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由易学思想设计的三个物理实验


周吉善

一、验证宇宙并非在膨胀的实验

1929年哈勃宣布:“宇宙正在膨胀着。星系之间的空间随时间线性增加,星系本身并没有改变;而且星系越远,离去得越快” 〔1-P115〕。而后,由列梅特、伽莫夫等人发展为大爆炸理论,基本要点是:在100-200亿年之前,宇宙生之于一次大爆炸,物质、能量、时间和空间都由爆炸中创生,爆炸前那种原始的无限稠密被称为“奇点”,由爆炸引起的膨胀,现在仍在继续着。从30年代开始,膨胀的宇宙模型已经为大多数宇宙学家所接受,现在被称为现代宇宙学标准模型。现代宇宙学被定义为:“以广义相对论为理论基础,以哈勃定律为观测依据,并在宇宙学原理的假设下,研究整体宇宙的结构、运动和演化规律的一门学科”(2-P85)。

此前15年,斯利弗在美国天文学协会的一次会议上,公布的观察结果是:“一些明亮星云(后来被证实是星系),既有蓝移的,也有红移的”;更远的弱光星云,“全都展示红移”(1-P111)。没有做出任何解释。哈勃有效地以“宇宙梯”法解决了确定星系距离的问题之后,通过对自己测定的24个河外星系距离的分析,发现红移量大致同星系距离成正比,即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)=D1/D2。当时普遍认为,这个结果“唯一可能的物理学解释便是河外星系都在以正比于它们距离的速度退离我们而去”〔3-P140〕,由此得出的H=V/D,被称为哈勃定律。其中H为哈勃常数,D为星系距离,V为星系退离速度。D和V“都不是可测量的量”(8-P403)。

哈勃定律作为膨胀宇宙论的基础原典、现代宇宙学的观测依据,存在如下纰漏:1、该定律中既没有可观测的物理量,何以能成为“观测依据”?又缺乏作为必要条件的观测数据,如何判定其正确?

2、设星系在△t内退离距离△D=V△t=HD△t;依据哈勃关系式△λ/λ=△D/D,△λ应随时间线性增加,即该定律成立的必要条件是红移谱线持续移动而不是红移。

3.取H=3×10-2m/s光年,代入△λ/λ=△D/D=H△t=3×10-2m/s光年·△t=10-10/年·△t可知,任一星系的△λ/λ都将以每年10-10持续增加。60年代观测精度(△λ/λ~2.5×10-15)已达这个数据的4×104倍,要证明哈勃定律成立,就必须提供对同一星系△λ/λ随时间线性增加的观测证据。

近40年来,新理论与新技术的结合,相继发现了一些不调和的红移现象。海尔天文台的阿普80年代末就宣称:“我们已知有38个不调和红移天体与24个星系相关联。这个数字之大,不允许我们将它一笔勾销”(1-P151)。依据这些佐证,至少在某些情况下,关于红移跟膨胀关联的传统解释是错的。

红移跟运动的关联确实并不具有唯一性。依据狭义相对论,运动物体发出的光被静止者观测时将发生频移,和声波频移机理相同,用多普勒效应解释没有错。依据广义相对论,具有强引力场的静止物体发出的光,在引力势较高处观测也要红移。即光的频移有两种机制,声波频移却仅有一种,用多普勒频移解释光现象就必然会丢失引力频移机制。通常的解释是:“引力不能定量解释星系的普遍红移,引力效应至少不占主导地位”(4-P509),可以忽略不计;霍金的说法是:“星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应”(5-P47)。

哈勃宣布宇宙在膨胀时,全世界能够理解广义相对论的人寥若晨星,“据记载,本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿,说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论,爱丁顿停了下,然后回答:我正在想这第三个人是谁”(5-P83);50年代之前,“广义相对论大体上是数学的一个分支”,60年代之后才“从考察数学结构到开始按照物理来思考”(6-P72);尤为重要的是,这个时期利用穆斯堡尔效应在高度差H=22.5m的条件下,“极其精密地测得57Fe的一条γ谱线的紫移,波长相对变化仅有△λ/λ≌gH/C2~2.5×10-15,与理论预告值在误差范围内符合”(7-P94)。引力频移被精确地测量出来后,就不得不承认“引力是一种极其巨大的力量”(6-P66)。即此不难算出,在地球引力场中γ光子通过22.5m,需时△t1=h/C=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。

由哈勃关系△λ/λ=△D/D=H△t=10-10/年·△t;当△λ/λ~2.5×10-15时,△t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。

依据平直而各向同性的宇宙学原理,当△λ/λ~2.5×10-15时,引力效应/哈勃效应=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很显然忽略引力效应肯定是个重大失误。

大爆炸——膨胀宇宙论被称为标准宇宙模型,存在3个问题:其一、不考虑引力效应就不符合现代宇宙学的定义;其二、40年前就测出的引力频移比膨胀效应大1010数量级,早已粉碎了“唯一的物理学解释”神话;其三、“广义相对论用时空结构的几何性质来表示引力场”(8-P328),哈勃当时并不理解,用多普勒效应解释红移属于以偏概全;时至今日如果仍不考虑引力效应,宇宙常数偏小、退离速度偏大的错谬,将永远不可能得到纠正。

为了确定引力跟红移的定量关系,特作如下讨论:

一、改变高度差重做穆斯堡尔实验,依据两次测得的数据,可以确定:

1、红移相对变化量跟距离还是距离平方相关;

2、导出相关公式,为比较引力贡献和哈勃贡献提供依据。

二、有人认为,光在漫长的星际旅途中会受到无数恒星的影响,其左弯右折必然使红移量产生较大改变,无法予以判定。其实并非如此,可依据右图阐明如下:图中A为发光恒星,M、N为两个恒星,P为太阳;光线AB受它们影响的实际传播线路为AB、BC、CD、DE、EF;F为地球,FA为依据经验认定的光传播线路。实际上BC是光在M附近沿能级相同的测地线通过的轨迹,能够影响红移的仅为B′C′。即此可得如下推论:

推论1、光无论受多少恒星影响发生左弯右折,决定红移或紫移的只有直线距离。

推论2、A使光红移,F使光紫移,由于M地《M恒,地球的影响可以忽略不计。

推论3、由实验得出的公式,可以用于定量解释星系的普遍红移,同时将成为确证哈勃定律正确与否的判据。

参 考 书 目

1、(美)巴里·派克著 爱因斯坦的梦 湖南师范大学出版社 1989年
2、薛晓舟等著 现代物理学的哲学问题 河南大学出版社 1996年
3、袁正光主编 领导干部科普知识全书 改革出版社 2000年
4、大百科全书编委会 大百科全书·物理卷 大百科全书出版社
5、(英)霍金著 许明贤等译 时间简史 湖南科技出版社 1995年
6、(英)霍金著 胡小明等译 时间简史续篇 湖南科技出版社 1995年
7、倪光炯等著 近代物理 上海科技出版社 1979年
8、董光璧等著 世界物理学史 吉林教育出版社 1994年

二、光速不变与波粒二象性

在讨论这两个问题之前,首先需要廊清物理学理论中的3种观念。

1、物理学不研究“物质”,正如没有人能够讲出“水果”是什么滋味一样,因为二者都是抽象的类概念。实际上物理学只研究质量、电量、能量跟时空的关系,“物质”属于误用的哲学概念。

2、从牛顿那个时代开始,物理学就分牛顿范式和非牛顿范式,前者研究孤立质点运动的规律,后者探讨热、光、电、磁的本质;现在已经非常清楚,热、光、电、磁现象的本质都是电磁波,统称为能量。

3、现代物理学理论可以分为以质量计量、用时空描述,以能量计量、用位形描述两大体系,物理客体理应分为质量系统和能量系统两大类。同理粒子物理学就应该分清质量子(即费米子)和能量子(即玻色子),本质差异在于有没有静质量。

据此,先讨论光速不变问题。

所谓的光速不变是一种简称,实际所指是光速与光源运动的速度无关,或曰:光总是各向同性的。依据“质量是惯性的量度”,光子没有静质量,自然就应该与光源的惯性无关。人们通常表现出的“不理解”,根源在于误认为任何“物质”都具有惯性,忘记了惯性只与质量相关,属于牛顿范式独霸天下产生的常识性错误,不清楚物理客体应该分为质量系统和能量系统两大类。

讨论光的各向同性,首先必须依据两系统结构论确立如下观念:所谓的宇宙是质量体(包括电子、质子、原子、分子到其大无比的天球)悬浮在能量海洋(即连续辐射)中的巨系统。只有当能量(子)从质量体中放出(或被吸收)时,才表现出一份一份的粒子属性,被称为光子;而这种能量(团)在连续辐射的海洋中传播时,则总表现为波。只需要以石块掷入水中后,水波总是各向同性传播为类比,就很容易理解光波总是各向同性的道理。

得布罗意提出波粒二象性,至今已有七十余年,开始时说微观“物质”既是粒子又是波,后来改为既不是粒子又不是波;由于实际测量的结果是:用干涉仪得到衍射图象,用计数器记下的是粒子数,就将微观粒子的实在性跟意识联系起来,认为究竟是粒子还是波,由测量者的意识所决定,关键在于选用什么样的仪器。直到今天波粒二象性依旧是个说不清道不明的谜。

实际上只需要摈弃掉“物质”这个误用的哲学概念,并承认物理客体分质量、能量两个系统,问题即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述,只需要将在能量海洋中传播和由质量体吸收(或放出)分开考虑,答案就已经非常明确:波属于能量系统的属性,而粒子性总跟质量系统相关。

光子属于能量子,现在讨论质量子的问题。依据量子运动的特点,粒子永远不会停止运动。按En=n2h2/8mL2被关在L=4A箱内的电子(m=me=9.1×10-31kg),最低能量状态(基态)也还有2.3eV能量,通常称它为电子的动能,又是一种植根于“物质”这个误用概念的常识性错误。量子场论承认微观存在分粒子和场,每一种粒子都对应着一种场,却讲不清二者之间的关系究竟如何。只需要将电子放到质能两系统结构论的框架去考察,就不难发现所谓的电子动能并非属于电子,而是网络态的能量海洋作用于电子的结果。任何粒子实际上都处在“树欲静而风不止”的被动状态,传统将这种能量理解为电子“自能”,是基于质、能不分产生的常识性错误。试想:空中悬浮的气球不能静止的原因在于空中能量分布不均衡,水中木屑的动能亦来自于水,都不属于气球和木屑自身所有;即此为类比就不难理解粒子性和波之间的相互关系。

结论:所谓的波粒二象性,是使用分别适用于能量或质量系统的仪器,检测由质量子和能量子构成的复合态产生的不同效应。

验证实验:同时使用干涉仪和计数器对质量子进行观测,当光栅的隙缝小于粒子的直径时,放在光栅背后的计数器就不会记下粒子数。理由是通过光栅的只能是能量海洋中传递的一列波,具有静质量的粒子将被“滤”掉。

三、绝对时间和相对相间

牛顿将时间分为“自身在那里流”的绝对时间和“可感知的及外界的度量”的相对时间。狭义相对论预言“动钟变慢”;广义相对论预言“一个钟所处的引力势越低(深),它走得越慢”。通常都说相对论的预言被证实,说明牛顿的时间观念是错的;实际上恰恰相反,即此正好证明了时间确实有绝对和相对之分。

牛顿之前,惠更斯已导出单摆周期公式T=2π(L/g)1/2,据此发明的摆钟至今仍在使用,其走时快慢与g直接相关:g越大,T越小,走时读数即变大;反之即被称为变慢。这个结果为什么正好跟广义相对论的预言相反呢?因为物理学研究的客体分两个系统:一是由牛顿范式沿袭而来的,用质量计量、用时间和空间描述运动的质量系统;一是由非牛顿范式沿袭而来的,用能量计量、用位形描述运动的能量系统。摆钟的读数属于质量系统计量的相对时间,可以通过调节摆长L使所有的钟走时一致,其作用直接源于发条的弹性势。刚旋紧发条时走时慢些,发条松弛时走时即变快。

用原子钟实测的结果正好跟广义相对论预言一致,这又是为什么呢?由于原子释放能量子跟它所处环境的能级直接相关,而能量子的T即代表该能级的内禀时间,由能密梯度g′决定,是无法人为改变的,故而称之为绝对时间。

如图所示,行星R从远日点N向近日点M运行时,动能(正能)逐渐增大,g亦随之增大;由M向N运行时,势能(负能)逐渐增大,g′亦随之增大。沿NM方向,正能密梯度g递增,负能密梯度g′递减。原子钟走时由g′决定,显示的是绝对时间;摆钟走时由g决定,显示的则是相对时间。

小结:绝对时间是弯曲时空(负能密梯度决定其曲率)的内禀时间,传统使用的摆钟“度量”的属于相对时间。当使用人为规定的时间标准去度量负能量海的内禀时间时,就必然会出现时间变快或变慢的实测结果。

验证实验:将在同一地点校准的摆钟和原子钟各一枚,用气球带上高空,依据电台播放的校钟讯号去校钟时,原子钟的读数要大些(变快),摆钟则变慢。

意义:该实验可以确证:

1、狄拉克所说的负能量海即是充满连续辐射的广袤空域;

2、负能量海的内禀时间是绝对时间;

3、时间膨胀是用人为规定的度量相对时间的标准去度量能量系统内禀时间的结果。

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2001年11月8日

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