|
1. 为什么爱因斯坦根据等效原理,计算出来的星光在太阳引力场附近的偏折,只有广义相对论计算值的一半?
答:爱因斯坦在利用等效原理计算光线偏折时,把太阳表面附近的引力场近似视为均匀引力场处理,结果就得到了与牛顿力学中引力场引发的光线偏折一样的结果。其实,物质产生的引力场都有潮汐作用,是引力场中自由下落的参照系无法消除的。如果在太阳引力场中有一个自由下落电梯,那么潮汐引力会让里面两个小球互相靠拢,光在这样的自由下落电梯中,由于潮汐引力会产生另外一半光线偏折。所以,光经过太阳引力场时,产生的光线偏折是近似均匀引力场的光线偏折加上自由下落参照系中不可消除的潮汐引力的光线偏折,正好是牛顿引力场引发的光线偏折的2倍。
2.爱因斯坦的相对论引发的宇宙观的革命,与哥白尼革命导致的牛顿宇宙观的革命有何区别与联系?
答:单从数学表示来看,广义相对论要用4*4=16个分量的张量矩阵表示,是牛顿力学数学表示难度的16倍。所以,相对论引发的宇宙观革命,与哥白尼-牛顿革命进行类比时,有很多难以理解的数学物理意义与哲学解释问题。从物理思想的哲学转型来看,爱因斯坦更接近伽利略,他的广义相对论场方程相当于弯曲时空中的自由落体方程。与牛顿相比,爱因斯坦缺少哲学立场的逻辑一贯性与数学物理概念的独创性。爱因斯坦在狭义相对论框架中,涉及速度合成问题,但对加速度合成问题研究不力,他的横质量与纵质量概念是建立在加速度的若干垂直分量按照欧几里得空间中的矢量平行四边形法则合成的错误构想之上的。
在广义相对论中,弯曲时空中的惯性-引力场是不能线性叠加的。所以,在广义相对论中,我们还不能实现牛顿力学中的各质量的引力合成问题。最著名的一个例子是,假如我们从虚空的平坦时空通过F变换到旋转圆盘参照系,从虚空的平坦时空通过G变换到质点质量的史瓦西度规,那么旋转的克尔度规能通过F变换从史瓦西度规推导出来吗?不能,从史瓦西度规到克尔度规的时空变换F',不是平坦时空到旋转圆盘度规的F变换。同样,从旋转圆盘到同样角速度旋转的克尔度规的时空变换G',不是平坦时空到史瓦西度规的时空变换G。
相对于未来的相对论引力理论,广义相对论不过是类似于伽利略的自由落体理论作为牛顿万有引力定律的先驱理论。哈勃被看成是发现宇宙膨胀的新哥白尼,但是大爆炸宇宙学的成熟程度,也许还不如哥白尼的《天球运行论》。从这个类比出发,我认为相对论宇宙学革命中的开普勒与牛顿也许尚未出现。
在哥白尼革命到牛顿革命的进化中,笛卡尔的解析几何与以太漩涡论扮演了重要角色。那么,在相对论宇宙学的革命中,类似于笛卡尔科学贡献的广义相对论对应体是什么呢?
我认为,从物理角度看,就是要用新的数学物理方法与哲学理解方式构建相对论中的旋转运动模型,这是把相对论搞得晕头转向的大问题。从牛顿质点力学过渡到分析力学,数学物理学家瞄准约束问题,引入了达朗贝尔虚功原理。在广义相对论中,达朗贝尔虚功原理就是等效原理,如果数学物理学家像18世纪的前驱瞄准约束问题一样,瞄准相对论中的旋转问题,一定能开辟相对论研究的奇天异地。
从数学角度看,相对论中使用的大量时空变换只有几何意义,没有与禁止超光速运动的物理机制密切相关的动力学意义,比如托勒密常用的球极投影,在广义相对论中有物理意义吗?相对论中的几何变换,需要采用新的贯彻近距作用原理的坐标系变换来取代。我相信,一个从任意坐标系原点发出的所有光线,最适合构造一个与类光矢量有关的自然标架,这类坐标系对于重新理解相对论是非常重要的。所以,我们在相对论革命进程中,需要贡献一个新的笛卡尔,最终造就一个新的开普勒与一个新的牛顿。
3. 爱因斯坦晚年重视量子力学解释与统一场论研究,这对广义相对论的发展有启发意义吗?
答:爱因斯坦因为光量子假说而不是因为相对论得诺贝尔奖,我相信是科学界对他最大的误导。量子力学是与处理物质结构与分子-原子的随机化学反应密切联系的,伟大的数学物理天才牛顿曾陷入炼金术误区,这与爱因斯坦陷入量子泥潭可能是类似的。数学物理在柏拉图哲学中是深刻的自然之诗,炼金术与化学的哲学要么是亚里士多德的热力学化的“土,水,气,火”论,要么是原子论,基本上与塑造数学物理的柏拉图主义针锋相对的。爱因斯坦企图把电磁场论与广义相对论整合为统一场论,从数学角度看,他没有充分认识到广义相对论的几何工具包含了大量与超距作用有关的几何变换,需要先革故,而后鼎新;从物理角度看,他没有认识到电磁场论与广义相对论都是绝对零度的场方程,与热力学第三定律,最终与量子力学是冲突的。
如果爱因斯坦从牛顿的成败中吸取教训,不被诺贝尔奖的推动误导,他也许在后来的岁月中应该深入研究广义相对论的数学结构与物理解释,尽量从相对论角度解决牛顿在《原理》,拉格朗日在《分析力学》中已经解决的物理问题。
Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )
GMT+8, 2024-11-1 09:23
Powered by ScienceNet.cn
Copyright © 2007- 中国科学报社