物理科学探疑-网友天空-系统观点-李学生-四、 引力质量的Lorentz
transformation
四、 引力质量的Lorentz transformation
李学生
摘要：本文首先通过修正Lorentz transformation，指明了现代物理学中的时间延缓现象本质上是广义相对论效应，而不是狭义相对论效应，使狭义相对论与广义相对论的时钟延缓效应统一在一起，圆满地解释了twins paradox和潜水艇悖论。
关键词：Lorentz transformation、twins paradox、潜水艇悖论
如果认为加速运动的物体引力质量增加、长度缩短、时钟延缓，减速运动的物体引力质量减小、长度增加、时钟加速，这样我们便可以看出自然界的变化具有对称性。这样twins paradox便可以迎刃而解，因为双生子在运动过程中既有加速过程，也有减速过程，时钟既有延缓过程，也有加速过程，所以见面时年龄应当相同，潜水艇悖论根本不存在。在上文的理想实验中，物体的引力质量（或者长度）开始与最后应当相等，静止引力质量（或者长度）是绝对的，运动引力质量（或者长度）是相对的，运动引力质量（或者长度）是在实验过程中观察者测得的引力质量（或者长度），并非内禀引力质量（或者长度），不同观察者测得的引力质量（或者长度）不同。从静止惯性系观测运动惯性系时，静止惯性系与运动惯性系的固有时（绝对时间）同时，即固有时是恒定不变的（1）。这一点类似于数学中同一条曲线，由于建立的坐标系不同得到的曲线方程也不同。根据量子力学的测不准关系，标准时空永远测不到，与测量仪器（产生相对时空）有关。Planck讲：“在相对之物 背后寻找绝对之物，我们甚至可以完全肯定地认为：我们简直不可能把握住绝对的东西，倒可以说绝对的东西构成一个理想的图标，它总在我们面前而不能达到。”
相对论的相对性的原理虽然可以确定两个惯性参照系的地位是等同的，也可以确定任何一个惯性参照系都可以作为时间测量的标准，但是，从这一任意的标准参照系去进行实际观测另一个惯性参照系的时间，我们没有任何的理由确定这两个参照系中的时间单位一秒就是确定的恒值，而没有差异。
物理学家曾经利用原子钟高速运动时钟减缓寿命的延长，说明狭义相对论的正确，笔者认为这是不妥的。因为原子钟在高速运动过程中，地面上的时钟相对于它也在高速运动，为什么地面上的时钟不减缓呢？因为原子钟在实验中有一定的飞行高度，在飞行过程中实际是变速运动，加速运动的物体可以产生引力场，根据广义相对论引力场中时间延缓，所以对此应当重新分析。引力场强度不变，时钟的快慢不变，强度变大，时钟延缓，反之时钟加速。在μ子和介子实验中，μ子和介子作有加速的圆周运动，实验证实作这样运动的μ子和介子的平均寿命大于静止μ子和介子的平均寿命。其实笔者认为这也是一个广义相对论
效应，因为一个物体旋转时产生的离心力形成一个引力场，μ子和介子作圆周运动与在引力场中运动是等价的。
μ子在15~20km的高空产生的，它一很高的速度飞向地球。在静止状态下，它的寿命为2.2×10-6秒,照理它只能飞行600m左右,但是它在大气中飞行的距离竟达十几km.
笔者认为这是一个广义相对论效应。在飞向地球的过程中,引力场在增强,同时由于μ子带有电荷，地磁场的存在相当于加强了引力场.
研究时空的性质需要进行测量，光或电磁波是测量时空的唯一工具，从而是了解时空性质不可缺少的因素。相对论常遭指责，说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位，以光的传播定律作为时间概念的基础。然而情形大致如下：为了赋予时间概念以物理意义，需要某种能建立不同地点之间的关系的过程。为这样的时间定义究竟选择哪一种过程是无关重要的。可为了理论只选用哪种已有某些肯定了解的过程是有好处的。由于Maxwell与H.A.Lorentz的研究之赐，和任何其他考虑的过程相比，我们对于光在真空中的传播是了解得更清楚的。(2)狭义相对论只所以适用于电磁场是因为电磁场的传播速度都等于光速，在电磁场发生的两个事件是以光速联系着，如果以其它信号联系，同时性与因果律的概念也会变化。互补性观点可以看作因果性概念的一种合理性推广。相对性原理认为任何物理规律对于任何参考系都成立，光速不变性原理却告诉我们光比其他物质更具有优越性，光速为定值，光速是物体运动的速度极限，不可能有比光速更大的速度，唯物辩证法认为除了作为整体的宇宙及其一般规律而外不承认任何绝对不变的东西和绝对不变的界限，光速原理并不只是光的原理，而是用光速表示一切速度的极限和宇宙的时空性质，也说明唯物辩证法的观点具有一定的局限性。
因鉴于此，现将Lorentz transformation修正如下：
,
加速时取负号，减速时取正号。根据时空平权理论，加速运动的物体时钟延缓与长度缩短本质是一致的，速度不变（即能量不变）时长度与时间不变，进一步说明了场的时空本质观点的正确。根据这个修正，上面的潜水艇悖论自然不存在，潜水艇对于不同的观察者看都应当是相对于海平面静止的。下面的实验可以验证修正的Lorentz
transformation的正确性：用宇宙飞船携带国际米原器、时钟到月球旅行一周，在运动过程中使米原器始终沿着运动方向。根据广义相对论，在运动过程中引力场在减弱，返回后米原器的长度应当基本不变，时钟的运动应当加速。
狭义相对论中的运动长度与运动时间其实是时空量子，并非绝对时空，这是Einstein实证哲学观的体现，Einstein在Lorentz transformation变换中运用速度而不用加速度主要是受到马赫哲学的影响。狭义相对论与广义相对论中的时钟延缓本质上是一样的，加速运动的物体可以在其周围形成一个引力场，空间曲率变大，相当于引力质量增加，长度缩短，时钟延缓；减速运动恰好相反。狭义相对论与广义相对论是紧密地联系在一起，有质物体的最主要的作用就是产生空间曲率，一切物体在重力场中运动的轨道只所以会发生弯曲在于空间本身是弯曲的，引力质量的大小是物体周围空间曲率大小的表现形式，因此加速运动的物体引力质量的增加可以认为从时空中获得，此时引力场增强。不同观察测得同一物体的引力质量不同，但是宇宙的总能量不变，进一步说明能量守恒定律的正确性，即狭义相对论效应是能量守恒定律的表现形式。相对论中的时间、长度、引力质量不但具有相对性，同时具有绝对性，是相对性与绝对性的统一，Bohr的观点具有一定的局限性。广义相对论揭示了物质对时空结构的反作用。因此一个粒子的引力质量并不是它本身所特有的，而是由宇宙中所有其它粒子决定的。这样运动引力质量与静止引力质量之间便统一起来，从根本上解决了上面的问题。狭义相对论可以从广义相对论推导出来。我们在地球上之所以能站起来行走，是由于一切天体都向地球发射引力波。按照广义相对论，只在引力作用下运动的物体，如果用它自己的时钟测量，它总是走者一条费时最多的路线。
设想宇宙中的每一个粒子都带有自己的时钟（一个给定的时间），固有时间（绝对时间）是对时间量子流逝的仅有的有内禀特性的度量方式。例如当物理学家列出某种亚核粒子的寿命时，他们指的是用粒子自身的钟测得的寿命，而不是实验者测得的寿命。因为如果用实验者测得的寿命，还必须说明粒子与实验者的相对加速度，根据广义相对论它不是一个内禀的物理量，因此会因不同实验而异。
量子统计物理证明了，任何具有上限能量且有有限个能级的平衡孤立系统，可以出现负绝对温度。当温度T→+∞后，系统内能再增大，温度跳变到T＜0，这就是负温度状态。负温度的存在，不仅在理论上得到证明，而且在核磁共振与激光技术中已有应用。
由量子统计物理可知，粒子具有的统计平均速率与系统温度的平方根成正比，
，当T＞0时，V为实速率；当T＜0时，V=vi为虚速率（3）。
既然负温度的存在，不仅在理论上得到证明，而且在核磁共振与激光技术中已有应用，因此我们应该承认负温度与虚速率的存在，进一步假定Lorentz transformation 对于虚速率状态依然成立。
当物体的运动速率为虚速率时，加速度应当为虚加速度，此时
于是：当速率的绝对值增加时，物体引力质量减小、长度增加、时钟加速；当速率的绝对值减小
时，物体的引力质量增加、时钟延缓、长度缩短。
在Lorentz transformation修正后，狭义相对论仍然仅适用于惯性参照系。由于相对时空总会影响绝对时空的结构，因此不可能通过追求物理学世界图景的客体性的意向从其实在图景 中排除观察及其制约着的效应，重新解释相对论与量子力学，不过相对论效应与测不准原理也是客观的，Einstein 与Bohr分别看到了问题的一个方面。这样修正也符合Einstein的基本思想。由于狭义相对论的几何基础是Minkowsk空间 ，它仅适用于直线运动。在曲线运动中速度的大小和方向都可能变化，虽然曲线的每一点可以认为是直线段，但是总体上不能看作直线。因此曲线运动必须用广义相对论解释，μ子作圆周运动时间延缓，必须用广义相对论研究。通过这样修正狭义相对论，不但可以解释减速以及虚速率下的相对论，而且发现相对论更加具有数学上的美感：运动物体的长度既可以增加，也可以缩短；运动时钟既可以延缓，也可以加速；运动物体的引力质量既可以大于静止质量， 也可以小于静止质量。自然界物体的运动 —— 加速与减速、实速率与虚速率更加显示出对称性与统一性，反映在科学上便具有科学美。无疑这样修正符合Einstein的科学思想 —— "大自然总是喜欢简单与美感。"笔者认为简单本身就是一种美感。进一步可以设想，这样还可以解释一些用现代物理学无法解释的现象，譬如由于运动物体的引力质量可以减小，可以解释目前气功界的失重现象与动物在死亡过程中重力略微减小——其体内某些物质的运动速度在减速（当然应该利用实验证实）等等。
假设A、B两物体的静止质量相等，一个物体以角速度ω旋转，同时两物体以V作平动，那么根据Lorentz
transformation，他们的能量相等，可是旋转物体具有转动动能，那么如何解释？狭义相对论只研究了平动状态下的情形，因此在转动状态下需要进一步修正。假设一个物体的静止引力质量为m0,转动动能为E（计算时应当考虑相对论效应），则它的能量为
如果一个物体同时作平动与转动，那么转动时的运动质量可以作为平动时的静止质量。自旋是带电粒子的相对性理论的一个自然特色，它和广义相对论是以一种未知的方式深刻地联系在一起的。两个电子的总自旋通过体系轨道波函数的对称性质，对氦原子的能量具有很大的影响。
参考文献：
1、《狭义相对论的新图示法——时空圆图法——》［日］浅野四郎
浅野诚一 著 师华译 高等教育出版社 1992年版
2 、《相对论的意义》 A. Einstein 著 李灏 译 科学出版社 1979年
3、《热力学史》阎庚年 著 山东科学技术出版社 1989年5月 版
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