02.26 引力效应从直线性向曲线性的理论转变,对于引力的常见误解--上

上文谈到古人的物态观与现代物态观的不同,其中一个重点不同就是对“粒”这个概念的表达。

古人的最小颗粒比作尘埃,也就是可以感官直觉的最小物质;原子理论之后,它变成了对测不准的电子组成的结构的一种描述,这与古人的不同在于物质波(概率波)的“含糊”表达(数学拟合非决定性意义)替代了古人的决定性意义的表达;而量子理论之后,这个“粒”成为最小的可测量的能量簇,并不是或者并不全是质量意义的了。同时,它依然可以分为两种:一种是具有质量的基本粒子,一种是不具有质量的能量簇。介于这两者之间的关键是爱因斯坦设定的光子的性质。

基于前提假定,光子的静止质量为0。之后的物理沿着这个研究方向向前发展。以光子为比较基础,比对有质量与无质量的量子的不同。也就是基于这样的假设架构:粒子的“整体质量”=能量化的暗物质+物质的质量。静止的光子,其物质质量为0,都转变为电磁波能量。而光速运行的光子,一部分是质量,一部分是电磁波能量。这就是静止光子与光速运行的光子通常所说的质量不同的解读原因。基于一种简化问题意义的前提设定。


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静止光子具有质量,光速并不恒定

华中科技大学教授重新确定光子静止质量上限,有业内人士认为:光子静止质量为零是经典电磁理论的基本假设之一。但有些科学家则认为,光子可能有静止质量。如果实验最终检测到光子存在静止质量,那么有些经典理论将要有所变化。

在出版的美国《物理学评论快报》(Physical Review Letters) 上,有专文介绍说:"一项由中国科学家罗俊等完成的新的实验表明,在任何情况下,光子的静止质量都不会超过10的负54次方千克,这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20。"罗俊和他的同事通过一种新颖的实验方法,在一个山洞实验室里将光子静止质量的上限,进一步提高了至少一个数量级。

据悉,如果光子存在静止质量,虽然不会影响到人们的日常生活,但其产生的后果将是根本性的---例如,光速将随波长的改变而变化,并且光波将像声波一样能够产生纵向振动[1]。

上一段引用是有关静止光子质量的介绍,它仅仅是逼近0而已。静止光子质量如果不是0,其物理理论的影响是深远的。光速将不恒定,而光速恒定是爱因斯坦的相对论这种非欧方法的前提假设。对于相对论,这是釜底抽薪的,相对论由此成为一种特定、简化的方法、特定前提条件的近似。历史在重演,就像爱因斯坦的弯曲时空替代牛顿的引力的过程一样。

这之后,也就是现在了。高能物理已经填满了基本粒子图表,但是并未发现期待已久的引力子。

牛顿对于引力的理解是直线性的,或者说粒子性的,尽管他也发现了凸透镜的光晕现象,但是并未给予解读,这个现象需要用光的波动性来解读。爱因斯坦发现了引力效应的弯曲性,在广义相对论中引申为引力是具有波动性的。也就是时空的弯曲性,是波动性拟合中的一部分。现在通常用衰竭性的引力波来表达。

这会引申出两个问题:

一、引力是否也具有波粒两重性呢?与光(电磁波)的波粒两重性的不同在哪里?

二、时空的弯曲性是否必须是波动性的一部分?从几何角度分析,动态的弯曲性也可以是螺旋曲面的一部分。


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引力是否也是波粒两重性?

我们通常知道爱因斯坦提出了光的波粒两重性理论,这个理论后来被扩展到所有电磁波都具有波粒两重性。而数理文化(并不是物理)更将其引申为所有的物质,这样孙猴子七十二变就可以“理论性”的解读了。

实际上,爱因斯坦还做了一件事情,就是将引力由直线性表达变为曲线性表达。

直线性,通常是粒子惯性的一种表达方式;而曲线性,被广义相对论扩展为波的一部分。也就是他实际上将引力进行了波动性的解读。他的侧重点是说明引力效应的弯曲性。而牛顿的方法等价于说明引力的粒子性特征。这样一来,引力似乎也具有了波粒两重性。

接下来的问题就是,大型对撞机证实了光子的存在,但是并未证实引力子的存在。

如果这是已经确定的事实,这也就意味着,引力并不具有波粒两重性,牛顿表达的引力的直线性或者说粒子性仅仅是引力效应的弯曲性的近似,当引力效应曲率较小的时候的一种近似。这也是牛顿方法计算引力与相对论方法计算的引力的误差来源。

也就是引力并不具有波粒两重性。


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研究河水与研究河岸的区别;研究河水的作用与研究河水的区别

我们通常所说的引力,大多数情况实际是指引力效应,也就是引力产生的作用。

尽管牛顿与爱因斯坦采用的数学拟合方法是不同的,牛顿的方法相当于是对三维静态体系的研究,而爱因斯坦的方法是对三维动态体系(四维时空体系)的研究。同时,假设引力像河水,那么牛顿直接研究的是河水的作用;而爱因斯坦研究的是河岸,通过河岸对河水的间接影响来表达河水的作用。而河水本身才是引力。现在还在研究。

这两种方法都是在研究引力的效应的数学拟合,而并不是引力的物理本质。就如声波一样,我们可以用拟合的声波解读声音的计算和现象,但是却无法用声波来解读声音的物理性质。声音的物理性质是声源的震动导致的传播介质的震动的传导作用,与声波这种数学拟合方法并无关系。因为并不存在沿着拟合的声波曲线运动的声波子这种物质。声波仅仅是一种基于应用的对声音引起的效果的间接拟合数学方法。

这也是物理学家为什么要找了引力子几十年的原因。如果存在引力子,引力的物理性质问题迎刃可解,引力就是引力子在空间以波的方式传导的一种表象。

但是,如果不存在引力子,那么引力的物理性质的解读就要再寻物理方案。爱因斯坦的拟合方法仅仅是比牛顿的拟合更精细、更精准一些,但是就如声波一样,并不能表达引力的物理本质。因为没有像光子一样的引力子沿着引力场运动传导引力。也就是引力的物理性质依然需要另外的解读方案。


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也就是直到现在,我们并未解决引力的物理性质问题,也就是引力是什么的问题,而仅仅是解决了引力产生的作用(引力效应)的直接或间接拟合的计算、应用问题。而将相对论或者爱因斯坦神化的,通常会一本正经的绕嘴地利用相对论解释着引力的物理性质。实际上,解释的仅仅是引力效应的拟合解读结果而已。当然,爱因斯坦也试图这样解释引力(河水)的物理性质,尽管他研究的是河岸(时空弯曲)对河水的作用(引力效应)的影响。

我们通过研究河岸能够解读河水的效应,但是并不能够解读河水的物理化学性质。研究河岸能够解决水为什么结冰,水的分子式的问题吗?不能!而现在太多人把河岸当成了水,把引力效应当成了引力的物理本质。这就是虚数实数化使用的方法在解读过程中出现错误带来的问题之一!笔者在前文探讨过。研究河岸可以解决水的作用的计算问题,但是并不能解决水的物理本质问题。

在数值上,在小曲率的前提下,这两种方法是粗略近似的;仅仅是爱因斯坦的拟合方法因为比牛顿的方法多考虑了一个维度(多了一个影响因素)而更精确一些。同时,大曲率的现象,牛顿的方法不能解读;当然,曲率是圆的情况下,相对论也不能解读其内部,这时候,你会再想到牛顿的方法。

在应用上,考虑适用的场合以及精确度,会分别采用这两种不同的方法。并不是牛顿的拟合方法错了,仅仅是误差分析环节以及拟合方法不同的数学拟合问题。他俩都在拟合引力效应,而非引力物理性质本身。引力效应是引力的物理性质导致的结果。

当然,从物理研究方法来讲,通过现象研究本质这也是一种通常的过程方法。


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总时空尺度遇到的物理问题,虚数拟合体系由于指针旋转方向的不同造成的两个数学解

直线性的引力,是一种基于平直时空的近似性的表达。相对论方法是基于四个影响因素的数学模型,而牛顿的方法是基于三个影响因素的模型。相对论的进步,在于更进一步解决了牛顿方法的误差问题,并且能够解决大曲率现象的解读。同时,已验证的引力效应说明,引力效应至少有四个影响因素表达的更准确些。

在普通情况下,例如太阳系这个范畴,尺度有限,速度有限,那么牛顿的方法与实际测量的误差,并不是很大,而增加一个影响因素的数学拟合系统,误差进一步减小,更加逼近测量值。同时,还解决了更大尺度、更高速度的一些现象的拟合。

即便如此,问题依然还是来了。再大尺度呢?例如总时空尺度以及已观测的时空之外呢?曲率大到成为圆呢(黑洞)?鉴于爱因斯坦的这种四维系统存在的极限弯曲特征,当弯曲的曲率变成圆的时候,相对论也就失效了,不能解释其内部。这就是现在的物理问题了。


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这种情况存在三种数学解:

基于观测系本身(身在此山中的视角):时空起点--奇点;时空终点--黑洞。也就是基于虚数ict的两个不同的旋转方向。基于时间矢量的逆时针旋转的时空极限,就是奇点;基于时间矢量的顺时针旋转的极限结果就是黑洞。(基于虚数的数学拟合系统,在实像化表达过程中,通常由于指针旋转方向不同而会产生两个数学解。在一些介绍虚数的数学文章中,通常忽略了虚数顺时针旋转的问题。这是数学错误的。

鉴于时空奇点、黑洞的不可直接观测性,黑洞通过黑洞视界的引力现象间接证实;而基于大爆炸理论假说的总时空奇点爆炸之后一小段时间的不能直接观测,现在的解释是当时是一团量子粥状态,看不见。

基于观测系之外(上帝视角):假设的不同时空或者同一时空的不同部分的衔接点:虫洞。由于我们的观测暂时无法做到上帝视角的俯瞰,只能用三维的观测结果推导四维时空的可能性,暂时物理并未证实虫洞的存在性。

也就是相对论依然是一种时空局部意义的表达。总时空奇点附近的几亿年(基于大爆炸假说的推论时间)及奇点之前,现在不能观测的极远(大约450亿光年远)之外,现在由于不可观测,无法证实相对论是否依然适用。


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时空弯曲是否必须是波的一部分,有没有其他几何选项?

欧氏几何的方法,以及基于决定性的代数方法,使古人以直为标准,来表达曲。

非欧几何的产生,使相对论基于特定的曲面表达弯曲。这个弯曲可以是波的一部分,也可能不是。而波是基于特定的弯曲,来表达弯曲的特征,它与曲面的区别在于,波有波动特征,而特定的非欧曲面不一定具有波动性特征,而是“惯性”延展。例如球面、马鞍面、双曲面,并不具有波动性。只有基于三角函数的曲面,才具有波动性。


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点源水波

点源水波的拟合:
u = from (0) to (16*PI) D1
v = from 0 to (2*PI) D2
y = sin(u)
x = u*cos(v)
z = u*sin(v)
u = u*5

基于这样的几何问题,爱因斯坦基于其老师闵可夫斯基的空间架构,在广义相对论中利用洛仑兹不变性原理解决了引力波的表达问题。引力波现代通常被表达为类似水波这样的引力效应结果。这是虚数实像化的表达,或者说是基于虚数坐标轴意义的。

笔者的双臂螺旋时空构想

从狭义相对论到广义相对论的这种理论推衍实际存在了一个上文提到的数学问题,也就使用虚数的系统存在两个解的问题。如果弯曲的时空不是波的局部,而是螺旋的局部,其结果就是笔者正在研究的双臂螺旋曲面模型。实际上,这就是曲面是“惯性”弯曲扩展同时,垂直切面还是波动性扩展(引力波的样子)的结构。

是什么“力量”导致的时空曲面这两种延伸扩展的区别,笔者暂时也不清楚。而在广义相对论中,爱因斯坦引入洛仑兹不变性的依据或者说思路的原因是什么呢?这相当于虚数实像化转化过程中,虚数指针相差180度的波动性摆动的表达,这才导致了曲面扩展为波。如果指针不偏转,会是什么三维几何结构呢?三维螺旋结构。

为了解决上述问题,需要假设总时空奇点依然存在,没有发生大爆炸,仅仅是喷发或者是霍金辐射意义的。这样,就会产生螺旋性结构的时空。而且如果这样,也就无需暗能量、暗物质概念的引入了。由此,我们蜗居在螺旋的总时空中,这个尺度的光线也是奇妙的螺旋扩展形状的。

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单臂螺旋的鹦鹉螺


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双臂螺旋时空的示意图


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