自從上世紀初愛因斯坦提出狹義相對論以來,現代物理學取得巨大的發展。在時空理論方面突破了牛頓力學僵化的基本框架,否定了真空以太介質的存在,使一大批物理學疑難問題得到合理解釋。狹義相對論除了大大推進人類對自然本性的認識外,還在原子能和粒子物理學中得到廣泛的應用。在狹義相對論基礎上愛因斯坦提出廣義相對論,建立了以彎曲時空觀念為基礎的引力理論,並促進了宇宙論學的巨大發展,功不可沒。
然而自愛因斯坦提出狹義相對論以來,對相對論的批評就從未停止過。原因在於相對論導致各種各樣的,被稱為時空佯謬的邏輯悖論,使人無法相信它會是一個完全正確的東西。相對論導致的物理學相對主義對科學、哲學和人類的思維方式產生極大的不良影響。而在廣義相對論中時空奇異性普遍存在,物理學規律在奇異點上完全失效。引力場的幾何化特徵使引力理論和與量子理論的融合成為困擾幾代人的大問題,至今不知真正的出路在哪裡,物理學的統一之路在這裡遭遇到大瓶頸。特別是為了解釋上世紀末天文觀察發現的超新星大紅移,提出的「暗能量」概念使物理學更加陷入深深的困境。「暗能量」無疑是以太觀念的新變種,物理學家們根本不知道如何解釋它的起源,更談不上證實它的存在。20世紀末物理學的天空又出現烏雲,預示著新一輪物理學觀念革命的到來。
然而這些問題的根本性解決需要觸動愛因斯坦理論的根基。儘管許多有識之士早已對物理學現狀表示深深的憂慮,但由於愛因斯坦理論在上一個世紀中所確立的權威地位,任何試圖對它的質疑都會被物理學主流社會視為離經叛道。愛因斯坦的理論已經成為新的教條,不論這種質疑是否包含真理的成分,要想在物理學主流刊物上發表這種論文幾乎是不可能的。任何敢於挑戰物理學主流意識的論文,不論對錯,必遭封殺。這種對愛因斯坦理論不容置疑的態度已經嚴重地影響了科學的正常發展,言路堵塞的結果已經對物理學自身造成傷害。當前理論物理學的發展出現嚴重的方向性偏差,引力與宇宙學前沿研究中充斥著各種各樣的奇談怪論,物理學家們正以科學的名義談論非科學的問題。數學的繁複掩蓋了物理的空虛,形式的抽象粉飾了本底的醜陋,匿造的東西到處流行,探索的美名之下進行著無聊的遊戲。怪誕與悖理成為常態,神秘與玄學成為時髦。流行而病態的鬧劇獲得喝彩,理性和邏輯的思辨遭受冷漠。歷代物理學家唯恐避之不及的無窮大奇點,卻被某些理論家當成奇珍異寶來欣賞把玩。遠離客觀實在的堅實土壤,理論物理學已經沒有了往日的陽剛之氣,底氣不足,步履蹣跚,失去求真求實的原動力。理論家們躲進小樓孤芳自賞,實質上正在被無情地邊緣化。
這種現狀必須得到糾正,理論物理學不能就此墮落。科學的懷疑精神應當得到尊重,不同的聲音應當能在正常的渠道上得以傳播。否則學術界必將失去自我批判、自我糾錯和自我更新的能力,淪為迷信和盲從的犧牲品。理論物理需要鳳凰涅槃,重振旗鼓,回到健康發展的軌道上來。本著探索真理、糾正謬誤、推進科學進步的精神,本人提出以下8條基本原則,證明愛因斯坦狹義相對論、廣義相對論和標準宇宙學理論基礎存在的嚴重缺陷。證明電磁場相對論變換會導致電磁場運動方程解的唯一性破壞和其他嚴重的問題,經典宏觀電磁場理論不存在相對性。加上存在的其他問題,時空的相對性是不可能的。現有廣義相對論對實際問題的計算都採用坐標尺和坐標鍾,這樣結果沒有實際測量意義。證明採用有實際意義的標準尺和標準鍾來度量,廣義相對論無法解釋水星近日點進動和雷達波延遲實驗,因此廣義相對論實際上並未得到實驗證實。證明考慮到狹義相對論效應後,引力與慣性力局部不等價,加上其他方面存在的問題,引力的幾何化描述是不可能的。證明羅伯遜-沃克度規導致光速的伽利略相加規則,只能是牛頓力學意義上的時空度規,不可能是現代物理學意義上的時空度規。因而標準宇宙學理論的基本時空框架是錯誤的,暗能量是不存在的,宇宙加速膨脹是不可能的。時空相對性原理和引力幾何化描述只是物理學家的一廂情願,大自然並不遵守這種規則,所有這些都顯示現有的時空、引力理論和宇宙論需要從根本上進行改造。在對愛因斯坦理論去偽存真、徹底改造翻新的基礎上,本人提出一套新的更為合理的時空、引力與宇宙學理論取而代之。為了提升我國基礎科學原創能力、鼓勵科學爭論、辨明大是大非,本人特向社會各界廣泛徵詢支持和反駁意見。
一、帶電粒子任意運動產生的推遲電磁場不滿足宏觀電磁場運動方程和電磁場相對論變換。宏觀電磁場相對論變換導致電磁場運動方程解的唯一性破壞和其他嚴重問題,因而是不可能的。寫成四維電磁勢的形式後,不考慮電磁場相對論變換,宏觀電磁場運動方程在不同的慣性參考系中可以保持不變,但洛倫茲條件不可能保持不變。因此經典宏觀電磁場理論不存在相對性,愛因斯坦時空相對性賴以生存的最重要的理論基礎被破壞。
二、狹義相對論邏輯系統中存在3個基本問題:1.採用純慣性參考系建立時空理論的超驗性問題。2.參考系相對運動速率V』=V與光速不變c'=c的相容性和一致性問題。3.基本時空佯謬不可消除性問題。
三、為了能與地球近平直參考系中的實際測量結果進行比較,必須將彎曲時空中對引力問題的計算換算成用標準尺和標準鍾(或局部慣性系的標準尺和標準鍾)來計量。這在彎曲時空引力理論中被認為是基本原則,但目前廣義相對論對具體問題計算的過程中卻普遍地忽略了這個原則。採用標準尺和標準鍾計算的結果表明,水星近日點進動是實際觀察值的4.8倍,而且方向相反,雷達波延遲只是觀察值的53%,這樣的結果顯然是根本不可能的。因此廣義相對論實際上並未得到實驗證實,除非愛因斯坦引力場方程描述的已經是平直時空中的結果,不是彎曲時空中的結果。但這與愛因斯坦彎曲時空引力理論的前提相矛盾。
四、考慮到狹義相對論效應後,由加速過程產生的運動速度和運動質量具有絕對性。時空理論應當考慮加速過程的影響,只有在不等價慣性參考系基礎上建立的時空理論才是有實際意義和邏輯一致的。
五、考慮到狹義相對論效應和其他物理效應後,引力與慣性力局部不等價。GP-B實驗的任何非零結果都將證明等價原理的不可能性,而不是證明廣義相對論的有效性和引力使空間彎曲。按強等效原理,在引力場中自由降落的局部慣性參考系上引力場會被消除,因此在衛星上進行的GP-B實驗上就無法測量到慣性陀螺的進動。GP-B實驗觀測到慣性陀螺的任何進動都將說明,在自由降落的局部慣性系上引力場並未被消除。試圖用來顯示引力使時空彎曲的GP-B實驗在基本設計原理上存在問題,實驗的結果與設計的期望正好相反。
六、按愛因斯坦引力場方程計算,細圓環和雙球體引力場中心會出現奇點,且奇點完全裸露在真空中。表明時空奇異性是採用彎曲坐標的描述方法引起的,不是自然本性。所謂奇異性黑洞、白洞和蟲洞以及時間旅行等在自然界中都是不存在和不可能的。
七、由於導致光在引力場中的運動速度滿足伽利略相加規則,違背光速與光源運動狀態無關的現代物理學基本規則,羅伯遜-沃克度規不能用來描述宇宙的早期和高速膨脹的過程,其結果是暗能量不存在,宇宙加速膨脹不可能。
八、由於地球觀察者與宇宙物質間存在相對運動速度,描述膨脹宇宙必須採用動態能量動量張量,不能採用靜態能量動量張量。採用動態能量動量張量後的計算結果表明,愛因斯坦引力場方程不可能用來描述均勻且各向同性膨脹的宇宙,現代標準宇宙學面臨基礎缺失的危機。
在以上8條中,第一條對時空相對性理論是致命的。經典電磁理論的相對性是時空相對性最基本的理論支柱,如果經典電磁理論不具有相對性,我們還能期望什麼物理理論具有相對性呢?第三條對廣義相對論是致命的。水星近日點進動和雷達波延遲是廣義相對論最基本的兩個實驗檢驗,如果廣義相對論無法解釋這兩個實驗,引力的幾何化描述就是沒有任何希望的。第六條對奇異性黑洞理論是致命的。取一小段細鐵絲彎成圓環,環心就會出現奇點,這可能嗎?現代黑洞理論的整個基礎都是錯誤的,真實的物理空間不可能有奇異性。第七條和第八條對暗能量假設和標準宇宙學理論是致命的。現代物理學與經典物理學最基本的分界線之一,就是光的速度與光源的運動狀態無關。現有標準宇宙學理論越過這條紅線,就不可能被認為是現代意義上的正確的宇宙學理論。而靜態能量動量張量只能用來描述靜態宇宙,不可能用來描述膨脹的動態宇宙。以上5點都是可以定量計算和用數學函數形式精確表述的,沒有任何含糊性和不確定性。正統物理學如果還堅持愛因斯坦理論的不可動搖性,最起碼必須對這5個問題進行有效反駁和給出合理解釋。否則繼續將愛因斯坦理論作為物理學和宇宙學的基礎就失去它的合法性,繼續在這種基礎上進行的任何研究都不再具有物理意義和科學價值。
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(作者系福州原創物理研究所所長)
附:《現代物理學基礎問題研究》後記
1993年,花費20多億美元在德克薩斯州開鑿了幾十公裡長的地下隧道後,美國國會參議院決定停止對超導超級對撞機計劃(SSC)的撥款。尋找希格斯粒子,對粒子物理學標準模型進行最終檢驗的實驗擱淺。幾千物理學家失去工作,世界高能物理學界感到了空前的失落和沮喪。但物理學家的雄心並未因此受挫,之後由歐洲核子研究中心接手,通過了LHC計劃,繼續尋找希格斯粒子——標準粒子理論失落的最後一環。該計劃由世界多國協作,目前正在實施,今年8月大型強子對撞機已建成並開始運轉,估計2010年左右出結果。
這個既被利昂·萊德曼稱為「上帝粒子」,又被希爾頓·格拉肖稱為「廁所」的、不雅卻又必需的東西,真值得物理學家們這樣竭盡全力地追逐嗎?它到底是上帝深藏於秘境的聖物,還是僅僅用來「衝洗現存理論不一致性」的下水道呢?宇宙中靜質量最大的粒子充滿了真空,還算是真空嗎?這樣的真空又如何對稱性破缺呢?雖然來自凝聚態物理,對稱性破缺概念一旦移植到粒子物理學,就變得荒唐無比。對於希格斯粒子是否存在,霍金曾與人打賭。作為一個悲觀主義者,他賭「無」。這位躲在果殼裡的聖徒,這次也許壓對了籌碼。除了規範場的拉氏量外,非阿貝爾規範場運動方程也必須滿足規範不變條件,物理學家們怎麼可以把這一點給忘了呢?對規範場運動方程進行規範變換後就會自動引入一個約束條件,再對理論稍加改造後,楊-米爾斯規範場理論就能自足,粒子物理學標準理論就能自洽,再也無需希格斯機制這個贅物。只可憐歐洲核子研究中心的機器要空轉一場,看來是停不下來了。
1998年,兩組天文學家在美國《天體物理學》雜誌發表對Ia型高紅移超新星的觀察結果,聲稱我們宇宙70%以上的物質是暗能量,在暗能量的驅動下目前的宇宙正在加速膨脹。這個結果在物理學界乃至一般公眾中造成轟動,多次被各國科學與新聞界評為當年十大科學新聞之首。目前各國政府和科學基金會相繼大筆撥款,研究機構紛紛立項,大批天文和天體物理學家正全力以赴,投入對暗能量的角逐。
然而物理學家們可能又要空忙一場了。這個在近代物理學檔案中無檔可查的暗能量怪胎,只能像百年前的以太理論一樣,再次成為上帝棄物。建立在相對論基礎上的現代宇宙學標準理論,它所依賴的羅伯遜-沃克度規怎麼可以導致速度的伽利略相加規則,直接違背現代物理學關於光速與光源運動狀態無關的基本規則呢?我們又怎麼可以用靜態的能量動量張量來描述動態的膨脹宇宙呢?標準宇宙學理論的基礎正面臨崩潰!古人無事憂天傾,今人自擾憂天離,暗能量和宇宙加速膨脹論可休矣。
物理學家S·溫伯格在《引力論和宇宙論》一書的緒論中寫道:「物理學並不是一個已經完成的體系,相反它每時每刻都存在著一些觀念上的巨大混亂,有些觀念像民間史詩那樣,從往昔的英雄時代流傳下來;而另一些則像空想小說那樣,從我們對於將來會有偉大的綜合理論的嚮往中產生出來。」現代物理學是個龐大的概念體系,邏輯和數學將眾多的概念連在一起,牽一髮而動全身。我們不能不被這個邏輯體系的嚴密性,以及這種邏輯能達到的預言高度所震撼,但這些都不能讓我們無視這個邏輯巨網中存在的種種漏洞。作者自大學生時代起,就被相對論和量子論中的邏輯悖論所困惑。在後來的教書與遊學生涯中,以及其後為稻粱謀的閒暇之餘,越發被這些困惑深深糾纏。面對這類問題,總覺無法自欺欺人。然而所遇物理學同仁,大多對這些問題不感興趣。更甚者認為根本不存在這類問題,是爾等自尋煩惱。這不禁使人想起數學史上一段有趣公案。
當年還是無名小卒的羅素將「理髮師悖論」論文寄給德國著名邏輯學家特洛伯·弗理茲。此時特洛伯·弗理茲已完成他的最重要著作《算法基礎》第二版,自認可以作為整個數學的基礎,準備付印。看完羅素的信,特洛伯·弗理茲一聲長嘆,便在書的最後加上一段話:「一個科學家所遇到的最不合心意的事,莫過於在他的工作即將結束時發現其基礎崩潰了,我把羅素的來信發表如下……」特洛伯·弗理茲對科學和邏輯的尊重態度,以及承認自我體系崩潰的勇氣,難道不值得當今物理學家們深思嗎?愛因斯坦年老時曾發感慨,認為自己一生所做的工作中「沒有任何一個概念是我深信能站得住腳的,總的來說我也不能肯定我是否在正確的道路上前進。」這決不是他的過謙和矯飾,或許正道出他的難言之隱。我輩等更不應掩耳盜鈴,贊皇帝新衣。物理學的邏輯基礎不可以出現不一致,物理學家們應多些數學家的嚴謹、多些哲學家的懷疑,少些盲從者的幼稚。所謂科學真理,求真為首,求美次之,切不可本末倒置,買櫝還珠。哲人之石,從不可廢,可用以磨礪思維,升華品位,無窮追問的休謨懷疑精神永遠值得倡導。若有悖邏輯,則一切皆空。以怪誕為新,以悖理為妙,以神秘冒充深奧,以玄學混餚顯學,雖可招搖過市、流行一時,終不得長久,不是求真者所為。
伽利略在西方世界開啟運動相對性觀念之先河,愛因斯坦繼承了這種相對性觀念,提出更純粹的時空相對性理論。我們不能要求他在草創狹義相對論時,也考慮到狹義相對論動力學效應對時空性質的影響。這種效應必然導致加速過程產生的運動速度和運動質量具有絕對性,破壞時空相對性。然而令人不解的是,愛因斯坦其後為建立廣義相對論提出慣性力與引力等價原理時,為什麼仍然只用牛頓力學,不用狹義相對論力學。如果考慮到狹義相對論效應,就不會有等價原理,還會有今日流行天下的彎曲時空引力理論嗎?關於羅伯遜-沃克度規本質上是牛頓力學的時空度規,在宇宙早期和高速膨脹過程中不可用的證明,關於宇宙學必須採用動態能量張量的證明,幾行字就可以說清,為何至今無人發出疑問呢?此外帶電粒子任意運動推遲電磁場不滿足宏觀電磁場運動方程和相對論變換,宏觀電磁場相對論變換會導致電磁場運動方程解的唯一性的破壞和其他非常不合理的結果。為了能與實際測量進行比較,採用標準尺和標準鍾計算,廣義相對論就根本無法解釋水星近日點進動和雷達波延遲實驗。所有這些都是非常簡單明確的,理智尚存者,誰能與之辯。捅破紙一層,迷糊幾代人。多少人心血,就此付東流。即便是愛因斯坦智者千慮一失,為什麼一代又一代的後來者,對這種明顯不過的事情仍視而不見呢?翻翻物理學史,這種事情絕非少見。大廈建於沙基,必將毀之,必有後痛。不是說21世紀的天空又出現若干朵烏雲嗎?造物弄人,百年一個輪迴,物理學真的又要再來個風雲際會、天翻地覆了。
還有就是時間不可逆轉之謎,古今賢哲之大惑。令人殫心竭慮,終日惶惶,不得其解。歲月流年,紅了櫻桃,綠了芭蕉,眼看時間之矢,又將多少英雄放倒。30多年冰火交融,在謬誤與理性中掙扎,在微觀與宏觀之間奔走,總算悟出不可逆性之道。春花秋葉,天荒地老,總可歸之於微觀過程的不可逆轉。在相對論性量子場論中,高階微擾重整化過程中隱含著時間反演對稱性破壞。在非相對論性量子理論和經典理論中,放棄保守勢考慮電磁推遲勢,就可自動引入時間反演不可逆性。也就是說電磁推遲相互作用是熱耗散之源!後覺反思,所有這些都是明擺著的。而我等眾生,卻總是執著,盲信前人,不願深究。大道至簡,尊者無言,自然之律本性單純,但也隱藏極深。不是無法用簡單方式描述,而是我等未能找到簡單方式描述。所謂時髦理論,花俏撩人,似巧實拙,終歸過眼煙雲。唯有經典神韻,莊嚴凝重,典雅從容,方可彌堅。然治學道上,隨大流者眾,具慧眼者稀。不遇鍾期,弦斷誰聽。悟今是昨非,卻書生漸老,欲唱無臺,平添無奈。所幸者,比之玻爾茲曼和埃倫菲斯特,至今身猶存、心猶靜,尚未顛狂,尚能衣飯。
然而時代的迷惘終會結束,真理的鐘聲會再次敲響。新一輪物理學觀念革命的大幕已經徐徐拉開,科學浪潮必將再次席捲這個時代的垃圾,只留下鑽石與金沙。科學舞臺上上帝的形象終將退隱,造神運動的喧囂必將被理性的和聲湮沒。百年之間被扭曲的科學精神已經發出吶喊,相對主義已經到了崩潰的邊緣。物理學研究走向神秘主義和過度幾何化的傾向必須得到糾正,追求質樸性和邏輯合理性的精神必須得到張揚。科學探索應當高舉唯物論和因果律的大旗,人類對物質世界的這種基本哲學認識自有其形而上的高貴。卸去鉛華,洗卻風塵,科學古典主義必將再現她的典雅風採。20世紀物理學輝煌與謬誤並存、理性與迷信共生的一頁已經翻過。21世紀物理學必將以質樸性、絕對性和確定性在某種程度上恢復的特徵,再塑人類理解自然、徵服宇宙的自信心。親愛的朋友們,現代物理學基礎的重建需要您的參與,理論物理學邏輯巨網的修補需要您的巧手。讓我們重溫馬克思的勸導:最先投入新生活的人,他們的命運將是讓人羨慕的!朋友們,為了人類科學的健康發展,為了中華民族科學的復興繁榮,請挺身而出,接受挑戰吧!