量子力学和广义相对论精选(九篇)

第1篇：量子力学和广义相对论范文

摘要:宇宙本是能量一元的;爆炸后释放出力量与热量、实物质、方向、时间、空间五种表征,进而反映出物体的五个构成要素;五构素物体呈现出波粒场三个运动状态;五构素中,方向、时间、空间属虚物质范畴,同实物质一起组成物体,构成物体的虚、实二个侧面,称之为广义(对称)物质。

关键词:本体论;能量;广义物质;波粒场;五构素

方向是指总星系、物体、人、粒子、云气等在运动场中发生相互作用时产生的波走向,即“波(方向)、粒(物)、场”说中的波为方向元。其中总星系、物体、人、粒子、云气定义为常规物质概念即实物质;物体粒子表现自身特征、地位的波动环境范围即场是物理学上的时空结构(传递介质);波反映了物体能量、意志、特征和运动趋势,定义为与实物质概念对称的虚物质(范畴)。但它们都是能量在冷胀宇宙中的表现形式,即在一定条件下,事物都可从能量中转化而来。由代物理理论可推知原始宇宙是纯能量的;据阴阳学说和宇称均匀特性,可拟设世界为虚物质、实物质(软硬)二元;为应用数理生化研究手段对人文社科作数量化技术化处理,应建冷胀宇宙构造模型于力量与热量(力热)、实物质、方向、空间、时间五维坐标系中。至此,我们同时得到能量一元论、内容对称的广义物质虚实二元论、波粒场三元论和力热、实物质、方向、时间、空间五构素的设定。佳佳网

“波、粒、场”是关于物质间地位联系通过场发生波的干涉作用的三元论,其中波正是五构素说中的方向,并对应于广义物质中的虚物质范畴。可见,虚物质决定了物体在实现消费体系的运动场中体现自身特征与价值的大方向不变,从而规定和影响了一切事物发展的大体趋势,而不是事先计划或安排好了事物的一切。故虚物质论关于方向不变属大尺度范畴的概念正是相对论所研究的范畴。因为每秒30万公里速度的光子行进空间正常情况下是大尺度的,而相对论是在光速不变的支持下推导出来的,主要涉及到大尺度时空中宇宙根本律和运动总方向不变问题。虚物质论强调自由至高无上,因为自由在消费体系内容中位于最高层次,因为量子测不准原理表明粒子运动中存在无限自由;无限自由标志着没有运动相同的粒子,是任何高超的检测手段都测不出来的;虚物质论关于自由至上是低层物体(层次高尺度大),特别是量子世界的普遍要求。这些是虚物质论同量子力学相关的局部方向变化原理。

由于广义物质范畴是指物体的虚、实二个层面,则可界定弦理论所描述的“弦”上的一个波动或振动模式为构成物体的一个最基本微观粒子(量子),即“波粒场”中定义波属虚物质范畴已触及到弦理论,说明物体的本质是实物质中潜在虚物质振动。虚物质振动体现物体意志,在实现消费体系的过程中表现出复杂的社会现象和矛盾事件。对社会现象和矛盾进行分析,人们得出人与自然的关系是生产力,人与人的关系是生产关系,生产力与生产关系的矛盾决定社会形态与制度。这证明实物质是广义物质的宏观显性表现,虚物质是广义物质的微观显性表现,二者是物体的二个层面,不可分离但可相互转化,以致人们日常从看到物体认知到实物质,虽看到事件矛盾却看不见虚物质。

第2篇：量子力学和广义相对论范文

阿尔伯特・爱因斯坦 （Albert Einstein，1879年3月-1955年4月），德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人之一。

1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪伟人”。他的名字与“相对论”密不可分――相对论包括两种理论：一是1905年建立的狭义相对论;二是1915年创立的广义相对论。后者，我们可称之为爱因斯坦引力论。

2015年是爱因斯坦创立广义相对论的百年纪念。从1905年建立“狭义相对论”，到1915年“广义相对论”问世，爱因斯坦这段“奇迹的伟大演绎”究竟是如何发生的？

他的出现，让物理世界别有天地

1905年，狭义相对论的建立为物理学界打开了一个新世界，但爱因斯坦对此并不满意，他认为物理世界还应有更广阔的天地。正是当时相对论的不完备性，才成为今天我们称它为“狭义”的原因。

虽然爱因斯坦在狭义相对论中已经废除了“以太”的观念，但在物理学中是否就不再有任何绝对或特殊的情况？1907年，爱因斯坦发现答案是否定的――让我们想一下伽利略的相对性原理，其中描述等速直线运动的船就像“不动似的”。为何等速直线运动拥有如此特权？如果所有的运动都是等价的（这里所说的等价是广义相对论的相对性原理：所有非惯性系和有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的），不是更令人满意吗？此后，爱因斯坦把相对性原理从等速运动推广到加速运动，其基础就是惯性质量同引力质量的相当性，因为他察觉到了广义相对原理和重力谜题之间的关系。

加速运动与引力场的运动是等价的，要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。对此，爱因斯坦凭借惊人的想象力做了一个“理想实验”。他设想有一个人乘坐摩天大楼的电梯自由降落，乘坐电梯的人不会感到自己在下降，因为电梯和人都依照重力加速度定律同时在下降，仿佛在电梯里不存在地球引力。反之，如果电梯以不变的加速度上升，那么在电梯里的人将觉得双脚紧贴在地板上，好像站在地球表面一样。这个等价原理是广义相对论的基础，它显示了等速运动的一些基本原理也可以应用到加速度运动中。

1912年开始，起初对数学不够重视的爱因斯坦在他大学好友格罗斯曼的帮助下，用张量分析和曲面几何作为数学工具尝试建立广义相对论。广义相对论的推导过程历经千辛万苦，其中涉及许多艰深的数学问题和运用不成功的数学方法。传说当时世界上只有三个人能理解这理论中的所有数学细节。这种说法未免有点夸张，但爱因斯坦确实为它学习了许多新数学知识，比如黎曼几何学等。

从1915年11月开始，爱因斯坦陆续公布广义相对论的最新研究成果。普鲁士科学院院士们每周四聚会一次（1913年爱因斯坦在德国的科学圣地柏林被正式提名为普鲁士科学院的院士）。在连续的四次聚会中，这些院士亲眼目睹了广义相对论的诞生――这是20世纪最伟大和深刻的科学理论。

爱因斯坦在广义相对论已发表的20多年后曾对自己的学生英费尔德说过：“要是我没有发现狭义相对论，总有一天也会有别人来发现它;但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”

有人说，这句话直到今天还是正确的。也就是说，如果没有爱因斯坦，人类恐怕直到今天也不会有广义相对论。本来，一切重大的科学理论，都是科学发展到一定阶段后的必然产物，说它完全依赖于某个人，这未免太绝对了，然而广义相对论的诞生似乎确实是这样。物理学当时的发展基本没有给创立广义相对论以任何条件和机遇，它有点纯粹或完全是爱因斯坦本人天才大脑的创造。可以说爱因斯坦的出现，让物理世界具有了一番崭新天地……

关于狭义相对论，有以下几个结论：

钟表慢走和尺子缩短现象，它是指物体高速运动的时候，运动物体上的时钟变慢，尺子变短。钟表慢走和尺子缩短现象就是时间和空间随物质运动而变化的结果。许多科学幻想作品用它作题材，描写一个人坐火箭遨游太空回来以后，发现自己还很年轻，而孙子已经变成了老头。

狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论。实验中发现，高速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。

爱因斯坦的感恩之情

爱因斯坦终身感谢格罗斯曼对他的帮助。在悼念格罗斯曼的信中，他谈到这件事时说，当他大学毕业时，“突然被一切人抛弃，一筹莫展地面对人生。他帮助了我，通过他和他的父亲，我后来才到了哈勒（时任瑞士专利局局长）那里，进了专利局。这有点像救命之恩，没有他，我大概不至于饿死，但精神会颓唐起来。”

美名响彻世界

为了验证广义相对论的正确性，爱因斯坦对其效应做了预测。他认为，光线并不像学校教的那样永远走直线，在引力场中它应该沿着曲线传播;并指出，当从一个遥远的星球上发出的光在到达地球途经太阳的时候，会由于太阳周边空间弯曲而使这个星球看起来的位置与实际位置不符，而产生偏折，其偏折的弧度应当是1.75秒，因此他建议通过观测日全食来验证这个理论，然而观测日全食的机会因为第一次世界大战耽搁了。直到第一次世界大战结束，英国天体物理学家埃丁顿爵士才开始验证这个理论。

1919年5月29日，埃丁顿率领两个天文考察队，拟定在日全食时分别在巴西和西非摄影，通过观察日全食来验证广义相对论的正确性。在1919年11月6日，埃丁顿爵士发表了一份关于其考察的报告，该报告称：在西非外海的葡萄牙属小岛普林西比上观测到的结果，其光线偏转度竟和爱因斯坦计算的非常一致。这份报告证实了爱因斯坦的时空新理论，同时也使牛顿的万有引力学说失去了普遍的意义。

要说这种科学事件在平常是不会受到普通大众注意的，但“一战后的某些特殊情况”使得媒体史无前例地争相报导。一夜之间，爱因斯坦从一个默默无闻的大学教授变成传奇人物，全世界都为之轰动，他的名字在国际社会开始广为流传，几乎家喻户晓。

在广义相对论中，空间不只会被物质改变;同时，如果没有物质，空间就不可能存在。简言之，物质创造空间。另一种说法则是若没有物质，空间也不存在。所以无法去除空间中所有物质，如同琴乐波动与时空传播（这里谈论的空间是狭义相对论中提出的时空）。当我们除去空间中所有物质时，不只是空间的消失，就连时间也会消失。换句话说，时间、空间与物质（能量）是同时被创造出来的――这与我们的常识（统治人们观念数百年之久的牛顿经典物理体系）几乎是背道而驰的，由此可见这一理论对人类观念的更新。

关于弯曲时空概念，广义相对论提出了四个可以验证的实验，并在其后由天文学家和物理学家实现了验证。

引力红移：广义相对论认为，引力势强的地方，固有时间的流逝速度慢，也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，就会向光谱中红光方向移动。

引力场中的光线偏折：在现代，通过射电望远镜可以观测类星体的射电信号在太阳引力场中的偏折，而不必等待日全食这种稀有的机会。

水星近日点进动：广义相对论的计算结果与平方反比的万有引力定律有所差异，这一差异刚好使水星的近日点每百年移动43角秒。

雷达回波时间延迟：广义相对论认为光子靠近引力场时，就会发生时间延迟效应。光线轨迹在引力场中弯曲，使得其路径延长。这种弯曲现象可以等价地看成是一种折射，相当于有效光速减慢，因此从空间某一点发出的信号，如果途经太阳附近，到达地球的时间将有所延迟。

巨星陨落，精神存续

1955年4月18日，伟大的科学家阿尔伯特・爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。巨星陨落，举世同悲。

第3篇：量子力学和广义相对论范文

关键词 等效原理,引力规范理论,自旋物质的引力耦合

abstract the history of the equivalence principle(ep) is reviewed, and the weak ep (galileo′s ep), strong ep (einstein′s ep), and very strong ep are explained. experiments show that ep has not been violated up to an experimental accuracy of 10-13. in the last part of the paper we point out the insufficiency of general relativity, which cannot describe the coupling between the spin of matter and the gravitational field. as we know, a spin particle or a rotating body can be characterized by an asymmetric energy-momentum tensor and a spin tensor. however, the gravitational field equations in general relativity only involve the symmetric components but not the asymmetric part of the former tensor, nor are there any contributions from the latter tensor. on the other hand, a gauge theory (with torsion) of gravitation does include the coupling of spin with the gravitation field. the theory predicts that the motion for a spin particle or a rotating body would deviate from a geodesic one, and hence violate ep. in order to test this violation we suggest experiments in both a laboratory on the earth and a satellite in space.

keywords equivalence principle, gauge theory of gravitation, coupling of spin matter and gravitational field

等效原理是物理学中的基本原理之一,长期以来物理学家们不断地在用实验进行检验.本文主要指出,旋转物体等效原理的空间实验在原理上不同于通常的弱等效原理及其实验检验(见图1).为了清楚地显示这种差别,我们使用伽利略自由落体型的示意图(图1和图2)进行阐述.

1 通常的等效原理的陈述

通常的等效原理分为弱等效原理和强等效原理(甚至还有甚强等效原理).弱等效原理就是伽利略等效原理;强等效原理是爱因斯坦对弱等效原理的推广,所以又称为爱因斯坦等效原理.爱因斯坦广义相对论的基本假设之一不是弱等效原理而是强等效原理(它已经包含了弱等效原理).

弱等效原理可以这样进行陈述:在地球表面(即地面)之上的同样高度的真空管中,让二个不同物体(材料或重量不同)同时自由下落,在忽略管子中的残余空气的阻力并忽略地球表面弯曲的情况下,这两个做自由落体的物体将会同时落地.

如果使用牛顿力学第二定律和牛顿万有引力定律来描写这两个不同物体的自由落体运动的话,那么弱等效原理又可以说成是“物体的惯性质量与引力质量之比是个与物体的材料､重量等具体物理性质无关的常数”,适当选取质量的单位,则可以更简练地把弱等效原理说成“物体的惯性质量等于引力质量”.

等效原理在现代物理学中之所以非常重要,是因为爱因斯坦在1916年建立了广义相对论.这个理论基于(强)等效原理和广义协变原理.如上所述,强等效原理又称为爱因斯坦等效原理,它是对弱等效原理的一种推广[1—3]:在引力场中的任何位置和任何时间都能找到一个“局部惯性系(爱因斯坦比喻为自由下落的电梯)”,在其中一切物理定律与没有引力场时的惯性系中的形式相同.这里说的局部惯性系就是在引力场中自由下落的“局部实验室”,“局部”指的是在其中进行实验的时间和空间内引力场的不均匀性可以忽略不计(即测量仪器由于不够精确而测量不出可能具有的微小引力势梯度).

甚强等效原理在强等效原理的基础上把引力相互作用也包含在其中,即引力也不会造成等效原理的破坏.这可以在弱等效原理的描写中得到理解(见下面有关检验引力自能对等效原理的可能破坏).

2 通常的等效原理的实验检验

回溯弱等效原理的实验必然会想到意大利的比萨斜塔和伟大的天文学家伽利略.据传说,伽利略在比萨斜塔演示过等效原理实验.但是并没有科学文献记载,只能见诸于他学生后来的追述.在纪念相对论100周年的世界物理年2005年,《旅游卫视》的一个栏目组到内蒙古的一座类似于比萨斜塔高度(54.5m)的铁塔(高为52m)上演示了自由落体实验,所用的两个铁球的重量(5kg和0.5kg)相差十倍.但是实验显示,两个金属球落地的时间相差很大.原因有三个,一是两球质心的初始高度不同;二是同时释放的时间有差别;三是空气对两球阻力的差别很大.这说明在日常环境下由于存在空气阻力而做这样的实验是不适合的.因此伽利略不可能在比萨斜塔真做过实验.

文献记载中第一个进行实验的是牛顿,他洞察到可能破坏等效原理的内在因素有两种:物体的重量和物体的材料.引力与材料无关的性质是其他类型的力所没有的.牛顿用单摆进行了实验:两个11英尺(1英尺(ft)=3.048×10-1m)长的单摆其末端各有一个木盒,其中一个木盒相继放入金､银､铅､玻璃､木头等;然后使这两个单摆同时开始摆动,结果表明,在千分之一的精度上,没有观测到摆动周期的不同,即单摆的运动与材料无关.

狭义相对论的质量-能量关系式?e=mic2?(mi是惯性质量,c是真空光速,e是能量),表明任何类型的能量都有其相应的惯性质量.具体地说,物体由分子､原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核由中子和质子组成,中子和质子又由夸克组成,等等.不同层次的结构具有不同的势能.这就是说,物体的能量e(和相应的惯性质量mi)与其内能有关,也就是与材料有关.一定的惯性质量mi又相应地有一定的引力质量mg.因此,一般说来,(1)式中的比例系数mg/mi可能会因物体材料的不同而不同,即不同的材料在外部引力场中可能会受到不同的新型作用力.因此,寻找等效原理的可能破坏也就是寻找新类型作用力,其重要的科学意义不言而喻.

2010年发射,拟在10-15精度上检验等效原理[5].

上述实验所用物体都是宏观物体,引力自相互作用太小.要想检验引力自能对等效原理的可能破坏,需要用天体:如果引力自能造成等效原理的破坏,那么地球和月球在太阳引力场中的自由落体加速度会不同,月球绕地球运动的轨道就要有畸变(文献中把引力自能的可能影响归并到了甚强等效原理).这种用天体系统检验等效原理的设想最早是牛顿提出来的,后来(1825年)拉普拉斯研究的“地-月”系统最适合于用来做这种检验,他得到 η<2.9×10-7;最近,利用30来年地-月距离的激光测量数据所获得的结论是[6]:η<10-13.

爱因斯坦(强)等效原理的实验检验可以分为3种类型[2]:弱等效原理的检验(如上所述)､局部洛伦兹不变性的检验､局部位置不变性的检验.强等效原理之所以一定包含弱等效原理,是因为自由下落的电梯,无论它是用何种材料建造的,都必须具有相同的自由落体加速度,才能被看作是“局部惯性系”.第二类是验证“局部惯性系”中狭义相对论的正确性.第三类包括引力红移实验和非引力的基本常数的普适性测量:精确的引力红移实验大多是在上世纪六七十年代做的,结果都与广义相对论预言符合;非引力的基本常数包括精细结构常数､弱相互作用常数､强相互作用常数､电子-质子的质量比等,其数值可能与时间有关的猜测起源于狄拉克.观测这种可能的变化要在宇宙的时间尺度进行,最近有报道说,精细结构常数在宇宙早期的数值比今天的数值略小,这一新结果对等效原理有何影响还有待进一步研究.近年来,空间中的极高精度冷原子钟技术的发展为上述第三类的空间实验带来了希望.

上面的实验使用的都是宏观物体.自然的问题是:微观粒子是否满足等效原理?由于微观粒子(在低速情况下)需要用量子力学来描写,这会面临一些概念性问题.从20世纪60年代以来,人们就在理论和实验两个方面对微观粒子在引力场中的自由落体运动进行了许多研究.实验相当困难,精度也较低.1976年,中子自由落体实验的精度只有η≤3×10-4;近年来,冷原子干涉仪技术为极高精度的实验提供了基础[7,8],预计精度高达10-15,甚至10-17.另外,微观粒子的自旋与地球引力场(地球自转)的耦合可能对等效原理的影响也在理论上开始了研究[9].

3 物体的自旋对等效原理的可能破坏

既然微观粒子的自旋可以与引力场耦合,那么宏观物体的转动同样有可能与引力场相互作用.如图2所示,如果旋转物体与非旋转物体在地球引力场中受到的引力不同,那么旋转物体与引力场的耦合可能有三种效应存在:

第一,旋转物体受到一个力矩的作用,使其自旋轴的指向在自由落体过程中发生改变,这称为自旋方向围绕一个固定方向的进动.这种效应存在于爱因斯坦广义相对论的预言之中(当然,这种效应与等效原理无关).广义相对论预言了两种类型的这种进动:一是由于地球周围的空间弯曲造成的进动;另一个是所谓的“参考系的拖曳”效应(是1918年lense和thirring首先用广义相对论方程计算获得的).到20世纪50年代,为了用陀螺检验这类效应而提出了gp-b(gravity probe-b)的引力卫星探测器计划.1964年,美国国家航空航天局开始资助这项计划,40年之后的2004年10月24日,这颗实验卫星发射升空.迄今为止,实验数据仍在分析之中.

第二,旋转物体受到的力矩作用,使其自转速率发生改变.这种效应还没有相应的理论给出过预言.

第三,旋转物体的质心受到一个附加的引力作用,使其质心自由落体的加速度不同于非旋转物体,因而图2中的两个球体不会同时落地,在这种意义上说,旋转物体破坏了等效原理.广义相对论没有给出这类预言.

这类预言出现在超越爱因斯坦广义相对论的引力规范理论(或者称为einstein-cardan型理论)之中.之所以要超越爱因斯坦,是因为广义相对论对于描写自旋粒子或自旋物体(或流体)有不足之处.描写一个自旋粒子或宏观自旋物体的物理量除了能量-动量张量之外,还要有与自旋有关的量即自旋张量.自旋张量也提供自旋粒子或自旋物体的能量,因而也应当对引力有贡献;但是广义相对论中没有包含这种贡献,这是其一;其二就是自旋粒子或自旋物体的能量-动量张量既有对称部分也有反对称部分,但是广义相对论中引力场的源只纳入了这里说的对称部分,而反对称部分对引力场没有贡献.引力规范理论通过引入一种新的传递引力相互作用的挠率场(torsion)把上述两种贡献包含了进去:自旋张量成为挠率场的源,能量-动量张量的反对称部分影响着挠率场的动力学.在这样的理论中,自旋粒子或旋转物体质心的运动将偏离测地运动,因而破坏等效原理(在此引用1973年我们文章中的结论[11]:在这样的理论中,“通常意义下的等效原理严格说来不再成立.这是因为,第一,有挠率时,作为引力势的联络在局部总是变不掉的;第二,自旋不同的粒子在引力场中的运动也不同.不过这种效应一般是很小的[12],因而可以预期对等效原理的偏离一般也很小”).

使用引力规范理论计算一个有一定尺度的旋转物体的这类效应是非常复杂而困难的事情.为了量级上的估计,我们使用了与模型无关的唯象分析方法对旋转物体与地球引力场的相互作用进行了估算,结果表明[13],在地球表面,一个现实尺度的旋转物体破坏等效原理的相对量级上限是10-14,进而提出了地面和空间的实验检验计划.在地面实验室,已经使用两个真空管进行了这类实验的观测:在一个真空管中,自由落体的陀螺高速旋转,另一个真空管中的自由落体陀螺没有旋转,结果表明,在10-7的精度内,等效原理成立[13].由于机械陀螺的摩擦力难于克服,高精度的实验需要在空间卫星上使用陀螺-加速度计进行,有关的空间实验还处于规划之中.

参考文献

[1] 爱因斯坦.广义相对论基础. 见: 爱因斯坦论著选编. 上海: 上海人民出版社, 1973. 36

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[3] 温伯格著, 邹振隆等译. 引力论和宇宙论:广义相对论的原理和应用. 北京: 科学出版社, 1980

[4] schlamminger s, choi k-y, wagner t a et al. phys. rev. lett., 2008,100: 041101

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[6] williams j g et al. phys. rev. lett., 2004,93 : 261101

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[11] 郭汉英,吴咏时,张元仲.科学通报,1973,18 : 72[guo h y, wu y s, zhang y z. chin. sci. bull., 1973,18:72(in chinese)]

第4篇：量子力学和广义相对论范文

关键词 “物理形状”概念；物理学存在的悖论及问题，解决方案与对策；“形状论”及物理学的未来；新一轮物理学革命

中图分类号o4-09 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）40-0107-03中国论文联盟

0 引言

引用 “物理形状”这一全新的概念及其由此产生的一群新的概念系统，并对它的深入研究，以期科学的和谐（吻合）的解决牛顿、爱因斯坦、普朗克等三大科学巨人理论之间的根本不和谐之处和遗留下的悖论（矛盾性）问题，大胆的假设并探索其解决方法。详细说明了确立并运用“物理形状”概念，进一步强化、深化对“形状论”研究的必要性和紧迫性。前瞻性预言并形象的描述了“物理形状论”的基本概念，理念和主要思想、研究框架和研究方法，以及“物理形状论”将要带来的科学的美好前景和巨大进展（成就）。对人类科学研究的基本理论、认知方式等前沿领域存在的种种“疾病”开出有效的“处方”，为新一轮物理学革命的发出凯旋的信号，敲响了闹钟。从不同侧面论述和描绘 “物理形状论”是能够彻底解决理论物理和宇宙学中的一切“矛盾”和“疾病”的根治方法。本文认为爱因斯坦和霍金等科学家一生寻找并未找到的“终极理论”的首选的后选之一。因此，呼唤必需尽快组织力量投入实质性的研究。“形状论”作为科学前沿领域的一种全新的认知方法和科学思想，有望从此研究中能够涌现出原创性，具有国际水平的世界级学术成果，将对物理界带来一些巨大变化并将会引发新一轮物理学革命。

1 问题的提出

牛顿发现宇宙引力后，随着运动定律的确立和完善，物理学逐步跟哲学和神学分家。物理学最终脱离纯粹的描述，进入了定量化分析和实验阶段，便成为了首届物理学革命起点的历史性标志。

爱因斯坦发表广义相对论之前，人们普遍认为物理学大夏基本竣工，今后的主要工作就是整理和组装而已。随着人们对微观世界认识的逐渐提高及深化对黑体辐射的有关研究，发现微粒子运动并不完全服从牛顿力学中行星（星体）活动和宏观物体活动的运动规律。牛顿力学在惯性参考系统中是合理的，但在非惯性参考系统中就无法得到支持。爱因斯坦通过广义相对论使牛顿力学进一步推广并发展到适合于非惯性参考系统。他运用洛伦兹坐标变换法，从牛顿力学中推出广义相对论，提出时间、质量及运动物体的长度不是绝对而是相对学说。广义相对论的伟大贡献在于他提出质能方程式e=mc2，促进人类利用核能的进程，竖起了研究微观粒子的基础。爱因斯坦的这一伟大贡献导致人们对物理学是否达到终极（顶点）的单纯崇拜和热潮。广义相对论的成功便成为了第二次物理学革命的标志。虽然爱因斯坦刷新了牛顿绝对时空概念并缔造量子力学的基础，但对量子力学未来持半信半疑的态度，反对量子力学的或然性统计法，受“上帝不会掷骰子”信念的影响一票否决。普朗克在相对论的基础上发展量子力学，开创了人类认识和研究微观世界的新时代，成了第三次物理学革命的代表人物。现代物理学已基本掌握了从宏观世界到微观世界所有物理现象和事件及其规律，但从牛顿一直到普朗克所建立的物理学基础理论中仍存在的缺陷，在注释或难以解决的事件以及在基础概念中的不确定性和有些矛盾性问题日益暴露。我们从上述事实中可看出，进一步深化物理学研究是当前存在的矛盾（悖论）和悖论问题的基础上兴起新一轮物理学革命的紧迫性、必要性。这一迫在眉睫事实，激烈期待着理论上有所突破和原始创新的诞生。

总而言之，《物理形状论》是能够彻底解决理论物理和宇宙学中的一切《悖论》和《疾病》的有效《处方》，爱因斯坦和霍金等科学家一生寻找并未找到的“终极理论”的首选的后选之一。因此须要及时组织力量投入实质性的研究，有望在此研究中能够涌现出原创性 ，具有国际水平的世界级学术成果，并将会对物理界带来一些革命性的变化。

物理形状论的核心思想和主要主张是：牛顿空间是存在，即绝对静止的空间的确存在；客观时间不存在，时间只是描述速度的主观工具；宇宙是由物质和空间等二元组成的；宇宙总的质能体积是常数。

2 物理学存在的悖论（矛盾）和新物理学的“敲门”

在经典物理学中，牛顿认为空间是绝对的。因此，牛顿力学对于非惯性参考系统不充当。爱因斯坦的相对论又认为时间、质量及运动物体长度不是绝对而相对的。量子不定性原理正是包含了这些刺手（扎手）问题。那上述都是准确无误的理论吗？霍金在自己的书里写道“广义相对论不是完整的学说，此理论和量子论不一定都正确” [1-2]。爱因斯坦本人曾经也提出“广义相对论不能认为一个完整的理论” [3]。人类科学历史告诉我们，任何时代的科学家不可能一下子推出完整的理论，为诞生比较完整的理论需要走弯弯曲曲、艰巨繁重、逐步完善的过程才能得成。那么有必要对上述理论进行深入研究，便会更清楚的体会。

牛顿力学中的以太，空间（空隙）等概念是空间的两种名称，其判定空间的绝对静止（以太的静止）。这是牛顿力学理念中符合逻辑的一个观点。迈克尔孙-莫雷实验的结果被认为证实了以太的不存在。实际上此实验证明的不是以太不存在，而只是证明了以太（空间）的绝对静止的性质。

牛顿的运动定律对于惯性系统有效的。加入惯性力后牛顿力学同样可运用于非惯性系统。广义相对论是牛顿力学引用于非惯性系统的成果。“如光速趋向无穷大，那相对论变为经典物理学。如普朗克常数趋向零，那量子力学变成经典力学。显然，它们俩并没有反放弃经典物理学，只是认为最终界定。现代相对论的量子场理论对于怎样的理论作最终界定呢？这还是一个未知数”[4]。牛顿力学的空间理念与广义相对论空间之间存在一定的差距。牛顿提出的空间（以太）是绝对静止的空间，而相对论所提的时空空间、场论等都是物质和空间的混合体，它只是个物质环境。爱因斯坦认为物质和空间没有严格区分对待。牛顿时间是个绝对时间（时光），时间的绝对化不符合实际。爱因斯坦在狭义相对论中否认以太的存在，但在广义相对论中引入绝对化的时空坐标空间（在这里静止空间被时空空间所代替），实际上这等于把以太为主的静止背景引入到广义相对论中。“绝对静止的牛顿空间的重现，牵涉到爱因斯坦和他相对论的权威。”[5]上述所提到的一系列论证和卡生木·斯迪克的“白纸模型图1：形状和背景”被认为符合逻辑的情况下，我们不得不说牛顿空间不复存在。显而易见，牛顿空间的绝对化和爱因斯坦的时间、空间一并认为时空的绝对化都产生了理论上缺陷。

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相对论中最为荒谬之处，就是运动曲率取决于时空弯曲的说法。时间是主观范畴，空间是具有无形性、无限性和持续性的客观真实性。将把无形的客观空间说成是弯曲的纯属是个谬误的愚蠢话题。时间是主观范畴，它不是客观物理量。物理过程始终不渴望时间，但，它（时间）是描述速度的必备工具，同时也是具有哲学意义认知方式方法问题。然而，宇宙中不存在时间，它是周期性运动所引起的错觉而已。爱因斯坦认为物质运动的弯曲由三维时空的曲率所造成的。物质运动的弯曲和空间弯曲都是同等价值概念。如果说物质弯曲那这弯曲取正数值，说空间弯曲那这弯曲取负数值。然而，这两个概念互换引用看起来不存在问题，但时空空间弯曲的说法不合理。因为它们俩都不具备形状中国论文联盟

运动的本质总是具有曲率的，所谓的直线运动是不存在。只有“运动弯曲”才能得到“周期性宇宙模型”；可以生成物体，系统和生命；守恒定理同样有效。直线运动只是弯曲运动的近似化（概算微型化）的一部分而已。运动的曲率不是空间的曲率造成的，而是物体在空间中沿着三维曲线运动，各方向运动量的合计就等同于物体运动的总量。物体与外界没有进行能量交换的情况下，物体任意方向速度的增减都引起其他方向速度的增减。比如：自转运动时的物体在轨道式运动时，如减小角速度，将增加线性运动速度。线性加速度等于某一个外力值，这叫做偏向力。偏向力是导致物体运动弯曲的原因。这种观点符合能量转换守恒规律。物体与外界没有进行能量变换的情况下，无论各方向运动发生怎样的变化机械能量大小及物体总运动量不变。 量子力学以相对论作为自己基本理论依据，把概率统计作为重要研究方法取得了一定的发展。但目前量子力学遇到了一系列矛盾性问题。这些问题包括无法同一时间判别粒子的位置和速度、物质无穷分裂观点等等。我们要清楚，物理理论和研究方向方面的问题都会产生一系列难题。假如，就按照图三所表示，如果假设《运动是直》的将无法得到宇宙的周期性；无法生成物质、系统和生命；守恒定律同样有效。

量子力学中物质无穷分裂理念还未通过更严格的逻辑性核查。在这里，我们在修正基本理论缺陷的基础上诞生的物理形状论来分析上述矛盾性问题及其处理。

3物理学中的矛盾及探索有效解决的新方法

根据经典哲学家的定义：“物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感知而存在，为我们的感觉所腹泻、摄影、反映。”[6]也就是说，物质只因为具有一定的形状，我们才能发现它。物质的形状叫做“物理性状”。那么，什么叫“物理形状”呢？“物理形状”是指具有一定光学和几何的形态（形状、形情）。物理形状论是把物理实在（事实）以“形状”方面的实在探索作为研究方式的全新物理理论。物理形状论基本概念有：物理形状、背景、白纸模型、“虚无与牛顿空间”、绝对体积、最基本粒子、覆盖、运动、运动的形式、运动的曲率和周期性、牛顿点、空间的客观性质和基本空间、绝对速度、时间的主观性和基本时间、系统构造、连续性及断续性、基本单位等。物理形状论具体研究方式是坚持守恒定律对于宇宙任何时刻都有效及其永恒定律的立场、坚持物理真实性的客观性，避免主观方式与客观真实性相混合、滥用，从粒子到整个宇宙的具体事实描述为服从共同规律，放弃与此描述有冲突的假设，相吻合的假设坚决延续到底，从而生成所有自然科学的交叉整合方法研究方式。

物理形状论的基本观点和根本理念：运动本质是弯曲的，无法想象脱离了形状的物质世界；所有宇宙具有周期性；守恒定律对宇宙的任何时刻都有效、合理；时间是主观的；宇宙里的所有质能量具有绝对体积。一旦这些理念被公认并与理论物理学、实验物 理学和宇宙学相结合，就能够合理解决经典物理学理论中存在的缺陷及其所引起的一系列矛盾性（悖论）、不定性问题，从而可开创新一轮的物理革命。

物理形状论认为空间（空隙、空态）是无形性、无限性和持续性的客观真实存在（实在）。它是绝对静止的，没有物质的环境。空间是物质运动持续的必备条件。用此观点看，没有必要说空间是以太，时间是时空空隙的说法。如果把电场、磁场、引力场认为物质与空间的混合体，那电磁波在电磁场中传播的说法其实等于粒子在空间的传播或任何效应在空间里通过物质（粒子）运动来传送。空间是物质运动持续的必备条件。没有空间的情况下，所有物质将紧贴在一起并会自动的相互渗透一个整体物体，无法独立、单个的存在，更无法提起任何形式的运动和宇宙膨胀。

光速不变原理是否正确？爱因斯坦把光速不变原理在广义相对论中作为重要概念提出。从相对论的近期发展中可看出，存在比光速更快的速度，即：存在人类还没有发现或意识到的一种超光速度，这就是绝对速度。

引用物理形状论可以解决海森伯格不确定性问题。物理形状论认为空间的最小单位是牛顿点。物理形状论引入时间足够小的单位（kkms）标准后，粒子速度就变成较容易发现的低速度，从而我们可能发现粒子在一个kkms（千千秒）时间内经过一定牛顿点的过程。这样就可能在同一时刻测定出粒子的位置和速度。

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爱因斯坦认为能量是连续的；量子力学认为能量具有量子性质。此矛盾可引用物理形状论白纸模型二（图4）来能够得到合理的解释。图中，满足圆圈a和圆圈an（a是量子，an是n个量子）的生存必须存在平面b（空间、空隙）。如果作为客观实在（事实）的平面b不存在，任何形式的量子和单个体就不可能存在。这样，所有质能量集聚于作为绝对连续物质环境的极小一个点上，不能生成系统和物体[5]。在这里平面b是绝对静止的牛顿空间，平面b上存在能量和物质是不合理的。中国论文联盟

上述论点是引用物理形状论来合理解释经典物理学一些矛盾的几个典型实例。由此，大家可以初步感受到物理形状论的重要意义。由于时间及版面的有限性，深入思考的机会留给了广大读者和研究人员。

图4白纸模型二：空间和量子

4新一轮物理学革命和物理形状论的几个创新亮点[7]

物理形状论以全新的方式方法，为所有的自然科学及哲学提供一个非同寻常的认知方式和认知论，同时在如下12项目中做到原始性自主创新。这些都属于目前人类需要解决的物理界、宇宙界和哲学界亟待解决的重大学术问题，其中任意一项问题的解决均能算为给人类科学事业做出的重大贡献：

1）物理形状论引入背景、虚无概念，回答了从牛顿一直到爱因斯坦等科学家都未能回答的、直到目前未解决的宇宙是否无限这个问题。通过“白纸模型：图1、2、3”来有效的解释。同时，反驳和“宇宙从奇点（零点）开始，最终消失的观念。在奇点上所有物理学规律失去意义”的错误宇宙观点，并提出“奇点是前一次周期的终点，同时也是新一轮周期的始点，守恒定律在奇点同样有效”的全新宇宙概念；

2）通过坚实的逻辑推理和证实，推论出物质不会无限分裂而且存在最小单位的正真含义上的最基本粒子的观点。为了纪念科学巨人爱因斯坦及其他对人类科学事业的伟大贡献，给基本粒子命名为“爱因（ein）”，并初步计算出“爱因”的标准、静止质量、运动量以及支撑表格形式，描述出基本粒子的性质等。“物理形状论”认为自然界的基本单元不仅仅是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子；弦也是由真正意义上的基本粒子组成的。将此很小很小的最基本粒子命名为“爱因（ein）”。前瞻性的预言并认为“物理形状论”是目前最有希望将牛顿、爱因斯坦和普朗等三大科学巨头的理论统一起来，并能够有效衔接到同一科学轨道上，比较全面的而系统和谐的描述宇宙万物的统一的“终极理论”即：“m理论”后选理论之一；

3）解决了爱因斯坦时空观点及光速不变原理造成的难题和相悖论（此问题的哲学、逻辑方面已得到解决，现正处于数学计算和量化分析阶段）。站在时间是主观范畴的立场，完成了宇宙的一天、宇宙表等必备时间对照表。在此基础上创立了时间最小的单位千千秒（kkms），为人类科学研究提供了必要而充足的时间标准；

4）提出了能够解决海森伯格不确定性原理所导致的难题与经典物理学之间矛盾的哲学逻辑基础。2500年以来没有得到解决的芝诺悖论也有了相应答案（此问题哲学、逻辑方面已得到解决）；

5）证实了比光速30×105km/s（30万km/s）更快的超光速度的存在；

6）爱因斯坦是依靠时空弯曲来解释物质运动的弯曲，而物理形状论是靠偏向现象来解释物质运动的弯曲，即偏向现象是引起物质（正真意义上的最基本粒子及系统）运动弯曲的主要原因。物理形状论第25-28等四个定理中提出“不是空间弯曲，而是运动弯曲。空间的几何形状由运动的形状来决定”等全新观点并已得到哲学、逻辑学方面的证实；

7）提供对称性、对称性的畸变和关于物质构造隐晦曲折问题解决的可能性。提出关于物质、宇宙构造的新观点和学说；

8）量子特征在物理形状论中有着广泛意义，即被认为从宏观宇宙的构造到微粒子、正真含义的基本粒子都具有量子（间断性、层状）特征；

9）提出光的本质是粒子，波动性是其（光的）运动形式而已的新思想，坚决反驳光是具有波动性又是粒子为特征的相互悖论性观点，并提出“永别波动邪说”的观点；

10）指出“力”和“场”概念的有效范围，给力同一论提供宝贵的科学线索。依照上述理论基础上，科学的吻合的衔接牛顿、普朗克、爱因斯坦理论之间的抵触和不和谐的悖论之外，奠基建立了统一的物理学新大夏的哲学、逻辑理论坚实基础。牛顿、爱因斯坦引力理念和实际“力”、“场”理念未能解决的关于宏、微观世界的问题可通过物理形状论的第29、第41定理（科学假设）来有望更加合理的加以解决（哲学、逻辑、数学方面已得到解决，现需要实验来证明）；

11）推出运动主观形状（粒子、物体）和运动方式的独立概念，特别强调避免此两种概念颠倒。提出未确定运动形状的情况下不能正确表达实际速度的观点。这正是找出实际速度的新方式；

12）确立绝对体积、覆盖和可见体积观点，提供找出最高（临界）速度实际值的新方法。证实了光速不变原理的弱点，从而开创了这原理产生的种种悖论问题解决的新思路。

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5 开展“物理形状论”研究的必要性和紧迫性

1）及时开展物理形状论研究是积极相应中央国务院“科教兴国，建设人才强国，坚持自主创新、建设创新型国家”的战略号召的重要，取得一批世界先进水平的科学成就，不禁能够提高我国在国际社会上的综合实力、影响力和国际科学权威，而且有可能使中国变成21世纪世界的科学中心；

2）物理形状论中有几个世界性的主题。如果国家立项，建立实验室，组织科研队伍，加大研究力度，获得诺贝尔奖的百年梦想有望将在不遥远的未来诞生在中华大地。然而，物理形状论早在十几年前提出的研究成过，目前美国等几个国家的一些科学家最在作为新的发现或学术成果的名义向世人布近公布，得到理论上的支持并具有相当的吻合性。就此，将物理形状论研究的紧迫性、重要性可想而知了。如果目前的冷漠不认得情况再继续下去，很可能错过难得的机会；中国论文联盟

3）进入生物学形状论，给基因研究、医学提供新的理论工具，在争竞激烈的科学前沿领域把握机遇、抢占竞争优势，掌握主动权，占据制高点；

4）进入化学形状论，给化学提供新的一个研究框架和认知方法，进一步加快该领域的跨越式大发展。尤其在新材料技术，绿色化学领域可取得突破性的进展或属于原创性的重大科学成果；

5）哲学和形状论的成功结合，使哲学系统获得全新的活力，从而新的哲学问题和实际问题能够给予合理的解释和得到有效解决。中国论文联盟

参考文献

[1]喀什教育学院学报[j]（自然科学、维吾尔语文版），2009(6).

[2]霍金.“时间简史”第1本.[m].新疆卫生出版社.维吾尔语版本，2005：19-21.

[3]爱因斯坦文集[m].商务出版社，1977：534.

[4][苏联]雷德尼克(в.и.рыдник)著“场”[m].维吾尔语版本，1986，12：307.

[5]卡生木·斯迪克.“关于理论物理学和数学中几点问题的看法”.喀什教育学院学报[j]（自然科学、维吾尔文版），2010(5)：31、33.

[6]杨玉辉.现代科学技术哲学[m].人民出版社.北京：2010，5：35.

第5篇：量子力学和广义相对论范文

本书是一本关于光、能量、质量、空间、时间和引力的通俗读物，其内容围绕诸如爱因斯坦的生活和历史背景，详细地阐述了狭义相对论和广义相对论的理论要点。作者为普通读者解释狭义相对论和广义相对论究竟都是怎么想出来的。书中利用了很多生动的图例和思想实验，深入浅出地阐明物理学家们如何创造问题模型和求解这些模型。爱因斯坦本人善于用一些简易的思想实验，借助物理的和几何的图像理解奇妙的理论。作者力求尽可能地遵循爱因斯坦的这种原始的思想和推理方法，引导读者领会相对论所涉及到的基本论点。作者希望能使读者发挥自己的想象力，不依靠复杂的数学理解相对论的精髓。然而，物理学之美常在于人们可以计算一些数是怎么来的。因此作者在书中尽最大努力只用初等数学描述相对论的方程和它们的最重要的精确解。即使那些显示时空弯曲的复杂的爱因斯坦引力方程，作者也尽量用普通的语言简要地介绍，使读者能够看到为什么它是最简单的和可能的引力理论；并利用这些方程的典型解，探讨广义相对论最有名的预言：光线的弯曲，行星的进动进动是一个物理学名词，指一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称为进动，也称旋进。、黑洞以及宇宙大爆炸等等；而且扼要解释了为什么引力理论不能与量子理论适合等问题。

全书内容共分成10章：1.光、物质和能量；2.光、时间、质量和长度；3.光、电和磁；4.加速度和惯性； 5.惯性和引力；6.等效原理在起作用；7.质量如何创建引力； 8.求解爱因斯坦引力方程；9.广义相对论在起作用； 10.后记。

作为一部科普著作，作者利用浅显易懂的通俗语言、精心制作的彩图和生动直观的思想实验思想实验是科学研究中的重要方法，它是将实验条件、过程在思维中以理想化的方式表现出来。来代替抽象的数学计算，引导具有初等知识水平的广大读者能够理解深奥的主题。该书对于希望了解相对论的具有高中以上知识水平的读者是一部很容易入门的优秀作品。

第6篇：量子力学和广义相对论范文

1929年哈勃宣布：“宇宙正在膨胀着。星系之间的空间随时间线性增加，星系本身并没有改变；而且星系越远，离去得越快” 〔1-p115〕。而后，由列梅特、伽莫夫等人发展为大爆炸理论，基本要点是：在100-200亿年之前，宇宙生之于一次大爆炸，物质、能量、时间和空间都由爆炸中创生，爆炸前那种原始的无限稠密被称为“奇点”,由爆炸引起的膨胀，现在仍在继续着。从30年代开始，膨胀的宇宙模型已经为大多数宇宙学家所接受，现在被称为现代宇宙学标准模型。现代宇宙学被定义为：“以广义相对论为理论基础，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下,研究整体宇宙的结构、运动和演化规律的一门学科”(2-p85)。

此前15年，斯利弗在美国天文学协会的一次会议上，公布的观察结果是：“一些明亮星云(后来被证实是星系)，既有蓝移的，也有红移的”；更远的弱光星云，“全都展示红移”(1-p111)。没有做出任何解释。哈勃有效地以“宇宙梯”法解决了确定星系距离的问题之后，通过对自己测定的24个河外星系距离的分析，发现红移量大致同星系距离成正比，即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)＝d1/d2。当时普遍认为，这个结果“唯一可能的物理学解释便是河外星系都在以正比于它们距离的速度退离我们而去”〔3-p140〕，由此得出的h＝v/d，被称为哈勃定律。其中h为哈勃常数，d为星系距离，v为星系退离速度。d和v“都不是可测量的量”(8-p403)。

哈勃定律作为膨胀宇宙论的基础原典、现代宇宙学的观测依据，存在如下纰漏：1、该定律中既没有可观测的物理量，何以能成为“观测依据”?又缺乏作为必要条件的观测数据，如何判定其正确?

2、设星系在t内退离距离d=vt=hdt；依据哈勃关系式λ/λ=d/d，λ应随时间线性增加，即该定律成立的必要条件是红移谱线持续移动而不是红移。

3.取h=3×10-2m/s光年，代入λ/λ=d/d=ht=3×10-2m/s光年·t=10-10/年·t可知，任一星系的λ/λ都将以每年10-10持续增加。60年代观测精度(λ/λ～2.5×10-15)已达这个数据的4×104倍，要证明哈勃定律成立，就必须提供对同一星系λ/λ随时间线性增加的观测证据。

近40年来，新理论与新技术的结合，相继发现了一些不调和的红移现象。海尔天文台的阿普80年代末就宣称：“我们已知有38个不调和红移天体与24个星系相关联。这个数字之大，不允许我们将它一笔勾销”(1-p151)。依据这些佐证，至少在某些情况下，关于红移跟膨胀关联的传统解释是错的。

红移跟运动的关联确实并不具有唯一性。依据狭义相对论，运动物体发出的光被静止者观测时将发生频移，和声波频移机理相同，用多普勒效应解释没有错。依据广义相对论，具有强引力场的静止物体发出的光，在引力势较高处观测也要红移。即光的频移有两种机制，声波频移却仅有一种，用多普勒频移解释光现象就必然会丢失引力频移机制。通常的解释是：“引力不能定量解释星系的普遍红移，引力效应至少不占主导地位”(4-p509)，可以忽略不计；霍金的说法是：“星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应”(5-p47)。

哈勃宣布宇宙在膨胀时，全世界能够理解广义相对论的人寥若晨星，“据记载，本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了下，然后回答：我正在想这第三个人是谁”(5-p83)；50年代之前，“广义相对论大体上是数学的一个分支”，60年代之后才“从考察数学结构到开始按照物理来思考”(6-p72)；尤为重要的是，这个时期利用穆斯堡尔效应在高度差h=22.5m的条件下，“极其精密地测得57fe的一条γ谱线的紫移，波长相对变化仅有λ/λ≌gh/c2～2.5×10-15，与理论预告值在误差范围内符合”(7-p94)。引力频移被精确地测量出来后，就不得不承认“引力是一种极其巨大的力量”(6-p66)。即此不难算出，在地球引力场中γ光子通过22.5m，需时t1=h/c=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。

由哈勃关系λ/λ=d/d=ht=10-10/年·t；当λ/λ～2.5×10-15时，t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。

依据平直而各向同性的宇宙学原理,当λ/λ～2.5×10-15时，引力效应/哈勃效应=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很显然忽略引力效应肯定是个重大失误。

大爆炸——膨胀宇宙论被称为标准宇宙模型，存在3个问题：其一、不考虑引力效应就不符合现代宇宙学的定义；其二、40年前就测出的引力频移比膨胀效应大1010数量级，早已粉碎了“唯一的物理学解释”神话；其三、“广义相对论用时空结构的几何性质来表示引力场”(8-p328)，哈勃当时并不理解，用多普勒效应解释红移属于以偏概全；时至今日如果仍不考虑引力效应，宇宙常数偏小、退离速度偏大的错谬，将永远不可能得到纠正。

为了确定引力跟红移的定量关系，特作如下讨论：

一、改变高度差重做穆斯堡尔实验，依据两次测得的数据，可以确定：

1、红移相对变化量跟距离还是距离平方相关；

2、导出相关公式，为比较引力贡献和哈勃贡献提供依据。

二、有人认为，光在漫长的星际旅

途中会受到无数恒星的影响，其左弯右折必然使红移量产生较大改变，无法予以判定。其实并非如此，可依据右图阐明如下：图中a为发光恒星，m、n为两个恒星，p为太阳；光线ab受它们影响的实际传播线路为ab、bc、cd、de、ef；f为地球，fa为依据经验认定的光传播线路。实际上bc是光在m附近沿能级相同的测地线通过的轨迹，能够影响红移的仅为b′c′。即此可得如下推论：

推论1、光无论受多少恒星影响发生左弯右折，决定红移或紫移的只有直线距离。

推论2、a使光红移，f使光紫移，由于m地《m恒，地球的影响可以忽略不计。

推论3、由实验得出的公式，可以用于定量解释星系的普遍红移，同时将成为确证哈勃定律正确与否的判据。

参 考 书 目

1、(美)巴里·派克著 爱因斯坦的梦 湖南师范大学出版社 1989年

2、薛晓舟等著 现代物理学的哲学问题 河南大学出版社 1996年

3、袁正光主编 领导干部科普知识全书 改革出版社 2000年

4、大百科全书编委会 大百科全书·物理卷 大百科全书出版社

5、(英)霍金著 许明贤等译 时间简史 湖南科技出版社 1995年

6、(英)霍金著 胡小明等译 时间简史续篇 湖南科技出版社 1995年

7、倪光炯等著 近代物理 上海科技出版社 1979年

8、董光璧等著 世界物理学史 吉林教育出版社 1994年

二、光速不变与波粒二象性

在讨论这两个问题之前，首先需要廊清物理学理论中的3种观念。

1、物理学不研究“物质”，正如没有人能够讲出“水果”是什么滋味一样，因为二者都是抽象的类概念。实际上物理学只研究质量、电量、能量跟时空的关系，“物质”属于误用的哲学概念。

2、从牛顿那个时代开始，物理学就分牛顿范式和非牛顿范式，前者研究孤立质点运动的规律，后者探讨热、光、电、磁的本质；现在已经非常清楚，热、光、电、磁现象的本质都是电磁波，统称为能量。

3、现代物理学理论可以分为以质量计量、用时空描述，以能量计量、用位形描述两大体系，物理客体理应分为质量系统和能量系统两大类。同理粒子物理学就应该分清质量子(即费米子)和能量子(即玻色子)，本质差异在于有没有静质量。

据此，先讨论光速不变问题。

所谓的光速不变是一种简称，实际所指是光速与光源运动的速度无关，或曰：光总是各向同性的。依据“质量是惯性的量度”，光子没有静质量，自然就应该与光源的惯性无关。人们通常表现出的“不理解”，根源在于误认为任何“物质”都具有惯性，忘记了惯性只与质量相关，属于牛顿范式独霸天下产生的常识性错误，不清楚物理客体应该分为质量系统和能量系统两大类。

讨论光的各向同性，首先必须依据两系统结构论确立如下观念：所谓的宇宙是质量体(包括电子、质子、原子、分子到其大无比的天球)悬浮在能量海洋(即连续辐射)中的巨系统。只有当能量(子)从质量体中放出(或被吸收)时，才表现出一份一份的粒子属性，被称为光子；而这种能量(团)在连续辐射的海洋中传播时，则总表现为波。只需要以石块掷入水中后，水波总是各向同性传播为类比，就很容易理解光波总是各向同性的道理。

得布罗意提出波粒二象性，至今已有七十余年，开始时说微观“物质”既是粒子又是波，后来改为既不是粒子又不是波；由于实际测量的结果是：用干涉仪得到衍射图象，用计数器记下的是粒子数，就将微观粒子的实在性跟意识联系起来，认为究竟是粒子还是波，由测量者的意识所决定，关键在于选用什么样的仪器。直到今天波粒二象性依旧是个说不清道不明的谜。

实际上只需要摈弃掉“物质”这个误用的哲学概念，并承认物理客体分质量、能量两个系统，问题即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述，只需要将在能量海洋中传播和由质量体吸收(或放出)分开考虑，答案就已经非常明确：波属于能量系统的属性，而粒子性总跟质量系统相关。

光子属于能量子，现在讨论质量子的问题。依据量子运动的特点，粒子永远不会停止运动。按en＝n2h2/8ml2被关在l＝4a箱内的电子(m=me=9.1×10-31kg)，最低能量状态(基态)也还有2.3ev能量，通常称它为电子的动能，又是一种植根于“物质”这个误用概念的常识性错误。量子场论承认微观存在分粒子和场，每一种粒子都对应着一种场，却讲不清二者之间的关系究竟如何。只需要将电子放到质能两系统结构论的框架去考察，就不难发现所谓的电子动能并非属于电子，而是网络态的能量海洋作用于电子的结果。任何粒子实际上都处在“树欲静而风不止”的被动状态，传统将这种能量理解为电子“自能”，是基于质、能不分产生的常识性错误。试想：空中悬浮的气球不能静止的原因在于空中能量分布不均衡，水中木屑的动能亦来自于水，都不属于气球和木屑自身所有；即此为类比就不难理解粒子性和波之间的相互关系。

结论：所谓的波粒二象性，是使用分别适用于能量或质量系统的仪器，检测由质量子和能量子构成的复合态产生的不同效应。

验证实验：同时使用干涉仪和计数器对质量子进行观测，当光栅的隙缝小于粒子的直径时，放在光栅背后的计数器就不会记下粒子数。理由是通过光栅的只能是能量海洋中传递的一列波，具有静质量的粒子将被“滤”掉。

三、绝对时间和相对相间

牛

顿将时间分为“自身在那里流”的绝对时间和“可感知的及外界的度量”的相对时间。狭义相对论预言“动钟变慢”；广义相对论预言“一个钟所处的引力势越低(深)，它走得越慢”。通常都说相对论的预言被证实，说明牛顿的时间观念是错的；实际上恰恰相反，即此正好证明了时间确实有绝对和相对之分。

牛顿之前，惠更斯已导出单摆周期公式t＝2π(l/g)1/2，据此发明的摆钟至今仍在使用，其走时快慢与g直接相关：g越大，t越小，走时读数即变大；反之即被称为变慢。这个结果为什么正好跟广义相对论的预言相反呢?因为物理学研究的客体分两个系统：一是由牛顿范式沿袭而来的，用质量计量、用时间和空间描述运动的质量系统；一是由非牛顿范式沿袭而来的，用能量计量、用位形描述运动的能量系统。摆钟的读数属于质量系统计量的相对时间，可以通过调节摆长l使所有的钟走时一致，其作用直接源于发条的弹性势。刚旋紧发条时走时慢些，发条松弛时走时即变快。

用原子钟实测的结果正好跟广义相对论预言一致，这又是为什么呢?由于原子释放能量子跟它所处环境的能级直接相关，而能量子的t即代表该能级的内禀时间，由能密梯度g′决定，是无法人为改变的，故而称之为绝对时间。

如图所示，行星r从远日点n向近日点m运行时，动能(正能)逐渐增大，g亦随之增大；由m向n运行时，势能(负能)逐渐增大，g′亦随之增大。沿nm方向，正能密梯度g递增，负能密梯度g′递减。原子钟走时由g′决定，显示的是绝对时间；摆钟走时由g决定，显示的则是相对时间。

小结：绝对时间是弯曲时空(负能密梯度决定其曲率)的内禀时间，传统使用的摆钟“度量”的属于相对时间。当使用人为规定的时间标准去度量负能量海的内禀时间时，就必然会出现时间变快或变慢的实测结果。

验证实验：将在同一地点校准的摆钟和原子钟各一枚，用气球带上高空，依据电台播放的校钟讯号去校钟时，原子钟的读数要大些(变快)，摆钟则变慢。

意义：该实验可以确证：

1、狄拉克所说的负能量海即是充满连续辐射的广袤空域；

第7篇：量子力学和广义相对论范文

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、 在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ，2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二） 在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子， 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、 在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘， 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

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[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262

第8篇：量子力学和广义相对论范文

陈新亮（1970.3-），男，汉族，河北怀来人，河北北方学院艺术学院党委书记，公共管理硕士，社会科学副研究员，主要研究方向大学生思想政治教育管理。

摘要：时空观是关于时间和空间的根本看法和根本观点，是自然观的重要组成部分。在科学史上，每一次重大理论的变革往往伴随着新时空观的诞生。在牛顿力学体系中产生的绝对时空观使人们的思维机械化，世间一切皆在做机械运动。20世纪初，相对论诞生于世，从而赋予了时间和空间以崭新的概念，改变了传统的绝对时空观。相对论从根本上改变了人们对时间和空间的看法：时间和空间是紧密联系的，时间、空间和物质密不可分，时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。相对论革新了旧的牛顿时空观，对科学和哲学产生了巨大的影响。本文先论述前爱因斯坦的牛顿绝对时空观，再阐述爱因斯坦相对论对时空理论的变革，进而说明爱因斯坦相对论变革时空观对科学和哲学的意义。

关键词：时空观；牛顿的绝对时间观和绝对空间观；相对论

时空观，顾名思义，就是对时间和空间的根本看法和根本观点，它构成了哲学上自然观的重要内容和组成部分。随着科学与社会的发展，人们对于时间和空间的认识也在不断地加深。20世纪初发生了现代物理学革命，在这个激动人心的年代里，爱因斯坦相对论的诞生彻底否定了牛顿经典力学体系的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间所具有的本质属性和它们与物质以及物质运动的关系，引起了时空学说的一次重大变革，形成了新的时空观并产生了深远的影响。目前学者们对于爱因斯坦相对论引起时空观变革这一问题的研究已经取得了重大成果，但是对此问题应当有个简明、清晰的系统阐述。本文预从介绍前爱因斯坦的时空观，重点介绍牛顿的绝对时空观入手，进而阐明爱因斯坦相对论变革时空观的内容和意义。

一、对爱因斯坦时空观的概述

从古至今，无论在中国还是在西方，科学上和哲学上的一个大的课题就是关于时间和空间的问题，人们总是在问时间和空间究竟是什么。中国古代就有这样的说法，古往今来为宙，上下四方为宇。显而易见，在这里，“宙”指的是时间，即过去、当今和未来以及白天与黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而这种时间的观念来自于平日里对自然现象的观察和经验的直觉。“宇”则指的是空间，即上下左右前后、东南西北。时间是无始无终的，空间是无边无际的。在西方，许多先哲也思考了时间和空间的问题。

（一）时空观概述

古希腊哲学家德谟克利特认为空间和时间是没有物质的时空，柏拉图则认为时间是在存在之外的。对时间和空间形成系统认识的人，最早是古希腊的亚里士多德，关于时间的问题，亚里士多德提出时间是描述“运动”的“数”，他指出：“变化总是或快或慢，而时间没有快慢。因为快慢是用时间确定的：所谓快就是时间短而变化大，所谓慢就是时间长而变化小；而时间不能用时间确定，也不用运动变化中已达到的量或已达到的质来确定。”[1] 由此可见时间不是运动，而是描述运动的数。亚里士多德认为大地是球形的，地球是宇宙的中心。物体在宇宙中的位置具有关键的作用，每个物体都有各自的天然位置，只要没有阻挡，它们都会到达各自的天然位置。[2] 在当时教会统治人们思想的社会背景下以及当时的社会和科学发展水平，加之亚里士多德的时空观符合人们当时对自然现象的认识，以至于亚里士多德的时空观对人们的思维造成了很长时间的影响。但是，由于科学技术的进步，哥白尼提出了日心说，彻底否定了地球是宇宙中心的说法。到17世纪，伽利略提出了力学相对性原理，亚里士多德的时空观才被伽利略用明确的语言和简单的物理现象所批驳。紧随其后，牛顿提出了绝对时间观和绝对空间观。之后，康德认为时间和空间意识是人类的先天直观形式，而不是从感觉经验中得来的。当然，人们对于时间和空间性质的认识不仅仅停留在哲学层次上，关于时间和空间问题的思考也不只是哲学家所专有的事情。在科学层次上，科学家们也在不断地探索时间和空间的属性，法国科学家彭加勒认为时间和空间都不是先天的，而是为了某种目的约定的。爱因斯坦相对论时空观主要革新了牛顿的绝对时空观，因此重点介绍一下牛顿的绝对时间观和绝对空间观。

（二）牛顿的绝对时空观

牛顿站在巨人的肩膀上，综合了哥白尼和伽利略等人的科学成就，建立了牛顿经典力学体系，并且给他的经典力学理论引入了绝对时间和绝对空间的概念，创立了绝对时间观和绝对空间观。

牛顿为何要引入绝对时间和绝对空间的概念？我们又该如何理解牛顿所定义的绝对时间和绝对空间，想要弄清这些问题就要从牛顿所建立的经典力学说起了。物体的运动状态及其改变是经典力学讨论的主要对象，而万事万物的运动又都离不开时间和空间，都要在一定的时间和空间中进行。[3] 一切运动都是物体本身位置的变化，这样看来位置就用到了空间的含义，变化则用到了速度，也就是用到了时间的含义，所以牛顿的经典力学体系必定要与一定的时间和空间相联系。然而，描述机械运动又必然不能离开参照系，但是并不是所有的参照系都适用于牛顿定律，我们常常把适用于牛顿定律的参照系称之为惯性参照系。那么惯性参照系到底是什么呢，牛顿经典力学本身的理论框架也不能对此给出确切的说明。因此，为了解决这个问题，牛顿便引入了绝对时间和绝对空间的概念。牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中写道：“绝对的、真正的和数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”[4] 这里的时间，我们可以形象地把它比拟成永远流逝着的水，也可以把它想象成一根无限延长的线，无论哪样，它都与周围的任何环境无关；而这里的空间，我们也可以把它形象地比拟成一个与任何特殊物质无关的、能够容纳万事万物的、静止的大容器。

牛顿把自己定义的这样的时间和空间称为绝对时间和绝对空间，由此便形成了牛顿的绝对时间观和绝对空间观。对于牛顿绝对时空观的基本思想，主要有下列三个方面。

1.同时性是绝对的

在牛顿的绝对时空观中，同时性是绝对的、无条件的，也就是说，在不同地方发生的两件事情，如果对一个惯性参照系来说是同时发生的，那么无论对其它任何惯性参照系来说必定都是同时发生的。所以，对准过的两个钟表，不管把它们放在任何不同的地方，无论它们是否有相对运动产生，钟表总是同步的。在这个方面上，牛顿的绝对时空观似乎是符合我们的生活经验的。

2.时间是绝对的，空间也是绝对的

在这里，时间是绝对的指的是时间间隔的绝对性。也就是说，如果一个房间的时钟走了十分钟，那么世界上任何时钟都走了十分钟，无论它们在何种运动状态下。而空间也是绝对的指的是空间距离的绝对性。比如说，一根笔的长度，当以某一个参照系测量它是十厘米时，那么从别的参照系测量它时，它也是十厘米，而与参照系的运动状态无关。

3.时间和空间是各自独立，互不相关的并且与物质及其运动无关

按照牛顿绝对时间和绝对空间的观点，时间和空间各不相关，而且时间和空间是脱离物质运动而存在的，时间和空间具有绝对性，这也就是说，时间和空间只是单独的存在，这种存在不受周围任何事物的影响。

牛顿的绝对时间观和绝对空间观是符合我们的生活经验的，并且适用于当时的科学实验，因而人们很容易理解和接受这种观点。随着科学的进步，到19世纪末，麦克斯韦电磁理论发展起来，牛顿的绝对时空观显现出它自身的局限性，牛顿绝对时空观只适用于物体在宏观低速下的运动规律，而对于在微观高速下的运动则无能为力。正是在这种背景下，发生了现代物理学革命，相对论出现在人们眼前。爱因斯坦相对论革新了牛顿的时空理论，创建了新的时空学说。

二、爱因斯坦相对论对时空观的变革

历史上每一次新的时空理论的产生总是离不开科学的发展。19世纪末，当时的物理学界普遍认为物理学的大厦已经落成，正在他们展望物理学的美好前景时，物理学晴朗的天空上却被两朵乌云所笼罩，即“以太漂移的零结果”和“黑体辐射”。由此爆发了现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学。爱因斯坦曾说“相对论同时间和空间的理论有密切的关系”[5]。爱因斯坦相对论研究的是关于时间、空间和物质、运动之间的内在联系，由狭义相对论和广义相对论组成。而新的时空观正是以相对论为理论依据的，它认为时间和空间相互影响，彼此不可分离，形成一个四维时空统一体，时间和空间受物质及其运动的影响。从某些方面来说，新的时空理论也就是爱因斯坦的相对论，正是狭义相对论告诉了人们时间和空间与物质运动的密切关系，而广义相对论又进一步告诉了人们时间和空间的性质与物质本身的存在及其分布密不可分。[6]

（一） 狭义相对论对时空理论的革新

自从光的波动说复活以来，物理学家们开始对“以太”问题进行激烈的探讨，后来著名的迈克尔逊—莫雷实验的零结果彻底否定了“以太”的存在，但是这种结果却使更多的物理学家困惑不解。为了更好的解决迈克尔逊—莫雷实验的困惑，1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文，放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间概念，提出了光速不变原理和相对性原理这两个基本前提假设，宣告了狭义相对论的诞生，从而形成了新的爱因斯坦时空观。

为了更好的理解爱因斯坦狭义相对论对时空观作了哪些方面的革新，也就是爱因斯坦新的时空观是怎样的，我们首先要来说明一下光速不变原理和相对性原理，因为这两个原理是狭义相对论得以成立的基本前提假设。光速不变原理，指的是不论光的观察者运动与否，光速在真空中都是一样的、不变的，即都是一个常数c；相对性原理，指的是自然规律在所有惯性参照系中，都是一样的、不变的。[7] 只要抛弃牛顿绝对时间的概念，这两条基本原理就能够彼此相容，这样两个惯性参照系之间的时间和空间变换就满足洛仑兹变换。爱因斯坦狭义相对论对时空理论的革新以及爱因斯坦时空的重要性质就包含在这个变换中，主要有下列三个方面。

1.同时性是相对的

依照光速不变原理，狭义相对论认为不同地方的两件事情，在某一惯性参照系中来看，它们是同时发生的，然而相对于这一惯性参照系运动的其它任一惯性参照系来看，它们就不是同时发生的。因而同时性是相对的，时间与物质运动有关。这里需要注意的是，如果发生在同一个地点或者说是同一个点的两个事件，其同时性就是绝对的，与参照系的运动和选择无关。

2. 时间是相对的，空间也是相对的

与牛顿的时空理论不同，爱因斯坦狭义相对论的时空观认为时间间隔是相对的，也就是说，某一个过程中延续的时间在不同的惯性参照系中所测量的结果是不一样的，这是由同时性是相对的自然而然推导出的结果。最能说明这一点的便是大家熟知的运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，它主要说的是对于每一位观察者来说，都有他们自己的时间测度，如果在天空中有一个高速飞驰的时钟，那么它对于地面上静止不动的观察者而言，钟的时间走的慢了，并且时钟飞驰运动得速度越快，钟的时间走得就越慢，这就反映了时间是相对的。

空间也不是牛顿时空理论中所认为的那样是绝对的，空间也是相对的，长度的相对性就证明了空间是相对的。也就是说，同样的一把尺子，根据所选择的惯性参照系，它们的长度是不一样的。假如A尺子是运动的，速度近于光速时，那么B尺子就会看到A尺子缩短了。[8] 这就是著名的运动的尺子要缩短，即空间收缩效应。这个效应表示空间的大小是相对的。

这两个时间和空间效应都是相对论的一种效应，它主要归结于时间和空间所具有的基本属性，这与牛顿的绝对时空观是不同的。但是这些效应又是很难被日常生活中的我们所理解的，因为这些效应都是在速度接近光速的高速运动过程中产生的，而我们通常生活在低速运动中。

3. 时间和空间是紧密相联的，并且与物质运动密不可分

在牛顿绝对时空观中，时间均匀流逝，不受任何外在环境影响，空间则是个与任何事物无关的、静止不动的容器。而爱因斯坦狭义相对论的时空学说认为时间和空间不能各自独立存在，时间与空间是紧密联系的。一个物体的长宽高表明它的空间，可却是以时间为尺度的；太阳所在位置的不同则表明时间的不同。时间和空间与物质运动更是不可分开的，时间和空间的性质要通过物质运动表现出来。时间和空间是运动着的物质的存在方式，时间是物质运动的连续，空间则是物质运动的延伸。离开物质运动而独立存在的时间和空间是毫无意义的。

（二）广义相对论对时空理论的革新

爱因斯坦狭义相对论的创建，引发了时空理论的变革，但他随之发现这种狭义相对论时空观与牛顿的万有引力定律是不相容的，于是，他又开始研究引力问题。1916年，爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等为基础，提出了著名的等效原理和广义协变原理，创立了广义相对论。广义相对论把引力看成一个弯曲的时空，而不再把引力看成是一种力。等效原理和广义协变原理构成了广义相对论的主要内容，等效原理说的是，一个运动在含有引力场的惯性系中和在加速度系统中是完全相同的，即存在引力场的惯性系等效于加速度的非惯性系；广义协变原理是把相对性原理从惯性系推广到了非惯性系，即在任何参照系中，自然界的规律都是相同的，与我们所选择的参照系无关。

依据广义相对论，空间是一个服从黎曼几何的弯曲空间，空间弯曲的程度取决于物质本身在空间的分布。物质分布越密集的地方，引力场的强度就越大，时空弯曲得也就越厉害。因而，广义相对论告诉人们，时间和空间的性质与物质本身的分布也是紧密相关的。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”[9]。时间和空间与物质息息相关，时间、空间和物质构成了一个有机整体。这就是广义相对论对时空理论所作的进一步变革。

总之，爱因斯坦相对论革新了旧的牛顿力学的时空观，建立起了爱因斯坦相对论的时空观，是时空理论上的一次史无前例的巨大变革。正是爱因斯坦相对论改变了人们以往对时间和空间的理解。狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是欧几里得的平直时空，狭义相对论的时空观使人们认识到时空都不是绝对的而是相对的，时空不能脱离彼此而独立存在，时空和物质运动也是密不可分的；而广义相对论则适用于一切参考系，它的时空背景是黎曼几何的弯曲空间，广义相对论的时空观使人们进一步认识到时间和空间的性质还与物质本身的分布有关，物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动，从而说明了时间—空间与物质的统一性。无论怎样，爱因斯坦相对论所引起的时空观变革都产生了深远的影响，都具有无可比拟的意义。

三、爱因斯坦相对论变革时空观的意义

19世纪末20世纪初，在物理学史上，那是一个既光明又黑暗的时期，但就是这样的一个时期，却发生了一场影响深远的现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学，使之成为了一个激动人心的年代。[10] 爱因斯坦相对论对时空理论所作的变革无论是在当时还是在日后，都对科学和哲学产生了不可磨灭的影响，意义巨大。

（一）在科学上，推动了物理学和科学技术的发展

时空观的变革与科学尤其是物理学的发展是相辅相成的，物理学的发展推动了人们对时间和空间性质的认识，而每一次时空理论的新变革又都是物理学进一步发展的基本前提和主要标志。爱因斯坦相对论对时空观所作的变革无疑是巨大的，它推进了现代物理学革命，为现代物理学的发展奠定了理论基石，从而推动了科学技术的发展。[11] 可以说，爱因斯坦相对论时空观的出现是世纪之交中的创举之一。

在爱因斯坦狭义相对论时空观中，不仅否定了牛顿经典力学体系中关于时间和空间的概念及其之间的关系，还赋予了质量和能量及其之间的关系以全新的含义。质量并不是绝对不变的，物体在运动速度近于光速时，质量就会接近无穷大；质能关系式则告诉人们质量和能量也不是单独存在的，而是一个质能统一体，质量守恒定律与能量守恒定律是融合在一起的，这就为原子核物理学的发展和应用开辟了新天地。爱因斯坦广义相对论时空观使人们开始对宇宙时空产生了浓厚的兴趣，是人们关于天文学中时空理论的一次大变革。所有这些变革都毫无疑问的促进了自然科学的发展。

（二）在哲学上，丰富和发展了辩证唯物主义时空观

爱因斯坦相对论对时空理论的变革不只是对物理学和科学有重大意义，并且在哲学方面也具有无法比拟的影响，可以说，爱因斯坦相对论时空观本身就具有哲学的意味。

爱因斯坦相对论时空观认为时间和空间之间是互相关联的，时间和空间作为客观存在是绝对的，但同时又是相对的。物质本身以及物质运动与时间和空间是不可分割的，离开任意一方谈论彼此都是没有意义的。这就说明了时间、空间和物质三者之间存在的联系，揭示了时空是运动着的物质的存在方式，改变了人们以往对时空与物质关系的认识，从而有力的批判了机械唯物主义中把时间和空间与物质及其运动割裂开来的形而上学时空观。[12] 爱因斯坦相对论对时空观的变革进一步丰富和发展了辩证唯物主义时空观。

爱因斯坦相对论对时空观的变革还提高了人们的认识能力，使人们的思维方式发生了深刻的变化。爱因斯坦曾说：“世界上可能只有12个人能够看懂相对论，但是世界上却有几十亿人借此明白没有什么是绝对的”[13]。从此人们开始认识到：对于同样的一个事物，如果不同的人从不同的角度来看，就会产生不同的结果，任何事物都不是绝对的。所以我们要用相对的眼光来看问题，而不能用绝对的眼光来看问题。世界上任何事物都不是绝对存在的，它们都是相对存在的。“长”相对于“短”而存在，“大”则是相对于“小”而言的。因此，我们不能再用牛顿绝对时空观中的机械思维来思考问题，而要以爱因斯坦相对论时空观所揭示的哲学思维来思考问题。

综上所述，通过对爱因斯坦相对论变革时空观的思考，我们不难发现，无论是在科学上，还是在哲学上，爱因斯坦相对时空观都有巨大的推动作用，它对人类社会产生了深远的影响。正是爱因斯坦相对论对时空观的变革将我们带入了一个不一样的时空世界，这个世界不再是牛顿所描述的绝对时间和绝对空间的世界，在这里我们要学会用更加开放的思维和眼光来看待它。爱因斯坦相对论时空观取代旧的牛顿时空观，不管是在科学上还是哲学上都是时空理论的一次巨大的变革。然而，任何事物都不是绝对的，当然也就不存在绝对真理，随着科学的不断发展进步，不久的将来一定会产生新的时空观，使时空世界更加绚丽多彩。（作者单位：1. 天津大学；2. 河北北方学院艺术学院）

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第9篇：量子力学和广义相对论范文

一、关于属性的哲学

一物（本体）的属性是由其本身内部结构等等因素的特点所决定的，并从该物对他物的关系中体现出来。有不同的关系，其属性就有不同的表现。关系有其相对性；属性有其绝对性。违背属性原则，就是抛开物体的内部特点或属性，只注意关系，或把关系当作了属性。

整体的属性不仅体现在对他物的关系上，也体现在对其部分的关系上，而其部分不具备该整体的属性。非整体则相反，其部分仍具备该非整体的属性，其属性仅体现在对他物的关系上。这也是整体与非整体的区别标志。

逻辑学中有一类概念，分为本体（实体）概念、关系概念与属性概念。实际上还有中间状态的概念，分为关系本体概念、属性本体概念与属性关系概念。属性概念一般是独立的抽象词。（注：此"中间状态的概念"的分类是我在逻辑学上的研究成果，原来的逻辑学中没有此新的分类，这是我的知识"产权"。）………

二、关于力学的有关概念

当我们已经获得了事物的属性(本质或本能)的认识（确切的认识）时，就已经是认识的"最终结果"了。然而有许多人好"画蛇添足"，还要问什么"为什么"、"是什么"。比如：牛顿第二定律中的外力的反作用力就是物体本身的惯性力（只不过是在其定律里没有反映出来罢了，在我的"惯性力学三定律"里的广义惯性力定律里就反映了出来），是实实在在的"作用"。惯性力，惯性力，就是由于物体本身的惯"性"（属性）的原因对外力的反作用力，这就已经认识到了"本质"，就已经是"最终结果了"，有人至今还要问"惯性力"是哪来了，岂不"画蛇添足"！………

"力"是纯关系概念。推、摩擦、碰撞等都是作用方式，都是关系词，与"力"加起来还是关系概念，如推力、碰撞力等，并且都有直接作用的涵义。在"由于力"这句话里，不仅指作用，同时还有区别其它类作用的涵义，如区别于热辐射作用等。但人们又常常说"由于力的作用"时，其涵义就容易向错误涵义转化了，无形中会产生力是存在于被作用物之外的某种独立存在的东西的作用，力成了某种"东西"的代名词，此时，力成了"本体概念"，这种错误的涵义的转化是在许多人那里经常看到的。为什么有人热衷于"虚构"什么"引力子、斥力子"等等，也有此错误转化思想原因的一个因素。

力学还有一类力，像弹性力、磁性力、惯性力等，叫属性力，是属性关系概念。属性力是指由于物体自身属性的原因，具有某属性的物体对另一个物体的作用。属性力与前面讲的纯关系的力不同，因为其涵义是作用物的作用的原因，而不是作用的结果与被作用物。然而人们没有此区别之，就造成了一系列的思维的混乱及思维混乱的结果。

我在我的《用我的惯性力学三定律解力学习题》的文章里，提到"接触力"就是"广义惯性力"的涵义，接触力是关系概念，而广义惯性力是属性关系概念。如果在解题时不以属性力而仅以纯关系力来分析，就容易思维混乱。我说用我的新三定律解力学习题可以变得简单明了，也有此原因意思。因为"纯关系"具有"相对性"。没有属性概念的纯关系分析，就容易"相对"迷糊了。有人对"相对论"的理解之所以"相对"不清楚，也是由于不重视"属性"的绝对性。

物体的惯性对外关系的体现有两种，一种就是"力"；另一种就是"运动"。力是作用关系；运动是对某物（参考系）的"位置"关系。"关系"就有相对性。之所以在我的广义惯性三定律中，有广义惯性定律；广义惯性力定律与广义惯性运动定律之分，就是由于此哲学前提的结果。

"引力"是什么概念呢？是纯关系概念？还是属性关系概念？说不准，谁也说不准。"引"是属性？如果世界上仅有一个物体，它"引"谁去？"引"是纯关系？那么你还是没有"属性的认识。所以，仅从本节的概念角度，引力就是混乱的概念。然而可悲的是，目前许多人还是舍不得扔下"引力"。扔不下，你的思维还是会混乱不堪！那怪谁？

"场"是本体概念。为什么？就是因为它有不依赖"被作用物"的存在而存在的特点。无线电台所发出的"电磁波"（电磁场）不会因为没有收音机而不存在。有人在给我的E-mail中问我这个力与那个力的存在与否，我没有回答，我也不好回答，因为"力"不是个"东西"（本体），在物体互相作用的时候就存在，没有相互作用的时候就不存在。"引力场"概念还是混乱的概念。而"重力场"概念的涵义应该这样理解：物体有一个"广义惯性"属性，重力场有一个让物体在其中可以表现其惯性（重性）的属性。而绝不是重力场有"施力"于物体的属性。如果你不这样认为，就会造成这样的思维混乱：当你着重从"力"的角度来表达时，"场"就容易变成了"纯关系概念"；着重从"场"的角度来表达时，"力"又从何而来？还是回到超距作用的引力那里去吧，而"场"（或弯曲时空？）又没有存在的意义了，而超距作用还是不可理解。如此的混乱结果，在目前的许多书中及许多人的议论中不是经常看到吗。

有人有"力"的传播速度的说法（引力波？），"力"又成了本体概念，又是某种"东西"了，又要虚构什么在"云室"里永远看不到的"力子"了。科学发展的历史中，有多少个虚构的东西，如燃素说、以太等等，其命运怎样了！

我在网上看到了上海科技管理干部学院的庄一龙教授的主页的名为《论惯性和惯性定律》的论文，我觉得是我所看到的关于"引力"内容的所有文章中最接近我的"惯性三定律"的内容，他说：物体在不受外力作用情况下，将保持静止和沿引力等势面的匀速圆周运动。然而可惜的是，又画蛇添足地假设什么"斥力子"。他的定义已经探到了"重力的本质（属性）"，已经是认识的最终结果。

如果上面的论述有人有了一定的理解，就会感到"哲学"在科学研究中的作用了吧。

三、理论就是有内在逻辑的知识"系统"

十多年以前，我对一位有名的研究广义相对论的教授说：我主要是从哲学角度来认识"相对论"的，他很生气地对我说，我不管什么哲学，我计算对了，就是好理论，就是证明了理论。人们都认为爱因斯坦计算对了"星光在太阳附近的偏转角度"，有人就认为证明了他的广义相对论，那我就感到纳闷了，爱因斯坦在没有建立他的广义相对论之前就发表过名为《论引力对光线传播的影响》论文，其论文中就已经计算了其"角度"，那么，此"角度"的证实是证实了此论文理论，还是证实了后来的张量引力场方程及时空弯曲的理论？当我们把广义相对论归于理论物理学的时候，我不反对把运用数学方法的物理学叫理论物理学，但容易给人们一个误导：理论就是数学方程式，进而扩大化以后，就容易造成认识上的偏激，忽视了对理论基本概念的注意，忽视了理论内在的概念间的逻辑关系，然而，之所以叫理论，其最重要的方面就是概念及概念的逻辑关系。一个理论的数学方程式推导得再巧妙，什么"严格解"再严格，如果其概念及概念体系如此地"混沌"，能算是个"严格"理论吗？没有确切的物理涵义的数学方程式是物理学吗？不还是数学吗？爱因斯坦的引力场方程式中的能量动量张量项，没有确切的物理涵义，能是成功的理论物理学吗？抛开狭义的"理论物理学"的理论涵义，广义的科学理论的含义应该是有内在逻辑的知识"系统"。既然是"系统"，就意味着是有诸多要素的有结构的"整体"。所以，理论的证实问题是很复杂问题，之所以科学哲学家们有"好的理论"与"差的理论"之分，而不说有"正确的理论"与"错误的理论"之分，就在于此理。（有人会问：地心说与日心说就是对与错的理论，怎么解释？这两个学说不是关于"属性"的理论，仅是现象层次的"判断性质"的学说。）单纯的一件客观事实的"证实"，不能简单地就能证明理论，也许仅证明了该理论中的某一个要素。"太阳每天从东方升起"这一客观事实是证明了"地心说"还是证明了"日中心说"？"光线在太阳附近的偏转"这一客观事实是证明了"时空弯曲"还是证实了太阳附近有"光折射媒质的存在"？

四、作为结尾的箴言：

（1）我们现在关于"引力"方面的探讨，基本上都是以牛顿的"惯性"为出发点的探讨，这就是构成"外力"观的根源之一（认识论方面的根源，我在适当的时候再说一说。）。外力观的错误就容易引发这样的恶性思维因果链：外力是由另外的"东西"造成的，另外的"东西"的运动状态的变化，又是由另外的外力造成的……，没完没了。那些人的人为"虚构"的"粒子"不就是如此恶性思维因果链的结果吗。如果你看到有人还"虚构"什么粒子，你就可以追问他，那"虚构"的粒子的运动又是由什么力造成的？所以，总得有一个不靠"外力"而靠"自己"的属性而"主动作用"的东西。我的惯性三定律中的"重力"，就是靠"属性"（广义惯性）主动作用的（就是原动力，主动与被动是相对的。）。（要坚持从世界本身来说明世界！）有人说"力是改变物体运动状态的原因"，这是最容易造成思维混乱的提法。准确的提法应该是"外力是改变物体"惯性"（已经是广义惯性）运动状态的原因"。如果谁还以牛顿"惯性"观念来理解我的"广义惯性"，那当然不容易了，但是只要"重新"换一个出发点，就非常容易（脑筋急转弯）。我说中学生就容易理解，就是因为中学生还没有完全形成牛顿"惯性"的"思维定势"。

为什么现在许多人总想把"四种相互作用力"统一起来，不就是总感到这"四种相互作用力"有什么共同的"东西"，又说不清道不白是什么"东西"。实际上不就是因为都是"纯自然"的吗，不就是都是靠"属性"而作用的吗。为什么不考虑把"碰撞力"也加进入"统一"的行列？就是因为"碰撞力"不是"属性力"，是作用方式力。那是不是它们的属性是共同的呢？我的看法，这不可能。都分别是"宇观、宏观与微观"的"东西"，怎么能有共同的"属性"。"惯性"与"重性"可以统一。如果四种相互作用力的"属性"不能统一，那还要统一它干嘛！

（2）如果你把科学也当作"信仰"的话，你就应该有这样的信条：世界上没有神秘的东西，你之所以感到神秘，是因为你还不了解他。不了解就神秘，神秘了就复杂。如此神秘复杂的理论你就觉得"高深"了。如此"高深"的理论也就成了"专家"们的"专利"。

（3）都知道自然科学是揭示大自然规律的学问，但现有的自然科学知识是否都是对大自然规律的认识则是另一回事。问题是哪些知识是真的揭示了大自然的规律，哪些知识又是由于人们的认识的局限性及错误而成为强加于大自然的东西且成为阻碍继续认识大自然规律的东西，这也许是永恒完不成的课题。

（4）有人说：提出问题比解决问题更重要。问题是什么问题。有大量的问题是在"错误"的前提下提出的，反而成了"科学"的垃圾。这在目前"相对论"的大讨论中不是经常看到的吗。

参考文献

[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。

[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。

[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。

[4]马英卓：等效原理的对与错，《当代物理世界-物理论文集》网站。

[5]马英卓：万有引力真的失灵了吗？《当代物理世界-物理论文集》网站。