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冲破被爱因斯坦禁锢的时空观 张大军

冲破被爱因斯坦禁锢的时空观           张大军

       

            

1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论。狭义相对论把运动着的物质的时间和空间合并到一起,但是时间和空间仍然是事件在其中发生的一个固定的背景。人们能够选择通过时空运动的不同途径,却不能够修正时空背景本身,这是狭义相对论的缺陷。1915年,爱因斯坦又提出了广义相对论,指出引力不仅仅是在一个固定的时空背景里作用的力,而且引力是由在时空中物质和能量引起的时空畸变。例如,地球要沿着直线穿越时空,但是由太阳质量产生的时空曲率使它必须沿着一个圆圈绕太阳公转。类似地,光要沿着直线旅行,但是太阳附近的时空曲率使得从遥远恒星来的光线在通过太阳附近时被弯折。广义相对论告诉我们,时空不是平坦的,它被在其中的物质和能量所弯曲。

爱因斯坦原始的广义相对论方程预言,宇宙不是膨胀便是收缩,但是他却同时又相信宇宙是一个以同样状态永远继续的模型,于是就在方程中额外加了一项——宇宙项。这个所谓的宇宙项具有引力的排斥效应,把宇宙中的质量和能量与时空曲率相联系,用宇宙项的排斥力去和物质的吸引力相平衡,也就是由宇宙项产生的负时空曲率抵消宇宙中质量和能量产生的正时空曲率,使宇宙成为一个永远平衡的静止状态。但是,1929年埃德温·哈勃发现了红移现象,[1]证明几乎所有的星系都在远离我们而去,不同星系之间的距离一直在增加着,证实了宇宙正在膨胀。后来爱因斯坦把他引入的宇宙项,称作是“我一生中最大的错误”。

但是不管有没有宇宙项,物质使时空向它自身弯折的事实仍然存在。物质的引力使时空向它自身弯折达到一定程度,就会使自身从宇宙的其余部分割裂开来,于是这个区域就会坍缩为黑洞,[2]物体可以落到黑洞中去,但没有东西可以逃逸出来。要想逃逸出来就得比光旅行得更快,而这是相对论所不允许的。黑洞中的物质被俘获住,坍缩成非常高密度的未知状态。爱因斯坦为这种坍缩深深困扰,并且一直拒绝相信这是事实。

直到20世纪60年代,史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯在证明了若干定理之后,使爱因斯坦原始的广义相对论所预言的事情才清楚地呈现出来。霍金指出:“时空向它自身弯曲的事实表明,必须存在奇性,也就是时空具有一个开端或终结的地方。它在大约150亿年前的大爆炸处有一个开端,而且对于坍缩恒星以及任何落入坍缩恒星留下的黑洞中的东西将达到一个终点。”[3]

爱因斯坦提出的广义相对论引起了物理学界的一场革命,其意义是不言而喻的。但是广义相对论却不能预言宇宙在大爆炸处应如何启始。这表明广义相对论并不是一个完整的理论,它必然要为一个更新的理论所代替,或者说这个新理论是在广义相对论的基础上对它的扬长避短,同时又有新的发展。这个新理论包括普郎克—海森堡量子力学原理、霍金的宇宙大爆炸和大挤压理论及黑洞学说,等等。

爱因斯坦的相对论速度相加公式的前提是:光速C是物体运动速度的极限。其实他的这一前提,只适合于宏观世界和微观世界的一部分(主要是粒子性、次要是波动性)物质的运动规律,如果将其扩展到一切领域来解释物质的运动规律,就以偏盖全了。其一,它没有涉及超微观世界以及微观世界的一部分(主要是波动性、次要是粒子性)物质运动问题,就是说,只正确解释了阳性物质世界的物质运动规律问题,而没有涉及阴性物质世界的物质运动规律问题。其二,科学实验以及理论研究确实证明,世界上有超光速运动的物质,说明光速并不是所有物质运动的极限。

      如果火车的行驶速度接近于光速,那么去测量一把尺子的长度L1,就会发现它比日常所见的长度L缩短了不少。两者的关系式为

L1=L/1-V2/C21/2

式中的V是火车行驶接近光速的速度,L1是被测量的尺子的长度,L是日常所见的尺子的长度,C是光速。计算的结果是日常所见的尺子缩短了许多。如果是一个正方形,也将缩成长方形,圆将变成椭圆。

与此相仿,时钟也走得慢了。例如,一件事情的发展过程原来需要花费时间为t,现在所需要的时间将增加为t1,两者的关系式为

t1=t/1-V2/C21/2

V是物体高速运动的速度,爱因斯坦将V的速度限制在小于光速C,从而(1-V2/C21/2总小于1,结果t1总大于t。这就是说,当物体高速运动时,时间比原来变慢了。

尺缩短,钟变慢,是相对论向我们揭示的物体在高速运动时的基本特征。在高能物理学中,诸如此类的相对论效应也是屡见不鲜的。例如,实验发现,当π介子静止时,测出的半衰期是1.77×10-8秒,也就是说,在任何一个时刻存在的π介子的一半,将在1.77×10-8秒内衰变成其它粒子。而当π介子以0.99倍的光速运动时,却测得它的半衰期是13×10-8秒。这说明运动着的π介子比静止时的π介子衰变期慢多了。

物体在高速运动时,不仅尺会缩短,钟会变慢,而且质量还会增大。例如,物体静止时的质量是m0,当它以速度V运动时,质量将增大为m,而m=m0/1-V2/C21/2。实验物理学家用仪器测到,宇宙线中的电子,当运动速度达到光速的0.9998倍时,其质量比静止时的质量大1000倍。

爱因斯坦认为,物质运动速度的极限是光速,在光速之下,将会出现尺缩短、时间变慢和质量增大的相对论效应。然而遗憾的是爱因斯坦的天才的思维到此就停止了,他始终没有向前再迈出一小步。看来问题的关键是,是否物质运动速度的极限就是光速。前面已经说过,物质运动速度的极限并不是光速,还有比光速更快的运动速度。史蒂芬·霍金指出:“不确定性原理允许粒子在短距离内旅行得比光还快。这就使得粒子和辐射能穿过事件视界从黑洞逃逸。”[4]科学家已经找到某些微波运动速度比光速还快,说明物质运动速度的极限并不是光速。那么物质运动的速度超过光速之后将是一种怎样的情景呢?

其一,物体的体积缩小,而且随着超光速的加速度,最后体积变为零存在,抑或是负存在形式,也就是以虚物质或者说是以虚粒子的形式存在。

其二,时间变慢。当物体运动速度等于光速时,时间停滞,超过光速之后,则出现时间倒流的情况,即是以上说的虚时间。

其三,物质质量增大,而且随着超光速的加速度,质量增大的趋向是正无穷方向。但是当其达到极限时,则转变为负质量。

上述物体体积缩小、时间变慢和质量增大,都是在同一时刻同步发生的,它们决不可能只有其中的一个或两个量发生变化,而另外两个或一个量不发生变化。当物质运动的速度超过光速并达到一定阈值范围后,就会出现:物体体积的缩小(压缩)和时间的倒流与质量的无限增大形成尖锐的矛盾。当这个矛盾达到不可克服的时候,就会出现物极必反的情况,这就类似于宇宙大爆炸的一刻,并将质量转化为能量。

这时我们看到的情景是:物质以虚粒子的形式存在,时间是虚时间,时光在倒流,存在着高能量,它充满空间但却不占有空间。这就标志着已经由阳性物质转化为阴性物质。

那么,为什么说阴性物质充满空间而不占有空间呢?因为这时它以虚粒子的形式存在,它自身的原有空间已缩小(压缩)为“无”,并不占有空间,但是却充满空间,充满的这个空间是阳性物质世界现有的空间。 

读者一定要问,何以来的这么大的力量可以将物体(或粒子)推动到超光速呢?这的确是个问题。爱因斯坦也正是因为疑惑这一点,所以坚持光速是物质运动速度的极限。因为根据公式m=m0/1-V2/C21/2,物体质量有无限大的趋势,那么能有无限大的力量推动无限大的质的物体吗?这个问题可从两方面解释:

其一,在宇宙大爆炸的一刻,有足够的力量将物质运动的速度推进到超光速,于是我们上面讲到的物质以虚粒子的形式存在、时光倒流和存储着高能量等,都一并会发生。这就提示我们,在宇宙大爆炸的一刻,整个世界就分裂为阳性物质世界和阴性物质世界。因此,中国古代的阴阳学说是有道理的,《周易》中将整个世界用阴阳鱼的图案表示出来,也是有一定的科学依据的。

其二,科学目前还没有发展到可以直接将物体(离子)推进到超光速,但不等于说以后就永远达不到这一步。另外,将各种可测到的波(如电磁波等)加工到超光速的速度却是比较容易做到的,因为这些波的质量本身也已接近虚质量,那么所用的推动力也相对地小多了。我们的思维波就超过光速。

可见,爱因斯坦的时空观虽然比经典力学所描绘的时空观有较大的进步,但是由于科学发展的水平所限,又有很大的局限性,这种局限性主要表现在他把光速作为一切物质运动的速度的极限,从而使他永远不可能再超前迈进一步。因而他的时空观,就只能说明宏观世界和微观世界的一部分(主要是粒子性、次要是波动性)也就是阳性物质世界的时间空间的变化规律。它不可能说明超微观世界和微观世界的另一部分(主要是波动性、次要是粒子性)也就是阴性物质世界的时间空间的变化规律。这样,爱因斯坦就自觉与不自觉地给我们关上物质世界的另一扇大门——超微观物质世界抑或是阴性物质世界的大门。


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