第二章 时空并不是弯曲的,而是平直互不相关的。引力场只是影响了波动的频率、周期和波长,
时空并不是弯曲的,而是平直互不相关的。引力场只是影响了波动的频率、周期和波长,与经典时空观并没有冲突
第二章 牛爱钟尺观
2.1 牛爱钟尺观
麦克斯韦电磁理论没有奇特之处,爱因斯坦不能够因此而抛弃电磁以太。事实上,围绕曾经的爱因斯坦的相对论,引起时钟量尺“涨缩”的不仅仅表现在电磁波,对于一切波动都有效,因此,机械波也是同样的频率波长涨缩;同样,引力场中或者运动物体上,声波一起被弯曲了,爱因斯坦没有想到,运动物体上也会出现光线的偏折。
相对性仅仅与频率、周期和波长的涨缩有关,与时间和空间长度无关,同样与机械波和电磁波都有用样的关联,因此,应该称为牛爱钟尺观,而不应该称为爱因斯坦的相对论。
牛顿经典的时空观描述了时空的绝对性,而爱因斯坦的相对性探讨不但证明了寿命的绝对性,而且证明了能量的守恒,由此,不难证明时空绝对、互不相关、超距即时的牛爱时空观念。
这一章要讲述,使用爱因斯坦的相对性,如何证明牛顿的绝对性,最终把牛顿爱因斯坦统一在一起,从而称之为牛顿爱因斯坦钟尺观。
注意这些牛爱因子牛爱变换的情况也对0K以下的磁电波、械机波等有效,遵循同样的公式和定律的变换。
2.2 奇异的梦
二〇〇九年六月四日星期四早晨大约四点钟做了一个奇怪的梦。
记得不是很清楚,不过后来的记得还算清晰。就是用一个弯曲的管子,两头有喇叭状的膨大,右端的大,左下端的小。当时知道分别用两端捕获了老鼠。
先掀起右端,发现有一只小老鼠,已经死掉了。
然后掀起左端,因为担心老鼠跑掉,因此掀起一点,就猛地向下一顿,反复几次后,发现露出了老鼠的尾巴,再反复几次,终于露出了老鼠的半截身子,因此就反复地牛“顿”了几次,老鼠身体分成了两半儿,相信它不可能活下去,更不可能逃跑,因此把那个管子提起,另一边身体就露出来了。图中画的不像,但是却是一个简单的图示。奇怪的是,大老鼠的个头比管子下端膨大的部分要大许多!
那只小老鼠是否象征广义相对论的引力场呢,而大老鼠象征着运动物体的变化效应呢?因此就预示,突破广义相对论的羁绊,会更容易为学术界接受,而要解决狭义相对论的运动物体,就要费事一些?
梦是有预示的。这确实是真的。
反对相对论的呼声一浪高过一浪,真的是过街老鼠了。因此,扶持爱因斯坦是必要的,因为他真的是这个世界的最伟大的物理学家,尽管是上个世纪的。
2.3 芝诺时标和爱因斯坦相对论
爱因斯坦的相对论其实就是芝诺时标,建立一个不可突破的乌龟防线,不允许超越乌龟的思维。现在先看看芝诺时标是怎么一回事儿,《相对论与时空》2页,
时间与时标
应该指出的是,时间与时间的计量是两个不同的概念。时间反映的是物质运动的持续性,是物质存在的基本属性之一。它是完全客观的,不因采用不同的时标(时间单位和计量方法)而改变。然而,时间的计量却是与采用何种时标密切相关的。凡是物理规律已确切知道的物理过程都可以用作计时的时标。如太阳系中行星的自传或公转、行星中卫星的公转以及钟摆、晶体振动直至分子和原子能态跃迁辐射等周期准确、重复性好的周期运动都可以选作计时的基准,并采用周期(或其倍数)线性叠加的方法计时。这就是我们目前通用的时标。当然,已知规律的放射性同位素的半衰期也可用来计时,但都是折合为若干个振动周期并采用线性叠加的方法计时的,因此实质上是属于同一类时标。然而以后将会看到,广义相对论指出,处于引力场中不同的地方观察时可以有各自不同的时标,有时它们之间的差别甚至是非常“奇异”的。不过这是后话,留待以后讨论吧。
芝诺时标
古希腊哲学家芝诺(Zenon)曾提出过许多佯谬。其中著名的一个命题是“飞毛腿阿喀琉斯(Achilleus,又译‘阿基里斯’)永远也追不上爬行缓慢的乌龟”。芝诺的论证是这样的:假定开始时阿喀琉斯离开乌龟的距离为OA=L(图0.1),他的速度为v1,乌龟的速度为v2,且v1>v2。当阿喀琉斯第一次跑到乌龟最初的位置A时,乌龟在此期间爬到了另一位置B,显然AB=v2(L/v1)=L(v2/v1);当阿喀琉斯第二次追到B时,乌龟爬到第三个位置C,且BC=v2(AB/v1)=L(v2/v1)2;阿喀琉斯第三次追到C时,乌龟又爬到第四个位置D,且CD=v2(BC/v1)=L(v2/v1)3……如此等等,尽管它们之间的距离会愈来愈近,但始终仍有一段距离。于是芝诺得到“结论”:既然阿喀琉斯每次跑到乌龟的上一个位置时,不管乌龟爬得多慢,但还是前进了一点点,因而阿喀琉斯也就永远追不上乌龟。
从我们的日常经验知道,芝诺的结论是不对的。因为事实上只需经过t=L(v1-v2),阿喀琉斯就可以追上乌龟了。可是,芝诺的上述“结论”似乎也有些道理,究竟芝诺佯谬的实质是什么呢?下面我们从近代的时标概念做些分析。
芝诺所使用的时标是有点奇怪的。他把阿喀琉斯每次追到上一次乌龟所达到的位置作为一个“周期”,用来作时间的计量单位,我们把由此计量出来的时间叫做芝诺时间,即阿喀琉斯在第n次到达乌龟的第n个奇点时,芝诺时间为t'=n,在此期间,阿喀琉斯总共走过的路程为:
在此期间,假定日常钟所经过的时间为t,则显然有:
t=l/v1=(L/v1)8226;[1-(v2/v1)n]/[1-(v2/v1)]
从而可以解得芝诺时间为:
t'=n=ln[1-(v1-v2)t/L]/ln(v2/v1)
这就是日常时间和芝诺时间的变换关系。由此可见,当阿喀琉斯追上乌龟时,日常时间为t=L/(v1-v2),这时芝诺时间的表达式出现了奇点(即t'=∞)。换句话说,t'在0→∞区间只覆盖日常时间t上的一个有限区域,用芝诺时标来计量描述阿喀琉斯追赶乌龟的过程,确实是“永远”追不上的(除非t'=∞)。由此可见,芝诺所使用的时标只能用来描述阿喀琉斯追上乌龟之前的一段过程,而不能描述在这过程以外的现象,因而在这里不是一个“好”时标。此外,由这个例子可以看到,“时间”和“时间的计量)不同,用某种时标作时间计量达到无穷之后还可以有时间。
2.4 广义相对论的标准模型——史瓦西场
相对论就是引力几何化,即非欧几何,这不难证伪。先搞清楚追捧爱因斯坦的小混混是如何建立弯曲时空的标准模型的,然后有的放矢,就容易从歪曲的思想中走出来,不为其所误。
《大学物理续编》144页到149页(简评是myore给出的),
4.2 史瓦西场中的时间和空间
4.2.1 史瓦西场的固有时和固有长度
设有球对称分布的相对静止的物质球,球体外半径为r0,r>r0的区域的场就是史瓦西场。它的时空是弯曲的,和我们以前熟知的闵可夫斯基的平直时空不同。下面我们从引力对时钟、尺子的影响以及时间、空间的测量着手讨论史瓦西场时空的性质。
简评:时空并不是弯曲的,而是平直互不相关的。引力场只是影响了波动的频率、周期和波长,与经典时空观并没有冲突。
需要说明的是,本章所说的“引力”、“引力场”还是沿用牛顿力学的概念,在爱因斯坦理论中,引力几何化之后,已经没有“引力”的概念,而只是时空结构。例如牛顿引力为零的区域,在爱因斯坦理论中是平直时空;牛顿的地球引力场,在爱因斯坦理论中是弯曲时空的史瓦西场。为了与牛顿力学联系、对比,我们以后还要使用“引力”、“引力场”,都是指牛顿理论的概念。
简评:本来就是引力场,非欧几何根本不成立,是数学的妖魔化。
首先看引力场中静止观测者所选用的时钟和尺子。物理上的时间基准和长度基准都是自然界实际存在的,时间基准为某周期事物的周期,长度基准为某波的波长。要求基准稳定、统一。所谓统一,就是把这些时钟放在一起走时快慢应该相同;把这些尺子放在一起做同样的测量,长度应该相同。这样的时钟称为标准钟,这样的尺子称为标准尺。把标准钟、尺放在引力场中各地点,就在全引力场建立了时间、长度标准。狭义相对论中的时钟,和尺子即标准钟和标准尺。
简评:波动的波长、周期和频率会受到运动和引力场的影响,光波和声波一致。波长、周期和频率的涨缩是运动和引力场的根本内禀性质,如同物理学家谈论量子的内禀性质一样。频率乘以周期才可以描述时间,而波长乘以单位时间的频率才可以描述长度。
引力场中静止观测者用标准钟测得的时间间隔称为固有时间隔,简称固有时;用标准尺测得的两个地点之间的距离称为真实长度(也称纯空间距离或固有长度),具有实际意义的物理测量中采用的都是固有时和真实长度。例如,引力场中有个飞行物,可通过测量它在固有时间隔中飞行的真实距离来计算它的飞行速度。我们现在尚不知引力对时钟和尺子的影响,但是标准钟与自然事物的时间历程必然以同样方式受引力影响(标准钟的基准自然也是某种自然事物的时间历程),因此同一自然过程在引力场中任何地点用当地的标准钟计量,其结果都相同;标准尺和自然事物的真实长度也必然以同一方式受引力的影响,因此同一自然事物的真实长度在引力场中任何地点用当地标准尺测量其结果都相同。例如He-Ne激光器在引力场任何地方发光,当地观测者测到的激光频率都相同,波长也相同,看到的颜色都一样。
简评:标准尺就是单位时间内的频率乘以波长,标准钟就是波动周期和频率的乘积,这就是标准。自然事物的真实长度是和牛顿空间长度一致的,是绝对的,不变的。
氦氖激光器在引力场不同的地方激发的激光的频率和波长是不同的,如果使用γ光源,可以测出这个变化。
引力频移本身就是这个证明,可是物理学家没有搞懂逻辑。
4.2.2 用飞来惯性系中的时钟和尺子校准史瓦西场中的时钟和尺子
简评:这个图示不可用。问题出在先验地把时钟的频率方向校对颠倒了。见本章后面介绍的牛爱校钟法的图2.6,图2.7,图2.8,图2.9,图2.10。
要了解引力对标准时钟、尺子的影响,必须用不受引力影响的时间基准和长度基准,在引力场各地点就地比较当地的标准钟、尺。一种方法是用引力场中自由下落的同一个局惯系的钟和尺,依次与各处的标准钟、尺比较。同一个局惯系中的时钟和尺子不受引力影响,在下落过程中始终保持不变,正好作为引力场中统一的时间和长度基准。设球的质量为M,外半径为r0,r≥r0的场为史瓦西场。如图4.2.1,以球心为原点,建立坐标系S(ct,r,θ,φ)。设S0(ct0,x0,y0,z0)为无穷远处从静止开始沿径向自由下落的局惯系,其中取x0沿r方向。无穷远处引力趋于零,该区域近似为狭义相对论成立的惯性区域,各方向上标准尺相同。无穷远处S0及S两系相对静止,所以S0系的时钟,尺子等于史瓦西场中无穷远处的标准时钟、尺子。S0系测的时间间隔dt0、长度元dl就是无穷远处的固有时和真实长度。S0系就相当于带着无穷远处的时钟、尺子飞到引力场中校对各处的时钟、尺子。设S0系原点到达r处时速率为v。为了直接应用狭义相对论的两个惯性系之间的时空变换关系,在S0系原点到达r处的瞬间,在r处建立一个相对史瓦西场瞬时静止的局惯系S',简称为局静惯系,它是在该瞬时从r处开始下落的参考系。用S0系中两个时钟校准S'系一个时钟的读数,S'系该时钟测的时间间隔为原时,记为dτ,S0系测的是非原时dt0,则
dτ=(1-v2/c2)1/2dt0 (4.2.1)
用S0系尺子同时量度S'系的长度dσ,则dσ为原长。若长度沿运动方向即径向,则
dσ=(1-v2/c2)-1/2dx0 (4.2.2)
若长度垂直于运动方向(即横向),则S0系与S'系测量结果相同。
S'系和史瓦西场S系r处瞬时静止,彼此间有相对加速度,不能直接应用狭义相对论的结论。对此,在广义相对论中有爱因斯坦假设:假定杆和时钟的性状都只与速度有关,与加速度无关【许良英等编译,爱因斯坦文集(一)。北京:商务印书馆,1977,p163】。此假设已有实验验证,如1966年Farley等以2%精度证实,当u子在高能加速器中,以同样的速率分别沿直线(无加速度)和沿圆周(有很大的向心加速度)飞行时,其衰变亦即寿命相同。由此假设,在同一地点彼此相对静止的观察者,无论他们彼此间是否有加速度,他们对当地的时间和长度的测量都相同。所以,S'系中的原时dτ和原长dσ即为史瓦西场S中r出的固有时和真实长度。因此,式(4.2.1)也表示分别在S系和S0系中测量S系中r处发生的两事件的时间间隔dτ(固有时)和dt0之间的关系;式(4.2.2)表示分别在S系和S0系中测量S系中r处径向长度dσ(真实长度)和dx0之间的关系;对横向长度,S及S0系的观测相同。若严格讨论前面所述爱因斯坦转盘问题,也应该利用爱因斯坦关于杆和时钟的假设。
简评:首先把光速恒c不变搞清楚才可以分析,牛爱校钟法得出绝对的互不相关的时空。
爱因斯坦转盘本身就是错误的论述,半径和周长恒比例,不存在长度的涨缩。必须使用绝对时空观来分析爱因斯坦转盘。
由式(4.2.1)可知,引力场中测的固有时dτ小于dt0,也就是小于无穷远处引力趋于零处的固有时,说明引力场中标准钟走时变慢。r越小,引力越强,v越大,对同样的dt0,固有时dτ越小,标准钟走得越慢,是引力使时间流逝得缓慢。由式(4.2.2)可知,引力场中测的径向真实长度dσ大于dx0,也就是大于无穷远处引力趋于零处的真实长度,说明引力场中标准尺变短。r越小,引力越强,v越大,对同样的dx0,真实长度越长,标准尺变得越短,是引力使长度变短。与狭义相对论中也是运动时钟变慢运动长度变短不同,这里引力引起的时空变化是实在的物理效应。如果双生子甲、乙生活在引力悬殊的两地,长时间以后再到一起,生活在强引力区的要年轻一些。在狭义相对论中若甲、乙生活在两个惯性系中,都认为对方生活节奏慢,比自己年轻,但这是运动引起的测量效应,两人不可能再见面以确定到底是谁年轻。如果乙做变速运动返回与甲重逢,乙必然比甲年轻,因为乙在变速过程中相当于处于引力场中,引力使他的生命节奏确实变慢了。一根棒平放地面上和竖直立起分别测量其长度,在当地测量结果相同;按无穷远处标准测量(或在S0系中测量),棒立起来后长度方向与引力场方向方向相同,长度变短。对平直空间(无引力),沿各方向的尺子都相等,现在在引力场中沿引力方向的尺子缩短了,横向尺子不变,空间显然是弯曲了。
简评:双生子效应不存在。运动物体或引力场中的时钟频率加快,如果不进行校对,即坐标钟读数为200年,但是经过校钟后,时钟读数仍为2年,即二者的年龄一样。至于棒的长度,完全没有变化,与任何处的观测者无关。
4.2.3 坐标时和坐标长度
我们在4.2.2小节借助从无穷远处飞来的局惯系讨论了引力对时空的影响。但是S0系一飞而过,用它讨论很不方便。为此在史瓦西场S系内各处建立起自己的、统一的、不受引力影响的时钟和尺子,也就是把S0系的时钟和尺子“留”在S系的各处。这样人为构造的时钟和尺子分别称为坐标钟和坐标尺。构建坐标钟、尺的一种方法如下。采用可调走时快慢的时钟放在S系中某处,当S0系飞过时,用S0系两个时钟校对该时钟的读数,从而知道该时钟走时与S0系时钟走时快慢之比,按此调整该时钟的走时快慢使之与S0系时钟走时快慢相同。如S0系测时间间隔为10ns,该时钟测为5ns,说明该钟走时速率为S0系钟的1/2,将该时钟调快一倍,走时即与S0系时钟相同。于是调整后此时钟即为该处的坐标钟。类似地,在S系各处放上可调长短的尺子,也用S0系尺子校准它,测S系中同一长度, 若两把尺子测量的结果不同,就相应调整S系中可调尺的长短,直到与S0系测量结果相同,就成为该处的坐标尺。由此可知,坐标钟、坐标尺都是对号入座的,不能互换,也不标准,将它们放在一起,走时快慢或尺子长短各不相同。特别是尺子,还与所放的方位有关,同一处的坐标尺,安放的方位不同,长短也不同。
简评:采用雷达对钟法才可行。
所有引力场各处都有一个完全统一尺度的时钟和量尺,时空不变,时钟量尺也不变,因为已经校对过了。即——雷达校对法,再敢不听话,震耳欲聋,就震垮你的耳朵,反正也是一个摆设!
在S系里静止观测者用坐标钟、坐标尺测量的时间间隔和距离,分别称为坐标时和坐标长度。坐标时用dt表示,径向坐标长度用dr表示,显然
dt=dt0 dr=dx0 (4.2.3)
为清楚、明确起见,径向真实长度dσ用dr'表示,于是式(4.2.1)和式(4.2.2)分别为
dτ=(1-v2/c2)1/2dt (4.2.4)
dr'=(1-v2/c2)-1/2dr (4.2.5)
此外,横向真实长度等于坐标长度。
简评:搞混了逻辑关系!
引入坐标钟、坐标尺以及坐标时、坐标长度,还有两个重要的收获。首先,在广义相对论中坐标的选择是相当随意的,除了要满足一定的物理条件(这样才是有物理意义的坐标系)和能够区分不同的时空点,没有其他限制,也就是说,它们的实际意义不明确。现在按式(4.2.3)定义之后,t和r就有了明确的意义,r可以称为坐标距离。其次,时间概念的基础是同时性。各处标准钟受引力影响,走时快慢不同,不能用标准钟作为史瓦西场统一的时间标准,也不能用坐标钟读数是否相同作为异地事件是否同时的判据。史瓦西场各处的坐标钟走时快慢相同,可以将它们调整同步。这样两个异地事件1,2,发生的坐标时分别为t1,t2。若t1=t2,则两事件为同时事件;若t1≠t2,则两事件为不同时事件。于是在史瓦西场可以定义同时性,或者说在史瓦西场可以有时间概念。要知道有些引力场可能没有时间概念。
简评:史瓦西解释的同时性是不存在的,因为两个不同引力场位置的时钟走时速率不一致,如何有真实意义的同时性?
时空是绝对的,互不相关。
同时性是绝对的,任何引力场都有绝对时间概念,并且有完全同步的同时性和时空间隔。
4.2.4 固有时、固有长度与坐标距离r的关系
r现在具有坐标距离概念,据此可以讨论r与v的关系。这里用牛顿力学近似计算,时空看作平直的,r当做S系中r处到原点的实际距离。在S0系飞来过程中,系原点处质点m的机械能守恒,于是
1/28226;mv2-GMm/r=0
得到
v2=2GM/r (4.2.6)
在广义相对论中,时空是弯曲的,r为坐标距离。凑巧的是,由广义相对论的能量守恒和史瓦西外部解得到的严格的v2与r的关系,也是式(4.2.6)。从这点可以看出,我们下面讨论的基础本质上仍然是史瓦西解。
简评:机械能守恒的关系用颠倒了。因此只能够出现错误的推导。听听伽利略的石块推理吧。
史瓦西的数据计算公式可以“认为”正确,但是逻辑颠倒了,所以只能是错误的表达。
改正方法,只能够先回到绝对时空,对狭义相对论动大手术——运动物体时钟量尺不变,变化的仅仅是波动的频率、周期和波长。
这样,史瓦西场中r处固有时dτ及径向真实长度dr'与坐标时dt、坐标距离dr的关系为
dr={1-2GM/(c2r)}1/2dt (4.2.7)
dr'={1-2GM/(c2r)}-1/2dr (4.2.8)
此外垂直于引力方向(横向)的真实长度和坐标长度相同。
在狭义相对论中有一个重要的概念,即相邻两个时空点之间的间隔(或称两个时空点之间的距离,或称线元)ds2,在惯性系如局静惯系S'中,有
ds2=c2dτ2-(dx'2+dy'2+dz'2) (4.2.9)
其中τ,x',y',z'为S'系的时间、空间坐标。同样在广义相对论中也有ds2。由爱因斯坦关于时钟和杆的假设,局静惯系S'和史瓦西场S对时间和空间的测量都相同,所以在S系中ds2也可以表示为如式(4.2.9)的固有时和真实长度的平方和(S'系的时间对应S系的固有时,S'系的长度对应S系的真实距离)。为了区别径向长度和横向长度,在S系中采用球坐标(r,θ,φ),固有时与坐标时关系为式(4.2.7);径向真实距离与坐标距离关系为式(4.2.8);横向真实距离等于坐标距离,其值为r2(d4θ2+sin2θdφ2)。所以史瓦西场中的线元为
ds2=c2[1-2GM/(c2r)]dt2-{[1-2GM/(c2r)]-1dr2+r2(dθ2+sin2θdφ2)} (4.2.10)
如果S系中没有引力,是平直空间的话,表达式应为
ds2=c2dt2-[dr2+r2(dθ2+sin2θdφ2)]
式(4.2.10)与上式对比,dt2前有系数[1-2GM/(c2r)],表现出时间的弯曲;dr2前有系数[1-2GM/(c2r)]-1,表现出空间的弯曲。
简评:经典时空观,欧式几何永远是物理学家的圭臬!
没有空间的弯曲也没有时间的弯曲,非欧几何没有任何对应的物理实际。
在狭义相对论中曾经验证过,在两个惯性系之间进行时空变换(洛伦兹变换)时,ds2的表达式的形式相同,或者说ds2是洛伦兹变换下的不变量。在广义相对论中,坐标选取有相当大的随意性,但必须满足的一个基本要求是在坐标变换下ds2的形式应保持不变,或者说ds2是坐标变换下的不变量。这是广义相对论的最基本性质之一。站在广义相对论的高度回首狭义相对论,其ds2的不变性是必然的。也就是说,正是因为在洛伦兹变换下可以保持ds2不变,洛伦兹变换才有可能在狭义相对论中成立。
实际上,时空的性质完全体现在它的线元形式上。所谓史瓦西外部解,就是计算出史瓦西场的线元,也就是式(4.2.10)。
简评:洛伦兹变换根本不成立,已经被踢出物理学。
使用牛爱因子和牛爱变换,谢天谢地,爱因斯坦终于回归经典时空观了。!
2.5 牛爱因子和极限
2.5.1 牛爱因子
频率和波长涨缩时,有三种情况,运动速度、引力场、加速度。
运动牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2 (2.1)
引力场牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2 (2.2)
加速牛爱因子为,γ=(1-a/c2)-1/2 (2.3)
运动加速度和引力加速度都会影响频率和波长,后文主要分析运动和引力场的牛爱因子因素,物体的加速度因素不再详细分析。
考虑到一切运动形式都等价,即运动、振动(振荡)、波动(电磁波和机械波)都等价,因此有速度、加速度、引力场相对应的牛爱因子。式(2.1)即第一章的式(1.4),所以有这个牛爱因子,不是地球在空间运动而光速对于任何参考系都是c,而是地球完全拖动了自己的电磁以太,但是还要有一个牛爱因子,因此称为牛爱秉性,即等同于教科书称的量子的内禀性质。
式(2.2)如何而来,按,前面引用《大学物理续编》有公式为v2=2GM/r,代入(2.1)式即可得到。
数学可以应用到物理学科中,关键的就是可以根据实验事实来拼凑,以符合客观事实。
运动的统一在于引斥力的统一。第一章给出的万有斥力表达式,即(1.3)式给出F=mω2r。《力学》37页给出圆周运动的法向加速度an=v2/R。物体的长度和牛顿的长度不变,故an∝v2,即加速度和速度的平方等价。于是,在牛爱因子的计算式中,速度和加速度的平方相关联。故可以猜测加速度牛爱因子应该是γ=(1-a/c2)-1/2,这就是(2.3)式。这虽然是从圆周运动的加速度推求得到的,但是对于直线加速度也是同样的。
(注意到:圆周运动的法向加速度始终不变,在匀速圆周运动时,但是对于直线运动,加速度不能够持续下去,因为有极限的光速的限制,因此,随着速度的增加,加速度只能够减小)
以圆周运动为例,速度牛爱因子为γ=(1-u2/c2)-1/2,
圆周运动中,速度u=ωR,因此速度牛爱因子的表达为,
γ=(1-ω2R2/c2)-1/2 (2.4)
加速度牛爱因子为γ=(1-a/c2)-1/2,
圆周运动中,加速度a=ω2R,因此加速度牛爱因子的表达式为,
γ=(1-ω2R/c2)-1/2 (2.5)
比较速度牛爱因子和加速度牛爱因子的表达式,有:
当R=1m时,速度牛爱因子和加速度牛爱因子相等。
当R>1m时,速度牛爱因子大于加速度牛爱因子。
当R<1m时,速度牛爱因子小于加速度牛爱因子。
这样,如果原子钟的尺度可以做得足够小,比如原子钟尺度大约0.10m,那么原子钟放在一个高速旋转的转盘上,记录原子钟走时变化的程度,就可以判断是速率引起的时钟走快,还是加速度引起的时钟走快。
这里有一个问题,《大学物理续编》146页谈到加速度与频率的加快没有关系——粒子的寿命“膨胀”(见本章2.4节引文)。这里给出的实验信息缺乏合理的可以分析的数据,比如,该实验中,圆周运动的回旋半径是否大于1m?如果半径大于1m,那么,加速度的效应就会被速度效应所掩盖。因为速度和加速度的牛爱因子是不能相互叠加的,那个数据大,就按照那个计算!
2.5.2 电子速度、质量、能量的极限
按照爱因斯坦的观点,粒子的运动速度虽然不可能达到光速,但是粒子可以被无限制的加速——无限接近于光速,即粒子的能量可以无限地增加,因此对应的质量就是无限的。但是用牛顿时空观得到的结论却不是这样,即粒子的运动速度不能够达到的极限是比光速小的一个数值,而粒子的能量也是不能够无限增加的,下面分析并计算:
物体运动速度为u时,牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,引力场为g时,牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。因此,考虑到一切运动形式都等价,比如第四章谈到的物理第三公理,一力一律,统一场,现在可以开始分析一个电子的极限速度、极限电量、极限质量、极限能量。
因为能量是量子化的,即E=hυ,频率υ'=γυ,当引力场增大时,振动或波动的频率增加,一个光子的能量也在同步增加。因此不用指望引力场达到无限大,因为这时一个光子的能量将会大到无穷大。这对于一个电子也是同样的,由于电子的电荷和质量等效(第六章统一力统一场),故应该借助电荷来计算电子的极限半径。
这就是1-2GM/(c2r)<0。取极限,
即1-2GM/(c2r)=0 (2.6)
因为电性力和引力等价,故把电力公式取代引力公式。
1-2GM/(c2r)=0,
即1-2kq/(c2r)=0 (2.7)
因为r表示电子的经典半径,故设电子因为运动或者在引力场中而“压缩”时,半径的极限是R。
有,1-2kq/(c2R)=0
R=2kq/c2 (2.8)
真空静电比例常量k=8.9880×109Nm2/C2 (2.9)
从公式k=1/(4πε0),可以求出k=10-7c2,
(因为ε0=1/(μ0c2),而μ0=4π×10-7H/m)
因此,R=2kq/c2=2×10-7q (2.10)
电子的电量q=1.60217733×10-19C (2.11)
因此电子的极限半径为(用12位计算器计算)
R=3.20435466×10-26m (2.12)
电子的经典半径为(后文有证明)
r=1.40897046×10-15m (2.13)
电子的经典半径是极限半径的倍数为x,即
x=r/R=4.3970490457×1010 (2.14)
事实上电子的半径并没有压缩,这和第一章1.4节谈论的迈克尔逊-莫雷实验一样,地球拖动了以太,因此并不需要时空涨缩或者真正的波长和频率的涨缩,但是为了解释实验结果还要假定一个“假惺惺”,即频率、周期和波长确实是涨缩了。因此,这里仍然理解为牛爱秉性——即电子的半径压缩和电荷的电量变大等效。因此,理解为电子的半径没有压缩,而电子的电量、质量、能量变大才容易从逻辑上和其他实验联系。这是牛爱秉性的缘故。故以后谈论的是电子的电量质量能量的变大,而电子的半径不变。即电子的极限半径就是电子的经典半径,至于教科书上探测到电子的半径小于10-18m,后文另有解释。
电子的极限电量为Q=qx=7.04485229991×10-9C (2.15)
电子的静质量为me=9.1093897×10-31kg (2.16)
电子的极限质量为M=mex=4.00544332872×10-20kg (2.17)
电子的静能量为me=0.51099906×106eV/c2 (2.18)
电子的极限能量为E=mex=2.24688792912×1016eV (2.19)
电子运动时电量变大的公式为,
q'=γq=(1-u2/c2)-1/2q,这里的q'即本文的极限电量Q。
即,Q=(1-u2/c2)-1/2q
1-u2/c2=Q2/q2
u=[1-(q/Q)2]1/2c
=(1-1/x2)1/2c (2.20)
=0.9999 9999 9999 9999 9999 9482 7775 3436c (2.21)
(这个最后的数值用普通12位计算器无法计算,因此使用电脑上的科学型计算器计算)
看来,从牛顿的理论即牛顿的时空观来计算,电子被加速后,极限速度是0.9999 9999 9999 9999 9999 9482 7775 3436c,无限趋近于0.9999 9999 9999 9999 9999 9482 7775 3436c却不能够达到,而不是极限速度为光速c,还差着很远呢,即还差5.1722 2465 6362 7564 3210 7061 3640 022×10-22c。
2.5.3 加速度的极限和频率的极限
牛爱因子的运动物体的加速度表达式为,
γ=(1-a/c2)-1/2,即式(2.3)
于是加速度的极限为,
a/c2=1 (2.22)
求出加速度的极限为无限接近于光速的平方。即
a=c2=2.99792458×108×2.99792458×108m/s2
=8.9875 5178 7368 1764×1016m/s2 (2.23)
《相对论与时空》118页,“按照经典力学的公式,为了使质子得到一个恒定的加速度a≈1018cm/s2(直线加速器中重粒子加速度的数量级)”,1018cm/s2就是1×1016m/s2,与加速度的极限值还差很多。
电子、质子、中子的极限运动能量,即他们被加速时,能量不是无限制增大,而是有一个极限值。量子化的问题也影响到光子,那么,一个光量子的极限值是多大的能量?
因为E=hυ,因此只要能够猜出频率的极限就可以。
圆周运动中,加速度a=ω2R,ω和υ一致。
刚才我们说,“圆周运动的法向加速度an=v2/R。物体的长度和牛顿的长度不变,故an∝v2,即加速度和速度的平方等价。于是,在牛爱因子的计算式中,速度和加速度的平方相关联。故可以猜测加速度牛爱因子应该是γ=(1-a/c2)-1/2,这就是(2.3)式。”
现在不同了,现在要猜ω∝a2,即a∝υ-1/2。那么,透过加速度的极限表达式,a/c2=1,可以猜测频率的极限为
υ-1/2/c2=1 (2.24)
即频率的极限为光速的四次方。为什么呢?事物总是相反相成的。牛顿时钟时间不变,因为周期缩短而频率加快;波速不变,因为波长缩短而频率加快;牛顿空间长度不变,因为波长缩短但是频率加快。一个变快增大,一个缩短变小,结果不变。加速度和频率之间可能也是这个关系,即向相反的方向思考问题,因此虽然公式为an=v2/R和a=ω2R,但是相互关联的却是an∝v2,a∝υ-1/2。这样的对称猜想,才可以避免爱因斯坦莽撞修改时空的错误历史。
υ=c4=(2.99792458×108)4/s
=8.0776 0871 3062 4902 2926 3800 7461 517×1033/s (2.25)
一般教科书上给出的电磁波谱的最高限标出的数字为1022/s,从图上看到的最高限为1023/s或1024/s。距离光量子的极限频率8×1033/s还差得远。引力越大的地方,频率越高,但是这个频率极限就是引力场最大的地方不可以达到的频率极限。
2.5.4 牛爱因子的叠加
现在问题是,牛爱因子是否要叠加?
不叠加的情况,运动的速度和加速度的牛爱因子不需要叠加,即速度和加速度的牛爱因子哪一个数值大,就用那个计算——比如牛爱转盘的不同半径位置。引力场的引力牛爱因子和引力场加速度牛爱因子不需要叠加,二者取数值大的来进行计算——引力场中不同的位置的物体。
叠加的情况,运动物体位于引力场之中时。即物体在引力场中运动时,要叠加,叠加的关系不是我们熟悉的力的叠加原理,即相互加在一起的方式。
牛爱因子的叠加关系是相乘的关系!
比如,引力场γ=1.02时,这时物体在该引力场中的速度γ=1.5,一定要注意,分析时使用的都是绝对的时空,因此使用的是标准钟和标准尺来计量。那么,该运动物体上的坐标钟坐标尺等的牛爱因子就是引力场牛爱因子乘以运动牛爱因子,即γ=1.02×1.5=1.53,而不是γ=1.02+1.5=2.52。
2.5.5 质子和中子的极限
对于质子来说,质子的电量和电子的电量相同。《电磁学》4页给出,“质子中只有正电荷,都集中在半径约为10-15m的体积内。中子内部也有电荷,靠近中心为正电荷,靠外为负电荷;正负电荷电量相等,所以对外不显带电。”
关于质子和中子的经典半径,书上只给出了大约为10-15m,我们可以假定她的经典半径和电子的经典半径精确地相等,即电子质子中子的经典半径r=1.40897046×10-15m。运动后,或者位于引力场中被压缩半径时,质子的极限半径、极限电量和电子的相同。这和电子有同样的牛爱秉性,其实半径不变,仅仅是电量、质量能量的变大而已。
质子的静质量为
mp=1.6726231×10-27kg (2.26)
是电子静质量的1836.15275565倍,
质子的极限电量和电子的相等,即7.04485229991×10-9C
质子的极限质量为,
4.00544332872×10-20kg×1836.15275565
=7.35460580562×10-17kg (2.27)
质子的极限能量为,
2.24688792912×1016eV×1836.15275565
=4.12562946269×1019eV (2.28)
中子不带电荷,或者说电荷中和后为0,故不可以使用电性力计算,直接用(3.6)式质量计算,1-2GM/(c2r)=0,也就是(3.8)式R=2kq/c2的kq改为GM,
万有引力常量G=6.67259×10-11Nm2/kg2 (2.29)
光速c=2.99792458×108m
中子的静质量为mn=1.6749286×10-27kg (2.30)
中子的静能量为9.3956563×108eV (2.31)
因此,中子的极限半径为,
R=2GM/c2
=2×6.67259×10-11×1.6749286×10-27/(2.99792458×108)2m
=2.48702029016×10-54m (2.32)
这和电子、质子一样,实际上中子的半径不会压缩,而是质量能量增大(中子内的正负电荷分布的电荷电量增大而已)
中子的经典半径是极限半径的倍数为y,即
y=r/R=1.40897046×10-15/2.48702029016×10-54
=5.6652953961×1038 (2.33)
中子的极限质量为,
1.6749286×10-27×5.6652953961×1038kg
=9.48896528637×1011kg (2.34)
中子的极限能量为,
9.3956563×108×5.6652953961×1038eV
=5.32291683797×1047eV (2.35)
注意,这里的电子、质子、中子,是就一个单独的个体来说的。对于中子星,是不能够如此计算的,因为中子聚集在一起时,要把所有的中子的分布质量叠加后计算。真正的可以形成的天体,中子星的单个中子的质量,是远远的比此小的,否则中子星天体表面就会超越1-2GM/(c2r)=0,这是不会发生的。
还要注意力的叠加原理的失效。《电磁学》11页脚注给出,“叠加原理并不是普遍成立的。对于非常小的距离或非常大的力,叠加原理可能失效。特别是在电磁场的量子力学效应中,这种经典的力的叠加原理是不成立的。”引力应该也会出现力的叠加原理失效的情况,本书后面尝试给出证明。
2.5.6 逃离引力场
一般教科书总是给出逃逸速度,对于一个半径为R,质量为M的均匀的球状天体,牛顿定律给出的逃逸速度是v=(2GM/R)1/2。因为速度的极限是光速,所有的物体的速度不能够达到光速,因此,如果一个天体的半径R≤2GM/c2,那么一切物体包括光都无法逃出该天体,这就是黑洞了。但是本书已经证明光速是不变的量了,即任何引力场中,光速都是c。光是波动,没有惯性质量。
那么,对于在证明光速不变之前,也没有证明引力场的极限之前,如何运用牛顿定律证明不存在黑洞内?即假设一个天体的半径R<2GM/c2,物体是否可以逃出引力场呢?不难。
先看看通行的说法,《相对论与时空》246页,“牛顿引力论中的黑洞”,见下文引用
关于黑洞的思想其实早在约200年前,即远在相对论建立之前就已经出现了。
按照牛顿的引力理论,一个质点的动能若超过它的引力势能,就能够挣脱中心体的引力而逃逸。在空间技术已经有了相当发展的今天,相信读者对此不会感到陌生。对于一个质量为M,半径为R的球体来说,恰好在它表面上的一个质量为m的质点的引力势能等于GmM/R。故试验质点能够自球体表面逃逸的最小速度可以容易地算出:
因为 1/28226;mv2=GmM/R
所以 v逃=(2GM/R)1/2
这个速度称为逃逸速度。(如果将地球质量和半径的数值代入,便是通常所谓的“第二宇宙速度”。它是从地球表面将一个物体发射到地球引力场以外所需要具有的最低限度的速度。)从上式中不难看出,质量越大、半径越小的球体,其逃逸速度越大,如果令:
R<2GM/c2(c为真空中光速)
即有v逃>c
这意味着什么呢?如果假定光也同一般物体一样受万有引力作用,那么上述条件下光线就不可能克服引力场而“逃逸”;换句话说,球体表面的引力是如此之强,以致一个远方的观测者甚至无法接收到由球面发出的光线,因而球体是绝对黑的。
上述观念最早见于1783年英国一名业余天文爱好者迈克尔(R.J.Michell)写给著名物理学家卡文迪许(H.Cavendish)的信中。15年后,著名数学家、物理学家和天文学家拉普拉斯(Laplace)也讨论了这种牛顿引力论中的“黑洞”,尽管当时并未使用这样一个名称。今天,人们通常称之为拉普拉斯黑洞。
这里变通一下高中物理教科书上的说法,就是:在星体上发射卫星时,卫星距离星体的球心越远,运行的速度越小,因为引力和两者之间的距离平方成反比,卫星飞离的离心力和星球对她的引力平衡就成为卫星了。虽然距离星球表面高(远)的卫星运行速度比靠近星球表面附近的卫星运行速度小,但是向高轨道发射卫星却比向低轨道发射卫星困难,因为向高轨道发射卫星,火箭要克服星球对她的万有引力做更多的功。
合理的说法为,因为“黑洞”引力奇大,运动物体无法突破光速的极限限制,所以在黑洞天体表面附近不可能有卫星,但是却可以在远离黑洞的空间有卫星。注意无理学家不是一下子把火箭的速度加速到7.9km/s,令卫星环绕地面附近旋转成为地球的卫星,而是一步步给火箭加速,在地球上不断上升,减少动能获得势能,因此受到地球的引力不断减小,火箭爆炸气体的反冲推力减去地球的不断减小的引力作用,合外力越来越大,因此可以获得越来越大的加速度,当然,火箭的速度也是不断的增加的。这样,当火箭的速度达到7.9km/s后,就成为近地卫星。
在黑洞表面一样,只要火箭的爆炸气体推力大于黑洞对火箭的万有引力,那么因为牛顿的原因,火箭按照第二定律获得加速度,因此就有速度,火箭因为反冲气体的推力而获得的动能,其中一部分转化为势能,也就是火箭不断的远离黑洞天体表面,这样,二者距离增大,万有引力按照距离平方反比关系减小,但是反冲气体的推力不变,因此加速度越来越大,同时速度越来越大,随着时间的推移,二者距离越来越大,引力不断减小,这时火箭的速度足够大,而引力足够小,就可以满足卫星的速度条件了,即v=(GM/r)-1/2。当然,还有一个因素,当火箭喷发气体反冲运动时,质量也在不断的减小(燃料燃烧后离开火箭发生火箭的质量减小),这样,在不变的爆炸气体推力之下,加速度和速度增加的更快。
教科书上说,任何物体不能够脱离黑洞的束缚,是用错了公式,因为发射卫星不是速度一下子达到7.9km/s,而是由牛顿第二定律获得加速度和速度,实现势动能转化,这样二者的距离不断的增加,即r增加,随着r的增大,引力就不断的减小,这样,要成为黑洞的卫星,需要的速度就小于光速c,而且随着火箭的势能不断的增加,需要的环绕速度越来越小,比如,就象环绕地球的卫星的速度。当然,这里所说的势能增加,是指单位质量的势能增加,因为火箭的质量是不断的减小的。
看来,无理学家没有学好——
伽利略石块推理,
牛顿第二定律
火箭飞行原理
势动能转化的能量守恒定律,
这些都是普通高中的物理知识,加上错用了卫星环绕星球的速度公式,因此出现了一个怪胎,并不存在的“黑洞”。
物理学家一定会强烈的反对,他们还有逻辑,即这样引力场强的星球上,并没有人类居住,也没有杰出的物理学家制造火箭——引力如此之强(这是抬杠话——月球上的岩石可以自己飞离月球表面吗?没有一个天体的土壤或岩石可以自己获得初始速度飞离天体的——只有一种情况,天体上面发生了爆炸,因此爆炸物四分五裂,有一部分有可能脱离天体的引力,其余部分是要落回去的!)。那么,假如这个天体发生连续爆炸,那么爆炸物挣脱引力场增加势能,再次发生爆炸就可以逃出引力场——原子弹可以链式反应,引力场中就不能发生连续爆炸?显然,就牛顿理论是无法论证黑洞的可能存在的,什么也证明不了。现在借助爱因斯坦的相对性证明了光速不变,因此不可能有黑洞。同时光速的极限也证明了引力场有极限,不可能突破引力场的极限,也许会发生引力场中叠加原理失效,但是引力场仍然有极限!
当然,现在我们已经可以运用光速不变证明任何引力巨大的天体都可以被看到,因此黑洞不存在。而实质上,天体的引力场是有极限的,即一个天体的半径R不可能小于2GM/c2。
2.6 牛爱变换
时间和空间不变,寿命和能量不变,光速(声速)不变,光尺不变。爱因斯坦相对论的钟尺观经过牛爱因子的修正后,经过牛爱变换后就是标准的牛顿时空。
运动与引力场等效,匀速和加速等效。
声波和光波变化情况相同。原子钟和机械钟变化等同。
真实物体的尺度不变,量尺不变。
真实物体的振动振荡速率加快。
牛顿时空:经典时空观,时空绝对,互不相关,超距作用。
牛顿时空的绝对是时间和空间长度的绝对,爱因斯坦相对论的绝对是寿命和能量的守恒,相对的仅仅是频率、波长和周期的涨缩。
注意到0K以下的情况,因此下文谈到了磁量——磁荷的磁量。
2.6.1 运动物体的变化
物体在绝对以太参考系中运动时,或者物体位于引力场中时,会发生如下的变化:
①,物体的真实长度不变(空间)
物体半径r各向同性的压缩——假惺惺的,因此就是物体半径并没有改变,仅仅是电量、质量、磁量等真实的变大了而已,对于粒子和宏观物体都一致。这是由于牛爱秉性决定的,量子的内禀性质。
②,物体的寿命不变(时间)
因为物体运动时,参考的物理量,周期缩短而频率加快,因此二者的乘积,即周期和频率的乘积不变,也就是反映的绝对时间不变,因此物体的寿命不变。不管是粒子还是双生子,都不变。可以进行实验观察的是放射性物质的半衰期测定,即运动或引力场不会影响半衰期。物体的寿命不变,就等价于绝对时间的不变。
这里的联系是对称的,物体的寿命和时间关联,因为时间绝对,而寿命不变。同样,物体的真实长度和空间的长度相关,物体的尺度并没有压缩,而牛顿的空间长度同样不变。
③,质量、电量、磁量变大,能量变大。
对于粒子来说是电量变大(电量的变大也就是质量的变大,因为统一力),对于宏观物体来说是质量变大(对于中性的粒子比如中子来说也是质量变大——但也是电量的变大,因为质量就是电荷系的静电势能的大小,而中子内部是有电荷分布的)。
第一章1.10节已经谈到,所谓的质量,就是电荷系的静电势能的大小。因此,统一力的思想告诉我们,电量的变大就是能量的变大,就是能量的变大。
④,时钟走时速率加快,量尺波长缩短
运动物体或者引力场中的物体,其上所发生的波动、振动(振荡)会发生时钟变化效应,这在分析波动和振动时再介绍。
⑤,运动物体的速度极限是光速,同样,引力场的极限也是光速。
物体运动速度为u时,牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,引力场为g时,牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。对于上述的情况,给出牛爱变换为,
物体的质量(电量、磁量)(能量)变大,m为物体静止时的质量,m'为物体运动速度为u时的质量;或者m为物体在引力场为0时的质量,m'是物体在引力场为g时的质量:
质量增大(电量变大、磁量变大、能量变大和质量变大是同步的)
m'=γm=(1-u2/c2)-1/2m (2.36)
m'=γm={1-2GM/(c2r)}-1/2m (2.37)
e'=γe=(1-u2/c2)-1/2e(e为元电荷) (2.38)
e'=γe={1-2GM/(c2r)}-1/2e (2.39)
g'=γg=(1-u2/c2)-1/2g(g为元磁荷) (2.40)
g'=γg={1-2GM/(c2r)}-1/2g (2.41)
E'=γE=(1-u2/c2)-1/2E (2.42)
E'=γE={1-2GM/(c2r)}-1/2E (2.43)
物体运动时的运动速度极限是光速,物体可以集合在一起形成的引力场场强极限也是光速。
即牛爱因子的内在联系,
运动牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,
引力场牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。
1-u2/c2≡1-2GM/(c2r),这是运动和引力场两种运动形式的牛爱关联,这在分析其他一些规律和数据时是很有用的。也就是说,运动牛爱因子等价于引力场牛爱因子。因此有,
u2/c2<1,因此运动物体可以达到的速度u恒小于c。
2GM/(c2r)<1,因此物体集合在一起可能形成的引力场时,物质质量可能形成的半径有极限,极限为r>2GM/c2。
叠加,如果一个物体在引力场为g的空间速度为u,那么牛爱因子就会叠加,叠加就是运动牛爱因子和引力场牛爱因子相乘,即上文的公式为,
m'=(1-u2/c2)1/2×{1-2GM/(c2r)}1/2m (2.44)
这就是引力场中运动物体上的牛爱因子的总效果。下文谈到的振动、波动有同样的叠加计算方法。
2.6.2 振动(振荡)的变化
运动物体和引力场中的物体,该物体上面发生的振动也同样发生牛爱因子的变化,要使用牛爱因子来修正。
物体运动速度为u时,牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,引力场为g时,牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。这时,运动物体上的振动或者引力场中的振动遵守牛爱变换,下文中带撇量为运动物体或引力场中的量,不带撇的量为静止物体并且引力场为0的量。
周期T'=T/γ (2.45)
频率υ'=γυ (2.46)
时间t不变,因此可以用振动的周期和振动的频率的乘积t=Tυ来表示,因为T'υ'=T/γ8226;γυ=Tυ,所以时间不变,寿命不变。
加速度a'=γa (2.47)
速度v'=v (2.48)
因为速度v=at,这里的t当为T,即周期。于是v=aT。T'=T/γ,a'=γa,v'=a'T'=(γa)(T/γ)=aT=v。
振幅A'=A/γ (2.49)
振幅为什么会变小呢?《波动与光学》5页,“简谐运动的加速度和位移成正比而反向。”a=-ω2x,ω和υ一致,是增大γ倍的,a是增大γ倍的,而x代表A振幅,显然振幅是减小γ倍的。
质点质量m'=γm (2.50)
劲度系数k'=γ2k (2.51)
看看教科书的公式,ω=(k/m)1/2,角频率其实就是频率,和质量一起变大γ倍,因此劲度系数k必然增加γ的平方倍。
恢复力F'=γF (2.52)
公式F=-kx,k增大γ的平方倍,x减小γ倍,因此F增大γ倍,但是注意力的作用效果却是F减小了γ倍。
振动能量E'=γE (2.53)
简谐振动的能量为E=1/28226;kA2,但是劲度系数k'=γ2k,并且振幅A'=A/γ,因此能量应该不变,为什么能量E'=γE呢?这是因为,任何能量都对应着质量,引力场中物体对应引力质量而运动物体和引力场等效。引力场中要发生势动能转化,因此能量E'=γE。另一个分析的角度是E=hυ,υ是频率,增大γ倍,因此能量也是增大γ倍。
再看看恢复力,恢复力F'=γF,恢复力增大了,力的作用效果却反倒减小。按,F=ma,m增大γ倍为m'=γm,而a增大γ倍为a'=γa,但是F也是增加γ倍为F'=Fγ,于是γF'=m'a',即F'=m'a'/γ。表面上看F增大了γ倍,但是实际上看,力的作用效果确实减小了γ倍。
质点质量的变化容易理解,因为这和物体运动或者处于引力场之中时是一致的。
注意这些不是随便的分配,是从贝托齐逻辑实验分析得到的结果。有了贝托齐实验的逻辑性验证,也就只能是这样的结果。
2.6.3 波动的变化
波动和振动是一致的,波动引起时钟的变化,而振动同样也引起时钟的变化,但都不会改变时空的经典绝对性。
物体运动速度为u时,牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,引力场为g时,牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。这时,运动物体上的振动或者引力场中的振动遵守牛爱变换,同样运动物体上的波动和引力场中的波动也遵守牛爱变换,对于光波和声波一样,对于纵波和横波一致。下文中带撇量为运动物体或引力场中的量,不带撇的量为静止物体并且引力场为0的量。下文用光速c来分析公式,对于机械波同样的效果。
周期T'=T/γ (2.54)
频率υ'=γυ (2.55)
时间不变,和上文分析振动的等同。
波长λ'=λ/γ (2.56)
光速不变。即波速c'=c (2.57)
和上文分析的振动速度不变一致。当使用光速(而不是波长)和时间(而不是周期)为基准(单位时间光走过的路程)来衡量空间的长度时,就是不变的绝对的牛顿长度。
能量E'=γE (2.58)
时间不变,因为T'υ'=T/γ(γυ)=Tυ,而周期和频率的乘积才是描述牛顿时间的,故时间不变。而坐标钟因为频率的加快而走快,经过牛爱因子修正后,反映绝对不变的牛顿时空,因此经过牛爱因子修正过的坐标钟是标准钟——记录牛顿时间。时间是绝对的,自然寿命也不会改变。用e来表示寿命,因为life,time,live等词的结束都是e,而且e为基本粒子。e=t=T'υ'=T/γ(γυ)=Tυ。时间和寿命在物理意义上都是绝对的。可以测量不同引力场中放射性物质的半衰期来判断。
波速不变,c=λυ,波长减小,但是频率变大,因此波速不变。
量尺可以由真实物体的长度来反映,不会改变。如果用波长表示,尽管波长变短,但是因为频率加快,因此经过牛爱因子的修正后不会影响牛顿的长度;或者说用波速和绝对时间的乘积来作为量尺,不会影响牛顿长度。
2.6.4 时间和寿命的绝对性
最不好理解的是粒子的寿命,实验观察到,粒子的静止寿命在运动时变长,即通过测量粒子衰变前运行的距离和测出的粒子的速度,计算出粒子的运动时间,即粒子的寿命。
这个结果有多种粒子的实验为证明。
现在的问题是,从雷达对钟法可以明确,时间是绝对的,时间间隔是绝对均匀的,时间的同时性是绝对的。并且时间不曾变,改变的仅仅是——运动时钟走时速率加快!但是实验结果是静止粒子运动后,在实验室,也就是在牛顿时空,在牛顿时间的延续上,确实保留的时间变长了,是否可以否定时间的绝对性,寿命确实可以变长?
不可以。
变化的仍然是时钟,不变的依旧是时间,自然寿命不可以改变。
参考图2.2,牛顿时间用标准钟来计时,用滴答声的次数来表示时间。假如说,粒子静止时用标准钟计时,滴答了4次,粒子衰变,即结束了寿命。静止粒子自身的时钟称为坐标钟,因为静止也是滴答4次。
但是,粒子运动后,假如γ=2,那么粒子的时钟即其自身的坐标钟将会加快,在牛顿标准钟滴答4次时,粒子的坐标钟滴答了4γ=8,即滴答了8次。因此粒子真正的寿命还是对应牛顿绝对时间的4次滴答声。
但是注意,粒子具有不确定性,即时间和位置都是不确定的,这就是爱因斯坦的相对性,也是牛顿的超距作用。时间和位置的不确定性可以让粒子自身坐标钟的8次滴答声对应牛顿标准钟的8次滴答声,因此运动的距离也是牛顿标准钟的8次滴答声时间的牛顿距离。这不是绝对时间的延缓,也不是绝对长度的变长。
这个逻辑性本身就是矛盾的,因为按照爱因斯坦的理论,运动长度收缩,那么粒子在牛顿空间运动的长度应该是减少的,但是现在却是变长了——唯一的解释是粒子的运动的不确定性——量子的内禀性质,仍然当做是牛爱秉性好了。
粒子的规律不适于宏观物体,比如麦克斯韦分布律,对于分子粒子来说,因为温度对应的不是粒子的确定的速率,因此,粒子碰撞时,就不单单是低速粒子从高速粒子那里获得能量,必然有高速粒子从低速粒子那里获得能量的情况,不然,经过一段时间后,所有的粒子的速率就会相同,因为能量从高温物体向低温物体自动地传递,而温度的微观意义就是粒子的动能!但麦克斯韦速率分布律是普遍存在的事实,因此一个粒子不能够对应于一个宏观物体——由此可以见到粒子的规律只有统计后才能够上升为宏观物体的规律。
粒子有不确定性,但是宏观物体没有不确定性。宏观物体的运动是运动,动能是1/28226;mv2(v=v),粒子的运动是波动,动能是mv2(v=0~v),这是不相同的。
对于粒子的寿命,虽然可以因为运动而出现在绝对牛顿时间的延长的时段内,但是并非时间延缓或者粒子的寿命延长了。因为绝对对钟法证明了时间的绝对性,时间不可能延缓。而相对论的深入讨论是一切运动规律都等价,因此粒子的寿命也不可能延长——寿命对应时间,时间绝对,寿命必然也是绝对不变的。
对于粒子来说,单个粒子的不确定性,不能代表多数粒子的统计规律。如果我们实验借助于粒子的统计性质,实验结果必然是寿命不变。
放射性衰变的半衰期测定就是对于粒子“寿命”的统计性质的测定。如果粒子真的会因为运动或引力场而延缓寿命,必然可以测得出来。相对论的意义无非是引力场强的地方时钟走缓,和狭义相对论的运动时钟走缓意义一致。我们可以确定,一切物理规律等价。因此,可以借助“珠穆朗玛峰的高度”或者“地球极半径赤半径的差别”来测量引力场对寿命的影响。可以同时把原子钟一起来比较。实验结果将会是原子钟的走时加快,而放射性半衰期不变。
这样,我们就可以明确,雷达对钟法揭示的牛顿时间的绝对性是不容置疑的,时间是绝对的,而“寿命”也是绝对的。对于双生子,当她运动旅游后,他的坐标钟走时加快,即她虽然旅游了2年,但是坐标钟走时为“200年”,但经过校钟后,对应于标准钟的2年。同样,当她来到引力场中后,坐标钟显示读数为“200年”,但是对应于标准钟的2年,因此双生子重新见面后,二人一样的生理变化!
现在,我们可以定义寿命永不变了。粒子运动寿命变长,不是寿命变长或时间延缓,而是因为不确定性的爱因斯坦相对论时间和位置,可以对应到真实的牛顿时间和长度的“延缓”和“加长”。其实,这正是牛顿的超距作用在微观世界的体现!
不信,请做一做统计规律的实验——放射性半衰期的测定!
2.6.5 波线偏折
因为引力场中的光线偏折,爱因斯坦一夜成名,所有的角落轰动了,侍者和马夫也开始对弯曲时空津津乐道。
但是,爱因斯坦现在必须要重新学习等价原理了,因为我们使用经典时空,伽利略变换推导出等价原理更普遍的意义,运动物体上的光线也发生了弯曲!如图2.3所示,
波动是普遍的,机械波和电磁波一样发生同样的运动效应和引力场效应。但是使用声波很难来具体实验操作,因此这里介绍运动物体上的光线偏折,事实上声线(声波)会发生完全相等的偏折。
物体运动速度为u时,牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,引力场为g时,牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。
太阳引力场中光线的偏折计算为(见《大学物理续编》),
dφ=4Gm/(c2R)=1.75" (2.59)
4Gm/(c2R)=2×2Gm/(c2R) (2.60)
运动牛爱因子为,γ=(1-u2/c2)-1/2,引力场牛爱因子为γ={1-2GM/(c2r)}-1/2。
考虑公式的等价性与实际物理过程的等同性,因此对等考虑有,运动时光线偏折的计算为(运动加速度有同样的效果,不过这里就不再分析了),
dφ=u2/c2×2 (2.61)
因为实验时要转动180度角进行对比,因此偏折角的改变为上述结果的两倍,即
dφ=u2/c2×2×2=4u2/c2 (2.62)
地球上可以观察的是地球的轨道速率和追随太阳的轨道速率,这需要分步计算和实际的观察。注意:这个实验和光行差现象不同,光行差现象观察的是地球以外的天体光源发光,运动物体上的光线偏折是运动物体上的光源,我们借助地球的运动,所以光源就是地球上的光源。还要注意实验的光线传播必须和地球速率的方向垂直。同时太阳的公转也会有光线偏折效应。
为了做这个实验,可以设计牛爱偏折仪,见图2.4所示,
牛爱偏折仪的构造大略是,
①转轴,可以做360度转动。如果仿照导航陀螺的三个垂直转轴,就可以周天360度立体角转动了。
②反射镜,假如仿照迈克尔逊干涉仪采用反射镜反复反射,把距离放大10倍,就可以增加一个量级的检测能力。
③镜筒长度,可以仿照光行差现象的望远镜,我们把牛爱干涉仪的两个狭缝之间的管状物称为望远镜镜筒。假如镜筒长度为1m,即两个狭缝之间的距离为1m,这相当于半径为1m。半径为一米的周长为2π,那么圆周的1"对应的圆周长度为,
2π=360°×60'×60"
所以,1"=4.84813681105×10-6m (2.63)
意义是,当望远镜长度为1m,也就是两个狭缝之间的距离为1m时,可调狭缝转动1"的角度时,转动的长度为4.84813681105×10-6m。
④狭缝宽度,可调狭缝后面紧紧贴着光强检测的装置,因此可调狭缝的衍射影响不大,但是靠近单色光源的狭缝,宽度越小,透过狭缝的光线衍射得越厉害,这可能会影响到对光强测量的精度。
可见光光源的衍射很容易观察到。《波动与光学》165页,“遮光屏G上开了一条宽度为十分之几毫米的狭缝,…单色线光源…实验中发现,屏H上的亮区也比狭缝宽了许多,而且是由明暗相间的许多平直条纹组成的。”这就是光的衍射。这说明,当狭缝的宽度为10-4m量级时,可见光源就表现出了明显的衍射现象。
没有这方面的技术资料,不知道衍射对测量光强的精确度有多大的影响。因此,对于牛爱干涉仪,在单色光源这一侧的狭缝,开缝宽度应该如何选择呢?这里不做详细限制,估计应该在10-4m附近。
⑤衍射光强的分布,对衍射光强的分布,以及其移动的距离的测定,在牛爱干涉仪中是非常重要的。这取决于牛爱干涉仪的测量精度。如果能够测出0.001"的角度,就是光强测量时可以辨别光强移动4.84813681105×10-9m的距离。如果采用反射镜把望远镜镜筒的长度放大到10倍,即相当于10m的半径,如果测量时可以辨别光强移动4.84813681105×10-9m的距离,就等于可以测出0.0001"的角度。
⑥单色光源,单色光源应该对实验的精度有利。
⑦整体转动。注意,单色光源和望远镜镜筒是一起转动的。
⑧乐观估计。爱因斯坦的太阳引力场中的光线偏折,测量结果数据的小数点位为0.01"。而后来射电波的测量小数点位是0.001"。《大学物理续编》,141页,“测量结果符合广义相对论的预言引起举世轰动,从而奠定了广义相对论的地位。以后凡有日全食时都要进行类似观测,迄今为止,共测出了几百颗恒星的光线,基本上都与广义相对论的理论值符合。以后又用射电波进行测量,测射电波的偏转,精度大大提高,1975年测得偏转角为1.761"±0.016",与理论值相当符合。”牛爱偏折仪和太阳引力场中的光线偏折原理有差异,——乐观的估计是,测量的精度应该可以达到0.001"的精度。不过资料没有介绍,不知道为什么使用射电波精度会提高。但对于牛爱干涉仪来说,应该使用短波的可见光可以提高精度吧,这样可以降低衍射的不良影响。
⑨使用。首先根据理论分析,测出某个方向上单色光源经过狭缝时,最大光强分布的位置,即可调狭缝向两侧移动,根据光强分析确定可调狭缝的位置,这里不妨有刻度。然后,整个仪器转动180度,再左右两侧移动可调狭缝,测量最大光强分布的位置,即可调狭缝对应的刻度。这个可调狭缝移动的角度(或者距离)就是测量出来的光线偏折的程度。
⑩牛爱偏折仪,能够测量在以太中绝对运动时的光线偏折效应,对于引力场引起的引力光线偏折,是否可以呢?要看一看精度了。如果精度足够大,就可以测量出来。当然只能够测量地球的或其他可以到达的行星,不要期望测量太阳的,因为会把物理学家的屁股烧焦的,当然,脸蛋也不放过,一定会烤焦的。
2.6.5.1 太阳的轨道速度发生的光线偏折
从董晋曦论文中抄袭一句关于太阳的速度,“应当指出,近年由于对3K宇宙背景辐射的观测,发现太阳系向狮子座α星方向有一约400km/s的绝对运动。”(《相对论再思考》,126页)——对比数据,《力学》20页,给出的太阳在银河系中绕银河系中心的运动速率为3.0×105m/s。这里暂时以400km/s来估算。
当牛爱偏折仪用于试图观察太阳的偏折时,可以期望观察到的偏折角度必须进行仪器180度的转动比较,因此是实际偏折角度的两倍,即dφ=u2/c2×2×2=4u2/c2
dφ=4×(4×105)2/(3×108)2
=7.1111×10-6×0.20626480624"×106
=1.467" (2.64)
式中的0.20626480624"×106来自于,因为2π=360°×60'×60"
即1rad=0.20626480624"×106 (2.65)
(看来,太阳的轨道速度引起的运动光线偏折比光线掠过太阳表面发生的引力偏折1.75"要小一些)
这个偏折角是比较大的,即使牛爱偏折仪只有0.1"的精度,也可以测量出来。
2.6.5.2 地球的轨道速度发生的光线偏折
地球的轨道速率为2.98×104m/s,光速c=2.99792458×108m/s,因此u2/c2=0.98807775577×10-8,
dφ=u2/c2×2×2=4u2/c2
=4×0.98807775577×10-8×0.20626480624"×106
=0.008152" (2.66)
这个偏折角是比较小的,牛爱偏折仪至少要有0.001"的精度,还能够测量出来。地面引力场引起的光线偏折不足这个数据的1/10,因此可以有效鉴别究竟是运动还是引力场引起的光线偏折效应。
测量地球轨道速度的光线偏折效应时,要注意时机,即地球轨道速度和太阳轨道速度大体相互垂直,否则太阳速度是地球速度光线偏折效应的180倍,会测出大于计算数值很大倍数的偏折。即一年中只有有效的几天才可以利用。
2.6.5.3 地球引力场引起的光线偏折
地球引力场引起的光线偏折,因为只有和重力平行和垂直于重力方向上的比较,偏折角的变化就是偏折角本身,不需要乘以2。
引力常量G=6.67259×10-11Nm2/kg2
地球质量5.98×1024kg
地球赤道半径6.378×106m
dφ=4GM/(c2r)
=4×6.67259×10-11×5.98×1024/(3×108×3×108×6.378×106)
=2.78053644123×10-9×0.20626480624"×106
=0.0005735" (2.67)
这个偏折角度更小,至少要牛爱偏折仪有0.0001"的精度,才有希望测量出来。但要注意回避太阳的速度和地球轨道速度的叠加。
2.6.5.4 其他的全方位观测
除了测量地球和太阳的轨道速度外,还可以尝试其他全方位的观察,如果有比太阳轨道速度数据更大的偏折角,说明银河系也在绕着更大的引力中心做公转。不过这个可能性似乎不大。
闭上双眼装瞎子的物理学家
物理学家已经通过天体的相互移动对比,确定地球在公转,太阳带着地球一起运动,但是却蒙上眼睛,说,躲进封闭的小室里面,一个人不知道她是否运动。并说,没有相对于绝对真空的绝对运动,因为绝对的以太参考系不存在。他们拒绝全方面综合后下结论,他们急于把自己的眼睛闭上,装瞎!
不过,现在,除了运动物体上的时钟走快、量尺压缩,运动物体各向同性压缩,光速变慢外,还有运动物体上面的光线偏折。这是他们躲进封闭的实验室也能够测量出来的!
2.6.6 牛爱转盘
雷达对钟法回归了绝对时空,现在用绝对时空观分析爱因斯坦传盘,因此改称为牛爱转盘。
如图2.5,当牛爱转盘高速旋转时,牛爱转盘的r1、r2、r3等处的物体长度不变,不发生涨缩,因此,整个转盘的半径不变。同样,牛顿转盘的长度不变也体现在周长,即周长C≡2πr。因此,欧式几何永远成立,与运动或者引力场无关。
本章2.5节介绍电子质子中子的极限数据时谈到,粒子半径的压缩仅仅是“假惺惺”的,是为了分析问题从观念上引出的逻辑,实际上半径不变。牛爱转盘是有具体的大量的分子原子组成的。原子由原子核与核外电子组成。原子核里面是质子和中子。任何组成的单元尺度不变,整个物体尺度当然不变。而且本章2.7节通过牛爱校钟法运用伽利略石块推理证明了时空的绝对性,爱因斯坦的相对论不成立,因此,没有必要陷于爱因斯坦的乌龟阵中。
2.6.7 伽利略变换
现在的问题是,由于迈克尔逊-莫雷实验并没有移动干涉条纹,因此,根据雷达对钟法得到的同时性的绝对性和时间间隔的均匀性,地球必然没有在“真空”中运动。但事实上地球运动了,因此只有一个解释,传播光的“真空以太”是多重的,即对于“永动”的运动物体来说,她拖动了自己的“真空以太”。
并非任何物体都是完全拖动自己的“真空以太”的,假想可能是,当物体匀速直线运动时,完全不拖动自己的以太,而曲线运动时,部分拖动自己的以太,当物体“永动”时,完全拖动自己的以太。而绝对静止的、不动的以太参考系,是宇宙中所有物体的真空以太的重叠和叠加。
现在,永动物体上的光速是不变的(不是永动的物体不是这样),并且是各向同性。但这个不变的光速是需要一个合适的参考系。当物体完全不拖动自己的真空以太时,这个不变的光速是以绝对以太参考系来说的。当物体部分拖动自己的真空以太时,这个不变的光速就只能够以运动的物体的自己以太被拖动的程度来说了。当物体完全拖动自己的以太也就是物体永动时,物体上不变的光速是以该物体为参考系来说的,而对于绝对以太参考系,光速就不是各向同性,而且光速可以大于c,相对于绝对以太参考系来说!相对于永动的运动物体参考系,光速还是依旧各向同性,光速不变。
伽利略变换要注意两点,
伽利略变换要进行彻底的变换,即进行惯性系和非惯性系变换,这样,任何运动物体上的观察者,以任何运动物体为参考系时,得出的结论都一致!——牛顿定律总是成立
注意到真空光源和永动物体上的光源。比如,地球上的光源被火星上的人看到,假如爱因斯坦能够抵达火星安全地测量——他看到的地球上的光源相对于自己的速度是多少呢?
地球上的静止光源发出的光,如果是地球上的观测者观看,因为地球完全拖动自己的引斥以太,因此观察者观察到的光速为c,各向同性。
现在地球上的静止光源,发出的光,由位于火星上的爱因斯坦观察,火星有自己的轨道速率,拖动自己的以太,怎样分析呢?首先,地球光源的相对于地球的速度c,要适应绝对以太参考系的速率,即以绝对参考系为参考,光速各向同性,相对于绝对参考系的光速为c——这些光线相对于地球的速率已经不是c了,当然,要进行多普勒频移,因为光子的能量守恒。假设火星相对于以太的速率为w,那么,火星上的观察者,观察到的这些光线的速率为c±w,但是注意,要考虑火星和光子的运动的方向,进行矢量计算得出确切的数值。伽利略变换完毕!
(注意到了没有,光源发出的光的速度,与观察者有关!即地球上的静止光源,由地球上的观测者观察,速度为c,各向同性——以地球为参考系。由真空中的静止观察者观察,光速为c,各向同性——以真空为参考系。因为光源发出的光子都是独立的,地球上的观察者和真空中的观测者,观察到的不是同一个光子。即地球上的光源发出的光子,由地球上的观察者观察,借助被地球完全拖动的以太传播;而地球上的光源发出的光子,由真空中的观察者观察,借助于真空静止以太传播!这是由量子的不确定性决定的!)
2.7 牛爱校钟
2.7.1 雷达对钟,建立绝对的时空观
标准钟尺校对——时间间隔和空间长度间隔的校对
2.7.1.1 引力场的时空间隔校对
使用雷达对钟法可以简单地证明非欧几何不存在,爱因斯坦追捧的小混混们就失去了数学的支撑,相对论大厦就自己坍塌了。
图2.6中,A是史瓦西场的无限远处,因此引力场强为0。
“物理上的时间基准和长度基准都是自然界实际存在的,时间基准为某周期事物的周期,长度基准为某波的波长。”这句话改为,时间和空间可以用标准钟和标准尺来描述和衡量,使用引力场为0处静止物体上的某周期事物的周期和频率的乘积以及单位时间内波动走过的路程基准作为标准钟和标准尺的“时空间隔”标准单位。
引力场强为0的地方A,有标准钟和标准尺,光速为c。该处有一个精密“雷达”E,可以绝对准确地“等时间间隔”地发射光脉冲。引力场中光速不变,因此,第一个光脉冲到达引力场中B处时,和后面的任何次光脉冲到达B处的所用时间都精确地相等。因此,A处等时间间隔(牛顿时间)发出的光脉冲,在B处也是等时间间隔收到,也是牛顿时间。显然,引力场中任何的地方,绝对的不变的牛顿时间是统一的。
这样,在引力场为0的A处,光速沿引力场方向和垂直于引力场方向的光速一致,于是,l=ct,即纵横的长度标准是一致的。在引力场不为零的B处,光速不变,因此纵横方向上的长度标准依然一致,即l=ct。
现在看到,因为t是AB两处的绝对的牛顿时间,所以二者绝对相等。可以知道,在B处的观测者,观察到自己的纵横方向的长度(量尺)相同,在A处的观察者,观察到B处的纵横方向的长度也是一致的。爱因斯坦的小混混们发现,当使用牛顿时间来描述时,非欧几何失效了——本来就没有时空的弯曲。
2.7.1.2 运动物体上的时空间隔校对和同时性的绝对性
第一章1.3节谈到光速不变时,说到清华大学的教材在用太空船的加速状况的时钟走时速率和引力场的时钟走时速率不能对比,他们的错误在于在校对的时候多余了一个“追击”的问题,而这个追击问题是由于狭义相对论的同时性混乱代入的,现在就把这个问题说清楚:
绝对时空观的意义就是建立一个绝对的时钟和量尺,用绝对时钟量尺来衡量所有的在引力场空间中运动的物体形式和方式。运动和引力场中的频率和波长、周期可以发生涨缩,但是对时钟量尺校对后,就是绝对的时钟和量尺。当运用绝对的时钟和量尺来比对所有的在空间中运动的物体和处理引力场中的时钟量尺时,我们就坚持了绝对时空,二者互不相关,超距即时。使用伽利略变换,借助笛卡尔坐标,定位方法是导航回转陀螺和勤于天文观察。
在图2.7中,有一个脉冲光源,每隔相等的时间间隔发出一次超短光脉冲。有ABC三个观察者和脉冲光源的距离相等,AC二者逆时针和顺时针转动,B静止不动。假如A是C的速度的整数倍或者整数分之一,而ABC三者总有位于一条直线上的瞬时时刻。假如每次光脉冲传递到B时,ABC三者正好处于一条直线上,那么,三者每次刚好都能够收到。AC二者都在运动,而且还是非惯性系。那么,运动引起AC上的时钟走快或者走慢都没有关系,AC速度不同,可以差别很多倍,因此运动对时钟的影响可以有可以观察到的差别。但是,因为光源是静止的,可以把光源的每次发出的脉冲光称为一次“滴答”。那么,观察者ABC不会因为转动而晕头转向,因为三者收到的滴答声完全一致,她们把自己的时钟与脉冲光的滴答声比对来确定自己的时钟的时间间隔和统一的同一个同时性的时刻,让自己的“运动参照系”契合牛顿绝对的参照系。这就是说,按照图2.6和图2.7的方法来对钟,大家都可以运用绝对的,与自己运动状态无关的绝对时空来描述任何物体的运动状态,这就是绝对对钟法,又称雷达对钟法,牛爱对钟法。
这里为什么用转动的速率来分析,因为这样没有“追击”问题。当然,搞清楚了牛顿时空间隔的绝对性和同时性的绝对性后,即使有追击问题也没有关系。
既然所有的运动参考系和引力场都可以使用一个绝对的牛顿时空来描述运动状态,那么,就可以使用绝对时空来定义时钟的快慢和量尺的长短。比如,图2.7中,我们可以先定义量尺,假如脉冲光源和ABC之间传播的时间是1/300000000,即光可以在二者之间传播150000000个来回,那么定义二者距离为1m,而每间隔光可以走150000000个来回的时间发射一次光脉冲,那么,两次滴答声之间的时间间隔为1s。反过来,也可以先定义时钟的s,而使用光速定义量尺的m单位。静止观察者B和运动的观察者AC可以根据脉冲光源的标准时钟,确定自己参照系的绝对不动的不为外物影响的牛顿时空的绝对时钟和量尺。
显然,使用绝对的时空观念,必然有伽利略变换描述的光速。使用笛卡尔坐标系,对于观察者A来说,脉冲光源发出的光和观察者A的相对速度必然是c+v,而光和观察者C的相对速度必然是c-v,光源发出的光仅仅对于静止的B,速度才是c。记住,使用一个可行的绝对对钟方法,必然得出绝对时空的观念,我们可以依据的只有伽利略变换笛卡尔坐标,当然,我们有对于天文大量的观察事实的比对和导航陀螺可以明确我们在宇宙中的位置和地位。
图2.7所以可以这样对钟,因为A和C的运动不是永动,当然主要的原因在于光源在真空中,即光源和真空保持静止。
爱因斯坦把“同时性”的绝对性搞成“同时性的相对性”时,自己已经癫狂,可笑的是整个世界都相信了。既然她们都信服了同时性的相对性,就认为无法对钟,参考系之间就无法比对,因此,莫说几个实验事实,就是一千个一万个实验事实,因为“同时性的相对性”的捣乱,那些实验不可能得到真正的解释。只有确定第一点,牛顿绝对时空观,就可以确定第二点,即同时性的绝对性。这样,整个相对论就仅仅是相对性,这个世界上根本不需要什么相对论的胡说八道。
在图2.7中,假如有EFG三个观察者观察脉冲光源的同时性,那么,假如EFG三者刚好位于一条直线上时,脉冲光源即时瞬间发出光脉冲,那么,由于EFG的运动方向不同,E最先看到光信号,F次之,G最后才能够看到光信号。因为光信号来自于同一个光源的同一次发光,所以他们知道“发光”事件必然是“同时”发生的,但是,由于他们并不能够同时看到光,所以,她们知道,同时发生的事件,对于与光源相对运动“位置、方向、速度”差异的观察者,可以不是同时看到。相反,假如她们同时看到,那么,当光源发出脉冲光波的瞬间,他们距离光源的距离必然不是相等的距离(现在有追击的问题了,不是吗?)。
现在可以知道,关于爱因斯坦火车和路基的光源发出脉冲信号的同时性是绝对的了。当火车上中点的观察者观察路基上两点的同时发出的脉冲信号时,必然不能够同时看到。除非她位于火车中心偏后一些的位置,才可能同时看到路基上两点的同时发光。即路基相距火车长度的两个脉冲光源,当运动的火车头和尾巴,与路基两个脉冲光源位置重合的一刹那时,两点的脉冲光源发光。因为这两个光源的同时性发光和同一个光源的同一次“同时”发光事件是绝对等价的。爱因斯坦的错失在于没有想到地球完全拖动了自己的以太。
搞清楚了同时性的绝对性和时空间隔的绝对性,就可以对追击问题分析,并具体校对运动物体的同时性了,这里不再详细分析(具体测量会很麻烦,因此后面只给出关于引力场的同时性校对,见后文)。当然,由于运动物体曲线运动时,会部分拖动自己的电磁以太-真空以太,因此还要——
搞清楚菲索流水试验(1851年)和霍克实验(1868年)之间的差异。如果他真正的了解到“和地球一起在空间中的运动水”与“相对于地球运动的水”两者之间的实验结果差异,他就不会提出怪异的“同时性的相对性”,假如他真正的深入分析,也许他还有机会得到“绝对等时间隔”对钟法,那么,这个物理学界就不会有荒唐的时空观了,而那些量子论者,因为有绝对时空观为依据,也许不会搞一些怪论,因为他们可以选择超距作用来解释量子之间的信息协作。绝对时空观既然可以确立,那么经典力学也必然是正确的,可以应用到高速领域和量子力学环境。关于菲索流水实验霍克实验光行差现象和地球光源采用光行差方法对比的实验解释,见本书第五章,质心参考系和零宇宙。以期减短本章的篇幅。
2.7.2 时钟走时速率校对,原子钟实验
坐标钟尺校对后,就是标准钟尺
使用雷达对钟法——绝对对钟法,也就是牛爱校钟法搞清楚同时性的绝对性和时空间隔的绝对性后,就可以具体的对钟的走时频率了,见图2.8,
假设A为引力场无穷远,为0,故其时钟走时为基本速率,称为标准钟。假设B处的引力场,其牛爱因子
γ=2
现在,A处有一个精密雷达E,B处有接受信号的装置。现在雷达发射一个信号,A处的原子钟开始计时,假设过了5ns发射第二个信号。在5ns的时段中,A处的原子钟滴答了5次,机械钟也滴答了5次。A处的精密雷达每隔5ns就发射一个信号,以便于可以反复比对,精确对钟。
经过长途跋涉之后,信号走到了B处,B接受到信号后,机械钟和原子钟对0,即开始计时,当机械钟和原子钟滴答第10次时,收到了第二个信号。因此,因为信号带着信息,知道A处的信号发出间隔为5ns。因此,B处的物理学家发现,这里的时钟走得快,即1ns的牛顿时间,时钟滴答2次,比引力场为0的空间走快了。
基信号 第一次信号 第二次信号 第三次信号 第四次信号
0 5ns 10 ns 15 ns 20 ns
A钟对0 滴答5次 滴答10次 滴答15次 滴答20次
B钟对0 滴答10次 滴答20次 滴答30次 滴答40次
A钟走时速率为1ns/滴答,B钟走时速率为0.5ns/滴答
物理学家结论:时钟走时速率改变,牛顿时间绝对,寿命不变
反复分析可知,所谓的引力频移、原子钟环球飞行实验,其实就已经证明了牛顿时空是绝对的,专家们只会把对比方法搞颠倒而已。《大学物理续编》145页,“例如He-Ne激光器在引力场任何地方发光,当地观测者测到的激光频率都相同,波长也相同,看到的颜色都一样。”透过这句话,已经可以下结论了。
为了证明事物的“寿命”不变,可以选择放射性衰变,把两个同等的放射源精密制作和对比好,一个放射源放置在珠穆朗玛峰的山脚下,一个放在珠穆朗玛峰的山顶,一年后集中在一起测量衰变,必然发现二者完全相同变化。因此结论是寿命不变。考虑到引力加速度g的变化差异,地球极半径为6357公里,而赤半径为6378公里,二者差别为21公里,因此,一个放射源放在赤道,一个放射源放到北极或南极,比珠穆朗玛的效果好多了,因为可以在同样的精度情况下,缩短观察时间。
用雷达对钟法可以校对任何引力场和任何运动物体的时钟和量尺。由此可以建立标准钟和标准尺。
2.7.3 同时性校对
同时性校对,即使有限的光速,也可以对宇宙中所有运动物体和引力场中不同地方的时钟进行同时性校对,可见同时性是绝对存在的
在图2.9中,在引力场的A处,有对发射脉冲和回收脉冲精密计时的原子钟,在B处,有反射光脉冲的反射镜。为了和图2.6和图2.8的实验分析区分,这次可以使用不同的波长的光脉冲。由于脉冲被反射而回到原处,所以引力场对波的频移相互抵消,收到的反射脉冲仍然是本来的频率。
假设AB两处距离不是太远,比如,发射脉冲和收到的发射脉冲时间间隔为10s,那么可以知道,光脉冲从A处跑到B处的时间为5s,那么把这个信息加载到脉冲信号上去,当A处的雷达发射光脉冲时,可以有这个5s的信息,那么,B处的信号接收装置接到这个脉冲信号后,就可以把自己的时钟和A处的时钟精确地进行同时性校对。现在,AB两处的时钟可以精确地有同时性了。
假设AB两处相距距离比较远,比如,脉冲往复的时间需要1000000s甚至更多,那么同时性校对时,仍然取其一半儿,即500000s。然后把这个信息加载到脉冲光信号上面。如此而已。如果AB处相距距离很近,比如,脉冲往返时间只有0.0001s,那么加载的信号信息就是0.00005s。这样的简单半数关系,小孩子也懂得如何淘气。
2.7.4 校尺方法
使用光速和时间的乘积作为量尺,量尺尺度不变。真实物体的尺度也是不变的,这里也给出校对方法,称为校尺方法,注意真实物体的长度和牛顿的长度保持一致。
真正的实在的物体,长度不会因为自身的运动或者位于引力场之中而发生压缩,使用真实物体制作的“钢尺”,测量出的长度不会因为引力场的不同而不同。
再次强调一次标准钟标准尺和坐标钟坐标尺的定义。
坐标钟坐标尺就是在引力场中的时钟量尺按照当地的运动变化特性对牛顿时间和空间的测量时——以频率数据表示时间的读数,波长的数据表示长度的读数。当使用γ因子纠正后,因为表达了真正的绝对的牛顿时空,因此就是标准钟和标准尺。也就是说,任何时钟和量尺,经过牛爱因子γ修正后,就是标准钟而不是坐标钟,就是标准尺而不是坐标尺。
在校尺前,我们已经做过雷达对钟即已经校钟了。因此引力场中的任何部分,我们使用的都是标准钟而不是坐标钟。
见图2.10,牛顿长度为AB,在引力场为0处的长度如此,在引力场中任何地方也是如此。现在我们用实在的物质(质量)做成CD反射镜(相当于刚才说的钢尺)。这是在引力场为0处做出的,因此可以知道CD的长度等于AB。现在这个CD是反射镜做成的,并且做了两个。一个留在引力场为0,即γ=1处,一个放到引力场中,假设此地γ=2。
现在,先在引力场为0,即γ=1的地方做实验,脉冲光源发出一个光脉冲,被C处的互成45度角的反射镜反射后,一束光经过半反射镜反射而进入探测器被计时,另一束光被D处的反射镜反射,回到C处,然后经过半反射镜进入探测器计时。这两次计时的间隔就是CD的长度,这是使用光速c测量出来的。这个时间间隔为,假设为2ns,因为CD长度为0.3m,而光速为3×108m/s。
现在把引力场为0处的物体CD拿开,让脉冲光源发出的脉冲光射向引力场为γ=2处的CD,当C处的两个互成角度的反射镜发射后,探测器会接收到两次光脉冲。这两次接收到的光脉冲计时间隔为2ns。因此CD长度仍然为为0.3m!
相信大家已经明白了时钟、量尺和光速的关系,也明白了坐标钟坐标尺和标准钟标准尺的关系。
2.7.5 绝对参考系和标准钟尺
雷达对钟法证实了时空的绝对性,因此必然在分析任何物理过程的描述和对比时,要使用绝对参考系和标注钟尺
采用绝对对钟法,即雷达对钟法打坏狭义相对论和广义相对论的基础,于是,我们就回到了经典绝对时空。谈论任何运动形式,必须运用经典绝对时空观念,以太绝对静止参考系来分析问题。
对于运动物体,只需要讨论运动物体相对于静止以太参考系的运动情况,而无须关心观察者的位置和运动情况。——即运用绝对参考系,那么无论位于什么样的参考系的观察者,对于观察到的任何运动物体的结论都一致。就是说,描述任何运动物体的运动情况,只要用绝对时空观,即标准钟和标准尺来分析就行了,不要一会儿站在山上看,一会儿又站在谷底看,一会儿以大树为参考系,一会用麻雀做参照物,那样的结果只能够搞混了逻辑。
对于引力场不同位置的参考系,同样只考虑被观察物体在引力场中的位置,而不问观察者在何处。即用绝对时空的标准钟尺来衡量引力场中任何位置的物体。这些都清楚了,然后才能够进行正确的对比。
必须注意的是关于时钟和量尺的问题。反映牛顿时空的时钟量尺称为标准钟和标准尺,在引力场强为0的静止的物体上的时钟和量尺,就是标准钟和标准尺。在引力场中不同的位置,或者在绝对以太参考系中不同速度的运动物体,他们自身的时钟量尺按照自己的规律运行称为坐标钟和坐标尺。没有修正之前,是相对性质的。但是,一旦经过校钟校尺之后,这些坐标钟坐标尺就直接反映了绝对的时间和绝对的长度,因此,经过校准的坐标钟尺是标准钟尺。
运用雷达对钟法必然得到了一个经典时空观和一个绝对静止参考系。在引力场中,就是有一个引力场为0的参考系,这等价于讨论运动时的绝对静止参考系。现在明白,绝对参考系有两个意义,对于讨论运动来说,就是绝对静止的以太参考系;对于分析引力场中的物体来说,就是引力场为0的以太参考系。
校对时钟量尺的方法是找出牛爱因子,进行牛爱变换,可以把坐标钟尺校正为标准钟尺。对于引力场来说,有这些就足够了。但是对于运动物体来说,则要考虑至少三个问题,即伽利略变换、运动物体对自身以太的(部分)拖动、量子的信息协调作用。
注意到爱因斯坦的相对论已经降格为钟尺观了,现在称为牛爱钟尺观。因此,以后不会再谈论时间膨胀或延缓了,也不会再谈长度缩短了,以后谈论的只能够是振动(波动)周期缩短,或振动(波动)频率加快,或者谈论的只能够是波动的波长缩短(振动的振幅变小)。
2.7.6 真实的时钟校对
比如,要分析实验究竟证明了牛顿的经典,还是爱因斯坦的背叛,就不能够停留在完全的理性分析上,因为物理学家太笨了,所以不得不啰嗦,耳提面命,必要时再踢上两脚——直到无理学家敢于面对事实,开始讲道理为止。
这里就不再画图了,还是参考图2.6、图2.8、图2.9、图2.10,这在本文中都列出来了。虽然,地球不是一个静止的引力场,而是在宇宙的绝对以太中到处乱跑,象鬼魅一样流荡,地球有自转,绕着太阳转,跟着太阳绕着银河转,这些都是事实。那么可以采用本文介绍的雷达对钟法——又称为绝对对钟法或牛爱对钟法,来进行时钟量尺的比对吗?
当然可以。
因为迈克尔逊-莫雷实验证明了在地球上的光速是各向同性的!(永动物体上的光速各向同性)(正确的解释不是爱因斯坦的光速不变原理,而是从菲索流水实验和霍克实验得到的解释,多重以太论,地球运动属于永动,完全拖动了自己的引斥以太——电磁以太和万有引斥力以太的统一)
地球上的光速不但是在空间上的各向同性,在时间上也是等时性的,比如,今天从北京发出的光信号,走到上海需要的时间,和明天发出的光信号,走到上海需要的时间,是相同的。这一点,是可以反复观察比对的。而且,同时性的校对,也不是仅仅可以进行一次,而是可以持续进行同时性校对,比如北京上海的同时性校对,采用牛爱对钟法进行同时性校对,可以一天1次,一天10次,一天100次,根据同时性的精确度,可以把校对的次数增加而已。
地球上的光速,在空间上的各向同性,在时间上的等时性(等速性),使得我们可以在这个胡乱运动的地球上,进行上述的图2.6、图2.8、图2.9、图2.10讲解的各项实验。
比如,在山脚和半山腰的高度差为1000m,进行两个原子钟的对钟和时钟走时速率的比对,可以使用光信号脉冲,也可以使用电信号脉冲,光信号可以通过空气传播,也可以通过光纤,电信号可以通过电线来传播。这样,实验的具体操作就灵活多了。这个实验比原子钟环球飞行实验简单的多,而且,有雷达对钟法进行同时性的校对,有雷达对钟法进行的牛顿时间间隔的校对,必然得出结论,引力场强的地方时钟走时速率快,即时钟走得快了而不是慢了。当然,以后我们称为牛爱对钟法或牛爱校钟法而不是雷达对钟法,这是对牛顿和爱因斯坦的尊重和怀念!
《大学物理续编》145页,“我们现在尚不知引力对时钟和尺子的影响,但是标准钟与自然事物的时间历程必然以同样方式受引力影响(标准钟的基准自然也是某种自然事物的时间历程),因此同一自然过程在引力场中任何地点用当地的标准钟计量,其结果都相同;标准尺和自然事物的真实长度也必然以同一方式受引力的影响,因此同一自然事物的真实长度在引力场中任何地点用当地标准尺测量其结果都相同。例如He-Ne激光器在引力场任何地方发光,当地观测者测到的激光频率都相同,波长也相同,看到的颜色都一样。”这是把标准钟尺定义给搞错了。根据本章的分析,可以立即得出结论,氦氖激光器发出的频率,用牛顿时钟(标准钟)计时,在引力场弱的地方,频率慢,波长长,在引力场强的地方,频率加快,波长变短。因此,可以知道,现有的所有的相对论实验验证,其实不是验证了相对论,而是验证了绝对时空观,验证了引力场和运动影响到时钟量尺的涨缩——波动的周期和波长,因此通过牛爱因子的修正后,就可以成为标准的钟尺了。这样的论述是符合实际的物理意义的,可以涨缩的是周期和波长,永恒不动的是时间和空间长度。
爱因斯坦其实给出了一个芝诺时标,用乌龟阻挡了无理学家的去路,说来真是心酸啊。事实上本章给出了时间的定义为:波动的周期乘以频率。给出了空间长度的定义即:波动的频率乘以波长(仔细体味和速度的差别)。
2.8 多普勒频移
要一扫爱因斯坦相对论的疑惑,有了上面的牛爱校钟法是基础,还要简单地出击八个小问题,就可以基本地说服顽固的专家了。
2.8.1 磁铁和线圈的相对性
《爱因斯坦传》上介绍爱因斯坦是在考虑法拉第电磁感应现象时,感生电流只与磁铁和线圈的相对运动有关,而与二者的绝对运动无关。
这是一个能量守恒的问题。感生电流流动时会做功,如果二者没有相对运动而只有绝对运动就可以输出电流,岂不是发生能量创造了——这里不做详细分析,想来物理学家可以自己学会分析。尽管磁场是涡场而不是位场,但是两个磁极的情况仍然可以有类似于位场的势能和势动能转化,比如两块磁铁的相对位置的变化可以看做势动能的转化。这就是和一对力的功一致——
从经典的牛顿定律解题就可以发现类似的情形,《力学》,187页,“两质点间的‘一对力’所做功之和等于其中一个质点受的力沿着该质点相对于另一质点所移动的路径所做的功。这就是说,一对力所做的功只决定于两质点的相对路径,因而也就和确定两质点的位置时所选的参考系无关。这是任何一对作用力和反作用力所做的功之和的重要特点。”189页,“一对万有引力所做的功之和与质点移动的路径无关,只决定于两质点的始末相对位置。”这是能量守恒定律决定的,不能够因此而修改牛顿时空的绝对性吧。
2.8.2 多普勒频移
《相对论与时空》,44页,“光的多普勒效应不但为天文学上的观察而且也为地面上的实验所证实,但是,无数的实验结果表明,决定多普勒效应的只有观察者相对于光源的运动速度,从来没有发现多普勒效应与光源或者观察者相对于以太的绝对运动有关。”
这也和一对力的功类似,因为能量守恒的原因。也许要问,可是声波
这是因为电磁以太是长程的,而声以太是短程的。电磁运动是完全不确定性的,而声波则有确定的和不确定的两种情况。后面谈论统一场时还会分析。这里提示一下,可以联想爱因斯坦提出的光量子,在光电效应中,光子的表现是光量子,与折射角度的关系表现为光波不一样。还可以联想光线偏折时光是以粒子形式来受力的,光波的波动形式是不受力的,因为没有惯性质量。
2.8.3 迈克尔逊-莫雷实验
前文已经提到用菲索流水实验和霍克实验证明了相对于地球的运动和地球在宇宙中的运动是不对称的。这在第五章质心参考系和零宇宙中还要和光行差现象对比分析,给出地球光源的“光行差”为0来分析。
对于迈克尔逊实验,应该当成牛爱秉性——量子的内禀性质。这些就是量子的日常作为。
2.8.4 光行差现象
刚才谈到了,到第五章讲解。
2.8.5 粒子寿命变长实验
这是最难解释的,也是最蛊惑人心的实验。本章已经给出了解释。
2.8.6 光速变慢
雷达回波延迟实验也很是蛊惑人心,不过已经得到解决了,因为使用内禀性质对迈克尔逊-莫雷实验解释时,频率和波长是同步的变化。尤其是在分析雷达对钟法校出的时间间隔空间间隔的一致性同时性的绝对性,分析逻辑本身的美感时,如果假设光速减慢,就会得出别扭的逻辑矛盾!
因此只能回到光速不变的结论,这样一分析,所有的逻辑都简单地契合到一起了。
2.8.7 退行速度和哈勃红移
证明了时空的绝对性,宇宙就不需要有一个开端,而且爱因斯坦的有限无界宇宙没有任何自洽的逻辑。
想到引力场中光线的频移,发生了势动能转化。那么,光线在经过长途跋涉后,真的就不会发生疲劳的现象?这应该就是距离红移。即光子的红移正比于她走过的路程,根本不需要一个退行速度。
2.8.8 行星的进动
波动是等价的,光波和声波(机械波)发生的都一致,即频率加快,而波长缩短。尽管声以太是短程的,但是由于场的统一,声以太和电磁以太都由信息力的超距作用引导着。
因此,进动的天体完全就是符合牛顿经典定律的,只要考虑到时钟的走快可以发生到机械钟上,而波长和振幅同样与机械运动有关,因此太阳引力场中的进动,就是牛顿经典时空观可以解释的了。
还不满足吗?牛顿爱因斯坦永远不分家,我们已经称为牛爱时空观,牛爱钟尺观了。本文谈到,物体的半径、振动的频率和周期、波动的周期和频率,这是完全等价的,因此进动的行星就是牛顿时空观的产物,当然,现在称为牛爱时空观。
二〇〇九年七月七日星期二
