广义观测相对论_时空在爱因...)——GOR理论与科学预言_阮晓钢.pdf

第 卷 第 期 年 月北京工业大学学报 编者按：北京工业大学学报 年第 期在“学术争鸣”刊载了北京工业大学阮晓钢教授的广义观测相对论：时空在爱因斯坦广义相对论中为什么弯曲？之“上篇：理论的建立”，本期继续刊载其广义观测相对论：时空在爱因斯坦广义相对论中为什么弯曲？之“下篇：理论与科学预言”霍金认为，人类的物理学越来越支离破碎，分割成越来越多的局部理论；物理学家们的任务是将它们统一起来 同一世界，同一逻辑 理论体系概括统一了爱因斯坦广义相对论和牛顿万有引力论，其意义不言而喻 正如霍金在其时间简史：从大爆炸到黑洞一书中所说：“如果我们发现一个完整的理论，那将是人类理性的终极胜利，因为，那时我们就会知道上帝到底是怎么想的”理论对爱因斯坦广义相对论和牛顿万有引力论的统一印证了 理论逻辑上的自洽性和理论上的正确性 然而，物理学，既是思辨的，更是实证的 一个新的理论，不仅需要逻辑上自洽和理论上正确，而且，更需要实证依据，得到观测和实验的支持在广义观测相对论：时空在爱因斯坦广义相对论中为什么弯曲？的“下篇：理论与科学预言”中，阮晓钢教授基于其建立的 理论，重新审视爱因斯坦曾经做出的著名的科学预言，包括光之引力红移、光之引力偏折、水星进动，以及以光速运动的“引力波”；重新审视物理学之重大疑难，包括“宇宙膨胀”论和“宇宙大爆炸”（）的学说 新的理论，新的发现，给予物理学新的见解 基于 理论，阮晓钢教授将为我们论述引力相对论性效应或引力相对论性现象的根源和本质，给我们带来不同于主流物理学和传统观念的新的见解：爱因斯坦广义相对论之科学预言未必比牛顿万有引力论之科学预测更正确；未必探测到了真正的引力波；宇宙红移未必意味着宇宙膨胀；而我们的宇宙未必起源于所谓的大爆炸“奇文共欣赏，疑义相与析”收稿日期：；修回日期：作者简介：阮晓钢（），男，教授，主要从事自然控制论和理论物理学方面的研究，：广义观测相对论：时空在爱因斯坦广义相对论中为什么弯曲？（下篇）理论与科学预言阮晓钢（北京工业大学信息学部，北京）摘 要：“观测相对论”（，），基于不同于爱因斯坦狭义相对论之逻辑前提，却导出了形式上与洛伦兹变换完全相同的“广义洛伦兹变换”，概括统一了伽利略变换和洛伦兹变换，揭示了物理学不同观测体系之间以及不同理论体系之间的对应关系，赋予玻尔对应原理更为普遍的意义 本文基于 理论和玻尔对应原理，建立“广义对应原理”；进而，基于“广义对应原理”，将 理论由惯性时空推广至引力时空，将爱因斯坦广义相对论由光学观测体系推广至一般观测体系，最终，建立起与爱因斯坦广义相对论同构一致的“广义观测相对论”（，）理论为我们带来了有关爱因斯坦广义相对论的全新认识：时空并非真地弯曲 客观真实的时空是不会弯曲的；与一切观测上的相对论性现象一样，所谓“时空弯曲”，并非客观的物理现实，而是观测局域性所致之观测效应 理论概括统一了牛顿万有引力论和爱因斯坦广义相对论两大理论体系 理论中，牛顿万有引力论和爱因斯坦广义相对论皆霍金言下之局部理论（），分属不同观测体北 京 工 业 大 学 学 报 年系：牛顿万有引力论乃理想观测体系的产物，而爱因斯坦广义相对论则是光学观测体系的产物 根据 理论，不同观测体系存在不同程度的观测局域性，其观测上的引力时空呈现不同程度的弯曲状态：光速是有限的（c ），因而，光学观测体系存在观测局域性，这是爱因斯坦广义相对论之引力时空看起来有些弯曲的原因；理想观测体系无观测局域性存在，因而，牛顿万有引力论之引力时空代表客观真实的引力时空 广义对应原理意义下，理论与牛顿万有引力论和爱因斯坦广义相对论具有严格的对应关系：光学观测体系情形，场方程严格地约化为爱因斯坦场方程，运动方程严格地约化为爱因斯坦广义相对论之运动方程；理想观测体系情形，场方程严格地约化为牛顿万有引力定律之泊松方程形式，运动方程严格地约化为牛顿第二定律之运动方程形式 这种严格的对应关系表明，理论，既与爱因斯坦广义相对论逻辑上一致，又与牛顿万有引力论逻辑上一致；同时，这种严格的对应关系印证了 理论逻辑上的自洽性和理论上的正确性 理论意味着，人类及其物理学需要重新认识牛顿万有引力论和爱因斯坦广义相对论，重新认识引力相互作用及其相对论性现象，重新认识爱因斯坦基于广义相对论所做出的科学预言，重新认识客观世界，重塑人类的自然观关键词：对应原理；相对性原理；狭义相对论；广义相对论；观测相对论；局域性原理中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：？（）（，）：（），（），（），（）：；，“”，：；，（c ）第 期阮晓钢：广义观测相对论：时空在爱因斯坦广义相对论中为什么弯曲？（下篇），；，：，；，（，），：；理论与行星轨道之旋进 理论之引力场方程的标定和确立，意味着 理论的正式建立，意味着牛顿万有引力论和爱因斯坦广义相对论两大理论体系的统一 新的理论期待新的发现和新的认识，乃至新的思想第 章成功地求解静态球对称引力时空之 场方程，由此，本章围绕爱因斯坦著名的三大预测之行星进动（行星轨道旋进）问题，测试或验证 理论 我们将基于 理论，探究天体系统之“二体问题”（）；运用 场方程和 运动方程，建立行星运动方程，即行星围绕恒星运行的天体“二体系统”之理论模型我们力求，基于 原理，结合 逻辑路线 和 逻辑路线，类比爱因斯坦广义相对论之逻辑，演绎 理论之行星运动方程 理论之行星运动模型，可与牛顿引力论之行星运动模型以及爱因斯坦广义相对论之行星运动模型对照或类比，验证或测试 理论及其场方程和运动方程，解析天体运动中的引力相对论性效应，特别地，解析爱因斯坦广义相对论之水星近日点反常进动预测的实质.天体运行图像的演化可以想象和理解，古人对于自身赖以生存的地球以及每天围绕地球东升西落的日月星辰充满好奇“地球”（）的概念自然是后来才有的，原本，中国人称其为“大地”（）远古的人类很难将“大地”想象为一个球体 人们以为：大地像一张波斯地毯，幸亏有它，我们才不至于陷入底层的地狱 然而，无论如何，基于“眼见为实”的准则，人们会自然地认为，东升西落的日月星辰围绕大地运行，而运行轨道一定是理想的圆形“地球”的概念始于托勒密的“地心说”（；见图（）地心说大约形成于公元 世纪，又称“天动说”，其核心思想可归纳为：第一，大地是球体；第二，地球乃宇宙中心；第三，日月星辰皆围绕地球旋转 自然地，地心说之日月星辰围绕地球运行的轨道也是理想的或标准的圆形公元 世纪，哥白尼创建了“日心说”（；见图（），将宇宙的中心由地球搬到了太阳 日心说令人类对宇宙的认识朝向正确的方向迈进了一大步：地球绕其轴自传，月亮绕地球旋转，而地球以及其他行星则围绕太阳旋转 然而，在哥白尼的日心说中，无论月亮绕地球运行还是行星绕太阳运行，皆因循理想的圆形轨道，并且，所有行星的运行轨道形成以太阳为中心的同心圆公元 世纪，开普勒基于第谷积累的天文观测资料和数据，提出了关于行星运动的三大定律，即开北 京 工 业 大 学 学 报 年图 地心说与日心说 普勒三定律，包括“轨道定律”，以及“面积定律”和“调和定律”（见图（）其中，“轨道定律”又称“椭圆定律”：行星围绕太阳运行的轨道是椭圆，而太阳位于椭圆的一个焦点上 开普勒轨道定律表明，星体运行轨道未必是理想的或标准的圆形然而，特别值得注意，开普勒的行星椭圆轨道是封闭的或闭合的，其中，行星之近恒星点不存在进动，或者说，行星轨道不存在旋进图 天体运行轨道 开普勒三定理之后，牛顿三定律以及牛顿万有引力定律相继诞生 基于牛顿定律，开普勒三定律皆可从理论上导出；人类的物理学开始由唯象物理学上升至理论物理学 牛顿万有引力论能预测更为广义的圆锥曲线轨道：物质体系在引力场中运动，其运行轨迹可以是圆、椭圆、抛物线，以及双曲线，皆为标准的圆锥曲线 将牛顿万有引力定律应用于天体系统之“二体问题”，可以建立行星围绕恒星运行的理论模型，计算行星运行轨道 牛顿之行星运动方程支持开普勒之“轨道定律”：行星轨道乃封闭的或闭合的椭圆，不存在进动或旋进然而，通过实际的天文观测，天文学家发现，行星之运行轨道并非闭合的椭圆，其近恒星点总是不断地进动（见图（）水星近日点的进动尤为突出，其轨道旋进率为每 年 .角秒 物理学任何理论都只是物理现实的某种理想 第 期阮晓钢：广义观测相对论：时空在爱因斯坦广义相对论中为什么弯曲？（下篇）化模型 行星和恒星之“二体系统”本身是一种极度理想化的体系，并且，还常常被进一步理想化作“单体问题”（），“二体系统”约化为“单体系统”（）：行星围绕着静止的恒星运行 如此，相应的理想化条件包括：引力辐射速度无穷；恒星静止，行星围绕恒星运行；恒星和行星皆质点，无论视其为“单体”还是“双体”，皆孤立体系；观测者本应基于恒星视角，理论上，应相对于恒星静止且处于零势位；行星运动信息的传递无须时间 而天体系统之实际情形是：引力辐射速度是有限的；恒星和行星通过引力，相互作用，相对运动；恒星和行星皆非质点，其物质分布非均匀、非对称、非静态；恒星和行星处于无数星体包围中，非孤立体系；观测者一般位于地球，处于太阳和地球之引力场中，相对于太阳和被观测行星运动；行星之运动信息的传递速度有限，跨越空间需要时间因此，可以想象，我们所观测的天象，包括月球围绕地球运行，地球以及水星和火星等行星围绕太阳运行，其实际运行轨迹必定不是理想化的闭合的椭圆轨道 客观物理世界，其行星轨道呈现进动或旋进是自然而合理的，甚至，是必然的 相反地，我们很难想象，天体能周而复始地沿着同一闭合椭圆轨道运行而没有漂移 实际上，就天文观测数据和实际观测结论而言，客观真实的天体系统，其符合理论模型的程度，已经远远地超越了我们的想象或预期 就水星而言，其围绕着太阳每公转 周仅仅旋进 了 大 约.角 秒 千 分 之.度 可见，牛顿之天体“二体系统”理论模型已经相当完美水星，作为太阳系距离太阳最近的行星，其运行轨道的旋进最为突出 物理学家们针对水星太阳“二体系统”的非理想化因素，进行了一番修正性的计算（所采用的仍然是牛顿理论），扣除坐标系之“岁差”的影响（约占），以及其他行星（特别是金星和地球以及木星）之“摄动”的影响（约占），共计.角秒；最后，还剩下.角秒找不到归宿 其实，每 年旋进.角秒可谓“小量”，太阳引力之局域性、太阳不规则的形态、太阳的自旋等，都可能加剧水星进动 年，爱因斯坦继 年建立狭义相对论之后，建立了广义相对论 爱因斯坦将其广义相对论应用于天体之“二体问题”，建立了爱因斯坦广义相对论之行星运动方程，其中，包含着牛顿之行星运动方程所不具有的信息：行星轨道旋进项神奇出现了：爱因斯坦之行星运动方程用于计算水星围绕太阳运行，所得水星近日点之进动率为每 年.角秒，与实际观测值 .角秒中找不到归宿的.角秒极度吻合 尽管有不少物理学家认为，其中尚存疑点，不宜下最终结论，而物理学界则普遍认为这一计算结论是对爱因斯坦广义相对论的支持其中的问题是：无论.角秒或.角秒，都只是水星近日点进动之实际观测值 .角秒中极小的部分，不足.；那么，为什么爱因斯坦广义相对论只预测水星实际进动 .角秒中的.，却不能预测另外的.呢？另外，还有一个问题：造成水星进动的因素很多，物理学家们为什么不能采用爱因斯坦广义相对论，扣除非理想化因素对水星进动造成的影响，验证其是否确实为.角秒呢？归纳并梳理一下：第一，水星轨道旋进率实际达到了每 年.角秒；第二，牛顿之行星运动方程对水星轨道旋进率的预测为；第三，爱因斯坦广义相对论对水星轨道旋进率的预测为每 年.角秒，与实际的 .角秒相去甚远，无可比性实际上，爱因斯坦广义相对论之行星运动方程隐喻了牛顿万有引力论之行星运动方程所设定或隐喻的几乎所有理想化条件，包括第 章之.指出的：引力辐射速度无穷 唯一的不同是，爱因斯坦之理论模型隐喻着“观测局域性条件”：行星的运动信息需要通过光来传递 正如 和 理论所阐明的，爱因斯坦的理论是光学观测理论，归属光学代理（c），其信息波速度乃光速 c，是有限的，自然地，存在观测局域性（c ）无论爱因斯坦之行星运动模型，还是牛顿之行星运动模型，都没有关行星近恒星点进动或行星轨道旋进的任何先验信息，比如，坐