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《狭义与广义相对论浅说》及其拓展的探索

爱因斯坦坦言地叙述:“洛仑兹是根据纯粹的形式观点引进下述假设的第一人,他假设电子外形由于电子运动的缘故而在运动方向上收缩,收缩的长度与[1-(v/c)2]1/2成正比,这个没有被任何电动力学事实所证明的假设都给了我们在近年来以相当高的精确度得到证实的特别的运动定律(注:引自《狭义与广义相对论浅说》P42)。(注:[1-(v/c)2]即类同于相对性结构(1-η2),η = v/c,称洛仑兹因子、本文作者拓展为相对性结构因子)。以此为基础写成了《论动体的电动力学》,这个理论与麦克斯韦的《电动力学》(称麦克斯韦方程组)一致,由此成为狭义相对论向广义相对论拓展的基础。

麦克斯韦方程组的第一个方程△·D=P,也就是高斯定律为基础拓展过来的。它与牛顿的万有引力定律、库伦电磁力、以及近代核物理学中的核力作用,都是“平方反比定律”,有着统一拓展的前景。上述例中可以看到爱因斯坦这样一条清淅思路:

牛顿的万有引力(平方反比定律)—→狭义相对论(洛仑兹因子)—→广义相对论(弯曲空间)—→引力方程(引力三重性的组合)。

我们可以在相对论基础上在数学上建立了一条新思路:

高斯平方反比定律 —→圆对数(不变的圆函数为底数的自乘)—→相对性结构原理(计算规则的建立)—→广义的普适性(适应各种多层次、多维次的广义相对空间)。

牛顿的巨大遗产是机械论哲学,体现为有心力纲领,物质被假设为由称为“分子”的不同类粒子所组成。两个这样的分子相互施加各种力:引力、电磁力、毛细作用力等等,这些力——吸引或排斥——都假设为有心。即在两个粒子联线方向上起作用,并服从适当的定律(如引力和静电力的平方反比定律),它依赖于两者之间的距离。限于历史条件,爱因斯坦的广义相对论把牛顿的万有引力定律统一到狭义相对论中,以最大的宇宙均匀分布的圆空间为比照基准点,并与广延性的牛顿引力空间作比较,抛弃了中心假设,创立了时空弯曲的观点,出现了“引力场”的概念。

与此同时,牛顿理论由于电磁粒子运动的相互作用也被被动摇,因为两个电荷粒子并不直接相互作用,“麦克斯韦方程组对所有空间点的电场和磁场的可能状态以及它们如何随时间而变化给出了完整的描述。”(注:引自《爱因斯坦奇迹年》(P6~7)约翰·旋塔赫尔主编,范岱年、许英良译,上海科技教育出版社,2001年11月)。出现了“量子场”的概念。

“引力场”与“量子场”对20世纪的物理革命产生重大影响。另一方面,到了19世纪最后三分之一时期,应用统计方法应用于大的分子集合(阿伏伽德罗常量,一摩尔的物质,大约有6.3×1023个分子),使牛顿的力学纲领又向前拓展,麦克斯韦和玻尔兹曼成功地赋予热力学定律以力学基础,开始建立了用气体、液体、固体分子运动来解释巨大物质聚集体的性质的研究纲领。

广义相对论中拓展了“等效原理”“质能定律”,引向“四维时空网络”,“五维张量空间”,这是一个连续性,广延性空间。其数学特征是“圆与椭圆之间”,或称为“圆空间”,它们都是按[1-(v/c)2]+1为对比的“圆函数”的正向收敛。

爱因斯坦努力能把同样地具有连续性、广延性空间的电磁力(场)与引力(场)统一起来,此事还没有应对成功。出现了恼人的量子理论,量子理论是粒子与场的非连续性、局域性空间,爱因斯坦不愿承认,相对论与量子理论发生了冲突。这是20世纪伟大的物理成功背后留下的议题。

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