科学网—标签 - 广义相对论

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chenzhao 2010-3-8 13:19

侯先生：您好！大作拜读，关于引力红移问题我大致思考了一下，在狭义相对论（以及经典物理）框架内是可以解释得通的。请看图：附件，引力红移图。如果光子不受万有引力作用，则其路径如红线 A 所示，为一直线，出射角度永不改变。可是光子和其它物体一样，在引力场中受引力作用。由于单个光子质量远小于恒星，所以在离恒星瞬间，和其它物体一样，受恒星引力，具有加速度 g. g 等于恒星表面加速度。由于加速度 g 的作用，光子的路径向下倾斜。如图中 B 线所示。以太阳为例，表面加速度 274 米 / 秒 ^2, 假设太阳引力场始终不衰减，光子离开太阳 30 万公里后，才偏离原有路径 137 米左右，因此最多改变角度 0.09 秒（角度单位），而实际太阳引力场平方反比衰减，可以用微积分算出发射到无穷远的光子，由于太阳引力，总共最多改变角度 0.6 秒左右。对于天文观测也属于小量。我们再回到 B 线，从几何作图可以发现，如果是从球形对称引力场中出射的光线，那么等效引力矢量始终与速度矢量成钝角或平角。（ 180 出射角度 90 度），从能量的观点来说，就是引力将始终对出射的光线做负功。如果光子是一个经典的小球，那么引力负功将导致光子小球的动能降低，即速度减小。可是按照狭义相对论，真空中光子其速度始终为 c, 那么引力场对光子作的负功总要体现在能量损失的代价上吧。于是，光子本身的能量减少，即 E=h 中的变小，这部分损失的能量，恰好等于引力负功，以达到能量守恒。变小即频率变低，波长变大，对于可见光就是向红光方向移动。至于光子与其它低能粒子碰撞而损失能量，我想是存在的，但可能在太阳大气中不占主导成分，否则我们能观察到来自太阳边缘和太阳中心的红移不一致，且分布应符合康普顿公式，见康普顿效应，其公式为 =-0=(2h/mc)sin^2(/2) （以上讨论是用牛顿力学和狭义相对论进行的，利用广义相对论的话对于具体的计算结果会有偏差）题外话：爱因斯坦对统计物理学高度熟悉，玻色 - 爱因斯坦凝聚就是玻色提出，爱因斯坦订正后发表的。总的来说我认为爱因斯坦在学术上是品格高洁的人，否则玻色当时一个印度的无名小卒，且文章从未公开发表，爱因斯坦具有非常大的便利条件将玻色的 Idea 据为己有。祝好！陈钊发件人 : zhenyu hou 发送时间 : 2010 年 3 月 6 日 12:36 收件人 : 曹广福 ; 曹聪 ; 陈行之 ; 陈吉球 ; 陈儒军 ; chenzhao; 陈一文 ; 晨曦 ; 池顺良 ; 冯卓主题 : 恒星发出光线的红移是爱因斯坦广义相对论所预言的引力红移么？恒星发出光线的红移是爱因斯坦广义相对论所预言的引力红移么？侯振宇 2010-3-6 hou.zhenyu@sohu.com houzhenyu2007@yahoo.com.cn 北京大学吴鑫基教授在《中国国家天文》杂志 2008 年 4 期发文《 1919 年日全食观测与广义相对论的初步验证》声称：为了证明广义相对论的正确，爱因斯坦求助于天文学观测，提出了三个可以用天文学观测来验证的广义相对论效应。首先爱因斯坦用广义相对论解决了长期悬而未解的水星近日点附加进动问题，计算结果与观测符合得很好；第二个效应是预言了光线在太阳引力场中会弯曲；第三个是预言恒星发出的光谱谱线由于强大引力的作用会使其波长变长，也就是发生引力红移。果然，经过科学家们的努力，爱因斯坦的这几个预言都得到了验证，广义相对论也成为一门新兴的学科。对于恒星发出光线的红移问题，我在《 1919 年日全食观测真的支持爱因斯坦广义相对论么？》称更简单的侯振宇解释。是的，解释很简单：太阳发出的光子离开太阳后，在与其它低能粒子（包括光子）的碰撞中，其能量趋于平均化，这就是太阳发出光线的红移原因。太阳是整个太阳系表面温度最高的天体，因此太阳所发出光子的能量属于高端。统计学告诉大家，如果把许多事物加以混合，时间足够长后，最后实现的结果是物质组成的平均化。太阳所发出光子与其它低能粒子（包括光子）碰撞的最终结果也是相似的。时间不是足够长时，理论上我们观察到的也应该是太阳发出的光子的能量逐渐减低，这个现象被有些人称为红移。太阳发出的光子的能量逐渐减低（红移）是必然现象！在普遍意义上太阳发出的光子在离开太阳后是得不到能量的补充，只有能量的失去。当然精确的讲，按照概率理论，太阳发出的光子在离开太阳后是有可能获得能量的补充，只是这个几率是极其接近为零。经过科学家们的努力，爱因斯坦的这几个预言都得到了验证？我认为在太阳发出光线红移问题上，科学家所验证的不是什么引力红移，而是验证了统计学在粒子运动上的成功！非常让我吃惊的是相比所谓引力红移，爱因斯坦更应该与我的光子能量降低观点一致！布朗运动 - 百度百科介绍：【 1827 年，苏格兰植物学家 R 布朗发现水中的花粉及其它悬浮的微小颗粒不停地作不规则的曲线运动，称为布朗运动。 1826 年英国植物学家布朗许多年前布朗运动。人们长期都不知道其中的原理。 50 年后， J 德耳索提出这些微小颗粒是受到周围分子的不平衡的碰撞而导致的运动 1905 年，爱因斯坦依据分子运动论的原理提出了布朗运动的理论。爱因斯坦在论文中指出的那样，他的目的是要找到能证实确实存在有一定大小的原子的最有说服力的事实。他说：按照热的分子运动论，由于热的分子运动，大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体中，必定会发生其大小可以用显微镜容易观测到的运动。可能这里所讨论的运动就是所谓布朗分子运动。他认为只要能实际观测到这种运动和预期的规律性，精确测定原子的实际大小就成为可能了。反之，要是关于这种运动的预言证明是不正确的，那么就提供了一个有份量的证据来反对热的分子运动观。　　爱因斯坦的成果大体上可分两方面。一是根据分子热运动原理推导：在 t 时间里，微粒在某一方向上位移的统计平均值，即方均根值， D 是微粒的扩散系数。这一公式是看来毫无规则的布朗运动服从分子热运动规律的必然结果。　　爱因斯坦成果的第二个方面是对于球形微粒，推导出了可以求算阿式中的是介质粘度， a 是微粒半径， R 是气体常数， NA 为阿伏加德罗常数。按此公式，只要实际测得准确的扩散系数 D 或布朗运动均方位得到原子和分子的绝对质量。爱因斯坦曾用前人测定的糖在水中的扩散系数，估算的 NA 值为 3.310^23 ，一年后 (1906) 又修改为 6.5610^23 。　　爱因斯坦的理论成果为证实分子的真实性找到了一种方法，同时也圆满地阐明了布朗运动的根源及其规律性。下面的工作就是要用充足的实验来检验这一理论的可靠性。爱因斯坦说：我不想在这里把可供我使用的那些稀少的实验资料去同这理论的结果进行比较，而把它让给实验方面掌握这一问题的那些人去做。但愿有一位研究者能够立即成功地解决这里所提出的、对热理论关系重大的这个问题！爱因斯坦提出的这一任务不久之后就由贝兰 (18701942) 和斯维德伯格分别出色的完成了。这里还应该提到本世纪初在研究布朗运动方面一个重大的实验进展是 1902 年齐格蒙第 (18651929) 发明了超显微镜，用它可直接看到和测定胶体粒子的布朗运动，这也就是证实了胶体粒子的真实性，为此，齐格蒙第曾获 1925 年诺贝尔化学奖。斯维德伯格测定布朗运动就是用超显微镜进行的。】爱因斯坦对粒子运动与统计学是多么的熟悉呀！什么让爱因斯坦放弃了太阳光子的能量被平均化？利益蒙住了爱因斯坦的眼睛？是的，利益利益蒙住了爱因斯坦的眼睛！而且爱因斯坦被利益蒙住了爱因斯坦的眼睛不止一次！爱因斯坦预言了光线在太阳引力场中会弯曲！我的《 1919 年日全食观测支持爱因斯坦广义相对论么？》：对于广义相对论的支柱 - 爱丁顿 1919 年日全食观测到应该被太阳遮盖的恒星，我认为这只是光学现象折射作用而已。非常不解，人们为什么放弃了折射现象这个解释？难道那个恒星 - 太阳 - 地球的折射率对 1919 年的地球人是很容易就可以知道的么？我认为今天的地球人对那个恒星 - 太阳 - 地球的折射率也不是很清楚的。爱因斯坦对折射也不是陌生的！至于《水星的近日点进动计算支持爱因斯坦广义相对论么？》：爱因斯坦水星近日点计算只是一个漏项的计算，遗漏了太阳风影响的计算。当然小学生都知道漏项的计算，如果结果正确，那么过程必然错误。而且爱因斯坦的计算实际上只是把实际数据用个所谓公式框上而已。 100 年水星近日点的实际计算能是爱因斯坦的一篇普通篇幅的论文所能完成的？这个不是爱因斯坦的欺骗，因为爱因斯坦并不了解太阳风的存在。许多人对于爱因斯坦理论的缺陷视而不见，有些是利益使之然，有些是偏见，总之不是科学！参考文献：吴鑫基，《 1919 年日全食观测与广义相对论的初步验证》《中国国家天文》杂志 2008 年 4 期 http://www.cqvip.com/qk/88788X/200804/26831556.html 布朗运动 - 百度百科 http://baike.baidu.com/view/17875.htm?fr=ala0_1 侯振宇，《 1919 年日全食观测支持爱因斯坦广义相对论么？》 http://blog.gmw.cn/u/22691/archives/2010/102713.html ， 2010 侯振宇，《水星的近日点进动计算支持爱因斯坦广义相对论么？》 http://club.sohu.com/read_elite.php?b=banshana=133758 ， 2004

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物理学中的空间与时间（4）---广义与狭义相对论时-空比较

chenfap 2009-12-30 07:29

物理学中的空间与时间（4）---广义与狭义相对论时-空比较五、广义相对论与狭义相对论的时-空比较我们在以前的博文中已经讲过, 狭义相对论时-空的主要特点是: 1），时间和空间是紧密结合在一起形成时-空统一体的。 2），时-空是平直的,这表现在空间是均匀的和各向同性的,并且，在空间存在可以无限延长的直线；时间的流逝也是均匀的。 3) , 光信号在全空间传播速度是有限的常数C。 4) , 在全时-空中存在惯性参照系,任何两惯性参照系之间可通过罗伦兹变换相联系,在一切惯性参照系中,物理规律的形式相同。在任何局部时-空内，都可进行这类变换，但在不同的局部时-空，其变换函数关系不一样。上述比较，可初步说明广义相对论时空与狭义相对论时-空的异同。

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物理理论之间是难以包含的

zhulin 2009-11-10 12:53

甘永超先生强调的光的量子理论能够包含光的经典电磁理论居然找不到一个像样的实验证据，光的量子理论能够包含光的经典电磁理论是错误的这个重要问题，好像同一般认为狭义相对论包含牛顿经典力学（ v 远小于 c ）、广义相对论包含牛顿引力理论（ g 很小）、量子力学包含牛顿经典力学（ h 约为 0 ）相类似。而实际上，这些说法大概只是理论间的定域或层次关系，或一定条件下的数学公式的近似，而非基本概念间逻辑关系。其实每一种有价值的科学理论，都不存在谁包含谁的问题，它们看物质世界的角度不同、基本观念不同、逻辑基元不同，本质上是不可比拟的。比如往往有人说，绝对时空是错误的，可是没有绝对时空意义上的本征时间和本征长度，相对论的相对时空甚至都无法表示出来，更没有客观比较的基础，从而就会失去相对的意义。难道相对时空必须得需要错误的绝对时空才能展现出来吗？那些号称绝对时空是错误的大侠们对此为何都刻意回避呢？

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宇宙不会塌缩

热度 1 wngr 2009-10-1 01:15

前几天有幸读到刘正管关于黑洞的博文，发现科学网是个好地方，于是也在这里注册了博客。敝人认为刘正管提出的空心黑洞理论是很有创新意义的。我在此暂称其为刘氏空心黑洞。一个66岁的人还有如此活跃的思想，值得学习。我认为物理学重在对概念的理解，而不是光玩弄些复杂的数学，如果概念不正确，后面的数学大厦都是错的。如果顺着他的思路下去的话，我还想对一些细节问题做一点探讨。这里的刘氏空心黑洞，是指一个实际半径小于其史瓦西半径的星系。这是可能的，因为星系的史瓦西半径同其质量成正比，而质量同半径的三次方成正比。只要质量够大，史瓦西半径总能超越星系的实际半径。对于一个天体，有： (1) 上式中为史瓦西半径( Schwarzschild radius )，G为万有引力常数，M为该天体的总质量，c为光速。进一步有： (2) 上式中为天体的平均密度，r为天体实际半径。将(2)代入(1)有 (3) 对于任意平均密度，只要r足够大，总可以让上式大于1，也就是史瓦西半径大于天体实际半径。假如一个天体的密度和水相当（1000kg/m^3)，那么只要它的质量大到相当于1.5亿个太阳，就会满足上式大于1，变成刘氏空心黑洞。对于星系来说，情况是一样的。接下来的问题是刘氏空心黑洞是否会塌缩，甚至塌缩成一个无限小的点。按照广义相对论，黑洞里面的光线都是逃不出去的，更别说一般的物质。在万有引力的作用下里面所有的物质都会向中心收缩。那接下来会怎样？肯定会碰撞，但是不管怎么碰撞，碰撞的残余物还是逃不出去的，质量越小的物体可以跑得越远，光子跑得最远，可以逃到史瓦西半径附近，然后就还是得折回去。那是否就意味着所有物质最终会收缩到一点呢？如果严格按照广义相对论，那么是的，所有物质的最终命运只能是无限接近于那个无限小的中心点，因为只有引力在起作用。但是，那些大爆炸的支持者们犯的最大的错误在于他们认为广义相对论就可以描述一切了。爱因斯坦都没有这么认为。广义相对论只是关于万有引力的理论，它没有包含短程作用力（强、弱相互作用、量子简并力等）。爱因斯坦之所以没有在方程里加入其它的短程相互作用力，是因为他认为世界上的所有力是可以统一起来的，是可以用一个方程来描述的，他有大统一的信仰，所以他只是暂时还没有修改方程以考虑其它相互作用力的影响，到死都还在考虑如何改进方程使其能够描述整个宇宙的全部过程。所以大爆炸理论的支持者们把爱因斯坦对未来的憧憬，把还没有实现的方程，当成了已经发表的广义相对论的方程。这不是科学的态度。所以，科学的态度应该是认为，广义相对论已经可以比牛顿更好地描述万有引力了，但是它不是一个可以描述整个宇宙的方程，因为还有其它力没有考虑。那考虑了短程作用力又会怎样？就会改变黑洞的命运？当然可能。特别是如果真实的世界和爱因斯坦的大统一信仰不吻合的话，那就有很大差别了。如果在短程或超短程上出现可以抵消甚至远远超过引力的场，那么现有引力方程在这样的短程还有什么意义呢？因为引力都可以忽略了。目前已经证实的情况是，假设引力随着质量的增大而不断增大，当引力想要压碎原子的时候（把电子压入原子核），由于泡利不相容原理，会遇到电子简并力。进一步，当引力想要压碎原子核的时候，会遇到中子简并力(neutron degeneracy )...再进一步没有实验了。但是不代表没有别的力了。我的直觉和我的信仰告诉我，应该还有－但我还没证据。我们再回过头来考虑刘氏空心黑洞。短程作用力决定着天体碰撞的结果。如果天体的巨烈碰撞导致碰撞者的质量大部份转化为能量（按，和超新星爆发的过程类似），只留下很少一部分质量，不足以形成黑洞，而且超过一半的天体大碰撞都象这样，那么引力就无法将物质拉拢到中心。天体质量使终可以通过碰撞变成光子再逃到史瓦西半径附近。碰撞产生的尘埃在远离中心之后又重新在引力的作用下慢慢开始形成新的天体。如果大自然按这种方式来，就可以形成刘正管所想象的宇宙循环。没有大爆炸，也没有大挤压。所以这里最关键的一点在于碰撞过程究竟会发生什么。这不是引力方程能解决的问题。大爆炸的支持都们不自觉地假定了在大量的碰撞过程中，质量都还会乖乖地待在原地，成为引力的奴隶，而不会转化成能量散掉。我们最后再来看看实心黑洞，恒星塌缩后形成的产物。那些认为在实心黑洞内部只有一个无限小的点的人，所犯的错误在于，只考虑了引力，即认为在黑洞内部除了引力什么也没有，或者至少没有可以和引力抗衡的力场。但事实上，由于物质的密度如此之大，比中子星密度还要大，在黑洞内部的超短程作用无处不在发生作用，或者说存在着无处不在的斥力场。只要这些微观粒子间的斥力场能够和引力相比拟，那么黑洞内部的时空就是比较平坦的，没有无限小的奇点，和刘氏空心黑洞没有太本质的区别，就是个头小一点而已。简单以一句话来总结：广义相对论只是关于万有引力的理论，它不能描述微观粒子间的短程相互作用，也就不能用来描述极高密度物质（密度大于中子星）内部的力场分布，更不能用它来描述整个宇宙中发生的一切。

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万有引力发现简史

zhulin 2009-9-30 17:41

在 17 世纪艾萨克牛顿阐明他的万有引力定律前，大多数人对重力并不了解。尽管牛顿万有引力定律已被爱因斯坦的广义相对论上更进一步的解释所取代，但由于牛顿的理论非常简明，且在一般情况下所得结果的准确性与广义相对论并无差别，因此在许多日常实际应用中仍广泛使用。虽然科学界对大多数重力的性质已经了解，但万有引力的形成原因仍是一个未决的问题，因而重力研究还是科学上的一个重要课题。万有引力理论的历史在古代和中世纪，万有引力被认为是位置的一种性质，而不是物质的性质。从公元前 4 世纪的希腊哲学家亚里士多德起，历史上对万有引力就有着众多的猜想或解释。亚里士多德认为没有起因就没有结果，因此没有力的作用的运动是不存在的。他推断在水晶球模型中，所有物体都有朝它们正确的位置靠近的趋势，并且物体按他们自身的重量的比例向地球的中心坠落。在公元 628 年，印度天文学家婆罗摩笈多（ Brahmagupta ）首先认识到引力是一种吸引力的作用。他解释说：物体向地球坠落是因为地球对物体自然地吸引，就如同水自然地流动一般。他用了一个梵语术语 gruhtvaakarshan 代表引力，在发音上，与英语中的 gravity 相像，并且都表示同一个意思吸引力。婆罗摩笈多亦坚持阿里亚哈塔（ Aryabhata ）于公元 499 年提出的以万有引力维持的太阳为中心的太阳系观点。因此，他理解到了太阳和地球之间存在着一种吸引力的作用。从 17 世纪起，科学家把万有引力看作是物质的一个属性。一个物体吸引另一个物体的力量大小，视物体所含物质的多少和隔开它们的距离而定，这种力量是相互作用的。哥白尼认为万有引力是物质集聚的一种方式，万有引力的中心是一个几何性质的点。 1600 年威廉吉尔伯特提出磁力可能是维持太阳系存在的原理。他设想万有引力就是地球这块庞大磁石作用于周围物体的磁力，而且遍及整个太阳系，成为宇宙的外膜。吉尔伯特证明，磁石对一块铁的吸力大小视磁石的大小而定，磁石越大，对铁块的吸力也越大。而且吸引是互相作用的，磁石吸铁，铁也同样吸引磁石。他的研究为近代引力观念提供了一个模型。万有引力的中心并不是什么几何点，而是具体的一堆物质，它的力量随着物质数量的增加而增加。开普勒发展了吉尔伯特的万有引力观念，他假定万有引力是和磁力类似的东西，是同性物体之间的一种相互感应，这种力视物体的大小而定。在这些基础上，英国数学家艾萨克牛顿爵士于 1687 年发表了著名的《原理》一书，第一次假定了万有引力定律。他写道：我推断这种使行星围绕既定轨道运动的力一定与它们与绕轴转动中心的距离平方成反比；而依此将使月球围绕她的轨道运动的力与地表的引力进行比较之后，发现它们的结果是如此的接近。绝大多数现代非相对论性万有引力的计算都赖以牛顿当年的工作。牛顿万有引力定律在 1687 年，牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中发表了万有引力定律。牛顿的万有引力定律的陈述如下：宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。 Every particle in the universe attracts every other particle with a force that is directly proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them. 如果这些质点具有质量 m1 、 m2 ，并且在它们之间具有距离 r （它们质心的连线长度），它们之间以万有引力相互作用的量值如下： F=G （ m 1m2 /r^2) G 是被称为万有引力常数（引力常数）的普遍常数。历史上的各种理论亚里士多德引力理论尼可拉特斯拉 (Nikola Tesla) 宣布但是从未发表的引力动力学理论；部分原因是因为理论的细节（如果有的话）并没有透露，并没有得到物理学家们的重视。感应引力 (Induced Gravity) ，由安德烈萨哈罗夫 (Andrei Sakharov) 提出，认为广义相对论可能起源于量子场论。雷萨吉万有引力理论 (Le Sage's Theory of Gravitation) （也叫做雷萨吉引力理论） , 由乔治 - 路易斯雷萨吉 (Georges-Louis Le Sage) 提出，以一种充满整个宇宙轻的气体的流动来解释这种现象。 Nordstrm 万有引力理论 (Nordstrm's Theory of Gravitation) ，广义相对论的早期竞争者。怀特黑德万有引力理论， (Whitehead's Theory of Gravitation) 广义相对论的另一个早期竞争者。最近的各种理论布兰斯 - 迪克 (Brans-Dicke) 有关引力的理论 (Brans-Dicke theory) 。 Rosen 有关引力的理论 (Rosen Bi-metric Theory) 。在修正牛顿引力理论 (Modified Newtonian Dynamics, MOND) 中，莫德采米尔格若姆 (Mordehai Milgrom) 提出在微小加速运动上对牛顿第二定律的修正。新近提出的且被高度争论的程序物理学 (Process Physics) 理论试图处理 (address) 引力问题。自建宇宙理论 (Self Creation Cosmology) 将布兰斯 - 迪克理论修正为允许创造质量。

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空间是弯曲的吗

mohsh 2009-9-23 10:25

空间是弯曲的吗根据爱因斯坦的广义相对论，空间是弯曲的，而且引力源于空间弯曲。但站在哲学的角度，空间弯曲源于有质量物质对空间的作用，这种作用即是引力，因此，在逻辑上空间弯曲实际上是一种冗余。另外，引力透镜现象似乎并不支持空间弯曲：因为，引力透镜现象是指光线掠过大质量星体时会聚，即引力透镜效应；而光线的弯曲如果归之于空间弯曲，则光线在接近大质量星体时会聚，在离开大质量星体会发散。因此，引力透镜效应似乎并不支持空间的弯曲。此外，引力透镜效应似乎也并不预示着一定是引力的结果，大质量物体周围弥散的气体应该会使光线发生折射，而且质量越大的星体，其周围弥散的气体密度越大、范围越广，对光线折射的影响越大。

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回答赵国求教授的评论

chenfap 2009-7-24 12:46

回答赵国求教授的评论赵国求教授：您针对我的博文《牛顿力学理论中力概念的局限性》所作的第二篇评论已拜读过了。我觉得，您与我的分歧在于，对广义相对论中力如何定义有着不同的看法。我推测您的定义是力是使质点偏离测地线的作用，而我的定义是力是使质点获得加速度的作用。这两种定义都有它的道理。由于： 1 ），我认为对两种定义的比较，值得进一步探讨， 2 ），要说明我的定义需要应用数学公式，而博主回复一栏中无法写出公式；因此我便写这篇短文来回答您的评论，并向您和其他网友请教。陈方培敬上赵国求教授的评论：广义相对论已经将经典的引力转化为时空弯曲 , 因此 , 广义相对论中质点在万有引力作用下的运动 ( 如自由落体等 ), 是弯曲时空中的自由运动惯性运动 . 其运动轨线就是测地线 . 在广义相对论中 , 一个自由运动惯性运动的质点 , 应该不能再看做经典受力质点 , 受力这个概念已转化为背景时空的弯曲了 . 这个弯曲说与经典引力等效可以 , 但不可对其做经典受力分析 . 此质点己不同于彼质点 , 要做质点受力析 , 除非展平空间弯曲 , 恢复经典引力场特性 . 广义相对论中 , 相互作用己用引力子的传递代替 , 我的理解 , 它是与经典力学不同的分析方法 , 其间不可简单对应 . 向陈老师求教 . 陈方培的回答：我主张在广义相对论中仍把力定义为力是使质点获得加速度的作用。这个定义较直观，且与牛顿力学中力定义相一致；事实上在说明牛顿力学是广义相对论在弱场慢速情况下的近似时，就用到了这个定义。按照这个定义，

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爱因斯坦的日食缘–BBC《爱因斯坦和爱丁顿》影评

eloa 2009-7-22 19:08

老孙发表于 2009-07-22 15:06 (本文已发表于新民网）没有哪个科学家能比爱因斯坦更震了，以至于霍金写《时间简史》的时候拼着销量减少一半的风险也要写上爱因斯坦的质能方程E=mc 2 ，作为平凡人的我们，跟三五朋友吹吹爱因斯坦，一定让众人仰慕一把。这不，谈资来了，今年是爱丁顿用日全食观测验证广义相对论90周年，以拍摄科学纪录片著称的BBC（英国广播公司）为此而拍摄了《爱因斯坦与爱丁顿》，足以满足我们在舒适的享受中了解科学的小小心愿。影片从风景秀丽的非洲海岸开始，爱丁顿亲自帮助工人一起将望远镜吊到山顶上，另一位科学家、当时的皇家天文学家戴森（Sir Frank Waston Dyson）则以标准的绅士精神帮忙喊加油。 1919年发生在非洲的这次日全食，是牛顿经典力学与爱因斯坦相对论的一次巅峰对决。两百多年的时间里，从苹果落地到发现新行星，从杠杆到蒸汽机，牛顿力学一统江山。科学家们一度以为，到19世纪末，物理学已经终结。牛顿理论的基础是平直空间，空间是没有边界，处处均匀的，时间就在这个绝对空间框架中均匀地流淌，很少有科学家会怀疑这个基础，直到爱因斯坦相对论的出现。爱因斯坦直接挑战牛顿的绝对时空观念，在1905年发表的狭义相对论中，将运动、空间和时间整合为一体，由此得到了德国学术泰斗普朗克的赞赏，将他延请到当时世界科学的中心柏林大学任教。爱因斯坦又花了十年时间，才将引力整合到相对论中，于1915年发表了广义相对论，认为空间不是平直的，而是弯曲的，质量（比如太阳）的存在，如同床单上的重球一样将空间弯曲，行星就是沿着弯曲空间中的直线进行运动。可惜此时的爱因斯坦才不过36岁，只是科学圈的新兵，在实验未曾证实以前，难以得到言必称牛顿的科学家们的认同，但英吉利海峡对岸一位更年轻的科学家却与他产生了共鸣。剑桥大学天文学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1788-1944）是一位贵格会派（Quaker，又称教友派）教徒，这个教派主张宗教自由，奉行和平主义，并拒绝服任何形式的兵役。爱丁顿是个颇有意思的人，比如他很喜欢大数，给学生上课的时候用到几十亿这样的大数字，他一定要把所有的零都写出来；他甚至过于相信整数，比如当时物理学中的精细结构常数大约是1/136，他认为分母应该取整数136，后来实验结果发现其实更接近1/137，他又坚持应该取整数137（实际精确测量的结果分母上必须要挂上一串小数）因此学生们给他取了绰号Adding One（整数先生）。第一次世界大战期间，英德双方的科学家也被高涨的民族主义所感染，几乎断绝了学术往来，但爱丁顿却一直关注着爱因斯坦的学术进展，深刻地理解了广义相对论的价值。巧合的是，这两位科学家都反对战争，认为这场战争是荒谬的，科学家对战争的支持，人们对于杀戮的狂热是不可理喻的。爱因斯坦发表广义相对论时，第一次世界大战（1914-1918）已经打响，他的论文通过当时中立国荷兰的科学家德西特（de Sitter，后来在宇宙学方面也做出了重要贡献）送到了爱丁顿手中，他深知只有爱丁顿才能够理解这理论。爱因斯坦预言经过太阳附近的星光路径会被弯曲，从而看上去（与夜晚看到的）位置有所移动。按照牛顿理论，光线经过太阳边缘时，弯曲角度约0.87角秒（1角秒是1度的3600分之一），而广义相对论给出的结果则是1.75角秒，比牛顿理论的预言要大一倍。爱丁顿敏锐地认识到，在发生日全食的时候，太阳光完全被遮挡，观测太阳附近星光偏折就可以用来检验爱因斯坦的预言，于是积极为此事而奔走，向同事们宣讲对广义相对论进行验证的重要性，他所撰写的《相对论的数学原理》被爱因斯坦称为这一领域的最佳作品。当时的皇家天文学家戴森爵士发现，1919年5月29日的日全食符合进行这个检验的理想条件，不仅全食阶段持续长达6分钟，而且此时太阳正好位于七姐妹星团前面，这个星团的恒星相当明亮。非常适合检验爱因斯坦的预言。在戴森的游说之下，英国政府决定，作为对爱丁顿拒绝服兵役的惩罚（其他拒绝服役的贵格会派教徒已经被送到了苦役营削土豆了），如果战争在1919年结束，责成爱丁顿带领一支探险队前往非洲观测日全食，检验星光的弯曲。 1919年5月29日的这次日全食本影从南美西岸开始，经过巴西北部，跨越大西洋，抵达非洲中部东海岸。为了保险起见，英国派出了两支探险队，一支由格林尼治天文台的Andrew Crommelin带队，前往巴西Sobral，一支由爱丁顿带领，前往非洲西岸几内亚湾的Principe岛。6月的皇家天文学会杂志上刊登了两支观测队来回来的电报，Crommelin说：日食精彩。而爱丁顿的电报则多少一些沮丧：有云，但仍有希望。因为星光偏折的程度随恒星距离太阳边缘远近而有所变化。爱丁顿与戴森多次讨论后，对观测结果的重要性给出评判，用加权平均的方法给出偏离1.64角秒的结果，与爱因斯坦的预言很接近，这个结果于11月6日皇家天文学会的特别会议上宣布。英国《泰晤士报》立刻报道了这个消息，11月7日的头版头条新闻标题是《科学革命：宇宙新理论！牛顿学说被推翻！》（Revolution in Science / New Theory of the Universe / Newtonian Ideas Overthrows），不修边幅的爱因斯坦教授立刻成为媒体争相报道的对象，变成了家喻户晓的科学明星。当时报纸的插图爱丁顿公布的结果，虽然被大多数科学家所接受，并成为广义相对论早期的支持证据之一。但也并非没有怀疑，毕竟相对于爱因斯坦预言来说，观测结果误差高达20%，更别说爱丁顿舍弃了明显不正确的结果。因此有些科学家拒绝承认爱丁顿公布的结果。随后的日全食观测中，测量星光偏折，验证广义相对论成为一项重要的观测内容。由于干扰因素比较多，总精度提高并不大。 1960年代，随着类星体3C 273和3C 279的发现，提供了非日食观测方法，每年10月8日，太阳就会遮蔽这两颗相距很近的类星体，射电天文学用观测两者间隔变化代替观测单课类星体方向变化的方法将误差降低到1.5%。上个世纪末，欧洲空间局发射了专门用于测量恒星位置的喜帕恰斯卫星，勿须日全食就可以测定太阳附近的恒星星光偏折，用跟爱丁顿同样的比较手段，卫星给出的数据与爱因斯坦的预言误差不超过千分之一。影片对于当时的历史背景和人物性格做了相当真切的刻画，尤其是在战争氛围中，爱因斯坦和爱丁顿仍能够保持内心的安宁，不为当时泛滥的民族主义情绪所动，正如爱因斯坦在《泰晤士报》上发表的文章指出，假如政治家能够学习到科学家的品质，那么欧洲就不会遭受战争的疯狂破坏了。爱因斯坦的广义相对论代表了人类思想的洞察力所能够达到的高度，由此也成为一战后彷徨的人们所需要的偶像，直到今天，爱因斯坦的公众影响力还无人能够超越，但是为此做出重要贡献的爱丁顿却很少为大众所知，由BBC拍摄的这部电影算是90年后对爱丁顿的一种迟到的补偿吧。不过影片里面，存在一些小的科学偏差，比如必须要精确测量的统计结果被简化为只要比较两张底片上星光位置存在移动，就证明爱因斯坦正确，假如历史上确实如此，牛顿老先生想必要气得爬起来抗议这样的技术性击倒吧。影片中的两位主人公都是科学史上举足轻重的科学家，如果你以为这两位科学家是圣人的话，那么你一定会大吃一惊。因为你会发现，爱因斯坦不仅仅如传说中擅长拉小提琴，还是个花心大萝卜，在还没有离婚的时候就带着情人表姐四处招摇，最终抛弃了曾经共患难的妻子。而另爱丁顿则与一位同性朋友有一段当时无法公开的恋情。这些八卦，并非是导演故作惊人的虚构，而是确有其事。再伟大的科学家，在生活中也是有血有肉，有真实情感的普通人。

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牛顿力学理论中‘力’概念的局限性

chenfap 2009-7-19 08:49

牛顿力学理论中力概念的局限性在《牛顿运动三定律全是广义相对论的近似吗？》那一篇博文中，我曾指出牛顿运动定律只是由实际现象抽象而成的近似理论；牛顿运动定律所藉以建立的一些基本概念同广义相对论所藉以建立的一些基本概念差别很大，甚至不相容。力是物体之间的相互作用。就力的概念来说，它在牛顿运动定律中的含义与在广义相对论中的含义相比，差别更为明显。通过本文的分析，我们将要看到，在广义相对论中力的概念所概括的范围，比在牛顿运动定律中力的概念所概括的范围要广泛得多。因之，在牛顿力学理论中力概念是具有局限性的。本篇博文打算比较详细地说明牛顿力学理论中力概念的局限性。在牛顿力学中，认为力具有如下一些特性： 1 ），一个力总是与两个物体相联系，一个为施力物体，另一个为受力物体； 2 ），力都具有大小、方向、还有作用点，称为力的三要素； 3 ），力总是成对出现的，这一对力互称为作用力和反作用力，两者大小相等、方向相反，沿同一直线作用，作用力的施力物体和受力物体与反作用力的施力物体和受力物体互换； 4 ），力遵守叠加原理，这就是说，当一个物体同时受到几个物体施加力的作用时，所获得的加速度等于在那几个物体分别所施加力的合力作用下所获得的加速度，这相当于假定，两个物体之间的相互作用力，只与这两个物体的相对位形和相对速度有关，而不受周围其它物体的影响； 5 ），认为力的作用是瞬息传播的。这些特性是根据地球附近宏观力学现象抽象而成的近似看法。必须强调，这些特性是有局限性的，下面我们将看到，在更广泛的情况下，这些特性之中，有的可能不成立。在牛顿力学中所涉及的力，主要是万有引力、张力、压力、弹性力、摩擦力、黏滞力等等。除万有引力外，牛顿力学中所涉及的力，包括张力、压力、弹性力、摩擦力、黏滞力等等，其起源都可追索为两物体接触处的分子或原子间的电磁相互作用。不过，在牛顿力学中，不去详细研究这些出现在两物体接触处的分子或原子间的电磁相互作用；只笼统看成是，在两物体接触之处出现了宏观力，这些宏观力大致基本满足牛顿力学所认为的力应具有的上述五条特性。在牛顿力学中也不研究宏观的电磁相互作用；宏观的电磁相互作用由电动力学研究。由于电磁相互作用系通过电磁场以光速传播，电动力学须结合相对论来进行研究；如果引力可忽略不计，只要结合狭义相对论，如果引力不可忽略不计，则要结合广义相对论。电磁相互作用有时只施加力矩而不是施加力，例如，中子不荷电但具有一定的磁矩，在均匀磁场中，中子便要受到力矩而不是力的作用；在这种情况下，便无法说明力矩中之力的大小、方向、作用点如何确定。牛顿力学只研究弱场慢速情况下的万有引力，当引力场较强时，便只能用广义相对论来进行研究。在广义相对论中，把引力解释为时空的弯曲效应。考虑一质点因时空的弯曲沿测地线运动，若采用上述解释，此质点是受力物体，引力场似可看成是施力物体，但如何理解反作用力？特别是，如果把引力的出现解释为交换引力子的结果，则反作用力作用在何处？就更说不清了。作用在引力子上？作用在引力场上？作用在生成引力场的全部物体上？似乎都与牛顿力学的理解不一致。究其原因，乃是牛顿力学对力之概念的理解是有局限性的，不能把牛顿力学中所认为的力之特性推广到牛顿力学不适用的更广泛的情况。牛顿力学也不适用于研究强相互作用和弱相互作用。核力是强相互作用的表现，核力是多体力，两个核子的相互作用力要受到其他相邻的核子的影响，因之核力不遵守叠加原理，这与牛顿力学中力的特性不相同。又如原子核的裂变和聚变的出现也是由于强相互作用，在裂变或聚变时，原子核变化了，能量释出了；但在裂变或聚变过程中，力如何变化则难以说清楚。弱相互作用也有类似的表现，弱相互作用在衰变中起重要作用，衰变中放出电子和中微子；粒子改变了，能量变化了，但在衰变中，力如何变化则难以说清楚。因此与牛顿力学不同，在研究强相互作用或弱相互作用时，我们着重研究能量的变化，而不着重研究力的变化。

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牛顿运动三定律全是广义相对论的近似吗?

chenfap 2009-7-13 13:07

牛顿运动三定律全是广义相对论的近似吗 ? 在研究广义相对论时 , 人们常说 : 牛顿力学理论是广义相对论在弱场慢速条件下的近似。牛顿力学理论包括两部分，即牛顿万有引力定律和牛顿运动三定律。那么，牛顿运动第一定律和牛顿运动第三定律能否也可由广义相对论推出来呢？现在我们来讨论这个问题。这两个定律的表述分别是：牛顿运动第一定律：在惯性参照系中，若不受外力作用，任何物体都将保持其静止状态或匀速直线运动状态。牛顿运动第三定律：每个作用力恒伴有一个大小相等而方向相反的反作用力。（或者说，两个物体之间的相互作用力总是大小相等而方向相反且同时作用。）必须指出，牛顿运动第一定律要求存在惯性参照系和不受外力（包括引力）作用，这只适用于平直时空。而广义相对论的时空是弯曲时空，一般来说，不存在惯性参照系和往往要受到引力；因之在原则上，广义相对论与牛顿运动第一定律是不相容的。可是，由式 (4) 可知，当引力和其它力都可忽略不计时，质点的加速度可看作等于零；这正与牛顿运动第一定律的结论相同。在这种情况下，也可以认为牛顿运动第一定律近似成立。但这只是人为的看待，人为地把惯性参照系强加进来；因为实质上广义相对论是否定惯性参照系的。因此，应当说，牛顿运动第一定律不可能由广义相对论推出来！牛顿运动第三定律也不可能由广义相对论推出来。牛顿运动第三定律的观点是承认绝对的同时性，认为力的作用是瞬息传播的，两物体间可以直接以力相互作用，作用力和反作用力总是同时存在，同时发生，同时结束。而广义相对论的观点是不承认绝对的同时性，不认为力的作用是瞬息传播的，而认为两物体间只能通过场来施加作用，场的作用以光速传播，有个滞后时间，广义相对论不认为两物体间可以直接以力相互作用，不认为作用力和反作用力总是同时存在，同时发生，同时结束。因之在原则上，广义相对论与牛顿运动第三定律是不相容的。参考文献福克 .1965 ，空间、时间和引力的理论，周培源等译，科学出版社，北京 . 须重明 , 吴雪君 .1999, 广义相对论与现代宇宙学，南京师范大学出版社，南京 . Weinberg S. 1972, Gravitation and Cosmology, Wiley, New York.

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寻求真理的勇士章钧豪先生永远活在我们心里

yangxintie 2009-7-3 22:51

章钧豪先生是我们大家都很敬佩的学者，他是一名寻求真理的勇士，他的去世，对我们都是一个耗噩耗，那是两年前，受黄志洵教授的委托，希望邀请章钧豪教授在基础科学论坛上谈一下对美国验证广义相对论的卫星实验的进一步看法，谈过几次以后，我们从七月份放假开始，就联系不上了，每个星期都打电话，希望能够听到他的声音，没想到他已经永远离别了我们，这是我们万万不能接受的。许多人在西安期间曾与章钧豪先生交流过广义相对论,有过想法及进一步发展的可能性，友人也曾在科学院系统推荐介绍过章钧豪先生在引力方面的研究工作。章钧豪先生在现代物理学诸多基础方面具有深刻的见解，他的工作具有探讨性、及一定的奠基性。章钧豪先生在去世前增经讲过，美国的卫星试验要么作出的结果和他的预言一样，要么这个实验由于陀螺进动有很多干扰因素，试验结果难以发表。事实正如他所说。可惜章钧豪先生是倒在向真理冲击的路上，没有看到最后的胜利，希望能够把章钧豪先生正在做的工作整理出来，公之于众。在寻求真理的方向上，章钧豪先生鼓舞我们每一个人更加奋发，他永远活在我们心中。事情是这样的：不久前，美国加州范登堡空军基地上成功地发射了一颗耗资7．5亿美元命名为GPB（B型引力探测器）的卫星，用于测试爱因斯坦的广义相对论中两个重要的预测是否正确。卫星的发射同样牵动了一个远在大洋彼岸的中国汕头的教授的心，章钧豪教授花了数十年的研究，提出了爱因斯坦广义相对论导出的基本两个公式全都错了的结论，他希望这一结论将能在此次的测试中得到检验。　章钧豪教授1936年出生于广东省汕头市，退休前是汕头大学物理系主任、教授。近日记者走进了章教授那简陋而宁静的家，见识了这位敢于挑战权威的老人。我爱我师更爱真理老人开门时那副不修边幅的模样与文艺作品中的科研工作者的形象很是吻合。我敢于挑战爱因斯坦，是缘于年轻时对他的崇拜。交谈伊始，一生从事理论物理研究的章教授却说出了一句颇有哲理的话。　　由于对爱因斯坦的崇拜，早在大学时代，章钧豪就对相对论充满了强烈的兴趣。但渐渐地，他发现了相对论中存在不能自圆其说的地方。他没有被权威所吓倒，对真理的执着追求使他开始以批判的眼光去审视爱因斯坦的理论。从上世纪80年代开始，章钧豪根据国外有关科学观察、实验的结果和最新变化，以新的姿态进行了对相对论的理论探索。他以时空是平直的为基础，提出了一个新的引力理论狭义相对论引力理论，其基本公式使用了P、R、C三个符号代表英文缩写的中华人民共和国，以此纪念伟大的祖国，被称之为中国公式或中华公式。　　大约过了十年，新的研究才开始有点眉目。在1990年至1995年间，章钧豪相继在国际权威的学术杂志《国际理论物理》上发表了5篇论文，系统地阐述了他的狭义相对论引力理论。这5篇论文都被收录入美国科技情报所的文献索引。　　章教授在用较为通俗的语言向记者阐述他的理论时涉及了两个物理学巨擎牛顿和爱因斯坦。他说，牛顿的引力理论主要包括两条公式，即能量变化公式和角动量不变。爱因斯坦在角动量不变这个点上与牛顿相同，但在能量变化公式上，爱因斯坦的值是牛顿的两倍。为了检验这些公式，历史上很多人做了很多观察和实验，已能证明牛顿的两个公式至少有一个是错误的。后来，人们做了一个光红移的实验，在实验中，人们发现实验测出的能量变化值是牛顿值，而不是爱因斯坦值。这些实验告诉人们，牛顿的能量变化公式没有错，但角动量不变却错了。进而推出的结论是，爱因斯坦广义相对论的两个基本公式全都错了，因此，由这两个基本公式推导物体运动的轨迹就完全失去了意义。章教授说：我的理论的第一个结论就是爱因斯坦的广义相对论与实验不符，这个简单的推理是不可争辩的。已做过的实验是探测静止物体产生的引力场，全部的实验结果都表明，时空不是弯曲的，而是平直的，爱因斯坦是错的，我是对的。　　那时侯,GP－B卫星的实验结果要等18至24个月后才见分晓。究竟是大名鼎鼎的爱因斯坦正确，还是声名不显的章钧豪正确？虽然是与有着权威地位的爱因斯坦挑战，但章教授却信心十足。可惜章钧豪教授没有看到最后结果。　　耐得寂寞苦追求　　章教授1954年从汕头金山中学毕业后考入了中山大学物理系，从事理论物理的学习研究。1957年在反右运动中，他由于政治表现不好，在学校留团察看了一年。1958年毕业后被分配到广西大学工作，1962年又因政治原因被下放到广西民族学院附中。在广西工作了近三十年后，他终于在1985年回到故乡，在汕头大学任教。无论政治风云如何变幻，也无论工作地点怎样变动，他对理论物理的研究从来没有中断过。在文革期间，其他人忙于搞政治运动时，他便利用这时间涉猎最新的国外科学杂志，了解科研前沿的动态。　　由于条件的限制，章钧豪只能通过逻辑演绎和准确的计算来推导自己的理论，而无法通过实验来检验自己的理论是否正确，因此大量的工作是通过手工演算来进行的。　　老人把自己的一生都贡献给了理论物理研究。在他这套面积不大的房子里，几乎没有什么装修和时髦用品，唯一像样的是放在书房的一个老式空调，这还是为了保护那台老式电脑而安装的，而充斥房间的是各种各样的书籍。　　老人的爱人在几年前去世，小儿子远在美国工作，大儿子也经常不在身边。从1997年退休至今，老人一直孤单地继续着他的理论研究。前不久，他一位在香港的有钱同学想高薪聘请他过去管理一个基金会，被他婉言谢绝了。他希望把精力集中在研究上，他打算一直沿着这个路线做下去，我觉得干这个会更有意义些。他说。　　为了挤出更多的时间搞科研，老人尽量把每天的生活简单化，于是，小区的居民都知道他每天要到楼下的小食店吃饭，而他的家门口，也经常挂上一个请勿打扰的牌子。虽然一辈子研究枯燥的理论物理没有给他带来可观的收入，但他却说，这一辈子最令他满意的就是事业上的追求。老人生活虽然简单，但是遇到需要捐助的公益活动从来没有踌躇过，2003年尽管身体不好，还是抱病赶到西安，参加关于相对论和现代物理创新的国际会议。　　章教授的理论是否正确，这关系到整个宇宙学理论基础甚至全人类时空观念是否得经历一次根本性变革。虽然他的理论的正确性还没有得到最后的检验，但他那种对科学、对真理不懈追求的精神无疑值得青年人好好学习。　　GP－B卫星的实验结果主要将由两个值来体现：一个称为短程线效应陀螺进动率（章钧豪称之为轨道效应陀螺进动率），另一个是坐标拖曳效应陀螺进动率（章钧豪称之为地球自转效应进动率）。在卫星轨道是400英里的条件下，美国斯坦福大学的专家、教授根据爱因斯坦的理论公式算出的两个值是6．6弧度秒／年和0．042弧度秒／年，章钧豪根据自己的理论得出的两个值是4．4弧度秒／年和0．063弧度秒／年，分别是爱因斯坦的2／3和1．5倍。遗憾的是，章钧豪教授的网站也随着他的去世而关闭。要看这些文章恐怕只有上期刊光盘了。

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广义相对论时空与狭义相对论时空的关系

chenfap 2009-5-26 15:51

广义相对论时空与狭义相对论时空的关系在前几次博文中，已谈过牛顿时空、狭义相对论时空、广义相对论时空的特点和差别。牛顿时空的主要特点是： 1 ），时间和空间绝对分离， 2 ），光信号传播速度 C 是无限大 ,3), 空间是平直的。狭义相对论时空的主要特点是： 1' ），时间和空间是紧密结合在一起形成时空统一体的， , 2' ），光信号在全空间传播速度是有限的常数 C, 3'), 时空是平直的。广义相对论时空的主要特点是： 1'' ），时间和空间也是紧密结合在一起形成时空的， 2'' ），光信号在空间的局部传播速度是有限的常数 C, 3''), 时空是弯曲的。我们还通过分析说明了 , 从广义相对论出发 , 在弱场低速的条件下 , 虽然广义相对论中的引力场方程变成了牛顿引力理论中的引力场方程，广义相对论中的一个不受其它外力作用的质点在引力场中的运动方程变成了牛顿力学中的质点在引力场中的运动方程 ; 但时空没有改变：（一），时间和空间仍是紧密结合在一起形成时空的，而没有变成时间和空间绝对分离，（二），光信号在空间的传播速度仍是有限的 , 而没有变成无限大 , （三 ), 时空仍是弯曲的而没有变成平直的。也就是说，时空的基本特点没有变（仅在数量上有所变化），只是研究方法（计算公式、结果解释等）变了。本篇博文将研究广义相对论时空与狭义相对论时空的关系，具体地说，打算研究广义相对论的时空能否转变成狭义相对论的时空？转变的条件是什么？以及研究狭义相对论的时空能否转变成广义相对论的时空？转变的条件是什么？细察广义相对论时空与狭义相对论时空的区别，可以发现，最根本的区别在于：广义相对论的时空是弯曲的而狭义相对论时空是平直的。虽然光信号的传播也有所差别，对狭义相对论来说，光信号在全空间传播速度是有限的常数 C, 而对广义相对论来说，光信号只在在空间的局部传播速度是有限的常数 C ；但这全空间和局部空间的的差别也根源于时空是平直还是弯曲。全部自发消失视为它的一个特殊状态 , 显然对于这一特殊状态 , 其宏观情况同微观情况毫无区别 , 因之 N=1 。因此，当一个引力体系自发消失时，其熵将由 S 0 减少至 S =0 ；这是违反热力学第二定律的，故这个自发过程不可能发生。此外，还要指出，在純洛伦兹时空中，必须毫不存在物质场，否则按照广义相对论的场方程，时空便要出现曲率，那就不是純洛伦兹时空了。若时空中毫不存在物质场，就不会有物理现象。在狭义相对论物理学中，是存在物质场（如电磁波、基本粒子都是物质场），是要研究物理现象的。我们所研究的狭义相对论物理学（如 Maxwell 方程、 Dirac 方程等），其时空实际上是广义相对论的伪黎曼时空，只是由于曲率很小，可近似地看为狭义相对论的洛伦兹时空。再看看，洛伦兹时空是否能转变成广义相对论的伪黎曼时空？純洛伦兹时空原是毫不存在物质场的，由于 Lorentz 与 Levi-Civita 守恒定律允许物质场能量与引力场能量一正一负共同创生，这种创生只能使熵变化增大，并不违反热力学第二定律，因此在理论上是有可能的。我打算根据这种可能性来建立一种宇宙学，当然它是否正确要看它能否经受实验和观察事实的检验。对这些问题，以后有机会时再谈，本文就不多讲了。

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一个物理学中的“等于还是趋于？”的难题

热度 1 chenfap 2009-5-17 12:25

一个物理学中的等于还是趋于？的难题博友鲍得海博士同吴中祥研究员关于无穷循环小数 0.33333 是等于还是趋于 1/3 的讨论，给了我很多启发，使我想到在物理学中的规律或概念也有类似的问题。由于不仅是数值上的问题，而且涉及到出发点不同的规律或概念，所引起的问题和疑惑更多。下面我就提出一个使我感到疑惑难解的问题向诸位博友请教。人们都说，牛顿力学理论和牛顿引力理论是狭义相对论及广义相对论在一定条件下的近似；这里就存在规律之间或概念之间的等于还是趋于？的问题。说牛顿力学理论是狭义相对论在一定条件下的近似，是由于狭义相对论中的也就是广义相对论中的引力场方程变成了牛顿引力理论中的引力场方程，广义相对论中的一个不受其它外力作用的质点在引力场中的运动方程变成了牛顿力学理论中质点在引力场中的运动方程；这是等于还是趋于 ? 或是 ? 大家知道，广义相对论继承了狭义相对论的基本精神，时间与空间也是紧密结合在一起形成时空的，信号（包括光）传播速度也是有限的；当广义相对论中的引力场方程变成了牛顿引力理论中的引力场方程以及广义相对论中的一个不受其它外力作用的质点在引力场中的运动方程变成了牛顿力学理论中质点在引力场中的运动方程之时，也要出现与前述当狭义相对论中的质点动力学方程变成牛顿质点动力学方程之时，所要出现的相同的问题和疑惑，这里就不重复了。下面我们着重谈谈广义相对论的黎曼时空是如何变成牛顿力学理论中的伽利略时空的问题。黎曼时空是弯曲的，伽利略时空是平直的（狭义相对论的即洛伦兹时空也是平直的）。弯曲的时空能变成平直的时空吗？或者反过来问，平直的时空能变成弯曲的时空吗？从式 (3) 来看 , 若物质场的能量密度可以从有变成无、或从无变成有，这种时空的转变似乎是有可能的。上述时空转变在实质上是时空度规张量的转变。可是，我所了解的微分几何，流形上的度规都是给定的；我不知道，在微分几何中，有没有度规可变的理论？我多么希望能有这种理论。我在前些时的博文中，讨论 Lorentz 与 Levi-Civita 守恒定律时，多次指出过，这个定律允许物质能量创生。据此我提出了一个关于宇宙可起源的一种可能性的猜想：或许宇宙有可能起源于物质场的能量密度为零的洛伦兹时空，通过物质能量的不断创生而出现物质场的现有分布，并使时空弯曲。如果存在度规可变的微分几何理论，我的这个猜想就有理论依靠。我的这些想法是否有些道理，欢迎博友们评论指正。参考文献 Weinberg S. 1972, Gravitation and Cosmology, Wiley, New York.

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《相对论》及其发展 (44)

可变系时空多线矢主人 2009-5-6 11:32

《相对论》及其发展 (44) 43 ．非惯性系，高速运动物体（例如高能粒子、光子等）的牵引运动合成公式和运动特性也都与经典力学和狭义相对论的牵引运动合成公式和运动特性，显著不同 ( 接 (43)) 对于非惯性系，高速运动物体（例如高能粒子、光子等），必须按照反映时空弯曲特性的 4 维时空 1- 线可变轴矢系，建立各牵引运动合成公式。并以 4 维时空可变系的洛仑兹变换取代经典力学 3 维空间的伽利略变换和狭义相对论不变系的洛仑兹变换。因而，其牵引运动合成公式和运动特性，也应从非惯性系和高速运动，这两个方面，与经典力学和狭义相对论的牵引运动合成公式和运动特性显著不同。 ( 未完待续 )

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广义相对论如何对牛顿引力理论进行改造

chenfap 2009-4-30 15:39

广义相对论如何对牛顿引力理论进行改造大家知道 , 牛顿引力理论可看作广义相对论的理论在弱场和低速条件下的近似。还应当强调指出，牛顿引力理论同广义相对论的根本区别在于：前者是建立在经典力学基础上的以质点为对象的引力理论 , 研究的是质点与质点之间的引力相互作用 , 后者是建立在相对论基础上的以场为对象的引力理论 , 研究的是物质场与引力场的相互关系。这两种理论有着本质的不同。在牛顿引力理论中，引力作用是超距作用，这不符合相对论的精神，也难以理解超距作用是如何传播的。牛顿本人就此曾说过 ...... 这据我看来是一种莫大的荒谬 ...... 。因此要研究引力理论就必须对牛顿引力理论进行改造。把以质点为对象的引力理论相对论化是很困难的，把以场为对象的引力理论相对论化则较易进行。在狭义相对论中，拉氏函数在 Poicare 变换下，具有不变性。在广义相对论中则为，拉氏函数密度则在局域 Poicare 变换下，具有不变性。利用上述一些特性，进行数学运算，就可求出式 (2) 所示的引力场方程以及 Lorentz 与 Levi-Civita 守恒定律，爱因斯坦守恒定律。详细的推导运算请见文献。广义相对论中的引力场方程、 Lorentz 与 Levi-Civita 守恒定律或爱因斯坦守恒定律是宇宙学的理论基础。参考文献刘辽，赵峥 . 2004, 广义相对论（第二版） . 高等教育出版社 , 北京 . Chen F. P. 2008, Field equations and conservation laws derived from the generalized Einsteins Lagrangian density for a gravitational system and their implications to cosmology. Int.J.Theor.Phys.47,421. Chen F. P. 2008, A Further Generalized Lagrangian Density and Its Special Cases. Int.J.Theor.Phys.47 ， 2722. 陈方培 .2008, 引力体系的拉氏量与能动张量密度守恒定律及场方程 ( 引力体系协变的能动张量密度及其守恒定律与某些应用 I ). 中国科技论文在线 200802-56.

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宇宙的惯性之和

zhulin 2009-4-29 15:37

根据广义相对论可以导出，一个球壳产生曳引作用的公式：曳 = ( kGM 壳 /c 2 R 壳 ) 壳地球和整个宇宙对放在地球北极的傅科摆的曳引作用：曳 / 恒星 = ( kG/c 2 ) ( M 恒星 /R 恒星 ) GM 宇宙 /c 2 R 宇宙上式右端称为宇宙的惯性之和。由于傅科摆的摆面完全跟着星空转，曳 = 恒星，所以宇宙的惯性之和为 1 。

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《相对论》及其发展 (23)

可变系时空多线矢主人 2009-4-15 10:21

《相对论》及其发展 (23) 22 ．罗杰彭罗斯 (R. Penrose) ，史蒂芬霍金 (S. Hawking) 的全局方法（接（ 22 ））因无相应的矢量表达和矢算工具，广义相对论仅是被表达成在单独坐标系的一堆繁复、难解的偏微分方程。人们曾经只注重寻找其解，而忽略研讨其物理意义，致使其长期受到冷落。罗杰彭罗斯 (R. Penrose) ，史蒂芬霍金 (S. Hawking) 先后引进和采用不必准确地解方程，即能研讨其一般特性，物理地分析一些宇宙学问题，特别是对奇性和黑洞的研究，新概念的全局方法，使广义相对论展现出新的活力。霍金得出的两项预言： (1) 在暴涨期小微扰的发展， (2) 黑洞应有热辐射，还分别可为最近观察到的微波背景起伏所证实和在原则上可以检验，而名声大噪。但是，这种对时空大尺度因果性结构进行物理分析，和进而用围绕由爱因斯坦引力场方程的一些经典解 ( 例如将史瓦西 (Schwarzschild) 、克尔 (Kerr)) 的度规作通常场论的微扰处理，研讨引力场自身相互作用的方法，都显得非常间接和带有猜测性。特别是，其关键技巧是建立在爱因斯坦引力场方程对坍缩尘埃云的解里有一个被事界包围的奇点，并将它一般化的基础之上的。人们熟知，虽然引力场在 r=0 处确实有一奇点，但它却是相互作用的两物体的质心重合于该点，这是不可能的，因而，并无实际意义，而须在其单连通区域内从相应的 Green 函数积分中扣除。显然，这种研究方法还存在一些原则上的缺陷。 ( 未完待续 )

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《相对论》及其发展 (21)

可变系时空多线矢主人 2009-4-13 09:30

《相对论》及其发展 (21) 20 ．因时空的弯曲特性，广义相对论不得不放弃使用矢量，而采用曲线坐标直接表达时空各点的位置。现有的这种处理方法也带来了一系列问题 ( 接 (20)) 广义相对论现有的这种处理方法，虽已能解决牛顿引力理论与实测的偏离，却由于没有相应的矢量表达和矢算工具，使得处理惯性与非惯性牵引运动，欧基里得与黎曼时空，狭义相对论与广义相对论的问题，从基本逻辑结构开始就采用完全不同的两套方法，造成它们彼此孤立，割裂的错误印象。甚至作为广义相对论重要基础的爱因斯坦场方程也只能带有猜测性地由分析度规张量各元表达的能量动量张量的特性而得到，并不能演绎地导出。且迄今仍仅限于在引力这唯一的领域内应用，这也正是引力尚不能与自然界的其他各种力彼此统一的原因之一。特别是，非惯性牵引运动系各类多线矢的微分，偏微分还都产生与时空联络系数 ( 黎曼 - 克利斯托夫 (Riemann-Christoffel) 符号 ) 有关，且各有确定的不同取向的相应组分，现有的各种数学工具都不能确切地进行 4 维时空各类多线矢和矢量场间统一的，连续、演绎的代数和解析矢算，特别是，不能连续、演绎地导出时空联络系数的具体数值和方向。因而，不能有效地研讨非惯性牵引运动系的各种物理问题。未完待续 )

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量子论和广义相对论的对立之统一

zhulin 2009-1-5 15:39

量子论和广义相对论，它们对物理学的基本概念，如引力、空间、时间以及物质等，各自有着完全不同的解释。量子论将引力看作是量子的交换，认为单个物体既是粒子又是波！广义相对论将引力看作时空的扭曲。广义相对论认为，万有引力并不外在于时空结构，而是渗透于时空结构本身的一种现象。设想宇宙中有一个苹果。这个苹果不再像牛顿所认为的那样是一个致密的、靠自身引力场吸引其他物体的球体，而是一个造成时空凹陷区、直接扭曲了空间结构和时间流动的物质。对此，我们建立了新的引力理论，在量子论和广义相对论的对立中寻求统一，认为物质粒子在其波粒二象性中不断地辐射本底引力子（本底引力子是构成质量、能量、空间的基本量子，其量子能量 =hH o ），在物质粒子辐射本底引力子的过程中，物质粒子周围空间自然出现了本底引力子动量密度 P =(H o /4 )M/r 2 导致的引力场 g=GM/r 2 。时间之矢源于物质粒子因不断地辐射本底引力子导致的物质粒子自身质量、能量的不可逆衰减 dM= － H o M dt 或 dE= － H o E dt ，空间则由以光速运动的本底引力子所构成，时间和空间反映了引力场的结构性质。数学推导表明，物质粒子或物质系统因不断地辐射本底引力子推动空间膨胀而产生一向内的加速度 -H o C ，即为暗物质之源；同时物质系统出现一向外速度 V=H o r 和向外加速度 H o V ，即为暗能量之源。由此展现出物理世界中质量、能量、空间、时间和引力（包括惯性）的统一图景，显现出宇宙运转机制的端倪。（其中 H o 是哈勃常数、 C 为光速、 G 是万有引力常数、 h 为普朗克常数、 r 为间距）。

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广义相对论属于哪个行业？

jlpemail 2008-3-13 14:38

我不懂广义相对论，但在书架上经常看到相关书籍；并且发现一个有趣的现象，就是如何确定广义相对论的书籍的归属问题。不同的书店，对这个问题的看法不同。但是，他们都有道理。有搁置在数学书籍中间的；有明确为天文书籍的；有说是天文书籍的。当然，还有的笼统地归为科普类的。对于广义相对论有深入研究的霍金，既是剑桥大学的数学教授，又对物理学、宇宙学介入比较深。作为科学家，他的分类和归属令人犯踌躇。其实，即使比相对论简单许多的问题，介入的方式也可以有多种。数学、物理或者天文都是途径之一。以狭义相对论为例，有日本的电气工程师以自己的视角进行了理解、解释、描述。他们还出版了相关书，并且受到了属于相对论研究者的物理学家的肯定。这样的现象，有些意思。对于其他科学问题，是否也可以有这样的类似现象？也就是说，不同行业的人可以介入同一个问题，以不同的世交理解和看待它，或许会有意想不到的收获。有些相关性不强的专业，是否也可以借鉴他人的思路、方法或者结论？即使，有些结论看上去有些荒谬？

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