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人類對于時空結構的科學認識是從本世紀初狹義相對論的建立開始的, 狹義相對論揭示了空間、時間和物質運動的聯系, 並首次提出相對運動的兩個不同坐標系對"同一時空事件"的描述不同這一相對時空觀念, 這是人類時空觀的一次飛躍。在此之后, 愛因斯坦把引力場和時空幾何相結合, 建立了廣義相對論;即研究非慣性系的時空關系問題。廣義相對論認為任何物質的運動都與引力場有關, 我們生活在一個彎曲的黎曼空間。此后, 科學家們進行了各種實驗, 其結果表明︰廣義相對論的判斷是正確的, 這無疑確立了相對論在時空研究領域的地位。我們在學習和研究相對論過程中一直對愛因斯坦的深邃思想表示敬佩, 感謝這位偉人對科學所做出的巨大貢獻。
如果從另一個方位看待時空理論的發展和創新這一問題, 我們又多少感到有些困惑。自從廣義相對論建立以來的幾十年間, 對相對論時空問題的研究雖然取得了某些進展, 但許多複雜的時空結構問題我們依舊沒有搞清楚, "時空大廈"的基礎是什么我們更是一無所知, 經研究發現, 相對論對時空結構的描述僅僅是初步的, 狹義相對論的洛倫茲變換在理論完備性方面甚至存有缺陷, 許多時空問題從相對論自身無法找到正確答案︰
1. 相對論的收縮因子 的物理含義是什么?
2. 在洛倫茲變換中, 與相對速度u相垂直方向的量y和z同動系中的 y', z'相等,這一判斷的理論依據是什么?
3. 譜線紅移現象在理論上是否還有其它解釋? (多普勒效應不能完全解釋紅移量問題)
4. 狹義相對論告訴我們相對運動的兩個不同坐標系對時間、空間的描述是不同的,可是我們還要問“相對運動的兩個不同坐標系對相對速度的觀測結果是否相同?”
5. 廣義相對論認為, 由于引力場的存在, 使空間彎曲, 水星軌道的攝動是由于水星沿彎曲時空的短程線(測地線)運動, 因此會產生43"/世紀的進動, 那么引力如何使時空彎曲?這一現象的本質原因是什么?
6. 引力場的度規張量( )有無一般解?條件是什么?
7. 假設一列火車以速度v1高速行駛, 火車上載著一輛汽車以速度v2與火車相對運動, 同時汽車上又射出一物體, 其相對汽車的速度為v3, 那么這物體的運動如何描述?如果汽車是以加速度a行駛, 射出的物體與汽車的運動方向有一角度b, 該物體的運動方程怎樣建立?
顯然, 對于上述時空問題的解答已完全超出了相對論涉及的范疇, 要系統全面地回答上述問題, 我們必須跳出相對論的理論框架, 建立一個新時空體系。該體系涉及的時空問題從廣度和深度上都遠遠超過現有理論, 並將現有時空理論----相對論納入其特例范圍。基于此目的, 本文向您介紹一個新的時空理論, 由于篇幅過長, 本文將分為幾個部分, 第一章主要涉及慣性和非慣性時空,第二章則統一了量子力學的全部基礎。
第一章 解析時空理論的建立
定義︰ 設兩直角坐標系(S')和(S), (S')為運動系, (S)為觀測系。(S')中的長度l'為固有長度,時間t'為固有時間; l', t'表示(S')相對于(S)靜止狀態下的長度和時間; 當(S')相對于(S)運動時,在(S)中測量(S')中的長度l'和時間t'; 測量結果為l、t, 則 l 觀測長度, t為觀測時間, l、t均為觀測值。
下面給出解析時空理論的兩條基本原理︰
(I). 時空面積相等原理----運動系(S')及觀測系(S)中的長度與時間的乘積為時空面積S'或S。運動系(S')相對觀測系(S)靜止或運動狀態下,時空面積是不變量;即對任意(l',t')均有等式 lt = l't' 成立, 上述原理的坐標方法表述為︰

(II). 時空偏轉原理-----若運動系(S')相對觀測系(S)運動,在某一時刻相對速度為u或u', 那么運動系(S')與觀測系(S)沿相對運動方向發生偏轉, 偏轉角q為時空偏轉角,時空偏轉角的大小與相對速度u(或u')有關,其正弦值與相對速度u(或u')成正比,即sinq =u/c, (或sinq =u'/c'), c為光速。

時空面積不變原理(I)和時空偏轉原理(II)是我們研究時空問題的基本原理。根據這兩條原理, 我們下面找出(S')與(S)的時空關系式。
設(S')與(S)在某時刻原點重合,(S')與(S)的相對速度為u, l與u方向相同, 根據原理(II), (S')與(S)產生偏轉, 如圖1-3︰
從圖中我們可以得到以下結果︰ 
OD = OAcosq
令: OD = l, OA = l'
則上式 l =l'cosq (1-1)
又根據原理(I),(S')中的時空面積 S'ABCO與(S)的SDEFO 相等,
所以 t l = t' l', t=t(l'/t') 將(1-1)代入
得 t = t' / cosq (1-2)
由原理(II): sinq = u/t

則式(1-1),(1-2)為:

圖1-3表明關系式cosq = l/l'=t'/t以及其中的q 與原理(II)sinq =u/c中的q 相同。(1-3)、(1-4) 這兩個等式是狹義相對論的基本公式,也是解析時空理論研究時空問題的出發點。在本文中,您將逐步看到狹義相對論的普遍結論---動尺縮短,動鐘延緩效應,正是由于時空偏轉所致,狹義相對論的收縮因子即為解析時空的偏轉因子。
下面我們求出(S')與(S)的速度關系式(非坐標關系式)︰
由 ( 1-1 ): l = l' cosq , 我們選 l1 和 l2 (l1¹ l2 )
則 l1 = l'1cosq, l2 = l'2cosq
兩式相減 l2- l1= (l'2- l'1) cosq
D l21= D l'21 cosq (1-5)
當 D l21®0,
dl =dl'cosq (1-6)
同理,由(1-2)可得到
dt =dt'/ cosq
dt'/dt = cosq (1-7)
則式(1-6)關於 t 微分有
dl/dt = cos q dl'/dt
將(1-7)代入則有

dl/dt = cos2q dl'/dt'
\ u = u'cos2q (1-8)
當 u 與 u' 相反時,
u = -u'cos2q (1-9)
(1-8)式表示的含義為當(S')相對(S)運動時, 若(S')內有一運動速度u',那么這個速度在(S)內的相應速度為u(u不是坐標意義上的ux), u的數值由(1-8)式決定。
本文的前面提到了洛倫茲變換存在理論缺陷, 下面我們就討論這個問題: 在我們所見到的所有教科書及介紹相對論的書籍中, 關于洛倫茲變換都用到下面的兩個方程式, 洛倫茲變換的全部結果也是由這一方程組聯立得出的結果︰

(1-11)式是將(1-10)式中所有不帶撇的量與帶撇的量對換,且 u = -u', u'/c'=u/c。 洛倫茲變換並沒有解釋為什么u = -u', 這是因為u = -u'是我們千百年來熟知的“常識”。 即(S')與(S)間的相對速度大小相等,方向相反。[注︰在教科書上一般都這樣寫︰“將不 帶撇的量與帶撇的量對換,並把u換成u'。----實際上仍是 u = -u',]
這個方程組看上去似乎沒什么問題, 首先我們把上式寫成如下形式︰

式中 cosq=
將(1-13) 乘以 cosq 再整理后有︰

由式(1-2)t'=tcosq 代入(1-15), 並將(1-14)、(1-15)兩式相減
ut-ut cos2q = x-x cos2q
ut(1- cos2q ) = x(1- cos2q )
x = ut 或 t = x/u
這是我們得到方程的一個解, 但這個解對我們來說沒有什么意義。我們還可以得到方程組的其它解(包括洛倫茲變換), 也就是說方程組(1-10)、(1-11)是多解方程組。由線性代數方法分析知齊次線性方程組(1-10)、(1-11)的秩 r n ,故該方程組有無數解;這樣, 洛倫茲變換的正確性是值得懷疑的。經慎重的分析后, 我們得出以下結論︰
A. 洛倫茲變換中有關(S')與(S)的運動方程的解是個近似解。
B. 洛倫茲變換(1-11)式中, 關于ut'一項,由于u與t'的單位不同, ut'不能表示兩坐標系(S')與(S)原點的O'與 O的距離。故該方程的表達式有問題。
C. 洛倫茲變換中,認為相對速度u = -u'是不正確的。
對于u ¹ -u' 問題, 我們必須做進一步的說明。例如:一列從火車站駛出的火車,速度為80km/h,火車上的人與車站上的人都認為這個速度即為彼此間的相對速度,u輿-u'是“當然相等”的。但問題並不這麼簡單,火車對地面坐標系的速度為80km/h,而在火車這個運動系上的觀測者測出車站的退行速度為80km'/h',80km/h和80km'/h'完全是兩個不同的概念,其關鍵問題在於km/h和km'/h'是否相等!火車上的人測量速度的米尺和鐘錶輿地面上的人用的米尺和鐘錶究竟是否相同?
由于我們生活在一個低速世界, 我們無法感受到不同坐標系對于同一速度的描述有何差異, 目前也找不到能感受這一差異的運動系(S'), 我們周圍的事物的運動速度與光速c相比實在太小。因此, 我們會輕易地得出結論:火車上下的兩個人所用的尺子和鐘錶沒有區別,故u = -u'(將相對速度絕對化) , 這是低速思維的必然產物。實際上, 在洛倫茲變換中, 我們已經意識到在牽連速度ue並非遠小于光速c時, 描述物體的運動不能簡單地用速度合成法va = ue + vr' 。但在如何看待牽連運動的問題上, 洛倫茲變換仍沒有完全擺脫低速思維的影響, 這是由于相對運動, u ¹ -u' 比其他問題更難以理解。在一般情況下, 不同坐標系的觀察者描述"同一事件"諸如時間、空間(包括點)、速度和加速度, 其結果都是不同的。沒有絕對的時間、空間、速度和加速度, 牽連速度也不例外。之所以有這樣的結論, 根本原因在于運動系(S')與觀測系(S)由于存在相對運動而發生了時空偏轉。所以, u與u'的方向是不同的,需要加偏轉系數cos2q , u與u'方可相等(關於這個問題的詳細討論見本文附件)。 |