一个物理教师提出的理论物理问题.doc

4.11在广义相对论中引力表现为时空的弯曲，而经典力学中的惯性力却是以曲率为0的克里斯多菲（克氏）联络来表达的，它们不等价。在狭义相对论中，如果不是闵氏坐标的任意坐标来描述匀速直线运动，就会出现“惯性力”；任何一条直线的类时世界线所描述的运动力都是非惯性运动。写下相应的运动方程，其中出现的克氏联络就相当于惯性力。然而时空仍然是平直的闵氏时空，黎曼曲率张量为零。如何理解这个问题？

4.12能量守恒定律是时间均匀性的一种反映，能量守恒是一切“封闭系统（其内的各粒子与其外的力作用都可忽略不计）”的基本特性，广义相对论认为引力改变了时空结构，时空不再均匀，此时能量守恒定律为何依然成立？

4.13在月球上观察地球，地球是否也是沿着自己的短程线在运动，地球质量较小，它对时空结构的影响有如此之大吗？

4.14现代物理学认为强引力场下的电磁场分布，不但粒子会受到引力，电磁场也会受到引力，这是广义相对论结合非线性数学物理方法的基本问题以及带电引力场，比如柯尔-纽曼度规。爱因斯坦在创立广义相对论的过程中通过电梯说明了等效原理，可是当电梯如果带有电荷，特别是当电荷的电性相反时和相同时，强等效原理显然不成立，这说明广义相对论仅仅适用于引力场，不适用于电磁场。爱因斯坦广义相对论深刻地揭示了时间、空间和运动物质之间内在关系，然而爱因斯坦引力场方程的一些特殊引力场精确解中却存在不能消除的奇点，像具有球对称静态引力场Schwarzschild外部解及匀速转动引力场外部解等。另外，用爱因斯坦引力场方程处理宇宙演化解中，存在与直接观测到的质量密度相矛盾的结论，即质量缺失问题（也就是所谓的暗物质）。Penrose和Hawking认为只要关于物质、能量、以及因果性一些合理物理条件成立，在爱因斯坦广义相对论中就不可避免存在着奇点。在这类奇点处，时空流行达到尽头，象在星体中引力坍缩终止于黑洞中心奇点就是这样的。由于不知道奇点所准循的规律，物理学、包括广义相对论将随着奇点出现而失效。一般认为出现这种运动终止于奇点现象反映了广义相对论引力场理论某种不完善，并不一定是客观世界所固有的。广义相对论是研究引力场的，本来就没想包括电磁场(K-K理论是另一回事)。在广义相对论里，电磁场是以“物质”的一种形态被包括进来的。如前所说，广义相对论是经典理论，如果把量子效应考虑进来它必然要修改，这时就有可能消除奇点。在这个意义上，它确实是不完善的。

4.15世界上的主流认识是：目前没有发现被普遍认可的与广义相对论的预言向冲突的观察（实验）证据。广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？

4.16超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念。是否存在额外的时空维度？对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：空间是否不仅仅限于我们能轻易观察到的四维，要确定这一点，我们可能首先要怀疑自然是否是自相矛盾的：我们是否应该接受这样的观点，即有两种力作用于两个不同的层面——重力作用于星系这个大层面，而其它三种力作用于原子的微小世界？统一场论会说这是一派胡言——肯定有一种方法将原子层面的三种力量与重力连接起来。这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其它维的空间，开始的宇宙线性理论模型将重力和其它三种力在复杂的11维宙中结合起来，在那个宇宙——也就是我们宇宙中——其中的7维隐藏在超乎想象的微小空间中，以至于我们无法觉察到，弄懂这些多维空间的一个办法是，想象一个蛛网的一根丝，用裸眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体，线性理论学家说，我们之所以看不见其它维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。我们可能永远无法直接看到这些多维空间，但有了天文学家和粒子物理学家的仪器，也许可以找到它们存在的证据。在试图引申爱因斯坦理论和了解引力的量子性质时，粒子物理学家们假设存在着超出已知四维时空的高维时空。它们的存在对宇宙的诞生和演化具有隐含，可能会影响基本粒子的相互作用，并改变近距离时的引力。高能与核物理在弦理论方面的研究表明有额外维。TeV能级加速器和其他对撞机的实验，通过寻找两个加速的粒子（如TeV能级加速器的质子与反质子）在对撞中产生粒子时丢失的能量，来寻找额外维。额外维是弦理论低能现象学的预言，也是弦理论在目前条件下唯一可能观察到的效应，关于这个现象的加速器实验和非加速器实验都在做，但还没有发现。

4.17什么是引力?。在爱因斯坦改进牛顿的理论时，他扩展了重力的概念，将巨大的重力场和以接近光速运动的物体都计算在内，这一扩展形成了著名的相对论和时空理论，但爱因斯坦的理论没有涉及极小领域的量子力学，因为重力在很小范围内可以忽略不计，而且还没有人对个别少量的重力进行过试验性的观察。然而，自然界也有重力被压迫在小物体之内的极端情况，比如说，在靠近黑洞中央的地方，大量物质被挤在量子大小的空间里，重力就在很小的距离内变得非常强，大爆炸时期混沌的初始宇宙中一定就是这种情况。黑洞在宇宙中普遍存在，可以探讨它们的巨大引力。早期宇宙中的强引力效应具有客观测到的重要性。爱因斯坦理论也应适用于这些情况，正像它适用于太阳系一样。完整的引力理论应该包括量子效应—爱因斯坦引力理论不包括—或不解释为什么它们不相关。高能和核物理理论学家研究弦理论和额外维空间的可能性，有助于解释引力的量子方面。像在费米实验室（左图）TeV能级加速器和CERN的LHC上开展的实验将能够在未来几年内对一些这样的思想进行检验。弦理论已经导致对黑洞的熵进行计算。

4.18为了能与地球近平直参考系中的实际测量结果进行比较，必须将弯曲时空中对引力问题的计算换算成用平直时空中的标准尺和标准钟（或局部惯性系的标准尺和标准钟）来计量。这在弯曲时空引力理论中被认为是基本原则，但目前广义相对论对具体问题计算的过程中却普遍地忽略了这个原则。采用标准尺和标准钟计算的结果表明，水星近日点进动是实际观察值的4.8倍，而且方向相反，雷达波延迟只是观察值的53%，这样的结果显然是根本不可能的。因此广义相对论实际上并未得到实验证实，除非爱因斯坦引力场方程描述的已经是平直时空中的结果，不是弯曲时空中的结果，但这与爱因斯坦弯曲时空引力理论的前提相矛盾。

4.19美国宾夕法尼亚州大学的爱德华·吉南和弗兰克·马洛尼两位天文学家发现距我们2000光年的DI海格立斯双星的运动与广义相对论完全相悖，它们的质量都很大，分别为4.5和5.2个太阳质量，公转周期为10.55天，轨道偏心率0.489左右。据此，按广义相对论计算，其轨道应该有明显的最近点进动现象。然而事实上，当两星的其中之一运动到另一个星体之前并发生全食时，人们只观测到两次较明显的亮度衰变。天文学家根据时间建立了该双星的亮度曲线，计算出偏全食时间，并据此演绎出双星相应位置。鉴于DI海格立斯双星的观测已有84年的历史，人们拥有丰富的资料，经对3000多轨道进行详细分析，吉南和马洛尼两位天文学家计算出两星最近点进动仅为0.64度，而相对论理论推算的结果却是2.34度！

4.20黑洞信息悖论的解决方法是什么？根据量子理论，信息--无论它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成文件的确切方式--是不会从宇宙中消失的，但物理学家基普·索恩、约翰·普雷希尔和斯蒡芬·霍金却提出了一个固定的假设：如果你把一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生什么事？宇宙中是否有其他同样的百科全书是无关紧要的．正如物理学中所定义的，信息并不等同于含义，信息仅指二进制的数字，或是一些其他的代码，它被用来精确地描述一个物体或一种方式．所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没，并永远地消失．但人们觉得这是不可能的．霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了，而量子力学必须对此作出解释．普雷希尔博士推测信息其实并没有消失；它也许以某种形式显示于黑洞的表面，如同在一个宇宙中的银幕上．Preskill和Thorn,Hawking“打赌”的问题的实质是：对于黑洞这样的客体，广义相对论和量子力学有不同的认识，那么哪一家更接近真实的情况？这个“赌”确实很有意思，但到目前为止问题仍然没有得到解决。

4.21射电类星体到底是什么东西？现代科学认为太阳系各星体运行基本在一个平面内是由于星云演化过程造成的，可是现代天文学观察到各个恒星系的行星、各个行星的卫星等运行基本都在一个平面内，难道都可以用星云演化来解释吗？

4.22相对性原理要求惯性系之间没有优越的速度，河外星系红移等却具有优越速度；满足相对性原理的基本物理规律没有时间方向，宇宙演化本身就给出时间方向？微波背景辐射是否说明绝对参照系的存在？

4.23施瓦兹查尔德度规的黎曼曲率等于零，时空弯曲的量度是什么？爱因斯坦三维超球面的本底空间的物理意义是什么？这一本底空间是弯曲的还是平坦的？根据是什么？