引力场时空本质

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引力场时空本质

李学生

摘要: 文章从时空的相对性与绝对性出发，指明了场的时空本质——相对时空，从根本上解决暗物质与暗能量的问题,解释了黑洞辐射问题。

关键词：场的时空本质、暗物质、暗能量、相对时空、黑洞辐射

㈠、时代背景

由于真空的特殊地位，李政道等许多理论物理学家都认为：现代物理的疑难可能都与真空有关。李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？现在我重点讲一下。我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距（Kiloparsec）。在星系的周边，随便哪个星，哪个灰尘或者气体云，都各以某一速度运动，离心力是速度的平方除以那一物体离中心的距离r，这个离心力应跟引力相平衡，引力是牛顿常数跟星云里的质量相乘，除以r的平方(即公式 ,等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度,李政道教授在这里说的离心力,是因为物体在作圆周运动时,向心力与离心力的大小是相等的.——引者).所以如果你已知某个星体离星云中心的距离r，我们测量这个星体的速度V,就可以算出在这个星云里面有多少物质存在。以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千伯色处，星的速度还在增加，这表示除了看得见的物质外还有绝大多数是看不见的物质。看得见是什么意思呢？除了眼睛看得见，也包括用电磁波、红外光可以测量。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.(引自李政道.《物理学的挑战》。

（二）、引力场的时空本质

相对论加强了场的概念在物理学中的重要性，使时间与空间联姻。二十世纪初，爱因斯坦面对所有一切探测“以太风”的实验都失败的事实，认为“引入光以太”本来就是“多余的”，这样空间就又回到了一无所有的“空虚”状态。可是这样的认定在当时就不能自圆其说。面对空间能够传播电磁波的事实，爱因斯坦又认为空间“ 具有一种发送电磁波的性能”，是“物理空间”；在后来的广义相对论中，他认为空间的性质应由“物质的分布”来决定，实物体可以“弯曲”周围的空间。这些都显然与前面的空虚空间的定义相矛盾。空间既然一无所有，那它就不可能具有象物质一样的性质。还有，如果空间中真的一无所有，那么各实物体就成了一个个的孤立个体，彼此间互相隔绝，互不相关。因为没有中间物质相连接，所以物体间的相对位置变得没有意义且无法确定；因为没有连续的物质被跨越，所以物体间的相对运动也变得没有意义和无法确定；同时因为没有背景物质作参考，所以运动路径也就无所谓和测不出曲直多少。（1）

从20世纪70年代开始发现，在螺旋星系的外面区域观测到的恒星旋转速度和从星系的可见恒星分布按牛顿定律预见的公转速度之间存在偏差，天文学家认为存在着更多的物质不能被观察，称为暗物质。80年代以前，天文学家认为暗物质与普通物质没有任何区别，然而星系形成的现代研究使宇宙学家相信暗物质中的可以观测到的部分必须具有和普通物质不同的形式，例如轴子、中微子等，现代基本粒子理论预言WIMPS粒子，但在实验上并没有被观测到。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.

物理学抛弃ether，electromagnetic field可以在真空中传播，真空的本质是什么，为什么在真空中可以激发出各种粒子，暗物质为何不影响物体的运动？李政道(T.D.Lee)认为，真空和ether不同，它是Lorentz不变的，可它有很多复杂的性质。（3）在广义相对论中，物理真空的观念被彻底排除了。ether概念重新获得了一定的内容......广义相对论的ether是本身失去了任何力学和运动学性质的介质，但同时它能决定力学（或电磁学）过程。Dirac方程（pcα+mc2β）ψ=Eψ，对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极标准的了解。Dirac关于真空中被无数electric charge充满的理论可以推广至被无数正引力质量充满着，进一步理解负引力质量空穴——引力场。由此类比广义相对论中的ether依然是真空，因为时空与引力质量是对称的，能量是它们之间的相互作用，因此实物通常是定域在绝对空间的确定区域内，而场则弥漫于绝对空间中，electromagnetic field的传播也需要介质——绝对时空。在弹性介质中其振动的传播方程不是Galileo变换下不变的，只成立于与介质相对静止的参考系中。如果把介质看成“绝对静止系”，利用它即可测量任何惯性系的绝对速度。其次，同一介质之间不是总能保持相对静止的。由于绝对时空并非“绝对静止系”，所以它们之间并不矛盾。由于绝对时空是由理论推理得到，在实验中不可能测量，与相对性原理并不矛盾。

由于相对时空的分离速度为光速，引力场的运动速度为光速，因此引力场的本质是时空，是相对时空，Einstein的相对论反映了这个问题。普遍联系的自然的内涵是：自然是一个整体，这个整体包含所有客体和全部空间，其言下之意是：给客体赋予某种物理意义，同时也必须为空间赋予某种物理意义，即客体和空间最终将得到统一。其二：所谓客体，是与周围客体或空间发生相互作用的客体，不能将客体孤立地抽象出来，同时也不能抹杀空间在其中所起的作用。作为构成自然的空间和物质它们有一个共同的本质，无论是空间和物质它们都可看成是这个特殊的本质的不同的运动形式，这也是为什么我们可以用波函数来表征粒子的原因，而且，不仅可用这个波函数来描述物质粒子，也可用他来描述空间，至于那个构成空间和物质的共同的本质则是波函数要描述的主体.

现代基本粒子理论中质量量纲为时空量纲的倒数也说明了场的时空本质的观点是正确的。由于引力场的传播速度为光速，也就是引力的传播速度为光速，大小、方向、作用点、速度是力的四要素。北京大学物理学院基本粒子理论专家曹昌棋教授认为，从现在的基本粒子理论的角度看，对称性的主要破坏是一种“自发破坏”或者说是一种表观上的破坏，即所有基本粒子原始都无质量，它们之间的相互作用有拉格朗日量描述，该量具有完全的对称性，但相互作用的结果得出的总体的基态是简并的，其中有某中场的凝聚。实际的“宇宙”的基态是这些简并基态中某一个，而所有的激发态都是在此“特定基态”上的局部扰动，从而原来拉格朗日函数的对称性就不显示出来了/我们所观察的物理过程都是发生在某个特定背景上的，使原有的对称性不能显示出来。有些粒子的质量是由于它与空间凝聚场作用的结果。这些都说明了场的时空本质，场是相对时空。19世纪、20世纪物理学最成功的发现是相对时空（场）的发现，正如Einstein所讲的：“Faraday和Maxwell的electric field理论摆脱了这种不能令人满意的状况，这大概是从Newton时代以来物理学的基础所经历的最深刻的变化。”Einstein常常把相对论称为场论，也说明了这一点。现代物理学认为，时间——空间结构在Planck长度的极小尺度下会有基本改变，也表明了场的时空本质。由于场的本质是时空，因此能量是物质与时空的相互作用。从引力场角度与时空角度研究引力质量间的作用力得到的结论一致，万有引力定律是广义相对论的一级近似。由于场的本质是相对时空，因此倘若考虑到相对时空的分离速度为光速，物理学中超距作用从时空角度考虑作用力与从场的观点得到的结论一致。引力场是时空弯曲的表现形式，因为：其一，存在等效原理。即惯性质量与引力质量相等，质点的运动轨迹只与初始条件有关而与引力质量毫无关系，在弯曲时空中自由质点的运动轨迹是测地线，其测地线也只与初始条件有关而与引力质量毫无关系。而质点在其它任何形式的力场中运动均没有这种效应。其二，若把相对某天体静止的参考系看成是惯性系，在其引力场中的局域时空内，总可以找到相对该天体运动的非惯性系，用惯性力抵消引力，则其非惯性系成为局部惯性系。在弯曲时空中，任何一个时空点的足够小的邻域，均可认为近似存在统一的空间，它是平直的。相应时空流形上的坐标近似可看成局域平直空间的曲线坐标，从而等价于某个局域非惯性系。其惯性力“相当”于引力，自然存在某一类坐标 transformation，相当于局部惯性系的 transformation，使局域曲线坐标变成闵氏空间的仿射坐标，其局域仿射坐标所对应的参考系即是局部惯性系，在这个参考系中其引力效应全部消失。（2）

现代物理学认为引力场不等价于弯曲时空，原因在于把引力场建立在平直的Minkowski空间且独立于其空间的物理场，它们的存在对时空结构没有任何影响，或影响全可忽略。而弯曲时空是时空结构的自身改变，本质上异于平直的Minkowski空间上的物理场。其次，引力场中的局部惯性系能抹掉引力的一切效应，而在弯曲时空中的局部惯性系并不能严格作到这一点。如在引力场中的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，原则上没有任何限制，而在弯曲时空的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，要远远小于光速。其实引力场的存在将改变时空中各点的相对位置，不可能独立于其空间，平直的Minkowski空间是绝对时空，引力场与弯曲时空本质上是统一的。根据Lorentz transformation在引力场中运动的质点其引力质量随着速度的增加而增加，达到光速是为无穷大，因此在引力场中的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，也不可能超过光速。引力场的深入的研究必须把Euclid几何（抛物几何）与罗氏几何（双曲几何）、Riemann几何（椭圆几何）统一用射影几何研究。所谓暗物质其实就是时空本身，WIMPS粒子本质上是时空量子。

天文学家认为，如果50亿光年以远的深处的1型超新星的光度可以作为有效的标准烛光，宇宙中就还应该存在一种与引力作用相反的斥力，表现为与引力相反的能量——暗能量。美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者史蒂文.温伯格认为，宇宙常量（即暗能量）是物理学上一个名副其实的危机。天文学家按已有的知识和认识将宇宙物质的类别和分额的落阔勾画如下：物质占35%，其中5%是发光和不发光的已知天体，30%是暗物质；暗能量占65%。暗物质分为重子暗物质（例如星系际星）和非重子暗物质。非重子暗物质可能有：有质量的中微子、光微子（photino）、引力子(graviton)、引力微子(gravitino)、中性微子(neutralino)、轴子(axion)等。李政道(T.D.Lee)：“整个宇宙至少90％以上（很可能99％以上）是暗物质，而不是已知的物质。” 李政道(T.D.Lee)把这个问题列为21世纪当代科技所面临的四大问题之一，暗物质与暗能量的发现列为2003年十大科技发现的第一位。根据能量是物质与时空的相互作用，可以知道这种观点是错误的。

根据能量是物质与时空的相互作用与时空平权理论，可以进一步将质量守恒定律与时空守恒定律统一为law of conservation of energy，进而把law of conservation of energy与动量守恒定律结合在一起。根据这一观点可知广义相对论的正确，例如不是物质存在于空间、时间中，而是物质具有空间时间的广延性，当一个物体消失时，它所激发的相对时空消失，但是绝对时空依然存在。因此真空是绝对时空，Newton的绝对时空观有其正确性的一面，但是Einstein认为场论未能成功地提供整个物理学的基础。

参考文献:
1、马国梁《经典相对论》丁一宁网站
2、《Einstein晚年文集》 Einstein 著方在庆韩文博何维国译海南出版社 2000年3月第1版
3、《世界著名科学家演讲精粹》李政道——科学的发展：从古代中国到现在
朱长超主编百花洲文艺出版社 1995年3月第1版第3次印刷

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