張樹斌：廣義相對論的誤區
廣義相對論的誤區
張樹斌
Zhang Shubin
〔臨汾市汾東路雙語學校 中國山西省 臨汾市 041000〕
（Linfen Fendong road bilingual school of linfen in Shanxi Province in China 041000）
關鍵詞：廣義相對論 狹義相對論 真理與謬誤
一 等效原理是正確的，張量逆變是錯誤的
我們知道，物體所受的引力與物體的質量成正比，同樣，物體所受的慣性也與物體的質量成正比。如果分別把這兩種質量叫引力質量和慣性質量，物理實驗證明，這兩種質量實際上是不可區分的。因為，到目前為止的一切實驗都沒有找到它們的差別。所以，慣性質量與引力質量等價，才能成為愛因斯坦廣義相對論的基礎。有學者將廣義相對論的等效原理區分為強形式和弱形式，我認為這是不能成立的。因為，實際上根本就不存在等效原理的弱形式。所謂等效原理的弱形式，是指「慣性力場與引力場的動力學效應是不可分辨的」，它強調動力學效應,其實說的還是靜止質量與運動質量的區別。這完全是為了維護狹義相對論的所謂運動質量大於靜止質量而生造的一種理論。其根源是把愛因斯坦當成了神，凡是愛因斯坦的理論，正確的是正確的，不正確的也是正確的；正確的要堅持，不正確的拐個彎也要堅持。其實，狹義相對論發表十年之後才發表廣義相對論本身就說明了廣義相對論是對狹義相對論有突破，否則，就沒有必要發表廣義相對論。所以，把永久性引力場與非永久性引力場視為同一，這是廣義相對性原理成立的先決條件。然而，一旦確立廣義相對性原理，那麼，狹義相對論中存在的問題很快就暴露出來。
愛因斯坦廣義相對論的等效原理是正確的，但他的張量逆變則是錯誤的。因為，張量是不能逆變的，張量逆變是建立在動量守恆和角動量守恆的基礎上。然而，量子力學的微觀物理實驗已經證明了動量不守恆，角動量也不守恆。因為，認為動量守恆和角動量守恆都違反時間相對、不守恆的原理，而時間相對、不守恆，必然要求能量相對、不守恆。這都從熱力學第二定律可以得到證明。因為，時間的不可逆性，決定了時間及其能量的逆變會出現熵增加的趨勢，就是說會出現負值。星球的運動是橢圓運動，而不是正圓運動，就說明星球的運動不是勻速圓周運動，而是勻減速運動。行星的進動，也說明了能量在不斷縮小。
由此可見，物理學雖然要將數學作為工具，但數學並不能代替物理學。原因是物理學是實證學，而數學則是演繹學。數學推理的大前提不能自證。大前提如果是正確的，其結論就是正確的，反之，如果大前提是錯誤的，那結論也就是錯誤的。張量逆變就是由於大前提錯了，所以，它的推論當然也就是錯誤的。比如，廣義相對論中用到的度規矢量的對稱性和時間反演的對稱性，這都是違反熱力學第二定律的，違反時間不可逆定律的，違反時間相對性原理的。如果度規矢量是對稱的，時間反演是對稱的，那時間就成了絕對的了，那裡還有時間相對的道理。
二 時間彎曲是正確的，空間彎曲是錯誤的
時間膨脹也叫時間彎曲。所謂時間膨脹，就是當時鐘相對於觀察者運動時，其走時率將比相對觀察者為靜止的時鐘的走時率要慢。這裡比較的實質在於：將單一時鐘上的時間流逝與跟它有相對運動的參考系中的測量結果相比。它是狹義相對論的根本特性之一。這一理論徹底改變了牛頓力學關於時間是絕對的、不變的、是均勻流逝的思想，所以，是正確的。但愛因斯坦想進一步論證空間也與時間差一樣會發生彎曲、膨脹，這就從根本上錯了。因為，愛因斯坦認為物質的分布將引起空間的彎曲，使空間不再是平坦的閔可夫斯基世界。下面我們就來看這種空間彎曲、膨脹的假說到底錯在那裡？
我們知道，時間是一維的，而空間是三維的，時間是運動能量的量度，而空間是靜止質量的量度。牛頓第一定律告訴我們，「靜則恆靜」 ，就是說，靜止質量空間要運動起來，必須有運動能量時間這個「外力」推動。如果沒有運動能量時間推動，那麼，靜止質量空間是運動不起來的。在運動能量時間不推動靜止質量空間運動的時候，運動能量時間是直行的，比如，光的直射就很好地說明了這一點。但是在運動能量時間推動靜止質量空間運動時，情況就不同了。如果，靜止質量空間的力大於運動能量時間的力，那麼，運動能量時間就有一個聚集能量的過程。這樣，在運動能量時間聚集能量的過程中，就必然彎曲了，膨脹了。這在我們人用力推車時，為什麼要把腰彎起來是一個道理。這就是運動的時鐘會變慢的原因之所在。但是靜止質量空間並不存在這個問題，當運動能量時間的力小於靜止質量空間的力時，靜止質量空間紋絲不動，而當運動能量時間的力聚集到超過靜止質量空間的力時，靜止質量空間就運動起來，發生了位移，但並沒有發生彎曲、膨脹。愛因斯坦時空彎曲、膨脹理論是建立在質能互變和時空互變的基礎上，認為時間膨脹了，空間也會膨脹。其實，這是一種想當然。他並沒有解決一維的能量、時間是怎麼能變成三維的質量、空間的？或者說，這種互變的機理是什麼？閔可夫斯基的所謂「四維時空」 ，僅僅只是三維空間和一維時間的綜合，是一種數學遊戲，而並非物理真實。我們說質量可以變成能量，只是說，運動的質量可以變成能量，其實，嚴格地說，運動的質量只是一種動量，而並不是真正意義上的能量。所以說，愛因斯坦相對論關於時間彎曲、膨脹的理論是正確的，但關於空間彎曲、膨脹的理論是錯誤的。
三 鐘慢效應是正確的，尺短效應是錯誤的
尺短鐘慢效應是愛因斯坦相對論的一個基本推論。證明尺子短了的那個原始實驗，是火車上懸掛的一根杆子。由於火車飛速前進，所以，車上的人測得的桿的長度與火車下的人測得的桿的長度不同。這個理論能成立嗎？難道一個人坐上火車與下了火車的質量就不同了嗎？那為什麼會發生上述效應呢？這隻能說明這是一種視覺效應——鍾確實變慢了，但尺子並沒有縮短。這種遠小近大的視覺效應根本不能作為證明質量相對的依據。長度測量與運動無關，或說，長度測量與參照系無關，這是基本常識。
時間延緩效應在高能物理中得到大量實驗證明，不穩定粒子靜止時有一定平均壽命，當它們高速運動時測得的平均壽命可以比靜止時大得多。同時，在有加速運動的情形下，時間延緩導致絕對的物理效應，當一個時鐘繞閉合路徑作加速運動，最後返回原地時，它所經歷的總時間小於在原地點靜止時鐘所經歷的時間，或說，在宇宙飛船上進行了太空旅行的那個兄弟在返回地球後，確實要顯得比留在地球上的兄弟年輕些。這種效應通常稱為雙生子佯謬。其實，中國古老的道家文化中早就有這種「天上一日，世上千年」的說法。試想：光的時間能與火車的時間一樣嗎？
從時空度規函數的角度來分析，我們知道，牛頓空間是不顯時間的空間，是三維空間，也就是歐氏空間，那麼，取笛卡爾坐標長、寬、高乘以長、寬、高，3×3＝9，一共9個分量。而閔可夫斯基的四維時空是與時間相聯繫的彎曲時空，需要用非歐幾何，即黎曼幾何來表示。在四維時空的坐標中，長、寬、高、時間乘以長、寬、高、時間，這樣，4×4＝16，就成了16個分量。其中，由平直空間移植過來的長、寬、高9個分量，再加上一個時間分量，一共是10個獨立分量。而其他6個分量就是彎曲了的時間，或說是慢了的時間。這裡，我們並沒有發現「尺短」的數學依據。由此，我們還可以發現時間彎曲了，能量彎曲了，但空間並沒有彎曲，質量並沒有彎曲。因為，時間彎曲是由引力引起的，引力的源是物質。物質沒有彎曲，並不影響時間的彎曲。
其實，時間變慢與空間縮短是一回事。愛因斯坦認為，運動的鐘比靜止的鐘走得慢，而且，運動速度越快，鍾走得越慢，接近光速時，鍾就幾乎停止了。其實是，正因為時間變慢了，所以，在同一參照系的時間內走過的路程就更長了。這樣，就顯得尺子似乎短了，其本質上都是鐘慢效應引起的。所以，鐘慢是原因，尺短是結果。物體沿運動方向縮短的真實情況是物體的動量變小了，而不是物體本身變小了。況且，尺短效應會和愛因斯坦自己所主張的運動質量大於靜止質量的觀點相悖，一方面認為運動的物體尺子短了，變小了;另一方面又認為，運動的物體質量變大了，那到底是大了，還是小了呢？其實，運動的物體既沒有變大，也沒有變小。物體還是那個物體，說它變大了是隨著速度的增加動量變大了，或說，運動的物體的動量大於靜止的物體的動量。其實，靜止的物體就沒有動量，而只有質量。至於運動的物體尺子為什麼會短，真實的情況是末速度小於了初速度。因為，能量小了，所以，時間就小了。時間與能量是一回事。能量小了，時間小了，當然速度就慢了。這才是所謂尺短鐘慢的真實情況。愛因斯坦將質量與動量混為一談了，將速度與尺度混為一談了。
四 在不同的參考系中物理規律都是不同的
愛因斯坦的廣義相對論的第一個理論就是，在任何參考系中，物理規律都是相同的。要認識這個問題，首先得確定參考系問題。對於物理世界來說一共有兩個參考系：一個是靜止參考系，一個是運動參考系。愛因斯坦繼承牛頓的觀點，認為這兩個參考系是慣性參考系與非慣性參考系。這裡注意，我說的靜止參考系，並不就是愛因斯坦所說的慣性參考系。愛因斯坦的慣性參考系包括勻速直線運動在內，而我說的靜止參考系並不包括勻速直線運動在內。同樣，我說的運動參考系也包括勻速直線運動在內，而愛因斯坦的非慣性參考系並不包括勻速直線運動在內。愛因斯坦是根據牛頓的觀點，認為力不是維持運動速度的原因，而我認為力是維持運動速度的唯一原因，這就是分歧的焦點。我認為，靜止的參考系又叫向心的引力參考系，或說，靜止狀態是由向心的引力引起的，還可以說維持靜止狀態的原因是向心的引力作用。同樣，運動（既包括勻速直線運動，也包括加速度運動)的參考系又叫離心的斥力參考系，或說，運動狀態是由離心的斥力引起的，還可以說維持運動狀態的原因是離心的斥力作用。其實還可以說，靜止的引力參考系是有空間質量的粒子參考系，而運動的斥力參考系是有時間能量的波動參考系。這兩種參考系各自有各自的規律，各自有各自的特徵。靜止參考系與運動參考系的物理規律完全不同，引力參考系與斥力參考系的物理規律完全不同，質量參考系與能量參考系的物理規律完全不同，空間參考系與時間參考系的物理規律完全不同，電場參考系與磁場參考系的物理規律完全不同，質子參考系與電子參考系的物理規律完全不同，實體粒子參考系與波動粒子參考系的物理規律完全不同。正因為如此，所以我說，在不同的參考系中，物理規律是不同的。
然而，愛因斯坦為了建立它的相對論體系，便在廣義相對論中說：「在任何參考系中，物理規律都是相同的」。這當然符合愛因斯坦把質量和空間也說成是相對的要求，這樣，他的相對論體系就沒有矛盾了，然而，這卻違反了質量守恆定律。愛因斯坦為了把空間和時間，質量和能量都說成是相對的，他動用了數學的形式——張量逆變。前邊說了，張量是不能逆變的，因為，張量逆變會出現時間和能量的熵增加趨勢。況且，張量逆變是建立在動量守恆和角動量守恆的基礎上。但量子力學的微觀物理實驗已經證明了動量不守恆，角動量也不守恆。顯然，愛因斯坦廣義相對論中的第一個理論是不能成立的，它符合了相對論的要求，卻違背了物理真實。正確的理論應當是：在不同的參考系中，物理規律是不同的。
五 在相同的參考系中物理規律都是相同的
上面我們已經論證了在不同的參考系中，物理規律是不同的。現在，我們再來看在相同的參考系中，物理規律到底是相同的還是不同的。
我們的物理學教科書從來認為，在相同的參考系中，物理規律是不同的。同一定律在宏觀領域是守恆的，而在微觀領域可以是不守恆的。如能量守恆定律、動量守恆定律和角動量守恆定律，等等，都是這樣。還有如質量守恆定律，在牛頓力學認為是守恆的，然而，在相對論領域則認為是不守恆的，運動質量大於靜止質量。宏觀領域的物理規律不同於微觀領域的物理規律，宏觀高速領域的物理規律不同於宏觀低速領域，原子微觀領域的物理規律不同於核子微觀領域。牛頓力學的原理在核子領域不適用，而相對論力學的原理在牛頓力學不適用。這樣各自為政，四分五裂的結果是導致我們的物理學長期得不到統一。其結果是「公說公有理，婆說婆有理」，沒有一個標準，顯然，這是不正確的。物理學大師愛因斯坦提出了統一場論的思想，但他用後半生40年的時間，也沒有將各種作用力統一起來。量子力學的代表人物玻爾提出了互補論，但他經過長期努力，最終也並沒有將物理學「互補」起來。都與這種各說各的理的狀況有關。正確的途徑應當是，一個定律必須從始至終在各個領域都能貫穿到底。如果不能貫穿到底，那麼，或則是「定律」不成立，或則是必須重新審視物理學的結論。比如，質量守恆定律，牛頓力學中質量是守恆的，電磁力學中質量場是磁場，磁場是守恆的，在量子力學中，質量場是強作用場，而強作用場是守恆的。如此看來，相對論力學中質量也應當是守恆的。愛因斯坦認為運動質量大於靜止質量的觀點不符合質量守恆定律，顯然，愛因斯坦關於質量相對的觀點是錯誤的。再比如能量守恆定律，因為，勢能是守恆的，但動能是不守恆的，因而，這一條「定律」就不是定律。因為，相對論力學已經證明時間是相對的，那麼，作為力的時間積累的能量，當然也就是相對的、不守恆的。在電磁力學中電荷是能量，正電荷是守恆的，但負電荷是不守恆的，所以，電荷實際上是不守恆的。還有，在量子力學中，微觀物理實驗已經證明能量不守恆、動量不守恆、角動量不守恆。顯然，被物理學信奉了幾百年的能量守恆定律實際上是局部守恆整體不守恆。
由上可見，在相同的參考系中，物理規律應當是相同的，或說，同一條規律不能出現在這個領域適用，那個領域不適用的現象。
主要參考書目
［美］愛因斯坦著《相對論》周學政徐有智編譯北京出版社2007年10月第1版
張樹斌：《絕對相對力學》2011年9月，陝西科學技術出版社出版
吳大猷著《理論物理》第4冊，科學出版社1983年5月，第1版
作者簡介：張樹斌(1947--)男，漢族，陝西清澗人，原山西臨汾市汾東路雙語學校長，經濟師，出版有《常道》、《大同論》、《互補論》、?絕對相對力學?、?絕對相對哲學?和《絕對相對經濟學》等多部專著。
聯繫方式：13835738062，電子郵箱：Lfzhangshubin@163.com
紀念愛因斯坦廣義相對論發表百年論文（10） 64-226406692667 學術動態 1002896625
2015-01-18 北京相對論研究聯誼會學術委員會 美國格物雜誌社 張志傑紀念室主辦 主編吳水清
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