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引力波（上）

2018/06/28   維加斯新聞報
劉文旺

       本文包括三個內容：1、空間的物質性，闡述牛頓和愛因斯坦都沒有解決的引力載體的物質性。即使是愛因斯坦也沒有回答,太陽是怎樣使遠離太陽本體的時空發生彎曲的（這個問題至今無人提及why?）；2、空間的維度問題，多維空間本是為了解決粒子物理中的發散問題，解決四種相互作用統一問題的數學方法中誕生的，並認為這些維的空間還處於捲曲狀態，而不是真的存在多維空間。這與量子理論中的平行宇宙觀點是不同的；3、引力波的物質性及對發現引力波的詮釋。

       1、空間的物質性

       愛因斯坦狹義相對論誕生後，相對論的相對時空觀取代了牛頓的絕對時空觀。在狹義相對論中時空的大小與觀測者的運動有關、與光速的大小有關。當光速是無窮大時，相對論洛倫茲變換，轉化為伽利略變換；相對論時空觀轉化為經典意義下的絕對時空觀。

       後來，愛因斯坦為了把慣性系中的狹義相對論時空觀應用到引力理論，提出了強等效原理。模仿伽利略解釋相對性原理，愛因斯坦認為，在一個看不見外面的參考系中，如果觀察者受到力的作用，無論通過力學、電磁學等實驗手段，他都不能區分出他的參考系究竟是靜止在地球引力場中，還是在做加速運動。也就是說，萬有引力和慣性力是等效的。在這個假設基礎上，借助於黎曼幾何愛因斯坦建立了廣義相對論的引力場方程。

       不過，這裡存在諸多的問題：

       傳遞力的問題仍沒有解決。

       當年牛頓發現萬有引力後，關於萬有引力是怎樣從太陽傳到地球上的，牛頓沒有解決。後來，愛因斯坦在建立廣義相對論後，發現有質量存在的空間不再是牛頓移意義的歐幾里得空間，而是非歐幾何空間。行星環繞太陽的運動不是在引力作用下完成的，而是在太陽的質量造成的彎曲的空間中運動。後來，愛丁頓的實驗證明了光線的引力彎曲現象，人們在慶賀之餘卻忽略了同樣的問題——太陽的質量怎樣使在遠離太陽的區域產生時空彎曲的。

       我們知道，光波是橫波，傳播速度極大。為了解釋光的高速運動，就必須認為空間是具有非常強的恢復力的彈性介質。

       那麼讓空間發生形變的難度有多大？我們知道，讓一塊鋼板發生彎曲、凹陷這樣的形變已經很困難了，但讓空間發生同樣形變的難度約是鋼板的1032倍。

       這個數字在牛頓看來是無窮大，是不可彎曲的。但愛因斯的理論坦告訴我們，不管使空間彎曲有多難，它總有一個度。總能在有質量存在時，實現空間的彎曲。

       當然，這種思維來源於狹義相對論。我們知道，在狹義相對論中運動的物體存在鐘慢尺縮現象。當愛因斯坦把慣性系中的理論拓展到非慣性係後，發現，有質量存在的空間是按照運動尺縮的方式彎曲的。也就是說，這種時空的彎曲根本不需要外力，因此，這種時空的彎曲也就與材料的性質沒有關係——在我們的周圍可能存在各種物質，但是，無論是狹義相對論中運動物體的尺縮還是存在質量的空間的彎曲，與材料的性質無關。

       這與我們的常識是不相容的，尤其是這裡發生彎曲的空間的本性是什麼？空間為什麼能約束天體的運動？空間也是有我們熟知的原子、分子等物質構成的嗎？若是，為什麼沒有在這些天體的前方對宇宙中天體的運動產生阻力？

       我們知道，物體間的作用總是相互的，行星在太陽造成的​​彎曲的空間中運動時，其離心力會作用於空間。由於離心力等於引力，行星的離心力會等值地作用於所在的空間，從而使之不再彎曲而成為標準的平直空間。因此，行星的運動就會偏離現有的運動軌道。而此不是事實。

       太陽的質量是怎樣使周圍空間彎曲的？空間具有極強的剛度，要使空間發生彎曲必須有某種作用力的存在才行。因此，假如真的存在太陽質量的力場造成空間彎曲，它應該同時作用於處於同一空間的行星。這樣，一方面，天體本身也應該發生彎曲——完成跟軌道等曲率的香蕉型；另一方面，若既考慮空間的彎曲，又考慮這種作用的存在，所有行星的現有軌道都將改變，而此不是事實！

       特別讓人不能接受的是，由於進動的存在，所有行星沿非閉合的軌道運動——存在進動那麼這種空間的彎曲不具有確定的形狀嗎？行星沿橢圓運動、尤其是有些彗星沿拋物線軌道運動，太陽引起的空間彎曲究竟是怎樣的圖形？為什麼能容這些天體任意穿行？我們每天都在空間裡任意穿行，我們為什麼沒有感覺到剛性空間的存在？

       無論是地球上見到的太陽發出的光還是地球發出的光，都不沿著地球彎曲軌道運動。這是為什麼？

       我們知道，月球是在地球的引力場作用下運動的，按廣義相對論的觀點，月球應該在地球的引力場造成的彎曲的空間中運動。這就產生了一個問題，為什麼月球逐漸遠離我們——200年前，天文學家就根據日月食的資料發現月亮繞地球旋轉的軌道在逐漸變大，也就是說，月亮在逐漸遠離地球。現代的精密觀測證實了這個觀點，並且計算出，近年來月球正以每年3厘米的速度在遠離地球！還有，先驅者衛星的異常加速現象。這都是相對論的空間彎曲理論所不能解釋的。

       我們地球上的人本身就生活在這個剛性彎曲的空間中，然而，我們卻能在地球表面向任意方向運動，我們為什麼感知不到剛性彎曲空間的存在？我們地球人可以自由自在地向任意高度，任意方向發射衛星，這些，衛星的運動與太陽造成的​​確定鋼性的空間軌道是不相容的。河流、大氣、雨、雪等自由地運動著，這剛性彎曲的空間在哪裡？漫天的雪花可以在地球表面自由自在地降落、輕盈的蒲公英隨意在田野中飛翔，剛性的空間在哪裡？

       我們知道，在經典理論中，力場強度滿足平方反比律。因此，假如這是一種空間彎曲的話。那麼我們會發現一個深層次的問題——空間彎曲是不均勻的。在宇宙中存在無數的天體，這些天體本身就是一個空間陷阱。這樣的話，從這裡經過的天體、光線就不會沿直線運動。而且發生彎曲的空間也會影響光速。我們知道，在廣義相對論中，光速與引力場有關，引力場越強的產生的引力勢越強，光速越快——C/=C(1+Ф/C2)，其中C/為光子在引力勢為Ф處的光速。這樣，在宇宙空間穿行的光子的運動方向、運動速度都是變化的.在這種情況下，狹義相對論是不成立的。理由很簡單，洛倫茲變換成立的前提就是光速不變。光速可變是不能推導出洛倫茲變換的。

       但是十分遺憾的是，狹義相對論的所有結論都存在與廣義相對論中。正是因為有了鐘慢尺縮，才有了存在質量的空間是彎曲的空間。因此，愛因斯坦借助於同學格羅斯曼的幫助下，用黎曼幾何建立了廣義相對論。

       相對論對空間的認識性錯誤還不止這些。

       在相對論的框架下，在宏觀低速的經典物理學中，我們所處的空間可以近似看成歐式空間；在涉及到廣義相對論效應時，時空要用黎曼幾何。

       當我們把鐘慢尺縮的時空觀用來描述引力場時，發現空間是彎曲的。藉此，愛因斯坦利用黎曼幾何建立了廣義相對論。這裡存在換概念的現象。我們分析如下：

       狹義相對論的鐘慢尺縮，使存在質量的時空變成彎曲的時空：例如，在一個旋轉的圓盤上，由於線速度的存在會使其周長變短：L=L/[1-( v/c)]1/2，而r不變造成L=2πr中的π會變小，三角形內角和小於1800。因此，有質量存在時，符合狹義相對論的時空是彎曲的。藉此，愛因斯坦建立了廣義相對論。

       另一方面，在旋轉的圓盤中，周長變短造成π變小，三角形內角和小於1800。這對應的是羅巴切夫斯基幾何，而不是黎曼幾何，黎曼幾何中三角形內角和大於1800。能用黎曼幾何，描述羅巴切夫斯基空間嗎？

       答案顯然是否定的！

       那麼，愛因斯坦為什麼要這樣做那？

       我們實際生活的空間就是一個球的外表面，因此，這樣的空間圖像，明擺著是黎曼幾何的形狀，因此，若存在時空的彎曲，則選擇的集合併然是黎曼幾何。而不可能是雙曲型的羅巴切夫斯基空間。因此，愛因斯坦選擇了黎曼幾何創建了廣義相對論。

       但這又明顯地於狹義相對論矛盾。運動物體的尺縮現象，必然使原版的周長減小，從而使π值減小，除非出現運動物體造成尺脹現象。

       這種不可調和的矛盾，說明了狹義相對論是錯誤的。而廣義相對論是在狹義相對論的基礎上建立起來的，因此，狹義相對論的錯誤，使廣義相對論失去了存在的前提。

       這里分分明明的事實是：鐘慢尺縮的時空觀，會使質量存在的空間成為彎曲的羅巴切夫斯基空間，愛因斯坦怎能用黎曼幾何描述羅巴切夫斯基空間那？

       我們知道，相互作用共有四種：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。現代的科學家在追求四種相互作用的統一。這就生一個問題，質量可以引起空間的彎曲，其它相互作用為什麼不可以呢？

       核力是一種非常強的相互作用，它會不會引起時空的彎曲？弱相互作用力會不會引起時空彎曲？若核力引起時空的彎曲，則會影響原子核中核子之間的電磁相互作用強度的大小。由於核力非常強大，因此會引起原子核時空的極度彎曲。核力是萬有引力的1040倍，因此，在原子核中的空間彎曲，應該是我們熟知時空彎曲的1040倍。由於庫倫相互作用是平方反比力，空間的壓縮會使相互作用增加。這樣原子核中核子之間的電磁相互作用應該增加相同的數量級——變為原來的1040倍，這樣就比核力還強大1037倍。因此，原子核中的核力根本就不能約束質子之間的斥力。原子核的穩定性、原子核的結合能會對現有數值發生明顯的偏離。絕不會出現質子與中子的數量比接近1/1的穩定條件的存在。穩定的原子核中，中子數一定會佔更大的比例。而此不是事實。弱相互作用的強度也遠大於萬有引力，尤其是其作用距離更短，這一相互作用引起的時空彎曲，也遠大於我們熟知的由質量引起的時空彎曲，電磁相互作用應該明顯增加，同樣會影響粒子的衰變過程，例如，在正反粒子對的產生過程中，擁有電荷的粒子對的產生率，應該由於庫侖相互作用的存在而減小，中性粒子的產生率明顯佔有優勢，而此不是事實。在這個世界上，質子、中子、重子、超子都是由帶有電荷的夸克組成的，原子又是在核子構成的原子核的基礎上，結合帶電的電子構成的。這個世界主要是由帶電粒子構成的。中微子數量很多，但不是構成這個世界的主體。這怎麼解釋？

       愛因斯坦在專利局中建立了狹義相對論後，並沒有引起物理學界的注意。但是，愛丁頓的觀測實驗改變了愛因斯坦的命運，也改變了物理世界的格局。

       在相對論裡，光子在引力場中的速度為：C/=C(1+Ф/C2)，其中C/為光子在引力勢為Ф處的光速，按照惠更斯原理，光速的變化必然伴有光線的彎曲。據此，愛因斯坦得出的偏轉角為：α=2G0M/c2Δ，對於太陽這一彎曲是0.83秒。在考慮了空間的彎曲後，計算的彎曲是α=4G0M/c2Δ，從而得出太陽產生的彎曲是1.7秒。

       與此同時，英國愛丁頓正在建立恆星演化理論，需要一個引力理論解釋星雲的收縮。當他聽到愛因斯坦的理論後，非常興奮。於是不顧兩國還處於交戰狀態，他成立了兩個觀測小組，測量日食時光線的彎曲，以此來證明愛因斯坦的引力理論。

       結果是：去普林西比島的數值是：1.61±0.30秒；去索布臘爾觀測的數值是：1.98±0.12秒。從而“證明”了廣義相對論的預言：1.7秒。愛丁頓的實驗，引起了物理學界、天文學界的巨大震撼。特別是在 “泰晤士報”等轉播媒體的作用下，愛因斯坦和他的相對論從此闖進了物理世界。

       按相對論，光子擁有能量，因此擁有質量但是為什麼按光子的質量m=hν/c2與太陽的引力相互作用得不出1.7秒的彎曲！這是為什麼。

       愛因斯坦在1916年的《狹義相對論與廣義相對論淺說》中，對發現的光線1.7秒的彎曲的解釋是：“這個偏轉一半是由於太陽的牛頓引力場造成的；另一半是太陽導致的空間幾何形變（彎曲）造成的。”這就產生了一個問題，若在計算太陽系中行星的運動軌道時，同時考了牛頓引力場的作用，和這個引力場造成的空間彎曲這兩個相等的效應，則所有的行星受到的總作用力會加倍。這樣，包括我們地球在內，所有行星的運動軌道就不會在現在的位置。但這不是事實，太陽系中的行星仍然在其軌道上穩定地運動著。

       歷史學家認為，愛丁頓的數據歪打正著地證明了相對論。我看問題不這麼簡單，這個實驗數據需要數月的時間處理嗎？在索布臘爾一共拍攝了26張底片，其中19張由一架天體照相儀拍攝，質量較差；7張由另一架望遠鏡拍攝，質量較好。然而按照後7張底片計算出來的光線偏折數值，遠遠大於愛因斯坦預言的值。

       愛丁頓之後，不同的科學家測量光線的引力彎曲結果相差很大。根本就不能用廣義相對論來解釋。

       特別是現代精確的天文觀測表明：光線的彎曲與光線頻率有關。這與廣義相對論不相容。這充分體現了光線的彎曲是折射、衍射等物理過程造成的。

       因此，這個實驗的結果顯示了兩個問題：一是，愛丁頓為了建立恆星演化模型急需一個引力理論，這是可以理解的。但是，作為科學家愛丁頓實驗結果的真實性是值得商榷的；另一方面，這個實驗實際上否定了愛因斯坦的相對論。

       另外，現有對水星的進動的解釋，是由廣義相對論和牛頓理論共同完成的，不是完全按照廣義相對論公式計算的。

       水星每一百年近日點偏轉角為5600.73±0.41秒，減去地球歲差的5029″，餘額571.73″為水星的百年進動。根據牛頓理論計算，金星、地球、木星等其他行星綜合作用產生的進動為528.62″，餘額571.73″－528.62″＝43.11″。按相對論計算，太陽引起的每百年進動43.03秒。因此，對水星進動的解釋，大部分是用牛頓理論完成，小部分是用相對論完成的。

       證明廣義相對論否定牛頓理論，就應該徹底用廣義相對論計算，這樣才能讓人信服。我們分析如下：

       我們就做這樣的嘗試：

       首先，由於天體引起的時空彎曲較弱，特別是質量小的行星。我們做一些列的放大效果處理：

       太陽係有8大行星，除了水星外還有7顆行星，其中以木星的質量最大，是太陽質量的千分之一，為太陽系中其它七大行星質量總和的2.5倍。我們做一個放大的計算：為了計算的方便，我們假設除了水星外還有10顆行星，他們的質量都等於木星的質量，且都位於木星的軌道上——稱之為假象木星，則這個假象木星的質量是太陽質量的1%；從太陽的角度看，在100個地球年內，水星轉約415圈。由於木星的公轉週期是11.86年，約12年，這樣，在100個地球年內，木星剛剛轉過100/12圈，大約是8圈。這樣，在100個地球年內，水星在木星的面前經過約415-8=407次，我們再放大一次，每經過一次改為一圈。

       水星的進動公式有不同的形式，我們採用王仁川著的《廣義相對論引論》中的公式：

       Δφ=N6πGM/H

       其中，N為環繞圈數，G為萬有引力常數、M為引力體質量、H為軌道半長軸。

       通過計算我們得到的結論是，太陽系中其他行星引起的水星進動只有0.0314″

       即有：Δφ=0.0314″

       在這樣的假設下，計算出的結果應該是放大了的結果。但是，我們發現這個放大了的數值只有約0.0314″。571.73″－0.0314″＝571.6986″，而按照廣義相對論計算出的太陽引起的進動，只有43.03″，與所需要的數值571.6986″差了528.6686 ″這就完全否定了廣義相對論本身。

       我們得到的這個假象木星產生的進動值很小，這是必然的。就連太陽這樣巨大質量的天體，使距離只有0.387天文單位的水星才產生了43.03″這個假象木星的質量只有太陽的0.01倍，這樣小的質量產生的空間彎曲當然更小，產生的進動值當然小。而按相對論理論計算，太陽引起的水星進動是43.03″，而根據牛頓理論計算，金星、地球、木星等其他行星綜合作用產生的進動為528.62″，是太陽引起進動數值的12.3倍。

       這顯然是一個錯誤的結論。要知道太陽才是太陽系行星運動的主宰者。

       此外，由我們這裡計算得到的太陽系中其他行星對水星進動的影響0.0314″加上愛因斯坦計算出的太陽對水星進動的影響43.03″才只有43.0614″這與減去地球歲差的5029″後的餘額571.73″相差528.6686″。也就是說，應用愛因斯坦的廣義相對論根本就解釋不了水星的進動問題。

       其實，歲差常數的任何微小變化，如萬分之一的變化，都會影響這一驗證結果，而此變化是完全可能的！

       有興趣的朋友可以自己算一下，太陽體系中行星的運動參數是現成存在的，廣義相對論的進動公式也是現成的，怎麼就沒有進行這樣的計算哪？ ！現代的科學家太相信愛因斯坦了。我們要像物理學之父——伽利略那樣，在科學探索過程中，要敢於連自己的媽媽都踢上兩腳的小馬駒。而不是，人云亦云。這是違背科學精神的。

       敢於質疑是科學家的基本素質。

       牛頓雖然在光學上提倡微粒說，反對胡克、惠更斯的光波動學說。但他也藉助以太的稀疏和壓縮來解釋光的反射和折射。在發現萬有引力後，牛頓本人不贊成超距作用但又找不到傳遞萬有引力的媒介物，因此，他也藉助於以太來解決這一問題。他認為以太傳遞了物體間的萬有引力相互作用、電磁相互作用等。完全一樣地，愛因斯坦也認為引力不是超距作用。在狹義相對論中，愛因斯坦拋棄了以太，但是，為了解決超距作用的問題，他相信以太的存在，不過他只是認為以太是一種空間彎曲的度規。這體現了其矛盾的思想及對引力使空間彎曲的一種無奈的解釋。度規是什麼，只是一個數學概念。它不是物質不能傳遞相互作用，更不是傳播光的介質。

       看來，關於引力相互作用，無論是牛頓理論還是愛因斯坦的廣義相對論，都沒有解決這種相互作用的傳遞問題。從根本上說，這是沒有解決這一相互作用的產生原因，而轉嫁於空間，但又沒有解決空間的本性問題。

       另外，在現代的理論中一般認為不同的相互作用有不同傳遞粒子。在這樣的理論中，傳遞質量引力的被稱為引力子，這是用一種自旋為2的波色子。但是，自從這個概念誕生以來，人們從沒有發現這個粒子。

       一般認為，我們的宇宙是從一次大爆炸中產生的。在這次大爆炸中的極高溫度環境下，誕生了包括構成我們身體的各種元素。但是，我們目前的高能粒子對撞機中產生的溫度已經高於宇宙大爆炸使得溫度，但是為什麼見不到引力子出現呢？

       尤其是，宇宙中的粒子基本上是由正物質粒子構成的，但在高能物理實驗中，我們見到的則是正反粒子總是等數量出現的。這也需要解釋。為了解釋這一現象，科學家們又找到了空間。認為是真空造成的自發破缺現象。

       1956年，李政道和楊振寧在深入細緻地研究了各種因素之後，大膽地斷言，“θ-τ”粒子在弱相互作用下宇稱是不守恆的。

       隨後，吳健雄在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋，把另一裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋，這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結果表明，這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數有很大差異，而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。

       這一思想的源頭是相對論量子理論的誕生，在狄拉克創建的相對論量子力學中，真空並不空，含有大量的正反粒子對。

       我認為這是一種藉口，是對客觀存在事實不能給出解釋，而提出的一種假設。真空中含有大量的正反粒子對與光子的相互轉化過程，若是真空與實驗室中的粒子發生相互作用，則這種相互作用對正反粒子應該是平等的，除非真空本身俱有不對稱性，從而造成，正反粒子中總是某一粒子的壽命少於另一個粒子；總有一個質量大於另一個粒子；總有一個粒子的電荷大於另一個粒子的電荷。並且，這種差別的大小具有確定的數值。

       在粒子物理中，一般用“自發破缺”的概念來描述，在粒子反應中出現的對稱性消失現象。實在找不到產生這種現象的原因，就找到了真空，有理論家認為真空中有物質，有的認為真空中的以太造成這一現象。其實即便是真空造成的，這種正反粒子的不對稱性也應該具有隨機性，使得正反粒子之間的質量、電荷、壽命的差異存在不確定性，而此不是事實。

       粒子擁有不同的質量、電荷、壽命等。如電子的質量是反電子的1.002倍？而且總是電子的質量大於反電子的質量，為什麼會這樣？正反μ粒子的電荷為什麼不相等？正反粒子的壽命為什麼不同？

       尤其是，由於真空的作用，使正反粒子對擁有不等的質量與電荷，這就產生了一個問題，為什麼在發生正反粒子對的湮滅的過程中，正反粒子對能實現100%的湮滅？不等的電荷、不等的質量是怎樣消失的？