同。

  
  4.2 光速不变性
  由麦克斯韦方程组的普适性可作出如下推论:在一切惯性参照系中,电磁波在真空中的传播速度为一恒定的值,即光速不变。这是电磁运动的一个重要特性。因为在一切惯性参照系中都有完全相同的麦克斯韦方程组,象麦克斯韦一样解算这个方程组,就可以得到电磁波的传播速度为c=1/ 分别是真空的介电常数和磁导率,是一常数。而且与观察者和光源的运动无关。对真空中的同一道闪光,所有相互运动着的惯性参照系都能用同样的麦克斯韦方程来描述,会得到同样的结论:光速传播速度是一常数c 。至于光速 c 的精确度与真空的介电常数和磁导率的精度相关。后面我们将看到,在我们的新理论的逻辑体系中单程光速c是可以直接测量的,并不存在校钟与测光速的逻辑矛盾。这种逻辑矛盾在狭上相对论中出现是由于爱因斯坦把光的传播速度作为其理论的前提和对时空的相对性的错误理解所产生的。
  
   所有相互运动着的惯性参照系都能用同样的麦克斯韦方程来描述,会得到同样的结论:光速传播速度是一常数c。单程光速c是可以直接测量的,并不存在校钟与测光速的逻辑矛盾。
   我认为用麦克斯韦方程来描述,得到光速传播速度是一常数C,这个光速度C是常数,不变的数,这是正确的。但是我认为这与“万物皆流”“一切都在变易”“光子的运动速度、质量、能量、位置都随时间周期性改变”不矛盾。因为C只是光子们的平均运动速度。我们的测量值都是统计值。而且C也是阴阳物质(可见/不可见)的分界点。每一类物质都有自己的速度变化范围。比光速C慢的,我们可以认识它们,区别它们;比光速C快的,目前就不可见,被认为是“暗物质、暗能量”,“无”、“气”或者“以太”。所以,微物质都是粒子态存在,有“波粒二象性”。
   相对论中,因为光速恒定而“尺缩钟慢”是本末倒置的错误。

  4.3 时空变换的本质含义
  设两个相对作匀速直线运动的惯性参照系K和K',有一个点电荷相对于K'静止,在K、K'系中的两个观测者对这一现象进行观测描述。K'系中的观测者只用麦克斯韦方程组中的高斯方程(3.1a)就可以准确描述,而在K系中的观测者则不然,他观测到电荷在做匀速直线运动,电荷周围不仅有电场分量还有磁场分量,这就还要用到麦克斯韦方程组中的其它方程来描述。但麦克斯韦方程组是足够的、完全的,K系和K'系中的两个观测者对发生的各种形式的电磁运动,虽然都能用同样的麦克斯韦方程组来描述,但他们各自直接观测到的具体的物理量的种类和量值是不相同的,也就是说,在K'系中的麦克斯韦方程组中的每一个物理量,对在K系中的观测者来说,虽然也能总结出同样形式的麦克斯韦方程组,但并不一一对应地等于K系中的麦克斯韦方程组中的相应的物理量。当然,在K' 系和K系中,对同一系列的电磁运动现象观测总结的两组同样形式的麦克斯韦方程组的物理量之间应该存在变换关系。
  时间、长度是最基本的物理量,在物理量的量纲中,它们是最基本的,绝大多数物理量都是以时间和长度为其最基本的物理量来描述的,都呈现在时空中,发生在时空中,表现出时间性和空间性。两个惯性参照系之间所观测的物理量的差异(或变换)最终归结为(或表现为)两个惯性参照系之间时间空间的差异(或变换)。本来,时间空间并不是独立于物质运动以外的东西,它们是物质运动的基本特性,脱离物质的运动谈时间空间是没有意义的。时间空间的任何观测都必须通过比较物质的运动来进行,任何标准直尺和标准时钟也都是复杂的物质运动的集中表现。因此两个惯性参照系之间的物理量的变换最终归结为时空变换。这就是时空变换的本质含义。很明显,时间空间的差异是由惯性参照系之间的相对运动造成各物理量的观测差异所引起的。如果惯性系之间的相对运动速度一旦等于零,那么一切时空的差异也就消失。而个别与时空无关的物理量,如电荷,肯定是关于时空变换不变的量。 
  
  时间、长度是最基本的物理量。
  两个惯性参照系之间所观测的物理量的差异(或变换)最终归结为(或表现为)两个惯性参照系之间时间空间的差异(或变换)。
  时间空间并不是独立于物质运动以外的东西,它们是物质运动的基本特性,脱离物质的运动谈时间空间是没有意义的。时间空间的任何观测都必须通过比较物质的运动来进行,任何标准直尺和标准时钟也都是复杂的物质运动的集中表现。两个惯性参照系之间的物理量的变换最终归结为时空变换。这就是时空变换的本质含义。
  时间空间的差异是由惯性参照系之间的相对运动造成各物理量的观测差异所引起的。个别与时空无关的物理量,如电荷,肯定是关于时空变换不变的量。
  首先,时间、长度是最基本的物理量;然后,脱离物质的运动谈时间空间是没有意义的;再,物理量的差异(或变换)最终归结为(或表现为)时间空间的差异(或变换)。
  这说明时间、空间和物质这三者是物理学研究必然不可少的三要素。1.物质必然运动、变易(万物皆流);2.有物质存在、运动就得占有空间,占而不有,暂时占有局部的空间;3.因为物质总在运动、变易,其占有的空间位置是不断在变化的,这变化的局部空间就得用时间来定位,局部空间得由时间来定义。所以,脱离物质的运动谈时间空间是没有意义的。
  说明三方面问题:1.时间、空间和物质这三者相依存,缺一不可;2.三者之间不是平行对等关系。而是物质依存于空间,局部空间(我们只能够认识局部空间)依存于时间定位,而时间是不由任何人、物质或者上帝、神支配的,是超然物外的“东西”;3. 物理量的差异(或变换)表现为时间空间的差异(或变换),因为物质运动必然依时间顺序改变局部空间,局部空间是因为物质运动而产生的,是随物质运动而不断变换的,局部空间因为物质而被阳性化,而能够被我们认识。
  容易犯的错误就是分不清楚阳性的物质和阴性的空间,把时间空间“拟人化”、物质化。

  
  
  
  4.4 狭义完整方程的协变性
  狭义完整方程是普适的,它们在一切惯性参照系中保持同样的形式。不同惯性参照系之间物理量的观测上的差异或变换归结为两个惯性参照系之间的时空变换。由此推知,狭义完整方程在两个惯性系之间的时空变换下保持其形式不变,我们称这个性质为狭义完整方程的协变性。
  我们看到,狭义完整方程的协变性是一个推论,是惯性系等价原理和狭义完整原理的一个推论,而不是一个假定。这更让人容易理解和接受。至于惯性系之间的时空变换关系是怎样的?是否唯一?这应是一个实验检验确定的问题,我们将在下面论述。 
  
   狭义完整方程的协变性是一个推论,是惯性系等价原理和狭义完整原理的一个推论,而不是一个假定。 赞同。 
  五、时空坐标变换
  5.1时空坐标变换的基本形式
  在任意两个惯性参照系K和K' 中,用标准直尺建立三维笛卡尔坐标系,并将对准了的标准时钟放置在空间各点(这里暂时仍然不讨论对钟问题)。现在要找出同一物质运动在两个惯性参照系K和K'中的时空坐标K (x, y, z, t) 和K' (x', y', z', t') 之间的关系。我们称一时空点 (x, y, z, t) 为一事件。从惯性系的定义直接可以得到,这种关系必须是线性的。根据这种线性性,可以使两个惯性系上的坐标系的时间空间坐标作如图 1 标准配置。
   
  图一、 在惯性参照系K和K' 中,对同一事件进行描述
  K' 以匀速v沿K的x方向运动,两个坐标系对应的坐标轴在运动中始终保持平行,当t=t'=o时,这些轴互相重合。假定在这两个惯性参照系中采用完全相同构造的标准直尺和标准时钟,不难说明K与K' 的相对速度大小相等方向相反。由于线性,不难得到任意两个惯性参照系K和K' 之间的时空变换的基本形式:
   (5.1a) 
   (5.1b)
   (5.1c)
   (5.1d)
  相应的逆变换为
   (5.2a)
   (5.2b)
   (5.2c)
   (5.2d)
  其中, ,V 与相对运动速度无关,对一切惯性参照系都是普适的常数。这里要注意的是,上述推导是针对任一事件而言的,并非针对某一类具体的物质运动。因此,式 (5.1) 和 (5.2) 对任何物质运动都适用。任意两个惯性参照系之间的时空变换关系是唯一可确定的。
  
  这种关系必须是线性的。与相对运动速度无关,对一切惯性参照系都是普适的常数。要保证线性,时间刻度就应该是均匀连续的吧?
  任意两个惯性参照系之间的时空变换关系是唯一可确定的。

  
  
  5.2 洛伦兹变换
  原则上可以根据各种物理实验结果来确定普适常数。如μ介子在运动中的寿命与静止时的寿命的比值等实验数据。最直接也最方便的是我们已经推知的光速不变性质。利用该性质可以证明
   (5.3)
  这个普适常数 正好等于真空中的光速c的平方。将式 (5.3) 代入式 (5.1) 和 (5.2) 就得到我们熟知的洛伦兹变换及其逆变换。
  另一个复杂一点的确定坐标变换中的普适常数的方法是将麦克斯韦方程组用坐标变换的基本形式进行变换,并要求保持同样的形式即协变,从而确定这个普适常数。洛伦兹已经证明麦克斯韦方程组对于洛伦兹变换是协变的。
  我们在这里要强调指出的是,光速恒定不是洛伦兹变换的前提,光的传播在我们的理论中并不占有重要的中心地位,只不过我们在确定坐标变换的普适常数时,刚好发现它等于光的传播速度c 。其实普适常数V的意义是物质运动的极限速度。刚好光的传播是以极限速度传播的。这就是为什么,和在洛伦兹变换中会出现光速c的原因。
  
  这个普适常数 V 正好等于真空中的光速c的平方。
  光速恒定不是洛伦兹变换的前提,普适常数V的意义是物质运动的极限速度。刚好光的传播是以极限速度传播的。
  关于光速恒定:
  我认为1. 物质必然运动、变易(万物皆流),它们的速度、位置、质量、能量等都在随时间周期性变化;2. C只是光子们的平均运动速度,因为我们的测量值都是统计值,我们可以说光子们的平均速度恒定不变化;3. 每一类物质都有自己的速度变化范围,超越这个范围,就从量变转化为质变,变化成为新的物质;4.C也是阴阳物质(可见/不可见)的分界点。比光速C慢的,我们可以认识它们,区别它们;比光速C快的,目前就不可见,被认为是“暗物质、暗能量”,“无”、“气”或者“以太”;普适常数V的意义是物质运动的极限速度。
  微物质都是粒子态存在,有“波粒二象性”。普适常数 正好等于真空中的光速c的平方与“光子的运动速度、质量、能量、位置都随时间周期性改变”不矛盾。洛伦兹变换仍然有效。

  
  
  六、时间空间的相对性
  由洛伦兹坐标变换容易得到经常在狭义相对论中讨论的“直尺收缩”和“时间膨胀”的公式,
   (6.1a)
   (6.1b)
  其中 是K' 系中静止的直尺的长度; 是在K系中观测得到的这个直尺的长度; 是K' 系中静止的时钟运动的一段时间; 是K系中观测这同一时钟运动过程所测到的时间;v是K与K'的相对运动速度;c为光速。
  怎样理解 (6.1a) 和 (6.1b) 这样的关系式?特别是怎样理解关系式 (6.1b) ?这是很重要的,这关系到在狭义相对论中占核心地位的校钟问题,以及对时空相对性的理解问题。
  从时空坐标变换的本质含义出发,我们认为 (6.1a) 和 (6.1b) 正表明了时间空间的相对性本质。这种相对性是绝对的,但相对的时间和空间不是绝对的。也就是说,时空的相对性只在相对运动中表现,一旦相对运动消失,时空的相对性(或差异)也就随之消失。时空的差异(相对性)不会绝对存在、保留。当相对运动不存在时,这种差异也就不存在。直尺收缩和时间膨胀现象只是一种相对的现象,不是绝对的。问一个尺子有多长?我们不能简单回答,这是一米或两米。我们必须搞清楚这个尺子相对于我们处在何种运动状态,是什么速度,因为相对于我们处于不同运动状态的同一尺子,其长度是不一样的,但这并不意味着象洛伦兹理解的那样直尺真的在物理结构上发生了变化,而收缩。同样,一个物质运动过程花了多长时间,取决于这个物质运动过程相对于我们的运动状态。一个时钟的秒针跳动一次是多长时间,依赖于这个时钟相对我们的运动速度。但这并不意味着这个钟的内部构造发生了变化。
  以往人们包括爱因斯坦本人,在这些问题上的理解是错误的,特别是关于时间的相对性的理解。爱因斯坦突破了以往的束缚,并认识到了时空的相对性,但仍未摆脱洛伦兹的绝对的“时间膨胀”的观点。他认为运动的时钟的“时间膨胀”性是绝对的,具有积累效应,也就是说运动时钟会绝对地变慢。这种理解导致了两个错误的结论:一、争论长达百年的“双生子佯谬”;二、不能用移钟法校时,从而只能选用光来校时。第一个错误结论导致了长时间的学术界的争论。顺便指出,铯原子钟的环球飞行实验数据是靠不住的[2]。第二个错误结论促使爱因斯坦把光的传播放在狭义相对论的中心地位,从而造成其理论基础上的校时与测光速的逻辑循环矛盾和同时性定义的“自由意志的约定”。
  时间的膨胀效应,直尺的收缩及运动物体能量的增加是同一本质的相对性效应,是对称的。如果时间膨胀效应是绝对的和可累积的,那直尺收缩效应就是绝对的,能量的增大就也是绝对的,这显然是荒唐的。狭义相对论的能量公式,一般不被人们所讨论和争论,是因为物体的能量本身就是一个随物体运动而变化的量,所以不被质疑,但是我们看能量公式:
  
   (6.2)
  其中, 为物体的静能,E为总能量。其实,E与 的关系,完全等同于相对时间 与本征时间 ( 或 ) 的关系 (6.1b) ,但我们并不认为,物体的静能会因为运动而绝对地永久增加,当物体静止下来后仍等于之前。
  根据上面关于时间空间的认识,可以得到与狭义相对论完全不同的重要结论:标准直尺和标准时钟在惯性参照系中从甲地匀速(这里不考虑加速运动可能带来的影响)移到乙地放置,这个运动过程对标准直尺的固有长度(与其相对静止的惯性参照系中所测之值)和标准时钟的固有时间没有影响,因此,在惯性参照系中可以用标准直尺移动来量度空间,用移钟法来校准各地的标准时钟,而不一定要用光来测距和校时,也就是说光的传播并不占有绝对特殊的测距和校时地位。这样,狭义相对论中测光速与校时的逻辑矛盾也就自然不存在了。
  
  相对性是绝对的,但相对的时间和空间不是绝对的。时空的相对性只在相对运动中表现,一旦相对运动消失,时空的相对性(或差异)也就随之消失。时空的差异(相对性)不会绝对存在、保留。 
  直尺收缩和时间膨胀现象只是一种相对的现象,不是绝对的。
  光的传播并不占有绝对特殊的测距和校时地位。
  说得好!

  
  七、洛伦兹协变性与闵柯夫斯基时空的张量表述
  7.1洛伦兹协变性
  由狭义完整方程的普适性和时空坐标变换的本质,我们自然得出了这样的结论,狭义完整方程关于时空坐标变换是协变的。而惯性参照系之间的时空坐标变换是洛伦兹变换。所以也可以说,狭义完整方程对洛伦兹变换是协变的。我们称这个性质为狭义完整方程的洛伦兹协变性。
  我们看到,这里提供了一种鉴别物理方程是不是狭义完整的方法,即看它对洛伦兹变换是否协变;同时也提供了一种寻找狭义完整方程的方法,即修改方程使之对洛伦兹变换协变。但我们指出,对洛伦兹变换协变的方程不一定是狭义完整方程组的全部,如我们已经在狭义相对论中看到的,麦克斯韦方程是由两个对洛伦兹变换协变的张量方程表述的,值得注意的是对洛伦兹变换协变的要求并不等同于惯性系等价原理。后者是基本的,而前者则是更强的要求。
  爱因斯坦的狭义相对论也采用了"修改方程使之对洛伦兹变换协变"的要求,但它是被强迫作为狭义相对性原理的物理表述的同意语提出的,没有对这个要求作令人满意的解释。不过正是这一正确的要求,使得爱因斯坦的狭义相对论取得了许多正确的结论,成为近代物理学的基石。
  
  狭义完整方程关于时空坐标变换是协变的。惯性参照系之间的时空坐标变换是洛伦兹变换。
  狭义完整方程对洛伦兹变换是协变的----狭义完整方程的洛伦兹协变性。
  鉴别物理方程是不是狭义完整的方法,即看它对洛伦兹变换是否协变;同时也提供了一种寻找狭义完整方程的方法,即修改方程使之对洛伦兹变换协变。
  找到了爱因斯坦的狭义相对论的错误来源。修正其错误。

  
  7.2闵柯夫斯基时空的张量表述
  闵柯夫斯基首先提出,可以把时间和空间三维坐标平等看待,建立一维时间加三维空间的四维物理空间,即闵柯夫斯基时空。显然,闵柯夫斯基的时空理论完全适用本文提出的理论。在此不再赘述。
  物理方程用闵柯夫斯基时空张量表述,集中表达了狭义完整原理和惯性系等价原理的全部内涵。闵柯夫斯基时空中的张量方程集中表述了同类物质运动的各种具体状态的物理方程,具有明显的协变性。每一个物理张量对各种运动状态都适用,这正好对应物理方程的完整性要求。这说明物理张量的定义具有普遍性、完整性,如四维电流密度就比三维电流密度和电荷密度具有普遍性。电荷对相对静止的观测者来说,只需用电荷密度的概念来描述;电荷对相对运动的观测者来说,就要用电流密度和电荷密度两个概念来描述。而四维电流密度的概念包括了这两个概念,适用于静止和运动两种情况。物理张量对于坐标变换的不变性正好对应于惯性系等价原理所要求的。物理张量的普遍性正好对应于方程的完整性;而物理张量的不变性又正好对应于方程的等同性。闵柯夫斯基的四维时空张量方程是狭义完整原理和惯性系等价原理的完美的数学表达。
  
  闵柯夫斯基的四维时空张量方程是狭义完整原理和惯性系等价原理的完美的数学表达。
  我认为:还不完美。这里有一个大问题。这是东西方文化的差异带来的。闵柯夫斯基的四维时空张量方程忽略了时间、空间物质三者的阴阳属性。一阴一阳之为道,时时、处处有阴阳。时间、空间物质三者不是平等关系,而是相互依存关系,正如文章前面已经提到的,“脱离物质的运动谈时间空间是没有意义的”,时间、空间相对物质来说是阴虚的。为保证时间与任何空间维都垂直,我建议对时间量用虚数表示。也许,这样改造后的四维时空张量方程能够是狭义完整原理和惯性系等价原理的完美的数学表达。(在
闵柯夫斯基的四维时空表示中,时间轴就是虚数ict。---Gordon Liu 注)。
  
  
  八、综述
  至此,我们阐述了惯性参照系中的时空理论的基本内容。其逻辑框架的主线如下:
  惯性系等价原理 + 狭义完整原理 → 狭义完整方程的普适性(A);
  物理量的相对运动变化 → 时间空间的变化(B);
  (A)+(B)→ 狭义完整方程对时空坐标变换的协变性(C);
  (C)+ 麦克斯韦方程组→ 光速不变(D);
  惯性系等价原理 + 惯性系的定义 + 时空坐标 → 时空坐标变换的普遍形式(E);
  (E)+(D)或麦克斯韦方组的协变性或其它实验 → 普适常数 (F);
  (E) + (F)→ 洛伦兹坐标变换(G);
  (C)+(G)→ 狭义完整方程对洛伦兹坐标变换的协变性(H);
  (H)+ 闵柯夫斯基时空 + 张量表述 → 物理张量方程对洛伦兹坐标变换的协变性(H)
  → 对物理方程的洛伦兹协变要求(I)。
  本文以显而易见的狭义完整原理和惯性系等价原理作为整个理论的基本前提,避免了狭义相对论基本前提中的混乱和不基本,使关于洛伦兹协变的时空理论有了明确而坚实的基础,从而对洛伦兹变换的物理意义,时空的本质,光速不变性质以及经典的电动力学与牛顿力学的差别等都有了清晰的认识。这些基本问题,自爱因斯坦提出狭义相对论以来,一直众所纷云。究其原因,是狭义相对论的基本前提的混乱,不自洽,以及把光的传播放在理论的中心地位造成的。这也造成人们包括爱因斯坦本人相信时空相对性源于光速不变,因为光速是其理论的前提,从而产生对时空相对性的误解,得出”双生子佯谬“这样的矛盾结论。爱因斯坦比洛伦兹和彭加勒前进了一大步,突破了以太的束缚,引入了时空的相对性概念,但仍然受制于光的传播定律,没有抓住方程的完整性这一关键。本文阐述的惯性时空理论为研究非惯性参照系的时空理论铺平了道路。
  致谢
  特别感谢我的太太张蓉二十多年来对我的学术上的支持和为我做出的牺牲!
  感谢多年来给予我帮助和支持的亲戚朋友们!
  文献
  [1] 爱因斯坦 {相对论的意义} (中译本),科学出版社。
  [2] url{http://www.anti-relativity.com/hafelekeatingdebunk.htm

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