爱因斯坦在《什么是相对论》一文中曾将相对论比喻为一座楼,楼下是狭义相对论,楼上是广义相对论。现在我们借用爱因斯坦的这个比喻,把包含牛顿力学,狭义相对论、广义相对论,以及建立在广义相对论上面的黑洞理论和大爆炸宇宙理论,看成一座大楼,通过对这座大楼的分析,进而指出爱因斯坦相对论的错误(见图18-1)。
首先,这座大楼的第一层是关于牛顿时空的理论——牛顿力学。它包括两部分内容:
(1)以牛顿第二定律为基础的牛顿运动理论。
(2)以牛顿万有引力公式为核心的牛顿引力理论。
图18-1 爱因斯坦的相对论大楼
牛顿力学辉煌了200多年,到19世纪末,牛顿力学的局限性开始显现出来,其中一个局限性是牛顿力学只能用于低速,当速度接近光速时牛顿力学就不再适用了。为了弥补这一缺陷,爱因斯坦在牛顿力学的基础上建立了狭义相对论,狭义相对论就是这座大楼的第二层。
牛顿力学由两部分构成,狭义相对论是牛顿力学的推广,理论上讲也应该由两部分构成,即狭义相对论的运动理论和引力理论。然而在爱因斯坦的时代,人们只知道对称性的重要,对称性破缺的概念还没有形成,由于这个原因,爱因斯坦只把牛顿第二定律推广到相对论,而没有推广万有引力定律。
换句话说,爱因斯坦只完成了狭义相对论的一半,在另一半尚未完成的情况下,就开始建造这座大楼的第三层了。
这座大楼的第三层是关于黎曼时空的理论,即爱因斯坦广义相对论。由于闵可夫斯基时空的理论不完整,爱因斯坦的广义相对论只能一半建立在狭义相对论的基础上,而另一半靠一根支柱的支撑,将其支撑在牛顿力学的基础上,这根支柱就是牛顿极限。
广义相对论完成后,人们用广义相对论研究宇宙,又建立了黑洞理论和宇宙大爆炸理论,这就是这座大楼的第四层。
这就是今天展现在我们面前的爱因斯坦的相对论大楼。从图18-1可清楚地看到,爱因斯坦大楼的总体设计存在问题,问题就出在牛顿极限上,牛顿极限这根柱子导致了爱因斯坦建造的这座大楼是不牢固的。
换句话说,牛顿极限是隐藏在爱因斯坦相对论中的一个错误。这个错误导致了爱因斯坦的广义相对论不是真正准确的相对论理论,而是一个近似理论,当把广义相对论用到它的适用范围之外时,便得出了错误的结果。
图18-2 非爱因斯坦相对论大楼
正确的相对论理论应该是非爱因斯坦相对论,非爱因斯坦相对论的大楼如图18-2所示。对比图18-1和图18-2,不难发现这两个理论体系的主要差别在于:非爱因斯坦狭义相对论比爱因斯坦的理论多了一个引力理论,有了这个理论,广义相对论就可以完全建立在狭义相对论的基础上,这样建立的广义相对论才是真正准确的相对论理论,爱因斯坦理论面临的“奇点困惑”,在非爱因斯坦相对论中将不复存在。
为了便于理解上述观点,下面我们以广义相对论的场方程为例,说明爱因斯坦理论存在的错误。广义相对论的场方程的物理意义如果用文字表述:
时空曲率=能量动量
把场方程写成上面这种形式我们没有异议,但对场方程的解释,我们的观点却与爱因斯坦完全不同。
爱因斯坦认为,引力不是力,广义相对论的场方程是一个几何方程,它反映了时空弯曲的几何效应;由于引力不是力,狭义相对论中没有引力理论,因此,在场方程的推导中,爱因斯坦只能使用牛顿极限,即把广义相对论的结果与牛顿力学的结果相匹配,爱因斯坦用上述方法得到的场方程不是准确的方程。
我们认为,自然界中存在4种基本的相互作用,引力作用是其中之一,其他几种相互作用:电磁力、强力和弱力,都是用力来表述,因此,引力也是一种力。关于引力我们的观点与爱因斯坦完全相反,不是时空弯曲产生引力效应,而是引力作用导致了时空弯曲。由于引力是力,所以在狭义相对论中存在一个引力理论;建立广义相对论的正确方法应该按照图18-2所提示的那样。
首先把牛顿引力理论推广到狭义相对论,即在闵可夫斯基时空建立一个引力理论,然后,再推导广义相对论的场方程,这样在场方程的推导过程中就可以使用闵可夫斯基极限,让广义相对论的结果与狭义相对论的结果相匹配,用这种方法得到的场方程才是准确的引力场方程。
为了说明上述两种方法的区别,下面我们举一个例子。
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