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[探索频道] 评李惕碚院士在高能物理所“否定相对论?”的报告

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 楼主| 发表于 2018-2-19 02:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
李惕碚“基础物理学与宇宙学的疑难”问题报稿的论点:
1、宇宙中存在绝对参考系,牛顿时空并没有被否定,相对性原理在宇宙中不成立。
3、广义相对论被赋予了过头的物理意义,它只是一种引力理论。
4、需要有一个线性化的,与麦克斯韦电磁理论类似的理论,来描述引力现象。
5、宇宙是平坦的,而且是欧几里得几何的平坦。宇宙是引力中性的,即没有加速度,也没有减速度,宇宙学应当用伽利略时空来描述。
评论:
1. 宇宙中存在绝对参照系,是指牛顿的绝对时空与其他惯性时空不仅有同一组绝对同时面,而且各参照系中的空间点是可以分辨的。如果只承认绝对同时面,认为各惯性系平权,绝对位置不可观察,空间点不可区分,就是伽利略时空或新牛顿时空。狭义相对论只有相对同时面,不同惯性系的相对同时面是不同的:也就是说,在一个惯性系中看来同时发生的两个事件,在另一个惯性系看来不是同时发生的。在狭义相对论中,因为绝对位置不可观察,空间点是不可区分的。伽利略时空或新牛顿时空可以看作是闵氏时空的低速极限近似,所有相对同时面之间的夹角无限缩小而形成一组绝对同时面。
在广义相对论中,相对同时面是局域的,一般不能无限延伸到全时空。特别是在非时轴正交系中,也就是光速各向异性的参照系中,同时性是不可传递的,不可能定义全域的统一时间。这只能说明爱因斯坦用两点之间的光信号传播进行对时的同时性操作定义,在一般的惯性-引力场中进行理论推广时有局限性。光钟的时间定义,是为了保证麦克斯韦场论与狭义相对论的经验内容在爱因斯坦借助等效原理建立的局部惯性系中有效,这样才能借助广义协变性推广到任意参照系中。广义相对论使用的黎曼时空中的等距变换(牛顿力学中刚尺概念在非欧几何中的推广),光钟定义是否符合天文学中的三角视差的距离测量,以及开普勒定律中星体绕转周期与轨道半径的空时关系,是值得深入研究的大问题,但弯曲时空的几何描述的逻辑自洽性不能否定。广义相对论面临的不是逻辑自洽问题,而是时空的操作定义是否符合天体测量的时空定义的经验适用性问题。
广义相对论一方面是大部分宇宙学模型的时空框架,另一方面在天文学中可能是中看不中用,需要根据天体时空测量方法重新构造的时空理论。根据三角视差测定距离,是预设欧几里得几何的,但笛卡尔坐标系与牛顿天体力学没有充分考虑星光传播的时间,也就是没有考虑2个天体与观察者构成的三角形的所有点是处在不同时刻的问题。我们在同一时刻看到的三角形(各点从不同距离发光同时到达观察者)貌似处在欧几里得空间,并不能保证它在这一时刻的同时面上仍然具有欧几里得空间度规。根据开普勒第三定律给出的空间-时间关系,如何与爱因斯坦光钟包含的时空定义协调,是改造广义相对论最重要的基本问题。
具体的物理系统除了在时空框架中定义的物理规律,还有在特定参照系中描述的初始边界条件,以及初始边界条件在不同参照系中的变换问题。无论是静止与匀速运动平权的伽利略相对性原理,还是爱因斯坦的惯性系平权的狭义相对性原理,以及所有参照系平权的广义相对性原理,物理规律的数学表示是一致的,没有显示出绝对位置。但具体系统(包括宇宙)有初始边界条件,作为动力系统一般能自我映射到原来的形态,因此根据布劳威尔定理一定有不动点,选择不动点最多的参照系进行描述有优越性,绝对位置就似乎得到定义,这样在一定范围内就可以定义一个实用的近似绝对时空。因为动力系统是人为选择的,不动点因系统而已,貌似存在的绝对参照系只能根据特定观察者所观察到的宇宙范围的特殊性质进行人为规定,与牛顿的无限绝对时空不是一回事。利用宇宙背景辐射或某种量子效应确定绝对空间的思路,其实是没有注意到某些惯性系对某系统的初始边界条件的描述有最大的对称性与简单性,而量子力学是一个量子波的边界响应理论,在经典物理中初始边界条件独立于物理规律不同,量子力学规律蕴含边界特征。
2. 等效原理只在无穷小的时空内成立,在宇宙大范围内无效。这正是万有引力可以有Weyl分量,惯性力只有Ricci分量的本质差别。在爱因斯坦的自由落体实验中,只有无自转的惯性观察者才能发现自由下落电梯中,引力效应被惯性力抵消了。足够大的自由下落电梯中还会感受到潮汐引力(Weyl分量),被惯性力抵消的不过是万有引力的Ricci分量。万有引力是质量分布造成的局部时空弯曲,是不可能通过坐标变换消除的。无论物体是否转动与局部移动,万有引力在远离物体的无限远处都趋近于0,牛顿万有引力的平方反比关系在广义相对论中会因为质量运动的狭义相对论效应与引力自能的质量效应有所改变,但随距离衰减的本质没有变。惯性力是加速运动造成的全域时空变形,在不考虑万有引力造成的时空弯曲时,加速运动造成的时空变形具有0的黎曼曲率,但这个变形平直时空的仿射联络不是0,具有弯曲时空的局部形态,可以通过坐标变换消除惯性力与时空变形。如果闵氏时空减少1维,类似于在时间轴上以光速移动的平面,那么加速系的变形时空就类似于平面变形后的圆柱面,圆锥面,螺旋面,等等。在广义相对论中,等效原理的局部有效,可以建立类似于自由下落电梯的局部惯性系,来保证麦克斯韦方程与狭义相对论的经验内容有效转移到广义相对论的理论建构中。这就像曲面上可以通过在任一点的无穷小邻域上的平面,把表达距离的勾股定理转移到曲面上变换为度规线元关系。这里不需要引入人为的参数,只需要体现弯曲时空内蕴结构的度规与联络。
等效原理面临的困难是,我们如何考虑带电,旋转,或者是既带电又旋转的自由落体在引力场中是否同时下落,以及在什么意义上保留与修正局部惯性系概念的问题。局部惯性系面临的另一个困难是需要引入无自转的惯性观察者的概念,也就是说局部惯性系虽然与牛顿惯性系大相径庭,却需要一个与牛顿惯性系有关的惯性观察者概念。
当爱因斯坦用等效原理把万有引力与惯性力造成的时空变形粘合为4维黎曼流形时,并没有考虑试验粒子自身引力场造成的反作用以及相关的时空变形。这样,从广义相对论中引申出动量-能量定律与引力能量概念,就变得特别困难甚至是不可能,因为牛顿第三定律的经验内容在广义相对论的场方程表示与一些具体计算中被遗漏了。如果我们考虑月亮轨道上人造地球卫星的运动,就会发现月亮能够造成地球海洋的潮汐活动改变地球引力场的弯曲时空;而人造地球卫星对地球的反作用力几乎可以忽略,这与广义相对论中忽略试验粒子的引力场是类似的。
3. 广义相对论被赋予了过头的物理意义,它只是一种引力理论。这是一个广泛流行的错误说法。在《爱因斯坦全集》中,广义相对论经常被称为广义协变的惯性-引力场论,这应该是广义相对论最合适的简单定义;它不是一个纯粹的引力理论,而是通过等效原理的万能胶粘合起来的惯性-引力理论与广义协变的时空理论。
洛伦兹在爱因斯坦建立广义相对论的过程,以及以后的通信中,一再提醒爱因斯坦要注意区分惯性力与万有引力,指出离心力也许类似于万有引力之类的中心力可以用等效原理消除,但类似于科里奥利力之类的非中心力看作是引力是不合适的。爱因斯坦依据马赫原理认为,转动物体可以造成惯性拖曳效应,从而产生牛顿力学中的科里奥利力,把它看作是万有引力的相对论效应是符合马赫原理的精神的。广义相对论的缺陷,基本上来自爱因斯坦追随格罗斯曼,满足于对黎曼几何进行物理解释来构造新的惯性-引力理论,就像牛顿按照伽利略的新力学构想,发明微积分对笛卡尔解析几何构造了动力学解释。爱因斯坦对马赫原理的物理内容的超距作用本质认识不够深入,背离马赫哲学的现象主义与经验主义,在广义相对论的探索中抛弃了狭义相对论的时空建构中的操作主义原则。
4、需要有一个线性化的,与麦克斯韦电磁理论类似的理论,来描述引力现象。这的确是简化广义相对论最简单、最流行的的思路。在1890年左右,亥姆赛就模仿麦克斯韦场方程,构造了引力磁场理论。彭加勒在狭义相对论的先驱探索中,根据麦克斯韦方程的类比,推测引力波的波速是光速。当爱因斯坦注意到牛顿万有引力定律没有洛伦兹协变性时,他没有注意到库伦定律也没有洛伦兹协变性,只有加上电流磁效应的安培定律,才有洛伦兹协变性。但爱因斯坦非常清醒地注意到,引力势能按照质能关系应该有质量,从而产生引力,这是与电势能不带电荷有差别的,这意味着对于万有引力,与万有引力定律与库仑定律有关的泊宋方程在引力理论中需要修改,电磁学中有效的高斯定律在引力理论中要修改。
我们还可以注意到引入引力磁场的线性引力理论具有其他困难。如果说磁场是无源有旋的,没有电荷,而引力磁场虽然有旋无源,却因为也有能量,按照等效原理也能产生引力。引力的相对论效应本质上是非线性的,这正是布里渊在《相对论的新观点》中质疑广义相对论时,在万有引力的麦克斯韦型方程中加入非线性项的原因所在。线性引力理论只能作为广义相对论的弱场近似形式存在,很多线性引力理论预言的引力波能量是负的,引力波有偶极辐射,引力子自旋为1,这与广义相对论的引力波预言是不一致的:引力波最小为4极辐射,能够带走能量,引力子自旋为2。线性引力论要么违背质能关系,要么违背等效原理,要么违背广义相对论的其他要求。线性引力理论有一些不能预言黑洞的存在,或者预言了黑洞有不同于广义相对论描述的特征。
5、宇宙接近平坦,是一个观测事实,认为宇宙膨胀只是线性膨胀,不过是对哈勃定律的早期形式的朴素肯定。这与宇宙加速膨胀的观测事实是不一致的,与广义相对论预言的宇宙可以减速膨胀的预言也不一致。但因为我们是用三角视差法确定天体距离的,在忽略大气与星际物质的折射效应,以及地球公转自转的光行差效应与章动效应后,天体可能还有引力透镜效应。如果引力透镜的广义相对论效应也忽略,那么天体各点除了有光线传播的时间差,它们就被三角视差的测量方法先验地规定为欧几里得度规。所以宇宙接近平坦,表面是经验观测的结论,其实是天体距离的三角视差方法先验地规定的。只有接近平坦的宇宙学观测资料,才是与三角视差的距离测量方法自洽的。广义相对论理论上可以设想各种曲率的时空结构,但天文观测只能给出接近平坦的时空度规,否则三角视差的天体距离方法就行不通了。
但是,这不是意味着宇宙学要引入伽利略时空或新牛顿时空,因为伽利略时空是一组在绝对时间坐标上单向任意移动的欧几里得空间,而三角视差给出的欧几里得空间在忽略引力透镜的广义相对论效应后,可以看作是正比于距离在时间上滞后不断向外延伸的过去天球面,是4维闵氏时空的一个过去光锥面,我们按照罗素的哲学把它称为保持天体大小形状不变的等距保角保形视景时空,它是3维的,却具有随距离增大的历史深度,是罗素没有考虑到的。
但我们经常使用的笛卡尔天球坐标系,却没有历史深度,是伽利略时空上的一个等时面。如果把天体大小随距离平方反比缩小的特征引入,它是一个保角非等距变形的共形视像空间:在忽略大气,星际物质,引力透镜等变形因素后,物体视像随距离平方反比缩小。在闵氏时空中,光锥面是一个圆锥,可以证明有欧几里得度规线元,各点之间不是等时面上惯性系的原点之间时空间隔固定的彭加勒变换,而是原点之间的空间距离与时间间隔随着距离正比变化的彭加勒变换。在考虑了广义相对论的引力效应后,不仅闵氏时空成了弯曲时空,过去光锥面也不再具有平坦特征,但仍然是类光切矢量构成的零曲面。在一般的过去光锥面,即描述天象的视景空间中,时间的弯曲表现为光谱频率的变化,空间的弯曲通过类似光行差的视线与光路的偏离表现出来,视线就是观察者与天体视像的连线,是观察者位置接收到的光线的切矢量,在弯曲时空中与光通过的短程线路径(光路)是有偏差的。研究牛顿意义的惯性系中引力场造成的类光零曲面的度规变换,就能在惯性天球的视景空间中再现广义相对论的部分经验内容。
我们在处理光的介质透射时,没有把光路(短程线)与空间的直线(切矢量)处理为同一,这样就不需要引入弯曲空间概念。弯曲空间中仿射联络的引入,就是基于短程线与短程线上某点切矢量的偏离。一种回归欧几里得空间直觉的新引力理论,可以把引力场视为能够改变介电系数,磁导率与真空光速的媒介,用视景空间中某点与视线一致的切矢量构造局域欧几里得时空标架,把弯曲的光路看成是与加速质点的弯曲世界线类似的短程世界线。加速系造成的时空变形,可以通过研究光在加速系中的传播方式,与麦克斯韦场方程的变换方式来构造,完全可以独立于引力场造成的时空变形来研究,它的几何表示就是遥远星星看起来不动的惯性天球在加速系中是如何变形的。因为匀速直线运动只造成惯性天球上天体的光行差与多普勒效应,但不会造成真空形变,所以光速不变。
按照罗素哲学对广义相对论进行视景空间重构,不仅要恢复托勒密天球的欧几里得空间直觉,而且要考虑遗漏的牛顿反作用定律的经验内容与按照马赫精神理解的牛顿惯性系的不动天球直觉,特别是在惯性-引力场论中要恢复狭义相对论的电动力学本质。在哲学上要贯彻狭义相对论中时空度量的操作主义精神,彭加勒的欧几里得几何优于非欧几何的约定主义纲领,辩证地否定马赫原理的超距作用机制来贯彻法拉第-麦克斯韦的场论原则,肯定马赫哲学的现象主义与经验主义在理论建构中的认识优先原则。牛顿绝对时空中的绝对时间,其实不过是惯性天球的球心时间,没有考虑到视景空间各点离球心距离变大而滞后的时间差,以及因为物体运动与引力场而造成的时间节奏差别,只有非常局域的实用时间记录价值。

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