白涛 时空整合论 哲学观念 相对论 经典物理学

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关于“空子”的新理论《时空整合论》2006-07-26 21:52:50 楼主1. 时空整合论廊坊市广播电视大学 白涛众所周知，爱因斯坦在20世纪初期提出的相对论，是物理学发展史上的一个划时代的伟大成就。但是，相对论也是引发争议最多的新理论之一。实际上，广义相对论早已指出，由于受大质量运动参考系所造成的时空曲率加大的影响，光线在其中经过时，会形成一条曲线。这就意味着光线有了完全的改变，具有了某种超光速性质。问题在于，在这里，光速可变是通过时空可变而显示出来的。其次，人们普遍认为，在广义相对论中，引力和惯性力只是在局部的、小范围内等效，而在大范围时空内并不完全等效，因此，它只是一个弱等效原理。在这里，运动的相对性原理并不是一个强等效原理。因为强等效的运动的相对性原理要求时空处处均匀，而广义相对论的黎曼时空并不处处平坦。与此相同，在惯性系中，由于相对惯性速度而产生的“动质量”的作用，使这一封闭相对惯性系的时空发生弯曲，因此也并不处处平坦。这些都使得在惯性系的运动中，相对性原理不能成为一个强等效原理。但是，也与广义相对论情况相同，对于一个小范围内的、局部的、定域的相对惯性系来说，运动的相对性原理仍然是成立的。基于上述理由，可以肯定，狭义相对论的两个基本假设是不能完全成立的，并且存在着一个完全对称的绝对静止参考系。这就是具有各向均匀同性背景的真空参考系。问题在于，人们所确立的判定绝对静止参考系的根本标准是完全不正确的。人们是通过看一个参考系是否相对于另一个参考系进行运动，来判断其是否处于静止或运动状态，而由于运动的相对性原理，显然会使得这一判断标准失效。那么，什么是正确的判别标准呢？这就是“最大完备对称性”[它含有n(n+1)/2个参量]的标准，即只有处于最大完备的对称性的标准，才可作为运动的判断标准。显而易见，这是一个绝对的判断标准。因此，牛顿力学与相对论一样，都是建立在一种毫无物理意义的、纯粹想象的完全孤立的时空条件基础之上的，因而必然会出现绝对化或相对化偏差。正因为作为现代物理学两大支柱的牛顿力学与相对论，是建立在这种极端的线性化假设的基础之上的，所以造成了至今仍然无法将它们二者统一在一起的严重困难。这也正是二十世纪物理学所面临的尴尬困境。这就需要应用综合考虑了各种非线性相互作用的整合论力学来纠正它们的偏差。为了解决这一难题，我认为，应该用“整合论”的哲学观念，来摆脱因存在于经典物理学中的绝对主义和相对论中的相对主义，而给物理学带来的困境。所谓“整合论”，是属于比二元绝对对立或二元相对存在更高一个等级的范畴。它是指对立的二元，经由某种结构的整合，而重新获得一个更高的新质或存在的原理。由此可知，整合是二元逻辑发展的必然结果，是不同于二元之中任一元的、更为高级的第三者。最简单的例子，就是由负电子与质子所共同整合而成的第三者——氢原子。它是既不同于电子、又不同于质子的新整合粒子，是按照量子力学的规律结合而成的新存在或新概念。但应指出的是，由极端对立的二元相互湮灭而成的“原始的本体”，则不能称为“整合”，而只能称为“退化”。例如，不能承认正负电子相互湮灭是“整合”，而只能称之“退化”为“元存在”或“元概念”。这种元存在、元概念应属于比由其进化而生成的对立二元更为低级的范畴。它对应于作为一切质的本质规定——“限有”的“元本体”，也即是“纯有”的概念范畴。整合可分为“内在性”整合与“外在性”整合。凡属“内禀性”整合，就是“内在性”整合；凡属独立叠加性整合，就是外在性整合。由此可知，整合论哲学，实际上是为我们在处理有关科学问题，或是其它问题时，如何为避免陷入极端一元化立场所提供的一种新的思维方法。特别需要强调的是，这种整合决不是外在的，将二元事物叠加在一起的整合。它是一种内在的、具有逻辑的自治性的二元整合。这种内在的整合，可分为“线性类整合”与“非线性整合”两种。时空整合论认为：在广域的、大范围的时空范围内，对于处于两个或多个相互运动的惯性系的时空交叉区域之中的同一个空间位点或质点，由于在定域的、局部的、小范围时空范围内，运动的相对性原理仍然适用，但在广域的，大范围绝对时空内不存在强等效原理，因此，就相对于绝对静止参考系的同一时空点或质点而言，它将分属于两个或多个惯性系，即绝对静止参考系与一个或多个具有畸变时空的相对运动惯性系的错位的、时空曲率完全不同的空间之中，或者更确切地说，在同一时刻（绝对静止参考系的），会有两个或多个具有不同时空曲率的空间，在同一空间位点或质点上发生复合重叠。这就是“多重复合空间的整合原理”，简称“整合空间”或“复合空间”。同样，对于位于两个或多个处于时空交叉区域内的惯性参考系中的同一事件，由于存在弱等效原理，因此，它每时每刻都处于由两个或多个不同惯性参考的曲率时空所组成的交叉时空的多重时刻重叠之中。这就是“多重复合时间的整合原理”，简称“整合时间”或“复合时间”。实际上，在相对论中，已知静止参考系与相对运动参考系的同一标尺的变换关系为： ，但由于 ，因此， 由此可知，相对运动参考系标尺的长度由两部分组成，一部分是静止参考系的长度，可称“静止长度”，第二部分为相对惯性系因运动而缩短的长度，可称“动长度”，其总长度为两长度之差。这很像在量子力学中的定态波函数的叠加一样。应该注意的是，时空整合论与相对论对这一公式的观点是不一致的。时空整合论认为：静止长度是客观存在的，它与动长度的差别是绝对的，因此，相对惯性系的长度是由绝对静止参考系的静止长度与相对惯性系的动长度整合而成的“复合长度”。而相对论则认为：静止长度与动长度的差别是相对的。如果从位于相对惯性系的观察者看来，原先的静止参考系的长度也仍然会发生收缩。同样，时空整合论的时间表示也为 ，式中 为相对惯性系的复合时间，它等于“静止时间” 与“动时间”之和。以上所说的这种线性叠加的时空整合，属于“线性类整合”。需要说明的是，此时每个参考系的时空，都应以“本地时空”为主，以其它参考系的“干扰时空”为辅，例如，在绝对参考系中，应以绝对时空，这一“普适时空”为主，而以其它相对参考系的“干扰时空”为辅，而对于某一特定的运动参考系来说，则应以该参考系的“本地时空”为主，而以“普适时空”为辅。但是，更确切的复合时空，应包括因运动参考系的动质量、位置质量与静止质量所引发的时间曲率的变化，因此，它应该是由洛伦兹度规 加上一个微小的度规修正值 。这个修正值与动质量、位置质量和静止质量密切关联，并且可将惯性系视为一个弱引力场，于是得到一个“非线性类整合”复合度规： 其中 表示复合度规。需说明的是，式中应用的不是伽利略度规 之和。这表明复合时空既是弯曲的，又是膨胀（时间）与收缩（空间）的。这就表明，时空复合论实质上就是时空量子化的根源。因为真空中的时空振荡的自相干驻波效应必然会产生量子化时空。鉴于以上所说，如果将时空复合原理应于相对论力学方程，那么就应该从相对论力学方程直接推导出量子力学公式来，事实也正是如此。推导过程如下： 对于其中第一项的 可改写为对空间的求导公式（即牛顿力学定律的空间微分形式）： 因为 ，而 在低速运动时约等于1，代入： 式中，第一项乘积因子 即表示双重复合空间之和，展开可得 但 则 由于 故可得 为了得到普遍情况，可用 来作为一个可偏微的物理量，代入得到： 但 ，而 ，代入，并将方程两边同时乘以 ，可得： ，也就是： 这就是时空复合论的波动力学方程，显然，它的积分是 ，式中，已设 ， 。为了消除方程中的动量P与能量E这两个参数，使它适用于一般的波，而不是只适用于具有特定动量和能量的（平面）电子波。于是，可再根据量子力学熟知的步骤得到一个含时间的薛定锷方程： 不仅如此，既然作为量子力学的基本方程的薛定锷方程的本质是复合时空波动方程，那么，就必然能够从中推导出时空量子波动方程来，推导过程如下：已知，在熟知的推导薛定锷方程的过程中，曾获得有关能量E的微商 方程两边同时除以E，可得： （1）在推导薛定锷方程的过程中，还曾获得有关动量P的微商： 方程两边新增添了因子 方程两边也同时除以（1）式中的E，可得： （2）而根据能量动量关系式 ，可知（1）、（2）式的两边分别相等： 以及： （3）根据测不准关系式，能量E与时间t的关系为： (4) 设 为最小量子时间，可得 又 （因E=mc2） 　(5) 将（4）和（5）式，代入（3）式中，即得： 但 就是电子的康普顿波长 ，并代入 ，于是可得到： （6）（6）式就是量子时间波动方程，下面来求 的解：将方程（6）两边同时乘以 ，可得： （7）但由薛定锷方程可知： 因此，为使包含有薛定锷方程的（6）式的两边相等，则必有： （8）将方程（8）左边的分式上下同时乘以C，以使方程左边可变换为 ，可得： 即： 从而得到： 这就是时间量子的数值表达式。但是，应该指出，真实的康普顿波长，应为 ，它的分子是“h”，而不是“ ”，两者相差 倍，因此，量子时间的表达式，实际上应为： 。本文以 为康普顿波长的目的，是为了使推导过程显得明晰、简洁。为便于区分，可称本文所用的符号“ /2π”为“量子康普顿波长”，记为 由于测不准原理的关系，是不可能精确地确定量子时空的精确值的，因此，可应用实粒子的核子（中子或质子）的康普顿波长，来作为量子空间的上限值，可称为“实量子空间”。这一数值为2.100206×10-16m。与此同时，再应用虚粒子的介子的康普顿波长，例如，中间波色子W＋、W－和Z0的康普顿波长的数值，来作为量子空间的下限数值，可称为“虚量子空间”。因为中间波色子的最大质量，可为核子的100倍，所以，可确定“虚量子空间”下限的数值为10-18m数量级。由此可知，量子空间是一个波动的空间。这说明，量子时空与宏观时空一样，也同样是“复合时空”。它是由“实量子时空”与“虚量子时空”复合而成的。由此即得量子时间的上限数值为7.005543×10-25秒，它的下限数值的数量级为10-27秒。这就是关于时间的量子波动方程。仿照推导时间量子波动方程的方法，如果将在推导薛定锷方程中所得到的两个有关能量与动量微商式方程的两边，同时分别除以动量P可得： 和 ，由此得到方程： （9）根据测不准关系式P△x= ，先将 代入（9）式左边，再将 代入（9）式右边，并令△X为最小空间量子的长度rh，可得： ，也就是 （10）这就是有关空间的量子波动方程。可见，它比有关时间的量子波动方程的右边，多了一个乘积因子光速C。仿照求解时间量子的方法，于是得到， 可见，空间量子的长度就是康普顿波长的 ，即 。由上述量子时空公式，还可以得到电子半径的线度只能等同于量子空间的长度，即基本粒子的康普顿波长的长度的结论来，它不可能无限小。这也就同时解决了电子自能无限大的问题。更重要的是，由上述量子时空公式，还能进一步彻底解决量子力学与广义相对论的统一问题。这是因为，由量子时空公式可知，无论是量子时空，还是宇观时空，都是由实时空与虚时空复合而成的，从而具有“虚实二象性”，而这正是量子力学的“测不准原理”的存在基础。这就充分证实了，宇宙存在或是“物理实在”的本质是符合“测不准原理”的。它同时也说明了广义相对论的时空观是不正确的。因为量子力学与广义相对论的本质区别，就在于量子力学的“物理实在”具有“不确定性”，而广义相对论的“物理实在”却是一个“确定性”的存在。爱因斯坦所说的“上帝不喜欢投骰子”这句话，就很形象地证明了这一点。但是，既然现已证实测不准原理正是宇宙存在或物理实在的基础，那么，为了将量子力学与广义相对论统一在一起，就必须使广义相对论重力场的时空度规，必须符合测不准原理。为此，可将广义相对论的时空度规，带入到量子力学的薛定锷方程里去，从而得到一个新的量子度规方程或是量子重力场方程。推导过程如下：已知，一个孤立点或是星球的爱因斯坦弱引力方程为： g00=1-(2/c2)φ ，其中，φ为引力势 （11）由（11）可得： φ=c2(g00-1)/2 (12) 又已知（含时间的）薛定锷方程为： (13) 现设（13）式中的势能V（r）为（12）式中的引力势，将（12）式代入（13）式中可得： 2 （14）将（14）式两边同时乘以1/c2,并对（14）式等式右边第1项应用质能转换公式E=mc2即得： （15）（15）式就是新的量子度规方程或量子重力场方程。它实现了量子力学与广义相对论的统一。不仅如此，由时空量子的公式可知，光速其实也是量子性的。因此它只能以光速的倍速递增：c，2c,3c……这也正是迈克尔逊实验不能测出光速改变的根本原因。因为低速参考系与光速不属于同一个数量级，不具有使光速发生“跃迁”变为“倍光速”或超光速的条件。光速在低速参考系何持不变的更重要的原因，是由于光速具有量子性，使光速成为刚性的，因此，不论相对运动参考系的时间是否具有膨胀的效应，它都是绝对不变的。这样，承认光速具有量子性，就可以彻底解决光速不变性这一物理学的根本困难。同理，“复合时空”所导致的“时空量子化”，也正是产生“普朗克常数”的根本原因。这样一来，无论是在绝对参考系中，或是在相对惯性参考系中，普朗克常数都是绝对不变的，象光速不变一样。这表明，爱因斯坦将光速不变的假设，作为狭义相对论的基础是不正确的。这是由于，由前述可知，物理量的量子性，是因运动的绝对性与相对性相整合，而形成“复合时空”的结果，因此，运动的相对性原理，是导致光速量子化的根本原因，而不是光速量子化导致了运动的相对性。爱因斯坦将光速不变来作为狭义相对论的基础假设，是颠倒了事物的因果关系，犯了本末倒置的错误。由此可见，时空整合的结果，是使基本粒子产生了“不确定性”，具有了“波粒二象性”这一新的更为高级的存在的特性，而这又得益于“时空量子化”这一更为高极的时空新特性。因此，只有建立了“复合时空”理论，才可以将牛顿力学与相对论统一在一起。这也就回答了本文开始时所提出的第三个问题。同时，它也充分证明了矛盾的二元事物的整合，会产生更为高级的第三元新事物，这一整合论哲学的最根本的原理。再有，同样重要的是，应用整合论力学的量子时空公式，还可以得到整合论力学的大统一理论来。这就是“基本粒子相互作用的最小有效谐振系数原理”简称“最小有效谐振系数原理”。这一原理是说：所谓基本粒子的相互作用的最小有效谐振系数，通常应用各种基本粒子的经典半径与其康普顿波长的比值，也即为核力的半径或是电子经典半径与其康普顿波长的单位量子空间的比率来表示。因为核力的距离或半径与电子的经典半径相等。而这一比率，恰恰就是与该基本粒子相对应的基本自然力的耦合常数。由于电子康普顿波长，恰恰就是电子作用的距离或半径。这就充分表明，所谓电磁耦合常数，就是占据了量子空间的能量子（核力）的谐振位移最小距离。而这一距离也同时决定了电子半径的大小。例如，已知电子的经典半径值 为 式中，e为电子电荷，m 为电子质量已知，电子的康普顿波长为： 于是可得电磁力的耦合常数，也就是以量子空间为单位的、电子经典半径与其康顿波长之比g为： (16) 但已知 代入（16）式得到 这就充分表明了核力与电磁力完全是同一种力，所谓电磁耦合常数就是核力的量子化的谐振位移系数。这一正是核力的半径或距离等于电子经典半径的根本原因。同理可得核力的耦合常数G2/ c≌15，以及弱力的耦合常数 ，其中，核子耦合常数还是由电子的经典半径（核力的作用范围）与质子的康普顿波长之比，即为核子与核场的耦合常数，它表示空间能量子λh的振动系数。这样，整合论力学就根据“最小有效谐振系数原理”，阐明了决定各种基本自然力的耦合常数，也就是决定各种基本自然力的大小的耦合常数的根源，就在于各个基本粒子的相互作用的最小有效作用谐振系数。最近，旅居美国的中国科学家王力军，已经在试验中证实：当“铯原子气体室”中的铯原子，在激光作用下，由16种量子态变为只剩下一种量子态后，在激光脉冲通过时，就会发生超光速现象，并超光速310倍。因此，也应据此对麦克斯韦方程进行修正：在宏观或微观量子参考系中或是超高能参考系中它的介电系数ε和磁导系数会变小。特别是，根据最新的天文学资料发现已证实，对所有类星射电源的闪光与金属原子云的电子对光的吸收的观察表明，所谓的精细结构常数或耦合常数α=2πe2/ 并不守恒，而是变化的。它有力的证实了光速是可变的，宇宙早期的光速要大于现在的光速。这就 使至今为止所有的物理学理论都必须重新改写。 由此可知，无论是狭义相对论的协变原理和广义协变原理都 是伪协变原理，例如，它无法处理粒子的自旋运动情况。真正的协变原理应是时空整合论的广义协变原理。它是既建立在平直的宇宙绝对参考系的“普适宇宙时”的基础上，又包含了由局部惯性系的狭义与广义相对论的等效原理所推导的纯时空度规理论，同时还考虑到物质状况对时空度规影响，例如，单一量子态的物质的“量子超导时空场”的超导时空，对时空度规影响的时空整合论的广义协变原理。这也就证实了时空的状态是和它所在力场的状态密不可分的。从而充分说明了多种宇宙力场或惯力场是造成多重时空存在的最根本的原因，而对于不同的多重力场，光速也各不相同。但无论宇宙存在多少种力场，它们都属于“复合时空场”的一部分，因而在其中所发生的一切守恒定律都是绝对不变的。这也正是时空整合论的本质和存在基础。 最近（2006.7.9）美国科学家提出了“空子”的新概念，英国科学家霍金也随之提出宇宙能量场与空间场相互转换的新学说。而本人在《时空整合论》早已提出量子时空是由“实时空”与“虚时空”整合而成，并给出了相应的数学推导公式。这里的“虚时空”正是所谓的“空子”。