广义时空相对论的基本要点

物理科学探疑-网友天空-系统观点-夏烆光 —广义时空相对论的基本要点
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广义时空相对论的基本要点

（撰文：夏烆光）

我们说：要想真正理解广义时空相对论，需要先熟悉相互作用的基本原则。因为，在这个宇宙中，无论是两个人还是两个物体，他们之间所发生的一切相互作用都必须通过某种形式的接触才能够实现，——不是一个人（或物体）与另一个人（或物体）直接地相互接触，就是两个人（或物体）之间通过某种媒介来实现这种接触。如果两个人（或两个物体）之间没有任何形式的接触，是绝对不可能发生相互作用的。同样，确定一个运动物体在任意空间位置上的时间坐标时，也只有通过信号的传递（接触）才能实现，不管两个位置之间的距离相距的是近还是极其遥远，情况都必须如此。这里，我们把通过接触而实现相互作用的原则，叫做“接触作用原则”。与此相反，我们把那种根本不通过任何形式的接触就能发生相互作用的基本假设，叫做“超距作用原则”。——牛顿力学的前提假设就是这种超距的作用原则。

举一个切近的例子来。譬如说，一个人站在北京机场原地不动，而另一个人乘坐飞机从北京机场起飞到美国的纽约去。在起飞前的那个时刻，两个人先校对好各自使用的时钟。这里，把北京机场的钟的时间记录用t表示，把飞机上的钟的时间记录用t'表示。我们的前提是，两处时钟在性能上是绝对相同的。显然，飞机起飞后，停留在北京机场那个人与乘坐飞机去纽约那个人，他们都只能用自己所在位置上的时钟来记录这架飞机在飞行中所经历的时间过程（如t和）。经过了一段飞行时间之后，飞机在纽约机场降落。这时，坐在飞机里的人就可以利用自己携带的时钟绝对同时地记录到飞机是几点几分到达纽约的（比方说，整个飞行的时间过程刚好是=10小时）。显然，停留在北京机场的人并不能及时地知道飞机抵达纽约的确切时刻。他要想知道飞机到达纽约的准确时刻，只有让乘飞机那个人在抵达纽约时，立刻用最快捷的通讯手段通知他。事实证明，在我们所生活的宇宙中，能够传递运动信息的物质最快的传播速度等于真空中的光速（c = 2.99793×10¹⁰cm/s）所以，目前我们就按照这个极限速度来计算传递运动信息所需要的滞后的时间过程。如果把这个微小的时间过程用Δt 表示的话，那么，飞机里的人把飞机抵达纽约的信息告诉北京机场那个人所需要的最短时间过程是Δt=r/c。

我们说，这里面存在着一个观念上的转变问题。传统的观念是：即使停留在北京机场那个人也同样地认为，从北京飞往纽约的路程上，飞机需要飞行10个小时。换言之，北京机场那个人与乘飞机的那个人所认定的飞行时间都是10个小时（假如我们设定的起飞时刻正好是0点，则有t==10个小时）。我们的问题是，如果不在相对论中，这种思考方法是没有问题的。可是，在相对论问题中，这种思考方法就有问题了。原因是：相对论所讨论的问题是，处在不同位置上的两个人（观测者）对于同一个运动事件（或质点）运动过程的不同描述，——即观测结果的相对性。可见，这里需要转变的传统观念是：停留在北京机场的那个人，在记录这架飞机飞行的时间过程t之中，必须把飞机抵达纽约的时刻以光速反馈给北京所需要的时间过程（Δt）包括进去。假如纽约到北京的直线距离用r表示，飞机的钟记录的时间过程用表示，则有t=+Δt。结果，北京机场的人得出该飞机的相对速度V =r /(+Δt)；而乘坐飞机的人得出该飞机的绝对速度υ=r /。显而易见，这种绝对速度准确地反映了飞机的运动速度；而相对速度，由于其中包含着传递运动信息所需的时间过程Δt，因而不能真正地反映出该飞机飞行时的运动速度。

必须弄清，“相对论”所讨论的问题是：停留在北京机场那个人（相对静止的观测者）同乘坐飞机去纽约那个人（相对运动的观测者）之间，对于这架从北京飞往纽约的飞机，所记录的两种时间过程（t 与）之间、以及所得出的两种飞行速度（V 与υ）之间的一种相互比较（坐标变换）。不言而喻，从北京到纽约的空间距离对站在北京的人（静止观测者）与抵达纽约的人（运动观测者）来说是同一个物理量，即于是，我们利用一个“客观性原理”——客体具有不依赖于主体的客观内容——勒令两种情况下的“间隔平方”绝对相等（），经过一定的数学推导，就得出了《广义时空相对论》的变换关系式如下：

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也许有人根本不接受我把北京机场那个人与飞机里那个人经历的时间过程加以严格区分的观点，或者说不同意北京机场那个人把飞行的时间过程定义为t =+Δt，主张继续按照狭义相对论的观点认为：飞机上的人得出飞行的时间过程为，北京机场的人得出的飞行时间过程为t，飞机的飞行速度对于不同位置的两个人来说是同一的（即V ≡υ），而只是飞行的时间过程对于不同位置的人来说有所不同（即t >），并把的这种“减小”叫做“洛伦兹收缩”，并且认为这种收缩是真实的。

我们说，如果接受了V ≡υ的观点就等于相信：北京机场的那个人不必采取任何手段就能够绝对同步地知道这架飞机到达纽约的准确时刻。然而在事实上，基于接触作用原则以及信号传递速度的有限性，停留在北京机场的人是绝对不可能同步地知道飞机到达纽约的准确时间。——请注意！这里所说的“不同步”并不是说北京机场上的钟与飞机上的钟在振动周期上出现了某种偏离，而是说北京机场上的人不能即时地记录到飞机抵达纽约的运动信息。相反，如果认为北京机场上的人也能绝对同步地知道飞机抵达纽约的准确时刻，那么，这就等于北京机场那个人是在利用自己抽象的“思维能力”来推断飞机抵达纽约的准确时刻。这样一来，就意味着位于北京机场这个静止的惯性坐标系上的观测者，是在利用无穷大的抽象的思维能力确定一个与自己相距为任意遥远的飞机（或运动物体）的时间坐标，结果静止的惯性坐标系上的人还是没有摆脱绝对同时性的时间观念，问题又返回到牛顿力学中，即返回到“相互作用传播速度为无穷大的”前提假设中。然而，正是这一前提假设与狭义相对论本身的前提假设之间存在着根本的对立。——爱因斯坦相对论的前提假设是：相互作用传播的时间过程是有限的，同时性是相对的。

这里需要大家深入而又认真思考的问题是：无论是位于静止惯性系坐标原点上的观测者，还是位于运动惯性系坐标原点上的观测者，假如他们都能绝对同步地给出同一个运动事件在离开自己以外的任意空间位置上的时间坐标的话，那么，他们肯定是都没有摆脱绝对同时性的时间观念。譬如说，在太阳、地球、和月球这一物体系统之中，假如站在地球上的观测者、同站在太阳上的观测者，都能绝对同步地给出月球分别相对于他们自己运动时处于任意空间位置上的时间坐标（与t）的话，则在月球地球与太阳这三者之间，就必定具有绝对的同时性！显然，这个问题的逻辑关系如同：假如A = C，B = C，则必有A = B。

众所周知，牛顿力学所使用的物理概念和物理原理，诸如：惯性坐标系统、相对速度、伽利略相对性原理等，都是建立在相互作用传播速度为无穷大的前提假设之上。换言之，牛顿力学的前提假设是：相互作用是超距的，同时性是绝对的。可见，上述的物理原理和物理概念，只有在牛顿力学中才是有效的。不过，也正因为这一点给牛顿力学本身带来了近似性，使其成为只有在物体的运动速度远小于光速（即V<<c）时，才能够近似地成立。这里不妨以“惯性坐标系统”这个概念为例来加以说明。正如所知，在牛顿力学中，无论是处于相对静止坐标系统（K）中的运动事件（或质点），还是处于相对运动坐标系统（K'）之中的运动事件（或质点），只要是在同一个惯性坐标系统内，由该运动事件（或质点）的“匀速直线运动”所形成的“轨迹”——空间距离——的两个端点（如A与B）之间，在时间顺序上就具有绝对同时性。不难看出，这种思考方法完全等于不同的观测者同时站在两个不同的空间位置（A与B）之上。显然，只有在相互作用传递速度为无穷大的前提下，这种情况才能实现。因此说，认为静止系的时空坐标、及运动系的时空坐标各自地具有绝对同时性的时空观念，是导致爱因斯坦相对论出现错误的根本原因！

当然，这种错误的时空观念并非是从爱因斯坦才开始的。早在2000多年前创立的欧几里得几何学就存在着类似的错误观念。众所周知，在几何学中，人们就只考虑一个几何图形的空间关系而不考虑其尺寸的大小对问题可能带来的影响。的确，如果我们所研究得问题是纯粹的几何关系，运用这种具有无穷大速度特征的思维能力来进行几何抽象，对问题本身是没有影响的。可是，如果所研究得是由物质运动（例如惯性运动）所形成的空间关系时，就不能不考虑在这个几何图形中的“点”和“线段”所代表的空间位置（如点A、B、C…及线段AB、BC、CA、…）之间，由于运动速度的有限性所造成地在形成顺序上的“先”与“后”。换句话说，在相对论问题中，在必须考虑运动速度有限性的场合下，就不允许直接地应用欧几里得几何理论（或者是其他几何理论）来处理由物体相对运动所形成的各种空间关系。譬如说，某一直线段（AB）是来自于一个物体（或质点）从点A到点B的匀速直线运动所形成的空间关系，那么，考虑到物质运动速度的有限性，在线段AB的两个端点A和B之间，就肯定包含着在形成时间顺序上的“先”与“后”。显然，这两个端点在时间先后上的最小值等于两点间距离（r）被光速（c）除所得出的比值，即Δt = r/c。可见：“几何的抽象只是在纯粹的几何学中才是无条件地有效的。”——这是一个需要我们认真思考与更新的物理观念。

诚如上述，爱因斯坦相对论的出发点是：相互作用传播速度的有限性。即同时性是一个相对的概念，超距的相互作用是不存在的。然而，在爱因斯坦的相对论中（包括他的《狭义相对论》和《广义相对论》），无论在时间坐标（和t）与空间坐标（r'和r）的确定上，还是在对时间坐标、以及空间坐标各自所进行的坐标变换中，总是完全按照现有的几何理论（包括欧几里得几何理论与黎曼几何理论）进行的，因而都没有考虑到上述的最小时间差（Δt）给问题所带来的影响。所以说，爱因斯坦的相对论并没有从根本上摆脱绝对同时性的时间观念。

一言以蔽之，利用自己的思维能力来确定光子在任意时刻的空间位置的做法，全等于相互作用传递速度为无穷大的前提假设。所以说，传统的光速测量方法并没有从根本上摆脱绝对同时性的时间观念。基于这一点我们断言：一个远离运动事件的观测者，根本不可能绝对同步地记录到这个运动事件在任意空间位置上的运动信息。——这是个需要我们深入思考和反复推敲但又极为普通的问题！

我们说，《广义时空相对论》的新颖之处就在于明确地指出：爱因斯坦的相对论，不仅在逻辑上存在着谬误，而且在概念上也存在着错误。之所以说它在逻辑上存在着错误，是因为这个相对论一直使用着牛顿力学所确立的物理概念和物理原理，包括相对速度、惯性坐标系统、光速不变原理、伽利略相对性原理等等。而这些概念和原理都是建立在绝对同时性的时间观念之上。然而，爱因斯坦相对论的前提假设恰恰是否认了绝对同时性的时间观念。可见，爱因斯坦相对论的逻辑推理与自己的前提假设之间存在着根本的对立；之所以又说它在概念上存在着错误，是因为任何关于时间坐标、以及空间坐标的相互比较（坐标变换）都必须建立在共同起点的基础之上，这是相互比较所必须遵循的逻辑原则。可是，爱因斯坦却允许运动惯性系上的时间坐标与空间坐标、以及静止惯性系上的时间坐标与空间坐标，各自使用不同的坐标原点（O'与O）。显然，在两个没有共同起点的物理变量间进行坐标变换，这本身就违背了相互比较所必须遵循的起码的逻辑原则。

否认爱因斯坦的相对论，就不能不涉及到 “光速不变原理”。可以说，光速不变原理正确与否是爱因斯坦相对论的重要判据之一。要谈论光速不变原理，就不能不涉及到光速的测量方法问题。诚如所知，在传统的光速测量方法中，观测者总是停留在光源的位置（静止系）上、记录往返于“光源”同“反光镜”之间时间过程的一半（即2t/2=t）来作为“光子”在这一空间距离（r）上传播时所需要的“时间过程”，并由此而得出光子传播的相对速度c =r/t。不难看出，这种测量方法完全等同于跟随光子一起运动的那个观测者、利用自己携带的运动的钟，随时随地记录的时间过程（t'）去除以同一个空间距离（r'），即c'=r'/t'（暂记作c'）。这里把比值“c'”定义为光子运动的“绝对速度”。注意到光源（O）与反光镜（O'）之间的距离r≡r'，所以说，传统光速测量方法所得出地光子运动的相对速度（c）同站在光子上测量该光子所得出地绝对速度（c'）完全是同一个物理量，即c ≡c'。可见，测量光速的传统做法完全等同于处在光源位置上的观测者利用自己的思维能力——无穷大的信号速度——去推理光子的运动速度，而并非是依靠现有的实验系统得出地测量结果。

从思维逻辑上讲，一个从静止系坐标原点（O）出发的运动事件，静止的观测者可以使用静止的钟来描述其运动过程，并得出一个时间坐标（t），而跟随事件一起运动的观测者，可以使用运动的钟来描述这同一个运动过程，又得出另一个时间坐标（t'），基于相互作用传播速度的有限性，在时间过程t中，必须包括把事件抵达终点时刻的运动信息以光速反馈给运动起点所需要的时间过程Δt，即是说，应有t=t'+Δt。相反，在时间坐标t'之中，就不存在这个时间差。结果，位于光源处的观测者测得光子运动的相对速度c =r/(t'+Δt)；而跟随光子一起运动的观测者测得光子运动的绝对速度c'=r'/t'。注意到r≡r'，则有c ≠c'。
基于上述分析使我们不难想象，光子运动的绝对速度（c'）根本不可能同光源运动的相对速度有关。这一点，就如同子弹离开枪口时的绝对速度不可能与枪支本身对于其他参照物的相对速度有关一样。由此而论，所谓的“光速不变原理”乃是光子相对于光源运动的绝对速度（c'）不变，而并非是光子相对于光源运动的相对速度（c）也不变。——这既是一个重大的物理问题，也是一个重大的哲学问题！

按照辩证唯物主义的基本原理，我们说：在时间问题上，关于具体的同一性的概念，也就是具体的同时性。而具体的同时性其内涵是：同时性之中包括着不同时性。正所谓：在一切事物中，如果不包括着“差别”作为“同一”的对立面，那么任何事物也就不会由“同一”发展成为“差别”。——这正是唯物辩证法的“对立统一”规律，同时性也是如此。举一个切近的例子，比如“生”与“死”这个矛盾。如果一个活人的肌体内不包含着死亡的种子，他就不会由“活人”而变成“死人”。同样的道理，一个在“空间起点”与“时间起点”上都重合的运动事件（起点位置的时间是绝对同时的），如果其中不包括着“具体的同时性”，它就决不会在运动的过程中，从同时性（t =t'）发展为不同时性（t≠t'）。

准确地说，广义时空相对论认为：导致具体同时性的客观原因是相互作用传播速度的有限性。因为，假如相互作用的传播速度是无穷大，任何两个遥远的空间位置之间，在确定时间坐标上肯定具有绝对的同时性，结果，不论观测者站在什么位置上观测，都决不会造成由t=t'（在运动起点处）向t≠t'（离开了运动起点之后）的转变，如此等等。

总而言之，如果不按照上述观念去理解相对论问题的坐标变换，就必然相信运动系上的空间坐标和时间坐标在运动中真地产生了“洛伦兹收缩”，从而就一定会否认空间和时间的客观实在性，就必然地认为“空间和时间都不是客观实在，而是人的直观形式”。——这就是马赫的“相对主义”时空观，是彻头彻尾的主观唯心主义思潮。

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