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標題: 请教几个理论物理问题 [打印本頁]
作者: sunwinism    時間: 2017-12-4 09:00     標題: 请教几个理论物理问题

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作者: sunwinism    時間: 2017-12-4 09:02

现代物理学基础的思考之八  ——太阳能之本源的再思考
1、标准太阳模型的产生
太阳是银河系的一颗普通恒星，与地球平均距离14960万千米，直径139万千米，质量1.989×1027吨（地球的333400倍） ，表面温度5770开，中心温度1500万开。由里向外分别为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层。其中心区不停地进行热核反应，所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量经过大约8分钟辐射到地球，成为地球上光和热的主要来源。 太阳的核心每秒钟燃烧6亿2000万吨的氢。发光度（LS）：大约 3.827 ×1026  J s -1。
      太阳的物质构成为：氢约占71％，氦约占27％，其它元素占2％ 。太阳在其主序星阶段已经到了中年期，在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氦。在太阳的核心，每秒能将超过400万吨物质转化为能量，生成中微子和太阳幅射。
   
太阳内部结构图
  太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达到1500万℃，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态。是太阳巨大能量的发源地。
把恒星表面温度作为横坐标,绝对星等作为纵坐标,将所有的恒星都绘制在这同一幅坐标图上。谁也没有想到,这个简单的统计却得到了一项十分重要的发现：这个图揭示了恒星演化的重要规律。这就是天文学中的一项重大成就——赫罗图。李政道先生曾指出：“20世纪初，科学界最大的谜是太阳.”人类探索太阳能源的奥秘，时间已久，最初人们以为太阳是一个大煤球，太阳靠燃烧煤来发出光和热，但经过计算，这煤球只够燃烧1千5百年.秦始皇统一中国到现在已两千多年了.秦始皇显然是见过太阳的，否则他到南方视察时就不会被太阳晒得中暑了.当然这是笑话，只是用来说明太阳能不是燃烧煤.后来有人设想，太阳能可能是因为在太阳系内有无限多的陨星不断掉到太阳表面而发热的.但人们发现太阳系周围没有那么多陨星，另一方面如果有那么多陨星落到太阳表面的话，太阳的质量会不断增大，太阳的引力就会不断增强，这就会影响地球的运行轨道，使地球的轨道半径不断缩小，但研究表明，根据古代记录的日食和月食的资料证实，地球轨道自古至今基本没有变化.所以流星说被否定了.后来又有人提出太阳的引力收缩放出的能量，因为按当代理论，太阳引力收缩时，太阳的质量基本不变，设计不到地球的运行轨道问题.如果假设太阳最初的半径像现在的太阳系那么大，收缩到现在的太阳这样的小个子，那么引力能只能维持五千万年，比地球的年龄还小一百倍.而且考古发现，27亿年前已存在海藻生物了，因为生物是要阳光的，所以太阳至少发光二十几亿年了.所以很多人都在思考，什么燃料能提供太阳燃烧上几十亿年呢？
二十世纪初，Einstein发表了一篇著名的相对论，提出质量和能量之间可以互换，其数学公式是E=mc2，如果按这公式计算，1克质量相当于9×1020尔格.物质本身就是能量，这是人类巨大的发现，这是Einstein伟大的功劳.按当代理论，太阳拥有2×1033克的质量.
十九世纪末科学家已发现了铀的放射性，居里夫人大家是很敬仰的，她就是研究放射性的，证实重原子核铀和钍等放射性元素，可以通过向外发射粒子而放出能量.后来人们又知道两个氢核聚合成一个氦原子核时也会放出能量.太阳内部到底是重原子核衰变放出的能呢？还是氢核聚变为氦放出的能量.因为太阳光谱证实，太阳内部主要是氢元素，很少重元素.人们当然不会去考虑恒星能源是重原子放射性的事，只能考虑氢核聚变能.当时的天文学家，除了相信恒星是巨大的核电站以外，别无其它选择，因为他们想象不出还有其它的过程可以释放出这么多的能量，以补偿太阳的辐射达数十亿年.爱丁顿教授就是其中一个.
爱丁顿估计太阳中心温度可以达到4000万度，并从直觉认为，在这温度下可以发生氢核聚变.但当时的物理学家认为，在恒星内部氢核是不可能发生聚变反应的.主要是因为氢原子核带正电.两个氢原子的核电荷之间的斥力会阻止氢核之间互相接近，从而不能发生聚变反应.这个斥力叫库仑位垒.计算表明氢核之间要冲破它们之间的位垒，太阳中心的温度必须达到几百亿度.4000万度和几百亿度相差多大，难怪物理学家会认为恒星内部不能进行核反应.
对于爱丁顿来说，这叫天无绝人之路，有一个研究量子力学的科学家叫乔治•加莫夫.他出面解决这个温度不足的问题.加莫夫原先是研究重原子核的衰变问题的，按经典理论，镭原子核内的粒子受到核力的约束而不能分裂.但实际上镭原子内部还是有α粒子放射出来.但量子力学认为微观粒子有隧道效应，α粒子有一定的几率可以通过隧道跑到原子核外面.就像现在的火车，它虽然不能爬山，但它可以穿过隧道.对于铀原子的α放射性来说，α粒子有点像监狱的逃犯，打洞穿墙逃出墙外.这时逃犯用不着像中国电影中的少林寺和尚那样，跳过很高的墙而逃走，而只要在墙根上挖个小洞钻出去就行了.所以伽莫夫可能认为，既然墙里头的人要出来可以打洞，为什么墙外头的人要进墙里头就不可以打洞呢？可以肯定质子和质子的聚合反应，也可以通过隧道效应实现的.（我们将在第八章证明这理论是错误的）这样一来，氢核聚变反应就用不着几百亿度，而只要几千万度就行了.从此，伽莫夫一方面为爱丁顿解了围，更重要的是为氢核聚变理论铺开了道路.从此人们都相信，太阳的能源是来自氢核的聚变反应，而且还知道，氢燃料可供太阳燃烧100亿年，现在只用去了一半，还有50亿年可用.
这理论，很快被大多数天文学家接受，原因之一是氢核使用寿命长，还有50亿年可用，人类还担心什么，这就像给每一个天文学家都吃下一个甜甜的定心丸.第二个原因是再也找不出更好的理论了，不信也得信.
     最初人们只从概念上觉得太阳能源应该是氢核聚变产生的.但是发生的是哪种核反应？还不大清楚.直到10年以后，1938年，才由美国的汉斯•贝特和德国的魏茨译克分别找到了一个叫“碳循环”的反应方程式，而贝特又和查理斯•克里奇菲尔德找到了另一种叫质子—质子链的反应方程.前者写作（CNO）循环，后者写作（PP）反应.贝特因此获得了1967年度诺贝尔物理奖.他们有关太阳能源的理论，统称为标准太阳模型.所谓标准太阳模型，全部是理论性的，没有一个直接测量的证据，因为太阳中心的温度到底是多少度，核心有没有发生聚变反应，谁也没法进行实际测量.后来人们想到，标准太阳模型中（CNO）循环和（PP）反应，都会大量放出中微子，因为中微子几乎不被太阳物质吸收，可以到达地球上.人们想，如果我们能测量到太阳中心射出来的中微子，那就证明太阳中心确实进行了热核反应.
2、标准太阳模型的困难
太阳中微子失踪案：这是30多年来（1968年至今）一直找不到答案的老问题，加上从1993年及1995年开始运行的水切连科夫探测器和镓探测器，长期对太阳中微子的测量证明，太阳中微子到达地球后确实有很大一部分失踪了.后来科学家又发现，就在大气圈上空产生的中微子，在运行过程中同样有很大一部分失踪了.总得给一个说法，这就是大多数科学家都同意的“味震荡”假说.它是说，中微子有少许静质量，且质量本征态与弱作用本征态不简并，不同味道的中微子在运行中就允许发生“味震荡”，即电子型中微子在运行过程中变成了难以探测的其他“味道”的中微子，为了证明这一假说的可靠性，科学家又把测量的对象对准了人工源（反应堆）中微子，虽然各有说词，但问题的严重性也终于浮出了水面——“震荡假说”如果成立，就会同时存在5个佐证：（1）找到可重复检测的双β衰变的观察依据；（2）中微子震荡的运行距离（L）具有线性数学结构；（3）高能端的观察事例数大于低能端；（4）可测量的μ中微子数量与太阳运动方向相统一；（5）不出现中微子质量平方值为负的事例.然而事实恰好相反，由铃木厚人领导的“卡姆兰德”实验组提供了（2）、（3）二项相反的测量依据，其它实验提供了（4）、（5）二项相反的依据，第（1）项还没有找到.这就是目前的进展状况.简单的中微子失踪案向现有的科学理论提出了严重的挑战.
测量太阳中微子的工作首先有戴维斯着手进行，而多年测量结果表明，测量到的中微子数值，只是理论值的四分之一，其余四分之三的中微子失踪了，这就是有名的中微子失踪案.这结果，对标准太阳模型打击很大，因为唯一的证明太阳内部进行热核反应的证据都拿不出来，人们自然会想，标准太阳模型靠得住吗？他们这时才有点感觉到，以前含在嘴里的那颗定心丸，等糖衣化了以后，原来是个苦果.但又不能吐掉，因为当时谁也找不出一个比标准太阳模型更好的理论，找不出其它的能源可以代替氢核聚变反应能，所以在这种情况下，天文学家只好决定找一些补充理论试图救治这个陷于困境的标准太阳模型.
为此，很多理论家出面充当大夫开出了不少方子，有的提议修改计算机的参数，把太阳中心的温度降低一点，理论值和观测值就会一致.也有人认为中微子可能会衰变，中微子在从太阳中心到达地球的路途中衰变了大部分，所以测量值就比理论值少了.还有一些人提出的见解更是奇特，认为太阳内部现在不存在核反应了，现在的热是过去核反应留下来的，按他们的看法，太阳中心的核反应炉有时运转有时停火.现在刚好是太阳核反应炉停止运转的时期.
当代天文学家大多数相信星云学说，认为恒星是星云气体收缩而成的，也就是说恒星演化方向是从大到小.发明赫罗图的天文学家之一罗素最初就认为恒星的演化方向是从红巨星到主序星再到白矮星.自从热核反应能提出以后，罗素的理论就被否定了.因为太阳能热核反应产生的理论，用在红巨星上时就产生了困难，红巨星这么大，如果它是刚由星云收缩到这种体积的话，那红巨星中心的密度可能还很小，中心的温度肯定也很低，远远达不到氢核反应的点火温度.因此他们断言红巨星不可能是年幼的恒星.因为天文学家已把主序星定义为年青恒星了.但是，红巨星总得给它找个年龄位置呀.红巨星不是年幼的，又不是年青的，那肯定是年老的了.然后就找来一个理论，证明红巨星是年老的，从程序上说，好像公安局先定罪然后找罪证一样.后来找着了，天文学家认为当主序星把氢烧完了以后，接着就燃烧氦，那时放出大量的热使恒星体积膨胀，变为红巨星.这样一来就把罗素的理论推翻了，对星云学说也打了一个折扣.从此二十世纪的天文学家就把红巨星及以后的白矮星、中子星定义为老年星.
接着要找年幼的恒星了，天上的年青主序星那么多，按理幼年星也应该很多呀，但幼年星始终不露面，目前虽然有人找着几个他们认为是原恒星，也就是刚形成的幼年星，但最终还没有定论.这就造成天文学上的一个怪现象，中年恒星到处跑，幼年恒星找不着，老年恒星喜欢住在养老院.人类老来瘦，恒星老来胖，快死的恒星小不点.
    如果按照罗素最初的理论，一方面他符合星云学说，第二，恒星的年龄合理了，红巨星是刚产生的幼年星，收缩后成为年青的主序星，老了进一步收缩为为白矮星或中子星.
当代理论把红巨星定为老年星以后，球状星团自然就成了老龄星团了.球状星团就成了恒星养老院，因为球状星团里头大多数是红巨星.大多数球状星团都被定为几十亿岁到一百多亿岁了.有些还被定为超过宇宙年龄.这就出现一个怪现象，因为球状星团内部的这些恒星，按当代理论说它们是年老的，它们年青的时候肯定不会均匀分布在整个银盘上，等到老年以后它们才一个个从四面八方集中到球状星团内.因为按热力学第二定律，熵只有增加，不会自动减少，因为恒星不是生物.
唯一的解释是球状星团内部的恒星，从出生到老都在球状星团内.球状星团要保持一百多亿年不散开那是很困难的，因为按广义热力学第二定律，我们可以把恒星当成气体分子看待.那么球状星团内部的恒星随着时间箭头的移动，内部的熵就会增加，恒星就会扩散到普遍星场中去，就像一滴墨水滴到装满水的烧杯里去，过不了多久就会分散到整个烧杯内部.按当代理论，现在球状星团一百多亿年了，还能保持在一个小体积内，他们只能假定是球状星团很稳定，但是他们说了这句话以后，就应该承认热力学第二定律在球状星团内部不适用，熵不随时间增加，时间箭头在球状星团内不起作用，宇宙可以膨胀，球状星团是个独立王国.
但是如果我们放弃红巨星是老年星的观点，认为红巨星是幼年星的话，一切问题就解决了，我们就可以这样说：球状星团内部都是幼年星，因此球状星团是刚产生的.刚产生的星团，恒星比较密集，随着时间的增加，由于熵增演化为疏散星团，后来又演化到星协，最后这些恒星分散到普通星场中去了.随着星团的演化，恒星本身也从红巨星演化到主序星、白矮星和中.因为恒星演化过程中要大量抛射气体，所以红巨星周围气体少，主序星周围气体多.这种说法和天文观察资料就完全符合，只要天文学家敢于承认红巨星是年幼星.但因为把红巨星定为老年星的根子又是热核聚变假设理论，所以就必须抛弃“太阳能是热核聚变产生的”假设.
天文学家对星系的演化方向现在还没有统一，争论了近一个世纪，有的人主张是从椭圆星系演化到旋涡星系，再到不规则星系，有的人主张是从不规则星系，旋涡星系到椭圆星系.他们的论点大家都清楚，不再重复.
造成星系演化方向混乱的局面，根子还是把红巨星定为老年星.主张星系演化方向是从椭圆星系到旋涡星系的人，虽他的理论符合广义热力学第二定律，椭圆星系演化到旋涡星系，不规则星系是熵增的结果，但他的理论却吃了亏，因为当时人们把红巨星定为老年星.老年人会比小孩先出生，那不是怪事吗？所以谁也不相信.主张星系演化方向是从不规则星系，旋涡星系到椭圆星系的人，这是为了迎合红巨星是老年星的理论，但他却违反了广义热力学第二定律，因为星系演化中出现了负熵.谁见过烧杯里一杯浅色的墨水，自动地浓缩为一滴浓墨水和一杯清水呢？没有人见过，因为这是违反热力学第二定律.所以不规则星系决不可能演化为椭圆星系.所以这种理论也没有被人全部接受.在这种争论不休的情况下，有些人干脆提出星系分类不是演化序列，星系的形态是由角动量决定的.
造成星系演化这种混乱局面的还是把红巨星定为老年星.如果我们把红巨星定为幼年星的话，一切矛盾都可以消除.就是把星系的演化方向定为从椭圆星系到旋涡星系，不规则星系.椭圆星系因为是刚形成的，所以质量大，内部的恒星都是年幼的红巨星，因为红巨星还没有向外抛射很多气体，所以椭圆星系内部星际气体少.后来由于时间增加，椭圆星系内部的熵逐渐增加，星系向旋涡星系演化，同时星系内部的恒星也向主序星演化.所以旋涡星系内部含主序星多，而留下部分还未演化到主序星的红巨星，因此旋涡星系内部既有主序星也有部分红巨星，而这部分红巨星也是星系核内部刚形成的.由于红巨星演化到主序星时会大量抛射气体，所以旋涡星系内部含有大量的星际气体.由于旋涡星系外围会有不少恒星分散到宇宙空间，损失大部分恒星的质量，所以旋涡星系的质量一般都比质量大的椭圆星系小.旋涡星系进一步熵增，恒星数目越来越少，于是旋涡星系就演化为小质量的不规则星系.
按我们的理论，这种演化过程，第一熵是增加的，第二质量是不断减少的，第三恒星是从幼到老的.不存在任何矛盾，关键一条就是要把红巨星定为幼年星.
如果认为太阳能是热核聚变能的话，很显然，这种机制的适应性大小.天文观察证明，星系核能量爆发是巨大的.星系核爆发的产能效率，远远大于氢核聚变的产能效率，就是说氢核聚变理论不能用在星系核上.因为星系核内部主要也是氢元素，按理氢核聚变理论应该能适用，但聚变能效率太低，满足不了星系核爆发能量的需要.所以天文学家只好假定星系核爆发的能量是由正反粒子湮灭或由黑洞提供.
天文观察表明，所有行星，特别是质量比较大的行星，如木星和土星等都能自己发射能量，它们发射的能量比它们从太阳光中接收的能量多一到三倍，现在还弄不清楚行星放能的机制.它们虽然能放出能量，但单位质量放能的效率和太阳相比又低得多，因为按当代理论，木星和土星内部还不能进行核反应.所以核聚变理论又不能解释行星内部的能源.
我们希望能找出一个能源机制，既适合恒星，也适合星系和行星，再不要去借助黑洞的理论及放射性元素放能理论.天体能源的另一种情况是，太阳中微子失踪案似乎表明太阳核心不存在氢核聚变反应.而且从太阳的日冕区反常升温，耀斑爆发，日冕瞬时现象等分析，得出的结论是太阳气体从内部放射到外部时就有能量放出，很像重原子核的放射性.特别重要的是，造父变星的光变曲线表明，和星系核能量爆发表明，它们的放能机制也像重原子核放能机制一样，即当气体从天体内部出射到外部时就有能量放出.
根据天体的这种放能特性，我们只需假设天体的特性也像重原子核一样：即假定，“天体内部基本粒子的质量大于天体外部基本粒子的质量”.所以当天体内部的气体跑到天体表面时，自然就会发生质能转换，放出能量.我们假定星系核内部基本粒子质量要比恒星内部的基本粒子质量大，恒星内都的基本粒子质量又比行星内部的基本粒子质量大.这样一来星系核放能效率就会最高，恒星的放能效率第二，而行星的放能效率最低.这样，用统一的一个能源机制就可以了.星系核能源再也用不着去借助黑洞.
“太阳能是热核聚变反应产生的”假设，唯一的好处是它可以燃烧100亿年，这是一种糖衣，所以最初很多人愿意把它含在嘴里，等糖衣化了以后，才感觉到它是比黄连还要苦的苦果，事实已证明，这理论误导了二十世纪夭文学理论，花费了天文学家许多宝贵的青春，只是以前还没有意识到.现在我们把这一问题提出来，希望引起二十一世纪初的天文学家重视，免得二十一世纪的天文学家又浪费一百年的光阴.
太阳自动控制核聚变反应的物理机制是什么？人类在享受太阳的光和热，也知道太阳的能量由氢核聚变反应提供，20世纪的量子理论和太阳的标准模型可以非常清楚地告诉这一点，可是它们都不曾回答一个非常简单的问题：太阳为什么没有变成天文学氢弹（像地球人的氢弹一样），而是非常准确地每秒提供6亿吨氢核燃料，并赐于地球人最合适的生息条件.这里，以往的科学理论都只能提供拟合的数据，以示自重力构成的压力（0.75个太阳半径），与核聚变构成的光压（0. 25个太阳半径），刚好处在动力学平衡态上.幸好，还没有那一个科学家做过认真的计算，因为这个外壳实在大单薄了.太阳所以没有变成天文学氢弹，不仅仅向太阳的标准模型提出了挑战，也向20世纪的时空理论和相互作用力理论提出了挑战，只需要用一句话，这又是20世纪的任何科学理论都回答不了的，这一句话就是：核聚变反应区如果是以往理论所指的太阳中心到0.25半径处的一个球体，由于核聚变反应产生的中微子对太阳内部空间同样是全透明的，中微子只允许滞留2.3秒时间，因此来自太阳内部的中微子应该在太阳刚诞生时就散失了，何来现在的太阳中微子失踪案和可测的中微子流量？就是说可测量的稳定存在的中微子流量，在时间上与3维核聚变空间是不能并存的.
3、太阳能的本源的再思考
人类在享受太阳的光和热，也知道太阳的能量由氢核聚变反应提供，20世纪的量子理论和太阳的标准模型可以非常清楚地告诉这一点，可是它们都不曾回答一个非常简单的问题：太阳为什么没有变成天文学氢弹（像地球人的氢弹），而是非常准确地每秒提供6亿吨氢核燃料，并赐于地球人最合适的生息条件.这里，以往的科学理论都只能提供拟合的数据，以示自重力构成的压力（0.75个太阳半径），与核聚变构成的光压（0. 25个太阳半径），刚好处在动力学平衡态上.幸好，还没有哪一位科学家做过精确的计算，因为这个外壳实在大单薄了.太阳之所以没有变成天文学氢弹，不仅仅向太阳的标准模型提出了挑战，也向20世纪的时空理论和相互作用力理论提出了挑战，只需用一句话，这又是20世纪的任何科学理论都无法解答的，这一句话就是：核聚变反应区如果是以往理论所指的太阳中心到0.25半径处的一个球体，由于核聚变反应产生的中微子对太阳内部空间同样是全透明的，因此来自太阳内部的中微子应该在太阳刚诞生时就散失了，何来现在的太阳中微子失踪案和可测的中微子流量？
谁能提供太阳自动控制核聚变反应真正的科学理论，谁就掌握了打开“和平利用核聚变能”大门的钥匙，这是毫无异义的.在原子中，如果电子从真空高能级跃迁到壳层低能级，原子就会放出能量，如果反过来，电子从壳层低能级跃迁到真空高能级，原子就要吸收能量.光电效应就是一个很好的例子.电子从高能级跃迁到低能级我们称之为正跃迁，那么电子从低能级跃迁到高能级就叫反跃迁.正跃迁会放出能量，反跃迁要吸收能量.在原子核物理中也一样，铀裂变会放出能量，相反要合成超铀原子就要提供能量.
太阳引力质量的亏损是以中微子的形式发射出来，太阳发光主要是由电磁能量转化而来，因此太阳引力质量的亏损速度很慢，太阳的寿命可能比原来推算的寿命大的多，根据靴袢理论可知在日全食时地球的引力场应当减弱，这一点可以运用实验证明.假设太阳的发光完全由引力能量转化而来，那么地球运动的轨道半径将越来越小，但地球运动轨道的半径减小速度很慢，这一点由广义相对论可以得到.30年前，科学家计算出了从太阳流失的电子中微子的数量，但实际观测到的中微子的数量小于计算值.2001年加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家证实了早先一些实验得出的假设：中微子事实上并没有失踪，只是在离开太阳后转化成了τ中微子和μ中微子，因此躲过了科学家的探测.笔者认为，它是中微子与反中微子相互湮灭，能量以τ中微子和μ中微子的形式存在.虽然通常情况下这种活动不会引人注目，但是它可以引起一些物理效应，如“真空”活动由于引力场的存在而受到干扰时便会出现这类效应.粒子可以“借贷”能量，只要它马上偿还就行，能量借贷的越多，偿还也就越快，这是由能量最低原理所决定的.
作者: sunwinism    時間: 2017-12-4 09:04

现代物理学基础的思考之二：《狭义相对论的思考》目录
第一章：经典物理学的几个问题
1、伽利略相对性原理
2、惯性的认识
3、伽利略变换光速的测量
4、场概念的兴起
5、以太论的复兴
6、光速的测量
7、迈克尔逊实验
8.爱因斯坦推导光速是物体运动速度的极限的过程
第二章：洛伦兹变换的思考
1、狭义相对论产生的背景
2、狭义相对论的产生以及科学界最初的反应
3、Lorentz  transformation经典物理推导方法
4、同时性的相对性
5、Lorentz  transformation的相对论推导
6、狭义相对论的时空变换
7、狭义相对论中的质量与能量
8、速度合成公式的思考
9、狭义相对论的意义
         第三章：狭义相对论的时空观
                 1、四维时空问题
                 2、狭义相对论中的绝对问题
                 3、相对论与约定论的关系初探
4、狭义相对论与以太
5、狭义相对论的时空变换效应
        第四章：狭义相对论的实验验证
                 1、质速关系的验证
                 2、运动物体在运动方向上的收缩效应
                  3、光行差效应的解释
                 4、运动物体的时钟延缓效应
                 5、相对论多普勒公式的验证
                 6、相对性原理的验证
                 7、真空光速不变性原理的验证
                 8、光速与光源速度无关的验证
        第五章：时空平权理论
1、Einstein的探索性科学假设在科学研究中的重要性
        2、经典力学中时空对称性问题
        3、狭义相对论中的时空对称性问题
        4、广义相对论中的时空对称性问题
        5、量子力学中的时空对称性问题
        6、时空平权理论
        7、时空平权与多普勒效应
        8、时空平权的相对性
        9、质能方程的时空平权理论推导
         第六章：狭义相对论的困难
                1、物理学界对于狭义相对论的批判
                 2、狭义相对论天空中“两朵乌云”
                3、对于光速不变性原理的争论
                4、对于洛伦兹变换的争论
                5、Lorentz  transformation的困难
                6、狭义相对论的局限性
       第七章：狭义相对论的哲学观浅议
1、物理学家对于狭义相对论发展的思考
  2、狭义相对论对于哲学发展的影响
      3、狭义相对论对于现代物理学理论结构的影响
              4、狭义相对论中相对与绝对问题
              5、光速不变性原理与唯物辩证法关系的思考
              6、狭义相对论与唯物辩证法的关系初探
        第八章:狭义相对论困难的思考
               1、狭义相对论效应与加速度之间的关系
                2、Lorentz  transformation的修正
               3、狭义相对论效应与广义相对论效应的统一
                4、Einstein早年的哲学观
5.洛伦兹变换是动力学效应
                6、修正后的洛伦兹变换的实验验证问题
            7、几个狭义相对论验证实验的重新分析
                8、同时性的绝对性
                9、虚速率及其存在下的相对论


















第一章        经典物理学的几个问题
                        1、 伽利略相对性原理         
惯性定律的诞生：牛顿在“原理”中给出第一定律的名称,开普勒在他1609年发表的著作《新天文学》和1619年发表的著作《宇宙谐和论》中写道；“天体有留在天空中任何地方的性质,除非它被拖曳着.”“如果天体不赋有类似于重量的惯性,要使它运动就不需要力,最小的动力就足以使它有无限的速度,但由于天体公转需要用一定的时间,有的长些,有的短些,因此非常明显,物质必须具有能说明这些差别的惯性.”“惯性,或对运动的阻力是物质的一种特性,在给定的体积中,物质的量愈多,惯性愈强.”这大概是关于物体惯性的最早陈述.可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性,甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关,然而他显然受到亚里士多德思想的束缚,不可能思考运动物体是否具有惯性的问题.伽利略在1632年出版的《关于两大世界体系的对话》和1638年出版的《关于力学和局部运动的两门新科学的谈话和数学证明》,通过“斜面的理想实验”,“乘船的理想实验”描述惯性定律. 伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法,并用于研究物体的运动.他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满,他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果,总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学和运动两门新科学的对话》（1638年）中,其中一个重要的结果如下.假设沿斜面AB落下的物体,以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动,则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度,只是需要的时间不同；当第二个斜面变成既不上升,亦不下降的水平面时,物体将一直以已获得的速度永远向前运动.伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步,他认识到不受其他物体的作用,物体可以永恒地运动,这已经很接近惯性定律,但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响,他所说的水平面是和地球同心的球面,也就是说,那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动,因此我们还不能说伽略发现了惯性定律.笛卡尔在1644年出版的《哲学原理》中,“如果物质处在运动之中,那么如果无其他原因的作用的话,它将继续以同一速度在同一直线方向上运动,既不停下,也不偏离原来的方向.” 更接近牛顿第一定律的描述.费曼曾经说到：“没有人找到为什么物体按惯性而行的原因,我们不知道惯性定律的来源,结果是习以为常的惯性现象仍然是自然界最深晦的谜之一.”
惯性定律的独立性之辩：许多人认为：“牛顿第一定律不具有独立性,是第二定律的一个特例.或者说,当作用到物体上的合外力为零时,物体的速度不变化,就是匀速直线运动,也就是第一定律描述的运动状况.”另外一种观点：第一定律具有不可取代的地位和作用：作为惯性和力的原始定义,没有这个原始性定义,无法构建第二定律.它是第二定律的基础,应该具有独立性.
    惯性定律的真理性：它是牛顿力学的重要定律之一,因为牛顿力学在低速情况下,与实验、生产、科研及天体的运动等诸多方面,都吻合的很好.人们都相信惯性定律的真理性有充分的依据,也不会怀疑它的普遍实用性….德国物理学家赫兹曾说到：“要阐明力学的真正的基础内容,而不会不时感到为难,不会一再激起歉意,不想尽快跨过原理部分而向他们讲述一些应用例子,那是极端困难的一件事.”
牛顿力学的公理体系：定律Ⅰ（惯性定律）：每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态.定律Ⅱ：运动的变化正比于外力,变化的方向沿外力作用的直线方向.定律Ⅲ：二物体在相接触处发生相互作用,甲物体给乙物体一个作用力时,乙物体同时给甲物体一个反作用力.作用力与反作用力大小相等,方向相反,分别作用于二个不同的物体上.第三定律明确指出：相互作用发生在二物体的相接触处,从而排除了超距作用！二个物体没有直接接触而发生相互作用时,只能是通过场物质的媒介而建立的.
P.G.柏格曼在《相对论引论》一书中曾指出：“我们对惯性系的最终定义实际上可能是：惯性系是相对于整个宇宙物质具有零加速度的参照系.”（人民教育出版社1961年12月第1版第166页脚注）.
相对运动概念在应用到自由度数很大甚至无限大的系统时就会受到限制.可是只要我们回到那种不可分割的,整体连续的表象,只要我们放弃单个物体位置和运动的参数变化以及为些所必备的坐标系,那么绝对运动和相对运动的对立就被撤消了.对某一宏观体积中质点的热运动来说,相对性的概念就没有什么用途.不过当我们规定系统的自由度数不太大,并且可以不间断地记录每一质点的位置和速度,那么相对性的概念还可以保持下来.这样,要是可以把宇宙气体（不去研究里面个别质点的位置和速度）同连续介质组成一体的话,牛顿的绝对空间或许就获得唯理论的意义.当绝对空间具有洛仑兹那种全部充满空间以太的特征的时候,绝对空间也同样会获得唯理论的意义.（尽管已为后来的一系列实验所驳倒）
在物理学中,力学的终极概念得到了因果解释.对物理学来说,力的概念（力场的概念）是个必须加以分析的概念.物理学确定了力的数值,在个别情况下,当质点无摩擦地运动时（即摩擦力可以忽略时）力可以是坐标的函数.这种函数的形式应由引力论、弹性理论、电动力学理论中对引力、弹性力、电力、磁力的研究给出,并且这种研究与力学不同,完全按另一种方式进行,这些力已不再是终极概念,恰恰相反,现代科学的任务正是要用物理的或数学的方法把它们从另外的量推演出来.
划分物理学和力学的界限也就把场方程和运动方程加以区分.或许正如前面所指出的那样,既然忽略了离散存在质点和场的相互作用,所以场方程和运动方程都是线性的.在用抽象的理论认证某个质点的时候在力学上就把这个质点看成是一种纯属被动的实体,而力也就施加在它上面,同时又和这个质点本身无关,这也正是解决力学问题的前提.在场论中力场被相应地看成所谓被动的一面,看成是不依赖于场的粒子（即场源）的函数.根据力来确定运动,根据力与坐标的关系确定力是牛顿在《自然哲学的数学原理》中所提出的两个问题.在解决第一个问题时,牛顿依据的是他所阐明的运动公理.同时在《原理》中还解决了另一个问题,确定了把力（引力）和坐标联系起来的函数的形式.如所周知,这是古典物理学的出发点.以后物理学的其他部门就是按牛顿的引力场的式样构成的.
在物理学发展的影响下,当力学把标量也包括到自己的基本概念之中的时候,已知力和初始条件就能决定质点位置的牛顿运动方程将要被另一种方程所取代.
就科学思维能力和风格的影响来说只有极少数的科学发现可以同广义坐标方法相提并论.把空间中质点的位置,即古典力学的原始的形象和被当成是多维“空间”的点的系统的位形相对应,从几何的观点来说这是在拉格朗日把四维时空引入科学之后所采取的下一个步骤.当达朗贝尔在《百科全书》【4】的量度一文中写到他的一些“机敏的熟人”把时间看成是第四维时候,他可能就是指拉格朗日和其他一些人.但是,把第四维的概念引入科学还是当拉格朗日在《分析力学》中用四维解析几何的形式阐明古典力学原理之后.也正是由于《分析力学》才把ｎ维空间的观念引入到科学之中.多维空间的理论由于柯西（Couehy）、凯尔【5】、普留凯尔（Pluker）【6】、黎曼（Reimmsnn）,特别是格拉斯曼（Grassmaum）【7】之在《广延性的理论》【1】（1844）中的努力在形式化方面得到了很大发展.这一发展以新的、有力的研究方法丰富了数学的内容,使变革几何学的原理成为可能,同时为相对论,量子力学准备了富有成效的多维几何学的解释.
推动这一发展的首要因素就是拉格朗日把力学系统的状态看成是多维空间的点这一天才的设想和促使数学家继续建立形式化理论的观念,然而,此时不能把物理思想的概念和形式化的理论体系的概念单纯地加以对应.从历史上来说,这种单纯地与形式化的理论体系的概念相对应既是十八世纪后半期和十九世纪前半期形式化理论体系物理学从力学和力学概念的发展中获得解放的重要前题,有时也是重要的方面,而力学概念的发展也刺激了这种解放.
     拉格朗日研究了由n个质点构成的系统.这些质点的位置用ｎ个因子来描述,每因子又由三个数组成,则位置即被3n个坐标 x1y1z1,x2y2z2,…,xnynzn 来描述.如果通过具有相应下标的q1,q2,…,qn 表示上述每个坐标,那么系统的位形就可以用具有3n个坐标q的点来代表,或者说用具有3n个分量的矢量q来代表.这样,系统从一个位置到另一个位置的变化就可以表示为q点的位移,或表示为具有分量dq1,dq2,…,dqn的3n维矢量dq.假若系统在三维空间中运动,它的位置的变化可以用3n维的轨迹来代表,而3n维轨迹则是q点位移的结果.
在拉格朗日的力学中,广义坐标不仅可以是质点系的笛卡尔坐标.而且也可以是描绘该系统位形的任何一种参数.对一个受到引力或弹性力作用的质点系统来说,每一时刻作用在系统中各点上的力（因而也就是加速度）由广义坐标所决定.物体的速度不影响加速度,并且当已知系统位形时,速度有可能取不同的值.如果速度可以取不同的数值,那么,既使已知加速度（即力）,下一时刻系统的位形也是不确定的.所以为确定系统在未来每一时刻的行为不仅必须给出已知时刻的坐标,而且还要给出速度.有这两种量就可以详尽无遗地描述出系统的状态.
    状态的概念是同古典物理学的基本前提紧密相关的,这一点要引起注意.当我们从原始的、直接给出的、不可分割的混乱的图景中区分出个别的物体和运动的时候,我们是把在空间中改变自己位置的物体的一系列自身同一的状态认为是某种过程,这是力学最原始的表象.力学之原始形象则是坐标随时间改变的自身同一的物体.坐标的变化并不能为怀疑运动客体与自身同一提供任何根据.我们完全完全可以“识别出”在每一个相继时刻的物体.这一力学的基本前提（运动客体的自身同一性）是以坐标的连续变化加以保证的.倘若原则上能够把物体在一个位置和另一位置的间隔上的每一个点都记录下来,那么就可以断言出现在我们面前的是同一个物体.物理客体这种个体性（在上述情况下运动客体的个体性）是由每一个接继的状态同已知状态的单值的依存关系所保证的,也就是说可以由以下这种可能性所保证；即知道物体在某一时刻的状态就可以预见每一个相继时刻的状态（同样是原则上的）.这样,所谓状态这一概念标志若干物理量的综合,而这种综合以单值的形式同每一个相继时刻的,每一个相似的综合联系在一起.根据这种状态的连续性和单值的依存关系就可推出运动的微分方程.当已知初始条件时借助此方程就能绝对准确地预言物体以后的全部运动.在把这种关系运用于物体系统时,拉格朗日就把力学系统的个体性和自身同一性这些具有质的特征的概念,翻译成分析的语言,而这些概念则是由它们和状态之单值的连继的依存关系所保证.引入广义坐标和广义速度（公式）后运动微分方程表现出古典机械论的决定论的观念.
现在我们讨论一下为描述或者说为预见系统后继状态所必须的广义坐标（和广义速度）的数目问题.假若系统由一个质点构成,此时广义坐标和普通坐标一致,即广义坐标数 f 等于3.若系统有两个质点,那么需要6个广义坐标,f=6,即第一个质点要三个普通坐标,第二质点也是三个.若这两个质点彼此是以不变的距离相联系（即有一个约束条件）这时有5个广义坐标就足够了.数f 总等于系统自由度数.每个质点在三维空间要三个数,n个质点的自由度数是3n 减去K个约束条件  f=3n－K.给出与广义坐标数目相同的广义速度,不仅可以确定位置,也可以确定系统状态.
借助于广义坐标对任何计算系统都能够求得运动方程.拉格朗日在引入了函数  （等于封闭系统的动能和势能之差）之后,得到了运动方程.后来赫姆霍茨称这个函数为动势.用动势（拉格朗日函数）把运动方程改写为下形式：
所论系统有多少个自由度（f=3n－K）,就有多少个拉格朗日方程.
在引入广义坐标qi 和广义速度  之后,下一步就是引入广义动量 pi,它是拉格朗日函数Ｌ对广义速度  的一阶导数.  ,  ,等等,pi  被叫作广义动量是因为在笛卡尔坐标系中（q1=x,q2=y,q3=z）它与动量在三个坐标轴上的投影一致.然而它被称之为广义动量这是因为例如在极坐标中q1=ρ,q2=φ,.p1具有动量的量纲,而p2具有动量矩的量纲.
借助于广义动量可以得到替代f个拉格朗日方程（二阶）的2f个一阶方程.如果用哈米顿函数H=T+U代替拉格朗日函数,这些方程就可以采取极为简单的对称形式.
拉格朗日方程和哈米顿方程在物理学中特别是在电动力学中获得广泛地应用.可是从历史的观点上来看,物理学在此情况下从力学中所得到的东西正是它向力学所提供的东西.当非力学的参量能够以坐标的身份出现时,这种被推广后的运动方程的形式就成为物理学发展的历史成果了.
物理学的影响使力学的基本原理相对性原理改变了形式.我们先来看看牛顿运动方程.在它里面作为纯力学量出现的是质点的空间坐标.质点相对于某个坐标系运动,并且在坐标变换时,即从一个惯性系过渡到另一个惯性第时,运动方程是协变的.下面再看具有广义坐标的拉格朗日方程.它可以描述其他非力学的过程.当坐标变换时拉格朗日方程是否还保持协变性呢？麦克斯韦的电动力学和以后的Einstein相对论指出：如果所论系统是匀速直线运动,则方程是协变的.这样一来,相对性原理就推广到非力学的过程,并且使古典物理这获得了最终的形式.当然古典物理学为此是要付出代价的,这就是说要放弃不变的空间距离和时间间隔,而代之以不变的四维间隔.此时相对性原理仍旧是统一宏观物理学和力学的普遍原理.从这种意义上说相对论是世界之古典图景的总结.不过这种情况下,力学规律是否还能保持原来那种基本的,作为出发点的,最普遍规律的地位吗？虽然一方面不能把物理学归结为力学规律然而另一方面物理学原理又无法同力学规律分割开来.
当谈到区分力学和物理学,谈到物理学不能归结为力学的特性,总而言之,说到它们之间的相互关系的时候,必须考虑到“力学”的概念和“力学的”概念本身在历史上的变化.这两个词的含意是在变化着的,并且随着物理思想的改变而改变.力学发展的每一个历史阶段都是以被物理思想所决定的终极概念区别于另一个历史阶段.而这种物理思想总要直接影响到力学的特性.笛卡尔力学的物理前提是空间和物质的同一.牛顿力学的物理前提是作用于自然界所有物体的引力概念.骤然看来在拉格朗日和哈密顿力学中,似乎缺乏物理前提,力学只具有四维解析几何的形式化的性质,但是这只是意味着从物理上解释方程时,它里面的量可以和被守恒定律所联系的不同的物理量相对应.狭义相对论的力学是同新的物理前提电动力学的概念和规律联系在一起的.
这样,当我们谈论把这样或那样的物理学原理能够归结或不能够归结为力学的时候,不仅应该考虑到在物理学中力学概念这样或那样的作用,还要考虑到物理学概念对力学的影响.单纯地把“非力学的物理”和“力学的物理”加以对比就会忽视了那种相互作用.实际上物理学同力学间的联系是很曲折的,必须以这种态度来研究相对论物理之力学的和非力学特性的问题.
是否可以把这些概念在历史的所有的变更都归拢在一起进而从整体上对“力学”和物理学的“力学的”特性加以讨论呢？我们要把这个问题放在同其他问题的联系中加以考察,这就是说最好把全部历史的变更都归拢在一起来讨论相对性原理,或者说讨论适用于伽利略牛顿的古典原理和Einstein的狭义,广义相对论的,普遍的相对性概念.伽利略牛顿原理适应于缓慢的惯性运动；狭义相对论适用于可以和电磁振荡传播的速度相比拟的惯性运动；广义相对论适用在引力场中质点或质点系的加速运动.上述情况都是指坐标以这样或那样的方式随时间而变化；都是指某种被个体化的,在每一时刻定域于空间中的物理客体,而此客体在保持自身不变的同时从空间的一个点转移到另一个点.换言之,这里所研究的正是自身同一客体的一个个相继的处所.这个客体能够以任意速度（古典的相对性原理）或以被某个恒定的（狭义相对论）或以引力场所决定的（时空弯曲、广义相对论）的速度通过这些处所.无论取那一种观念只要指明自身同一客体相对它作运动的那个物体,则自身同一客体运动的概念就是有意义的.这些参考物和相应的坐标空间都是平等的,即从一个坐标空间过渡到另一个坐标空间时,某些量要保持不变（相应的变换不变量）,也就是说这种过渡并不表现在运动着的系统内部的物理过程的进程之中.这个论题（即能否提所谓位置、速度、加速度的相对性）能够用到哪种坐标变换上面还应当由实验指出,把现已知晓的相对性理论都归拢起来这才是相对性原理的意义所在.
现在我们着手总结力学的概念了.在笛卡尔的力学中,所谓物体的运动是指从物理学上区别于周围的物体运动.当笛卡尔把物体对与其相接触的空间的运动归昝为空间,他这种做法则是力求把物体从环绕它的空间划分出来,又要把二者视为同一.牛顿认为运动的物体有不变的惯性质量,因此他能够不考虑物体的长、宽、高而把物体看成是质点具有一定质量的,不计尺寸大小的粒子.拉格朗日和哈米顿方程可以描述很复杂的客体的运动,它的自身同一性和个体性是以复杂的解析表示的不变性所保证.在相对论力学中所表现的是视为同一质点的属性的极为复杂的关系.但是所有情况,无论是具有静止质量的粒子还是用能量作为视为同一根据的光子,在较为广阔的普遍的意义上来看力学所研究的还是粒子和系统的相对运动.从这种意义说,每一个相对论的坐标表象其意义就是“力学的”表象.
在研究相对论原理之具体的可以互相替代相互补充的变更和力学的具体形式的时候,我们就能对Einstein相对论是所谓“力学论”还是“物理论”的问题作出回答了.这个理论是力学的理论；然而这里所谓的力学就是物理概念本身长时间影响的结果.它所研究的决非具体的,狭隘意义的机械运动,而是无比复杂的物理客体的运动.
参考文献：
【1】Ф．Клейн　Лекции　о　развитии　математики　в　ＸＩＸ　столетии　М－Л,１９３７,стр．２０９－２２１
【4】 [法]Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉｅ　ｏｕ　ｄｉｃｔｉｏｎｎａｉｒｅ　ｒａｉｓｏｎｎｅ,ｔ.ＩＶ．ｐ．１０１０．Ｐａｒｉｓ,１７５４[e上有撇]
【5】Кель（身世不详）
【6】．Ｐｌｕｋｅｒ　１８０１－－１８７８　德国数学家、物理学家
【7】．Ｇｒａｓｓｍａｎｎ　１８０９－－１８７７　德国数学家.
        2、惯性的认识
最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿.笛卡儿是唯理论哲学家,他试图建立起整个宇宙在内的各种自然现象都能从基本原理中推演出来的体系,惯性定律就是他的体系中的一条基本原理.他在他的《哲学原理》（1644年）一书中把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态,直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动,其本身都是沿直线的.然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系,其中许多是错误的,不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响.
惯性是物理学中最基本的概念之一,也是学习物理学最早遇到的概念之一.这一极为普通和平凡的概念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析,促进物理学重大进展,其中蕴涵着深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法的教益.惯性一般是指物体不受外力作用时,保持其原有运动状态的属性.人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立,而它则依赖于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识,这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月.牛顿1661年进入剑桥大学学习亚里士多德的运动论,1664年他从事力学的研究,摆脱了亚里士多德的影响.他继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法,他也继承了笛卡儿的研究成果.他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题,澄清了动量概念和力的概念.1687年出版著作《自然哲学的数学原理》,以“定义”和“公理,即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系.惯 性定律就是牛顿第一定律,表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态,除非由于作用于它的力迫使它改变这种状态.”惯性定律真正成为力学理论的出发点.根据惯性定律,物体具有保持原有运动状态的属性,这种属性称为惯性.不仅静止的物体具有惯性,运动的物体也具有惯性；物体惯性的大小用其质量大小来衡量.至此,人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度.
在经典物理学中,惯性原理是相对性原理的表现形式.惯性的存在是因为场的真实存在,场在宇宙空间中的广泛存在是惯性得以体现的最根本原因.1970年苏联科学家罗金斯基进行的实验在  以内证明了引力质量和惯性质量严格相等,如果注意到惯性质量与引力质量的严格相等,我们将发现,更准确的提法是,惯性来源于全宇宙物质的万有引力场.为了弄清物体惯性运动的物理实质性原理,不妨让我们针对假定只有  、  两物体存在的宇宙进行分析.
如图1-2,由于宇宙中只有  、  两物体存在,为了考察  的惯性和运动,不管  、  两物体之间是否发生相互作用,充当惯性参照系的唯一地只能是  物体.在这样简单的宇宙中,针对  物体可以把牛顿第一、第二运动定律分别表述为：1、  相对  保持静止或匀速直线运动,除非  对它施加作用力迫使它改变这种状态.2、  相对  所得加速度的大小与受到  的作用力成正比,与  的质量成反比,加速度的方向在  、  的连线上.




　　

我们令距  物体  远处的场存在着激烈程度为  的引力场波动,G为常数,m为B的质量.（粒子的长期存在不改变其质量等物理内涵,这表明引力场波动并不向外扩散能量.）设A的有效截面积为s,相对B以速度v运动,由于相对运动,属于B的场在单位时间内流经A的能流为  .再以这个能流与能流密度及有效截面积作比,得到速度量纲的物理量  .消去常量G,并用大写字母V表示它,得到         
　　在这种简单的宇宙体系中,由于  （广义相对速度与相对速度恒等）,  ,所以用A的广义相对速度代替A的相对速度分析惯性和运动问题,和原先完全一致,不存在任何分歧.
但当全面考察错综复杂的现实宇宙中其它物质的影响以后,某物体的广义相对速度与它的相对速度之间便存在着一些差异,我们将发现,正是这些差异的存在,直接导致了以往经典时空观的舍弃.
如图1-3.全面考察全宇宙物质的存在得到
                     
其中V表示考察物体（A）的广义相对速度,  表示考察物体相对任一参照系的速度（这一参照系可以是惯性参照系,也可以是非惯性参照系）,  表示宇宙中某一物体  相对同一参照系的速度,  表示考察物体与  的距离,积分范围是全宇宙空间.客观现实中,大多数物质都以星球的形式存在,通常我们可以采用广义相对速度的不连续表达式计算      
            ,
由于参照系之间存在着相对运动,相对速度没有唯一的值,而广义相对速度却具有唯一的值,显然,通常情况下  ,用计算机可以计算证明,在地球表面附近,即使考虑地球物质、远距离物质及空气的影响,只要运动物体位移的距离和时间不很大,广义相对速度和相对速度的变化率是非常接近的,即  ,或者  .所以,如果承认牛顿第二运动定律,即  ,那么就有  .
爱因斯坦说：“究竟是否存在一个惯性系的问题，直到现在还无法决定.” [1] 北师大赵峥教授也不解：“狭义相对论的整个理论都建立在惯性系的基础上，但是我们却无法定义或找到一个惯性系.……惯性力不是起源于物质之间的相互作用，因而没有反作用力，这个特点至今仍然使人感到迷惑”.[2] 被公认为爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家费曼则哀叹：“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因.我们不知道惯性定律的来源.”[3]
中科院理论物理所郭汉英研究员认为：“作为一个理论体系，牛顿理论并没有完成……惯性在牛顿体系中起着核心作用，其起源却无法解决.”[4]
“爱因斯坦在为雅莫的《空间概念》写的前言中认为，如果给古典的惯性原理以确切的意义，就必须把空间作为物体惯性行为的独立原因引进来.”[5] 爱因斯坦还指出：牛顿“已经认识到，可观察的几何量（质点彼此之间的距离）和它们在时间中的进程，并不能从物理方面完备地表征运动.他以著名的旋转水桶实验来证明这一点.因此，除了物体和随时间变化的距离以外，还必须有另一种决定运动的东西.他认为，这种‘东西’就是对于‘绝对空间’的关系.”[6]
北大赵凯华教授剖析：“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系.牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态.”[7]
复旦郑永令教授指出：“牛顿声称自己研究的运动是在‘绝对空间’和绝对时间中进行的‘绝对运动’，因而在他看来，第一定律应在‘绝对空间’成立.”[8].
参考文献
[1] A.爱因斯坦.物理学的进化[M]，上海科学技术出版社，周肇威译，1979：114、155.
[2] 赵峥、刘文彪.广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：10～13.
[3] 邓人忠.物理学基本概念探讨[M]，气象出版社，2010：111.
[4] 郭汉英.杂文选集[M]，广西师范大学出版社，2013:10.
[5]阎康年.牛顿的科学发现与科学思想[M]，湖南教育出版社，1989：363、381、378、141.
[6] 许良英、范岱年编译.爱因斯坦文集（第一卷）[M]，商务印书馆，1976：226、224.
[7]赵凯华、罗蔚茵.力学[M]，第二版，高等教育出版社，2004：43、85、8、43.
[8]郑永令、贾起民、方小敏.力学[M]，第二版，高等教育出版社，2002：56、94、116～117、82.
    附录：   为牛顿第一定律的建立而奋斗过的人们   
一、生活经验的总结者----亚里士多德
长期以来,在研究物体运动原因的过程中,人们的经验是：要使一个物体运动,必须推塔或者拉它一下,因此,人们直觉第认为,物体的运动与推、拉等行为相联系,如果不再推、拉,原来运动的物体便会停止下来.根据这类经验,亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上,物体才能运动；没有力的作用,物体就要静止在一个地方.这个由明显的线索得出的错误判断,维持了近两千年,直到三百多年前伽利略的出现.
二、理想实验的践行者----伽利略
伽利略注意到,当一个小球沿斜面向下运动时,它的速度增大；而当小球沿斜面向上运动时,它的速度减小,由此伽利略猜想：当小球沿水平面运动时,它的速度应该不增不减.那么,实际情况中,为什么小球沿水平面运动时,速度会越来越慢呢？原来是由于小球受到摩擦阻力的作用.并由此推断,若没有摩擦阻力,球将永远运动下去.
伽利略为了说明他的思想,设计了一个实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动,小球将“冲”上另一个斜面.如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度.减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍将达到同一高度,但这是他要运动的远些.继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度时会离得更远.于是他想到,若将第二个斜面平放,小球会到达多远的位置呢？结论显然是,球将永远运动下去,却不再需要什么力去推动.也就是说,力不是维持物体运动的原因.当然,我们不能消除一切阻力,也不能把第二个斜面做得无限长,所以,伽利略的实验是个“理想实验”.
三、迈向真理的接力者----笛卡尔
与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔也研究了这个问题,他指出：如果运动中的物体没有受到力的作用,它将继续以同一速度沿同一直线运动,既不会停止下来,也不会偏离原来的方向.
四、物理基石的奠定者----牛顿
在伽利略和笛卡尔工作的基础上,在经历了一代人以后,牛顿提出了动力学的一条基本定律：一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止.这就是牛顿第一定律.
牛顿第一定律表明,物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,我们把这个性质叫做惯性,因此,牛顿第一定律也叫惯性定律.由于这个定律给出了惯性的概念,所以人们说,它是物理学的基础,是奠定牛顿物理学的基石.
最后需要说明的是,因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来,也就是说,不受力作用的物体是不存在的,所以,牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物,不可能用实验直接验证.
                          3、伽利略变换
科学遵循的原则是,在充分必要的条件下越简单越好.卢瑟福认为“一个好的理论应该连酒吧女郎都能看懂.”
1、惯性系：
力学的发展经牛顿总结成动力学三定律,牛顿三定律及其导出的各定理在伽利略变换下,对所有惯性系都有相同形式.这一表述通常称为力学相对性原理,伽利略变换不同惯性系的时空变换导出基于两个基本假定：一是相对性原理,另一个是时间和尺长在不同惯性系是相同的.
惯性系族：相对作匀速运动的所有惯性系称为惯性系族
设惯性系 相对惯性系 是同族惯性系,惯性系时空的均匀性决定了同一事件点在惯性系 与 中对应坐标矢 与 满足如下线性关系：
                                                        （1-1）
                                                        （1-2）
即             ,  
惯性系空间的各向同性要求同一个惯性系在空间转动下不变,也即惯性系的空间是Euclid空间,为了适当简化推导过程我们选择 在 系的空间投影为 系的 轴,同样选择 在 系的空间投影为 系的 轴,各自建立正交性的时空坐标,也即有
                                                                                 （2-1）
                                                                                 （2-2）
在（2-1）式两边同时点乘 或 ,由时空标架的正交性易得
                 ,        
于是                 , ； ,
同理                 ,
, ； ,
                                                                                        （3-1）
                                                                                        （3-2）
在（3-1）两边点乘 或 可得
                         ,        
        即                 , ； ,
在（3-2）两边点乘 或 可得
,
, ； ,
综上即有


即 系到 系的线性变换可分解为 - 到 - 的变换与 - 到 - 的变换.其中 - 到 - 的变换是Euclid空间的刚性转动,于是可在 系作旋转使 与 同 与 对应平行,即有：
                                                                                （4-1）
对应的有,
                                                                                         （4-2）
令                 
有                 , , , ,
2、间隔的定义

3、间隔不变性
考虑两无限接近的事件,则


i) 显然a不可能是空间和时间的函数,这是因为空间和时间是均匀的,若a是空间和时间的函数,则在同一坐标系中,同样两个事件之间的间隔将是不确定的.
ii) 因光的速度在空间各个方向一样,故a与两个参考系之间相对速度的方向无关.
∴a=a(v)

常期以来,时间绝对性和杆长绝对性在人们认识上是根深蒂固的,在物体运动速度远小于光速的牛顿力学范围内,实验或观测不会对这些观念提出挑战.如果不是因为在解释与光速有关的实验结果发生困难；如果不是因为电磁场方程不满足伽利略变换下的形式不变,人们是不会轻易放弃这些假定的.
如所周知,伽利略-牛顿力学的基本定律（称为惯性定律）可以表述如下：一物体在离其他物体足够远时,一直保持静止状态或保持匀速直线运动状态.这个定律不仅谈到了物体的运动,而且指出了不违反力学原理的、可在力学描述中加以应用的参考物体或坐标系.相对于人眼可见的恒星那样的物体,惯性定律无疑是在相当高的近似程度上能够成立的.现在如果我们使用一个与地球牢固地连接在一起的坐标系,那么,相对于这一坐标系,每一颗恒星在一个天文日当中都要描画一个具有莫大的半径的圆,这个结果与惯性定律的陈述是相反的.因此,如果我们要遵循这个定律,我们就只能参照恒星在其中不作圆周运动的坐标系来考察物体的运动.若一坐标系的运动状态使惯性定律对于该坐标系而言是成立的,该坐标系即称为“伽利略坐标系”.伽利略-牛顿力学诸定律只有对于伽利略坐标系来说才能认为是有效的.（摘自《浅说》第4节、伽利略坐标系的全文）
在物理学中几乎没有比真空中光的传播定律更简单的定律了,光在真空中沿直线以速度c=300,000公里／秒传播.无论如何我们非常精确地知道,这个速度对于所有各色光线都是一样的.因为如果不是这样,则当一颗恒星为其邻近的黑暗星体所掩食时,其各色光线的最小发射值就下会同时被看到.荷兰天文学家德西特根据对双星的观察,也以相似的理由指出,光的传播速度不能依赖于发光物体的运动速度.关于光的传播速度与其“在空间中”的方向有关的假定即就其本身而言也是难以成立的.总之,我们可以假定关于光（在真空中）的“速度= c”是恒定的这一简单的定律已有充分的理由为学校里的儿童所确信.谁会想到这个简单的定律竞会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大的困难呢？让我们来看看这些困难是怎样产生的.当然我们必须参照一个坐标系来描述光的传播过程.我们再次选取我们的路基作为这种参考系.如果沿着路基发出一道光线,根据上面的论述我们可以看到,这道光线的前端将相对于路基以速度c传播,现在我们假定我们的车厢仍然以速度v在路轨上行驶,其方向与光线的方向同,不过车厢的速度当然要比光的速度小得多.我们来研究一下这光线相对于车厢的传播速度问题.显然我们在这里可以应用前一节的推论,因为光线在这里就充当了相对于车厢走动的人.人相对于路基的速度W在这里由光相对于路基的速度c代替.W是所求的光相对于车厢的速度.我们得到： W=c-v 于是光线相对于车厢的传播速度就出现了小于的情况.…（摘自《浅说》第7节、光的传播定律与相对性原理的表面抵触的第一、二、三段）．
每一个运动着的三维坐标系都有各自独立的一个三维空间度量和一维时间度量,构成四维度量.在同一个坐标系里 ,能量的读数是连续变化的.在相对运动着的不同坐标系里 ,各自的四维度量应该是不同的,这也是因为在相对运动着的不同坐标系里,能量的读数是不同的缘故.然而坐标系主要表现为数学的概念,而能量是客观存在的.为了保证坐标系之间能量特征（包括动能和势能的差值等等）的连续性、一致性,坐标系之间的度量必须建立相应的变换关系.
伽里略的时空变换,是这样来认识两个相对运系统中,物质运动变化的时空关系的.在惯性系统中,有两个相对做匀速运动的物理系统Σ,和Σ.在t=t,=0时,两个系统重合.当Σ,相对Σ以速度V向X方向运动的同时,从原点射出一光信号,光在两个系统中经过时间t,和t到达同一点P.对于光从原点到P点这个同一事件,伽利略认为时间是相等的,空间是变化了的,空间的变化用速度迭加来处理.
伽利略时空变换如下：

（1）式和（2）式,就是伽利略时空变换表达式,伽利略变换对于两个空坐标之间的时空关系的表述是正确的；伽利略变换,对于相对运动系统中,物质运动变化的时空关系就不正确了.研究相对运动系统内物质运动变化的规律,必须用相对论的时空变换来处理,才能得到正确的结果.
                            4、场概念的兴起
牛顿对于超距作用的批评：“、、、、、、这据我看来是一种莫大的荒谬.我相信,没有一个对哲学事物有足够的思考力的人,曾经这样设想过.”自牛顿时代以来最重要的发明：场,用来描写物理现象最重要的不是带电体,也不是粒子,而是带电体之间与粒子之间的空间中的场,这需要很大的科学想象力才能理解.场的概念已被证明是很成功的,由这个概念便产生了描写电磁场的结构和支配电和光现象的麦克斯韦方程.相对论加强了场的概念在物理学中的重要性,但是我们还不能建立一种纯粹是场的物理学.直到目前为止,我们仍然需要认定场与实物两者并存.
康德的认识论指出：人不能认知不合乎自己思维模式的知识,这也就是Einstein所说的“现象与理论之间没有逻辑桥梁”.
场开始是作为表述粒子间传递作用力的方式而提出的.为了帮助人们形象地理解电力和磁力现象,在一百多年前,法拉第和麦克斯韦想象出场的概念.此后物理学家们一直认为那些力线本质上是虚构的,只是为帮助人们更好地理解自然定律的一种手段.但时至今日,越来越多的物理学家相信,这些场可能是客观存在的,并具有重大的物理意义.Einstein根据相对论首先提出：围绕在物体或粒子周围空间的各式各样的场应被认为是一种实在的东西.静止电荷周围的空间存在着一种特殊的物质称为电场.在高压输电线附近存在着环绕电线的磁力线和强大的电场,这样的环形磁力线和电场顺着输电线由发电站延伸到变压器.静电荷周围空间存在的静电场被认为是由不能被探测到但却围绕在电荷周围空间的虚光子构成的,电荷间的相互作用力是因为电荷间相互交换虚光子造成的.
      Einstein：我一生的主要工作：结合对空间、时间和引力的新认识,创立相对论；提出质能等价定律和统一场论（未完成）；对量子论发展的贡献.1938年,Einstein：相对论是从场的问题上兴起的.场是从牛顿时代以来最重要的发明.实物可以看作是场特别强的一些区域,因而,场是唯一的实在【1】.
1954年,Einstein：我认为非常可能,物理学不能建立在场的概念上.如果是这样,那么,我的全部空中楼阁（包括引力理论在内）,甚至连其他现代的物理理论也一样,将荡然无存【2】.954年,Einstein：如果以场作为基本概念的客观描述是不可能的话,那么,就得找到一种完全避免连续统（连同空间和时间）的可能性.但是,这样一种理论中可以使用什么样的基本概念,我没有一丁点主见【3】.
参考文献：
【1】Einstein,英费尔德.物理的进化.上海科学技术出版社,1962.178~181.
【2】许良英等编译.Einstein文集第三卷.北京：商务印书馆,1979.504.
【3】 1954年10月28日Einstein致玻姆的信 . 大自然探索：1987年第一期
                                    5、以太论的复兴
机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波,在弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律,即可建立机械波的波动方程,一维横波的波动方程为 .系数 为横波的波速的平方,即V= ,若弹性介质中传播的是纵波,以杨氏模量E代替切变模量N, 为介质密度.
由于机械波只能在介质中传播,因此可以建立介质这一特定惯性系,所表述的波动方程只适用于这一特定惯性系,由介质的弹性模量和密度所决定的波速也是相对于这一特定惯性系的,并且波速于波源的运动状况无关.即波速于与波源相对于介质的运动无关.即波速与波源相对于介质的运动无关.
机械波的波动方程和波速这些性质是否也适用于电磁波（包括光波）呢？电磁波有类似于机械波的波动方程,那么,电磁波的波动方程是相对于什么样的参考系建立的？真空中光速近似为 m/s,这传播速度是相对于什么参考系的.
1727年James认为光以恒定速度 在以太媒质中震荡传播,以太是静止的,而地球是运动的,如果以太不被地球拖曳,那么半年后地球绕日运动适相反,应有一偏转角 .半年后James做了这个观测实验,测得了这个偏转角 ,说明以太不被地球拖曳,似乎以太就是绝对空间.1861年,英国物理学家麦克斯韦总结前人的实验规律基础上,推导真空中电磁波的波动方程,其一维形式的真空波动方程为：  式中E是电场强度, 是真空介电常数, 是真空磁导率.以C2代表 ,则C =  这C恰好就是真空中光速.
麦克斯韦（Maxwell 1855～1862）于1862年提出,光是依“以太介质”传播的电磁波,定名为“光的电磁说”,见图1.

图 1.   麦克斯韦光波的电场和磁场
1887年,H．赫兹从实验上证实了电磁波的存在,并将电磁现象与光统一起来.但是电磁波的波动方程是根据麦克斯韦的真空形式,在导出真空电磁波波动方程之始,人们就没有找到合适的参考系,而不像机械波的波动方程导出中需要用到依赖于介质的胡克定律. 这是一个既重要,在当时又是使人十分困惑的问题,而牛顿力学的成功及其在当时物理学所处的支配地位,以及对机械波所采取的合理解释,都促使人们去构思和寻求一个适用于电磁波波动方程的特定惯性系.于是人们假定真空中充满被称为以太（ether）的介质,一维形式的在真空波动方程及真空中光速是在以太这一特定惯性而言的.
由波动学可知波的传播速度u为：  或   或  ,其中,G为固体的切变模量,E为固体的弹性模量,K为液体或气体的体积模量, 为媒质的密度.
总之,不管波是在固体还是在液体中传播,波的传播速度都与媒质模量的二分之一次方成正比,都与媒质密度的二分之一次方成反比.根据麦克斯韦的电磁场理论,光速 ,光速应该是随着介电常数 和磁导率 变化的变量.
19世纪,以太论获得复兴和发展,这首先还是从光学开始的,主要是托马斯•杨和菲涅耳工作的结果.杨用光波的干涉解释了牛顿环,并在实验的启示下,于1817年提出光波为横波的新观点,解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难.以太这一假定是出于以机械波的模式来理解电磁波,可是,由于光速比机械波在介质中的传播速度要大得多,因此,以太就必须有非常大的弹性模量和非常稀薄的质量密度（ ）而且还必须是透明的等等特征.尽管必须赋予以太这些难以捉摸的属性,但是它处在光速所相对的参考系这一重要概念环节上,而被人们作为不可缺少的概念接受下来了.进一步的问题便是从相对于以太运动的物体上（例如地球）作光速测量,从测量结果与真空中光速数值相比较,以间接证实以太的存在.
菲涅耳用被动说成功地解释了光的衍射现象,他提出的理论方法(现常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算出衍射图样,并能解释光的直线传播现象.菲涅耳又进一步解释了光的双折射,获得很大成功.1823年,他根据杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年提出的：透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名公式,它很好地说明了布儒斯特数年前从实验上测得的结果.菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式.1818年他为了解释阿拉果关于星光折射行为的实验,在杨的想法基础上提出：透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比,他还假定当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说).利用菲涅耳的理论,很容易就能得到运动物体内光的速度.
19世纪中期,曾进行了一些实验,以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应,并由此测定地球相对以太参照系的速度,但都得出否定的结果.这些实验结果可从菲涅耳理论得到解释,根据菲涅耳运动媒质中的光速公式,当实验精度只达到一定的量级时,地球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来,而当时的实验都未达到此精度.在杨和菲涅耳的工作之后,光的波动说就在物理学中确立了它的地位.随后,以太在电磁学中也获得了地位,这主要是由于法拉第和麦克斯韦的贡献.
在法拉第心目中,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位,他引入了力线来描述磁作用和电作用.在他看来,力线是现实的存在,空间被力线充满着,而光和热可能就是力线的横振动.他曾提出用力线来代替以太,并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场.他在1851年又写道：“如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载物.”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受. 到19世纪60年代前期,麦克斯韦提出位移电流的概念,并在提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律,这组方程以后被称为麦克斯韦方程组.根据麦克斯韦方程组,可以推出电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气中的速度为每秒31万公里,这与当时已知的空气中的光速每秒31.5万公里在实验误差范围内是一致的. 麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道：“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”.后来,赫兹用实验方法证实了电磁波的存在.光的电磁理论成功地解释了光波的性质,这样以太不仅在电磁学中取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来.
麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文中,把磁感应强度比做以太的速度.后来他接受了汤姆孙(即开尔文)的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动. 他认为,以太绕磁力线转动形成一个个涡元,在相邻的涡元之间有一层电荷粒子.他并假定,当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时,就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形,这就代表静电现象.
关于电场同位移有某种对应,并不是完全新的想法,汤姆孙就曾把电场比作以太的位移.另外,法拉第在更早就提出,当绝缘物质放在电场中时,其中的电荷将发生位移.麦克斯韦与法拉第不同之处在于,他认为不论有无绝缘物质存在,只要有电场就有以太电荷粒子的位移,位移的大小与电场强度成正比.当电荷粒子的位移随时间变化时,将形成电流,这就是他所谓的位移电流.对麦克斯韦来说,位移电流是真实的电流,而现在我们知道,只是其中的一部分(极化电流)才是真实的电流.在这一时期还曾建立了其他一些以太模型,不过以太论也遇到一些问题.首先,若光波为横波,则以太应为有弹性的固体媒质.那么为何天体运行其中会不受阻力呢？有人提出了一种解释：以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质,对于光那样快的振动,它具有足够的弹性像是固体,而对于像天体那样慢的运动则像流体.另外,弹性媒质中除横波外一般还应有纵波,但实验却表明没有纵光波,如何消除以太的纵波,以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题.
为了适应光学的需要,人们对以太假设一些非常的属性,如1839年麦克可拉模型和柯西模型.再有,由于对不同的光频率,折射率也不同,于是曳引系数对于不同频率亦将不同.这样,每种频率的光将不得不有自己的以太等等.以太的这些似乎相互矛盾性质实在是超出了人们的理解能力. 19世纪90年代,洛伦兹提出了新的概念,他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应.至于物质中的以太,则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别.他还假定,物体运动时并不带动其中的以太运动.但是,由于物体中的电子随物体运动时,不仅要受到电场的作用力,还要受到磁场的作用力,以及物体运动时其中将出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同.
在考虑了上述效应后,洛伦兹同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式,而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)已不存在.洛伦兹根据束缚电子的强迫振动,可推出折射率随频率的变化.洛伦兹的上述理论被称为电子论,它获得了很大成功.
1879年,麦克斯韦提出借助于木星卫星蚀来判明整个太阳系相对于以太运动的思想.太阳和整个太阳系一起在某个方向上运动.在此路径上当木星处于太阳之前的时候由于木星绕太阳旋转需时为地面上的二十年,这样在地面一年期间其位置变化较小.在一年中木星移动了三十度.总之,在其宇宙的运动中是处于太阳的前面.同时,在一年期间地球转了整整一圈,这样,在此一年期间内就像辽密尔所做的那样,能够求得为使光线通过达到地球的距离恰好是地球轨道半径所必须的时间间隔之差.六年之后,木星在其宇宙的轨道中已处于地球的后面,这时就可以确定其卫星蚀的提前或落后.如果太阳系在其宇宙的运动中不拖带以太,那么就可以通过比较第一种情况和第二种情况的量来确定其相对于以太的运动.在第一次观察时,木星和它的卫星是位于太阳之前,这样,光就迎着其宇宙运动传播,并且其速度应是以太的光速加上太阳系相对于以太的速度.在第二次情况下,相对于太阳系的光速应等于上述速度之差.但是,只有当经过六年的天文观测查明木星卫星蚀的推迟有周期性差值时,这些计算才可证明太阳系的绝对运动.事实是天文观测仍未发现这种周期性的变化.这样,观测木星卫星蚀的推迟也没有提供太阳系的绝对运动的任何一种证据.
费涅尔理论曾断言：以太部分地被运动物体所拖曳.费涅尔本人这时就是以被确定的以太结构的概念为出发点的.以太在宇宙空间的密度等于某个恒定的数值.处于物体中以太的密度则是另一种数值.当物体运动时,分布于物体前面的以太进入此物体.并且在它里面获得新的,更高的密度,这种被浓集的以太以另外的速度相对于物体运动.在物体中以太的密度和它的速度之间存在着某个确定的关系.费涅尔把这个关系算出来了.这就是折射系数.换言之,就是真空中的光速和它在物质中的传播速度之比永远等于在物体中以太浓集度的平方根,也就是等于在物体中以太的密度和宇宙中自由以太密度之比的平方根.这样,费涅尔就给出了拖曳系数的力学解释.即此系数相当于以太在物体中的浓集度.
企图发现物体相对于以太运动的牛顿促进了另一种假说,即完全拖曳以太的假说.1845年,斯托克斯假定以太完全参与物体的运动,其结果就是光学现象的相对原理.在运动的介质中,比如,在地球表面上,光学现象就象在静止的介质中一样以相同的形式发生.为了解释宇宙空间中以太的静止性和在物体中以太的运动,这就使得斯托克斯详细制定了以太的复杂的假说.正如日后证实的那样,这个概念是同力学的基本规律相抵触.与此同时, 以太只是部分被运动物体所拖曳的实验也做出来了.
     1851年,菲索设计了一个干涉仪,一对光线通过有水流的管子,一束光迎着水流进行,另一束顺着水流.若是水自已拖曳以太,其结果将是干涉条纹有确定的移动.事实上观察到了某些移动,然而它并没有同完全拖曳的假说相对应.在算出了相应于被观察到的条纹的拖曳系数之后,菲索得到相应于费涅尔拖曳公式的数值.斐索水流实验

以太被水流部分拖拽.
    Einstein评价说：“麦克斯韦和他的后继者都没有给以太想出一种机械模型,为麦克斯韦电磁场定律提供一种令人满意的力学解释.这些定律既清楚又简单,而那些力学解释却既笨拙又充满矛盾.”
                             6、光速的测量
光波或电磁波在真空或介质中的传播速度,光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义.它不仅推动了光学实验的发展,也打破了光速无限的传统观念；虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间,但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展,尤其是在微粒说与波动说的争论中,光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据,最终推动了相对论理论的发展.根据现代物理学,所有电磁波,包括可见光,在真空中的速度是常数,即是光速.强相互作用、电磁作用、弱相互作用传播的速度都是光速,根据广义相对论,万有引力传播的速度也是光速,且已于2003年得以证实.
在光速的问题上物理学界曾经产生过争执,开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是在瞬时进行的.但伽利略认为光速虽然传播得很快,但却是可以测定的.1607年,伽利略进行了最早的测量光速的实验.伽利略的方法是,让两个人分别站在相距一英里的两座山上,每个人拿一个灯,第一个人先举起灯,当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯,从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间.但由于光速传播的速度实在是太快了,这种方法根本行不通.但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕.1676年罗麦发现木星卫星公转的周期不是不变的.当地球在绕日运行的轨道上离开木星时周期略长；当地球接近木星时周期略短.这一事实表明光不是瞬时传播的.
1676年,丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法.他在观测木星的卫星的隐食周期时发现：在一年的不同时期,它们的周期有所不同；在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四五天.他认为这种现象是由于光具有速度造成的,而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟.1676年9月,罗麦预言预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟.巴黎天文台的科学家们怀着将信将疑的态度,观测并最终证实了罗麦的预言.罗麦的理论没有马上被法国科学院接受,但得到了著名科学家惠更斯的赞同.惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度：214000千米/秒.虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远,但他启发了惠更斯对波动说的研究；更重要的是这个结果的错误不在于方法的错误,只是源于罗麦对光跨越地球的时间的错误推测,现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒,很接近于现代实验室所测定的精确数值.
十八世纪,科学界是沉闷的,光学的发展几乎处于停滞的状态.继布莱德雷之后,经过一个多世纪的酝酿,到了十九世纪中期,才出现了新的科学家和新的方法来测量光速.1849年,法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速.他的方法原理与伽利略的相类似.他将一个点光源放在透镜的焦点处,在透镜与光源之间放一个齿轮,在透镜的另一测较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜,平面镜位于第二个透镜的焦点处.点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光,平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点,在平面镜上反射后按原路返回.由于齿轮有齿隙和齿,当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住.从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间,根据齿轮的转速,这个时间不难求出.通过这种方法,菲索测得的光速是315000千米/秒.由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确的测出光速.1850年,法国物理学家傅科改进了菲索的方法,他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜.平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上,同样用平面镜的转速可以求出时间.傅科用这种方法测出的光速是298000 千米/秒.另外傅科还测出了光在水中的传播速度,通过与光在空气中传播速度的比较,他测出了光由空气中射入水中的折射率.这个实验在微粒说已被波动说推翻之后,又一次对微粒说做出了判决,给光的微粒理论带了最后的冲击.
1928年,卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速.1951年,贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒.光波是电磁波谱中的一小部分,当代人们对电磁波谱中的每一种电磁波都进行了精密的测量.1950年,艾森提出了用空腔共振法来测量光速.这种方法的原理是,微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振.根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率可计算出光速.当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的.1958年,弗鲁姆求出光速的精确值：299792.5±0.1千米/秒.1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米/秒.光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义.虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间,但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展,尤其是在微粒说与波动说的争论中,光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据.
                        7、迈克尔逊实验
（1）麦克尔逊1881年的干涉实验：1881年,麦克尔逊专门设计了一个被后人命名为“麦克尔逊干涉实验”的光学实验来检验这个假说是否正确.
根据矢量合成法则, 如果光线确实是在与绝对空间保持绝对静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播,在相对于“以太”海以速度V运动的地面参照系中,光线在纵向光路前进的速度等于C2－V2 ,在横向光路上向右前进的速度为C－V,经镜面反射后返回向左前进的速度为C＋V.这样,两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于：ΔT＝ 2L C2－V2  － ( L C+V  ＋ L C-V  )＝ 2L C2－V2  － 2LC C2－V2 ＝ 2L C2－V2  ( 1 － C C2－V2  )
当人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动90度时,先前的纵向光路和横向光路正好对调,麦克尔逊干涉仪在转动90度的前后两种状态下,两束相干光在互相垂直的光路上走过的时间之差刚好相反,总差值为2倍的ΔT.这样,人们从光线接受屏上就应该看到由传播方向互相垂直的两路相干光所形成的干涉条纹将发生移动,但实验的结果是没有发现干涉条纹有任何移动.
（2）、迈克尔逊1913年的实验
    这个实验采用了如图 1 的装置,光线 A 镜时,分为两支.一支是 A>B>C>D>E>A,另一支是 A>E>D>C>B>A, C 和 E 是旋转的镜子,A 是一个半透射镜,B 和 D 是反射镜,按照迈克尔逊的分析,这两支光线的时间差是 　

  T1 -  T2 = ( 4d / λ  )( 2 -  r  )( v / V  )--(10)
    式中各符号的意义：
    V  未反射前的光速（原文用的符号）；
     v  旋转反射镜的线速度；
    d   o D 的距离；
    r  =  2 对应弹性碰撞理论；   　
    r  =  1 对应反射镜为新光源的理论；
    r  =  0 对应光速与源速无关的理论.
    他所采用的实验装置, d = 600厘米,旋转镜的中心距  
l = 26.5厘米,碳弧光源.取光平均波长  λ  = 0.60μ .在他的报告中,给出了1000转/分条件下的实验数据,列入下表：  　
　         1         2         3         4         5         6         7         　
Δ         3.8         3.1         3.2         4.3         3.0         3.93         3.83         3.81 = 考虑权重后的平均值
权重         1         1         1         2         2         3         4         3.76 = 计算位移（ν = 0）
  这里 Δ 是干涉条纹的位移.
根据（10）式,得出以下结果
   r = 0   Δ  = 8（ d r / λ  V   ）=  3.76--- （11）
   r = 1   Δ  = 4（ d r / λ  V   ）=  1.88--- （12）  
   r = 2   Δ  = 0 ------- （13）
因为实验结果和（11）式比较接近,所以迈克尔逊认为,该实验证明了光速与源速无关.
   
1902-1904年,密勒和莫雷在地表用更精密的仪器做迈克尔逊-莫雷实验,实验结果比1887年迈克尔逊和莫雷所得更接近于零.
1921年,密勒把迈克尔逊-莫雷实验装置安在威尔逊山上进行,所用方法和以前一样,但实验发现有10Km/s的正效应.为了证实这一点,他采取了多种措施,包括撤换铁磁材,密勒还是得出10Km/s的正效应.1976～1977年美国贝克莱实验室在15000 m的高空做迈克尔逊-莫雷实验,他们观测到的光相对于地球的漂移速度是30Km/S .这个实验先后重复10次,观测到的光相对于地球的漂移速度都是30Km/S.（录自Scicntific American 1978 年238卷5期）.
在1903年,特鲁顿——诺贝利用一个可自由转动的定向充电平板电容器做过检测地球相对以太空问绝对运动速度的实验.人们普遍认为,如果地球有相对“以太”的运动,带有异号电荷两极板电容器就应有趋向于平行运动方向上的转动.
同物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说本来已经很牵强,原先以为光线是在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播的设想又遭到了实验的否定,人们只能判定：在宇宙空间并不存在与物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子.
对于这个结论,19世纪末的物理学家并不是马上都能够接受.Lorentz在当时就提出了一个物质分子力“收缩假说”,他认为在横向光路上,由于迈克尔逊干涉仪以速度V相对于“以太”海运动,物体在这个方向上将发生分子力收缩,克尔逊干涉仪的横向臂长将按照1 ： 1－V2/C2 的比例缩短.于是,两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差修正为：ΔT ＝ 2L纵 C2－V2  － 2L横C C2－V2 ＝ 2L C2－V2  (1－ C C2－V2   1－V2/C2 ) ＝ 0
这样,麦克尔逊干涉仪在转动90度的过程中,干涉条纹不发生移动的现象似乎就得到了理论上的解释.中国学者证实光速在10－19精度上无方向差异.扮演无限大速度的角色,就要具备无限大速度的性质,因此有检验真空光速不变的方程【1】 c /= c±KV ,其中c是光源静止时的光速,c /是相对于观察者以速度±V运动的光源发射的光信号的速度,K是由实验确定的参数.K=0是相对论期望的结果,K=1是发射理论（弹道假说）的情况.文献【2】收入的16例实验结果为：有3例K=0,其余13例K值在10-6—0.67之间,实验并没有真正证实K=0,但相对论支持者们认为K=0.            
参考文献：
【1】张元仲,狭义相对论实验基础,北京：科学出版社,1979年,56.
【2】G.van Bieshroeck,1932,Astrophys.,75,64.
                8.爱因斯坦推导光速是物体运动速度的极限的过程
如果说牛顿力学是正确的，那么就会存在一个惯性系是以光速匀速运动的.让这样一个惯性系的运动方向与光波相同，同时让一个人在这样的惯性系上对光波进行观察，这个人能看到什么呢？根据伽利略变换，在这样一个惯性系中，这个人可以看到自己与波峰波谷一起运动，虽然在空间各点电磁场强度是不同的，但在任何一个确定点上它是不会随着时间而变化的，这样就像拍得的海浪照片.爱因斯坦分析得到：（1）电磁波的存在早就被赫兹用实验证实了，而麦克斯韦方程又是不容置疑的，它是波动方程，方程的可能解应该是时空中的波，而不会是海浪照片.（2）相对性原理也是不能被置疑的，它是自然界中普遍存在的事实，当然在电动力学中也能成立；一个人在惯性系中观察到的所有物体的运动规律肯定和他相对于地球静止时看到的相同.这个理想实验的结果说明在以光速运动的惯性系中，麦克斯韦方程不再是波动方程，相对性原理在电动力学中是不成立的，这就出现了矛盾.于是我们知道，观察者是不可能以光速运动的，而且无论用什么样的方法都不能达到或超过光速.也就是说光速不仅是电磁波传播的速率，同时还是一切物体运动速度的上限.
第二章        洛伦兹变换的思考
             1、狭义相对论产生的背景                                 
    19世纪80年代初,当普朗克(M. Planck,1859～1947)表示决心献身理论物理学时,他的老师、著名的德国实验物理学家约利(P. von Jolly, 1809～1884)规劝他说：“年轻人．你为什么要断送自己的前途呢? 要知道理论物理学已经终结,微分方程已经确立,它的解法已经制定,可供计算的只是个别特殊的情况．可是把自己的一生献给这一事业,值得吗?” 1894年赫兹甚至在批评牛顿力学有关基本慨念的著作中还坚持认为：“把一切自然现象还原为简单的力学定律是物理学的课题,在这一点上,所有的物理学家都是一致的.” 热力学第二定律的不可逆性同牛顿力学的可逆性相对立.虽然热力学第二定律的统计解释表明可以从力学定律导出热现象的不可逆性,但它引入了与牛顿力学规律的确定性相对立的统计规律；同时统计力学的各态历经假说根本不能归结为力学原理.另外统计力学中的能量均分定理不能适用于具有无限传播的结论,也同引力的瞬时超距作用相对立.此外麦克斯韦（1831～1879）的电磁场方程和伽利略（1564～1642）的相对性原理不协调,电磁现象领域中质量和电动力的速度相关也同牛顿力学的质量和力的速度无关相矛盾.
（一）、 洛仑兹的收缩假说
    声名卓著的开尔芬十分热衷于构造以太的力学模型,他在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型,我是永远也不会满足的.”迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”在最初人们并没有因此否定静止以太的存在,反而认为是实验可能失败了,或力图对实验结果作出种种解释.其中最具代表性的理论假说是荷兰物理学家洛仑兹的收缩假说.
1．洛仑兹(H.A.Lorenzt)的贡献
1853年7月生于荷兰.1870年考入莱顿大学,主攻数学、物理学和天文学,1875年12月获得博士学位,1877年被乌得勒支大学聘为数学教授,同年莱顿大学授予他荷兰唯一的理论物理学教授席位（24岁）.1912年洛仑兹辞去莱顿大学教授职务,去政府部门任高等教育部部长.他创立了电子论,首次把以太和普通物质分开,1895年提出著名的洛仑兹力公式.他将经典电磁场理论发展到了一个新的高度,为相对论的诞生创造了条件.他因其电子论对塞曼效应进行了定量解释,与塞曼分享了1902年诺贝尔物理学奖.洛仑兹在世纪之交虽然积极参与了物理学的几个前沿领域,却极力设法修补旧理论,总想在不触犯经典理论框架的前提下把力学和电动力学调和起来.但是1887年迈克尔逊实验否定了为电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说,使电磁力学的基础受到了冲击.洛仑兹为此而郁郁不乐,他于1892年写信给瑞利说：“我现在简直不知道怎样才能摆脱这个矛盾.不过我仍然相信,如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论,………我们就根本不会有一个合适的理论了”. ……….直到晚年,他还认为以太是具有一定优点的概念.
2．长度收缩假说的提出
1892年11月洛仑兹发表了《论地球对以太的相对运动》,用长度收缩假说解释了迈克尔逊—莫雷实验.他认为运动物体在其运动方向上的收缩,抵消了地球在以太中运行所造成的光程差,所以观察不到预期的条纹移动.他写到：“我终于想出唯一的方法来调和它与菲涅耳的理论：连接一个固体上的两点连线,如果开始平行于地球运动的方向,当它转过90℃后就不能保持原来的长度.如果令后一个位置的长度为L,则前一个位置的长度为L(1-α).”其中α=v2/2c2 .1895年洛仑兹给出了更精确的长度收缩系数为
,洛仑兹一直认为这种收缩是真实的,是由分子运动引起的.
3. 一级近似的解释及地方时
    洛仑兹的上述收缩假说只涉及到v2/c2的这种二级近似.1895年,洛仑兹发表了《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》,提出了地方时概念,他对麦克斯韦方程组施加了一种变换.其中时间t变为“当地时间” t´=t–(v/c2)x,电场E变换为E´=E+v×B/c,磁场B变换为B´=B-v×E/c,结果发现麦克斯韦电磁场方程组的形式不变.由此证明其收缩假说可以准确到v/c一阶范围.这样就解释了迈克尔逊—莫雷实验.
“当地时间”t’=t–(v/c2)x,指在物体上的测得的时间,它与坐标系的平移速度有关.它表明,好象在运动坐标系上的时钟走慢了.洛仑兹认为地方时只不过是一个数学假设,不具有真实的物理意义,而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间.与此相反,Einstein认为不存在所谓的绝对时间,地方时才是唯一真实的时间.   
4．实验验证的失败
①按照洛仑兹的长度收缩假说,物体的密度在不同的方向上会有所不同,这样光通过它时会产生双折射.1902年瑞利、1904年布雷斯先后进行了实验,未发现双折射现象.
②根据洛仑兹理论,若电容器的极板与地球的运动方向成一夹角,当电容器充电时,其极板会受到一转动力偶矩的作用,1903年特劳顿和诺布尔作了实验,结果也是否定的.这些实验都是二阶效应,说明在二阶近似的条件下,也发现不了地球运动对电磁现象的影响,仅用“长度收缩”假说难以说明问题.
（二）彭加勒的观点
    洛仑兹认为,上述变换中的t’、E’、B’都不是真实的物理量,只是某种辅助量.另外,一级近似下的解释采用了一种对速度v线性相关的变换不变性,而二级近似下的解释,则完全撇开这种不变性,需要再回到伽利落变换,再引进收缩假说.这种人为性和逻辑上的不自洽性,使这套理论显的很不自然.
    法国科学家彭加勒批评说：“如果为了解释迈克尔逊—莫雷实验的否定结果,需要引进新的假说,那么每当出现新的实验事实时,同样也发生这种需要.无疑的,对每一个新的实验结果创立一种假说这种做法是不自然的.”洛仑兹接受了这种批评,希望“能够利用某些基本假定,并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量,来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关”.彭加勒(J.H.Poincare)①1895年对洛仑兹的“长度收缩”假说的批评.
②1905年发表论文《论电子动力学》,给洛仑兹理论以更简洁的形式,并将其时空变换命名为洛仑兹变换.
③1898年发表论文《时间的测量》,首次提出光速在真空中不变的公设,认为没有这一公设,就无法测量光速；在论文中还讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法.
④1899年彭加勒就认为绝对运动是不存在的,只有相对运动才有意义.
⑤1902年在出版的《科学与假设》中提出“相对运动原理”：“任何系统的运动应当遵守同样的定律,不管人们把它纳于固定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”.
⑥彭加勒预感到物理学上将有重大突破,他说：“也许我们还要构造一种全新的力学,我们只不过是成功的瞥见了它,在这种力学中,惯性随着速度而增加,光速会变为不可逾越的极限.通常比较简单的力学可能依然是一级近似,因为它对不太大的速度还是正确的,以致于在新动力学中还可以找到旧动力学.”
⑦彭加勒的局限：
遗憾的是,彭加勒最终未能认识到抛弃以太的必要性,没能迈入相对论的殿堂.直到临终,他还对洛仑兹补偿理论的精神实质充满信心.他的相对性原理是作为一个“普遍的自然定律”提出来的,他期待有一种理论能解释或证明它.而狭义相对论中Einstein则把相对性原理提升为公设,其中差别显而易见.
（三）洛仑兹变换的提出
1904年,洛仑兹发表了《速度小于光速运动系统中的电磁现象》,提出了决定时空变换的法则,在此基础上, 1906年彭加勒写出了“洛仑兹变换”式：
  
l 为速度v的函数.
(1) 时空坐标关系为
,       .            （1）   
(2) 速度变换关系为
,   
可以说,洛仑兹的长度收缩假说、地方时、洛仑兹变换以及他最早形成的关于物质质量随其运动速度增加的思想,都已包含了狭义相对论的基本内容,为Einstein创立狭义相对论创造了条件.
洛伦兹变换解决了相对作平动的两个参考系之间的坐标及物理量的变换问题.有经典力学可知,平动和转动是物体宏观运动的两种基本运动形式,因此转动也有类似洛伦兹变换的那样的简单变换关系,M.Carmeli对两大基本理论（洛伦兹变换和刚体转动）及上述问题做了深入的研究,给出这种类似的变换,采用通俗的表述方法,这种变换可表示如下
                ,                                          这种变换被称为“洛伦兹变换”.这种变换被称为“旋转洛仑兹变换.”严格来讲,若s′系的观角速度是ω, s系的观测者测量的角速度不再是ω,应当有个小量的修正,但为了讨论简单起忽略这一差别,对于非高速自转的天体是适用的.
1、速度的合成
设点P(圆盘上一点)在s′中的位矢为r ,速度为u ,在s系中P点的速度为u ,由洛仑兹变换可得速度变换公式
,                             
在s′系中质点P的速度 可以表示为:
,                              
取两参照系的初始时间 ,利用动参照系和静止参照系中时间间隔的关系应有 ,    所以点P在s系中的速度分量可以表示为
  ,                                   
写成矢量形式为
,                    
即两坐标系的速度变换公式.
2 、运动时钟“变慢”和多普勒效应
(1) 运动时钟的“变慢”
设某光源位于圆盘上的P点,若光源以自己的原时间间隔dt"先后发出两个光信号,由旋转洛伦兹变换可知s'中的观测者测得的时间间隔为
,                                            
则s系中测得的时间间隔为
      ,                                 
上式为静止系s中某光源的时率与P点光源的时率之间的关系,由此可见运动的时钟“变慢”了,比狭义相对论中的时间间隔公式多出了一个因子 .
(2) 多普勒效应
假设在P点处有一光源,以时间间隔dt"先后向O点发出两个光信号,若圆盘离静止坐标系s中观察者足够远,则两个光信号到达O的时间差为
,                  
其中α为t时刻光源的位矢与x轴之间的夹角,R表示光源对静坐标系原点O的位矢,第一项是由光信号传播需要的时间,第二项是因为(31)式造成的.由洛仑兹变换可知
,                        
所以 ,              
因此 ,      
当 时,圆盘退化成一点,有
,                                                       即狭义相对论中的多普勒效应[5],结果和经典教材中的结果一致.
3、“尺缩”效应
在动坐标系s′中静止的观测者看来,旋转面应为“Einstein转盘”,这可以用旋转洛沦兹设P点所在圆周的有向线元为dl′,则
,                                       
,                                                      
所以在s'系中静止的观测者测得仍为一圆,但周长为
,                        
周长与直径之比为
,                                    
面积为 ,                              
当盘边缘速度 时,展开则有  ,                                                      
在静坐标系s中看,该线元矢量随s'系沿x轴方向相对s系运动时,平行方向会收缩,即有 ,        ,                                 
则s系中测得的闭合曲线周长为
  ,其中EllipticE函数为第二类完全或不完全椭圆积分,其定义为 ,                                             ,由此可见,静止系中观测的结果为一椭圆.
                        2、狭义相对论的产生以及科学界最初的反应
1905年,年仅26岁的Einstein先生,把一篇题为“论动体的电动力学”的论文署上了他个人的作者名字后,交到了时任德国《物理学杂志》（annalen der physic）编辑的柏林大学物理教授M.普朗克的手里.普朗克其时在病床边是否看懂了Einstein的论文,旁人不得而知.但今天我们知道,普朗克曾将该文请伯尔尼的格鲁涅尔教授审阅,格鲁涅尔看过之后,又请物理学教授福尔斯特审阅.两教授最终审阅的结论是“不知所云”.【1】洛仑兹的理论是以静止以太为出发点,在保持麦克斯韦方程不变的条件下创立起来的“构造性”理论；而Einstein的狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的“原理性”理论.
据玻恩回忆说：“我在洛仑兹逝世前几年看望他时,他对相对论的怀疑态度没有改变.”据板田昌一讲,洛仑兹面对波粒二象性的新概念,曾绝望地哀叹：“在今天,人们提出了和昨天所说的绝然相反的主张.这样一来,已经没有真理的标准了,也不知道科学是什么了,我真后悔我未能在这些矛盾出现前五年死去.” 玻耳兹曼直到1902年还公开宣称：“力学是整个理论物理大厦赖以建立的基础,是所有其他科学分枝赖以产生的根源.” 迈克尔逊设计试验的目的是为了证明“以太”的存在,可是事与愿违.为此他非常失望,以至于试验没按原计划完成,而是草草收场.他至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”. J.J.汤姆生在1909年宣称：“以太并不是思辩哲学家异想天开的创造,对我们来说,就象我们呼吸空气一样不可缺少.”A.A马克西莫夫说：“整个说来,相对论为科学发展所提出的方向却是错误的.”
普朗克是量子论的天才创始人,也是一个具有广泛科学兴趣和敏锐直觉的物理学家,他还是高度评价相对论的内在严整和谐的第一人.他理解到或者说感觉到Einstein的理论将长期决定物理学的研究方向,这些研究将带来不能预先确定的、但对科学和文化的所有领域无疑是重大的成果.普朗克使用了他在科学院院士中无可争议的权威,不只是科学上的,还有道德上的权威,全力赞誉着Einstein.
无论在这儿,还是在那儿,人们根本不理解我的理论,这难道不会对我有一个很愚蠢的印象吗？我认为,发生这种现象是很滑稽和有趣的.我相信,真正吸引他们的是不理解所带来的神秘性；这使他们印象深刻,因为它具有神秘的诱惑力.【2】因为电磁场在这里不再以某些物质的状态的身份出现,它本身就是存在物,它和有重物质是同一类东西,而且它也带有惯性的特征.” “这样一个理论允许一下子预言到迈克耳孙和莫雷的否定结论.” 【3】2012年初出版的一本高举宏相大旗的新著《科学巨擘：Einstein》中,作者义愤填膺地说：“无论是‘狭义相对论’还是‘广义相对论’,总有一些反对意见冒出来,还有若干实验公布于世,以证明他的理论是‘错误’的……而这些暗流的来源,又不是孤陋寡闻之士,全是物理学领域的专家.这让诺贝尔奖委员会举棋不定,不敢把奖颁发给Einstein.”
1922年,普特南出版公司出版了哥伦比亚大学天体力学教授查尔斯•普尔所著的《万有引力与相对论》一书,该书对Einstein理论当时的实验依据进行了批评.它提出了重要的意见,并且用商榷的而不是武断的口气说,“相对沦也许是正确的,但是,目前的证据尚不完备.”1932年阿瑟•林奇的著作《驳Einstein》虽然根本不是什么严谨的科学论著,但也不是毫无价值.直到后来,仍有许多享有盛名的物理学家持有与Einstein根本不同的观点,英国著名的数学家爱德华•米尔恩的“运动相对论”就是一例.
中国 “文革”期间,曾掀起过批判相对论和Einstein的风潮,认为相对论的时空理论“是彻头彻尾的形而上学唯心主义的”、“在物理学中掀起了一股强大的唯心主义逆流”,Einstein本人则被认定为“本世纪以来自然科学领域中最大的资产阶级反动学术权威”.诺贝尔奖委员会拒绝为Einstein的相对论授奖.Einstein同时代的著名科学家Lorentz 、彭加勒和卢瑟福等全都不赞成相对论,被Einstein誉为相对论先驱的马赫,竟声明自己与相对论没有关系,“不承认相对论.”.大多数物理实验家如拉海利、艾弗斯、沙迪、格兰纽父子、马林诺夫和帕帕斯等也不认同相对论.著名迈克尔逊——莫雷实验的主创人迈克尔逊因自己的实验“引出相对论这一怪物”而饮恨终生; Einstein相对性原理把相对中性的稳定力场情况下低速惯性系中简单力学现象的等价性,引申和推广到一切惯性系和所有物理现象的等价性,进一步扩大了人的认识和客观自然的矛盾.为了这个假设能有立足之地,它假设空间是虚无的真空,还假设了光速不变及光速最大,还假设不同惯性系上的空间和时间可变,……由于这些错误的假设做前提,所以才产生了《狭义相对论》这个“怪物”（迈克尔逊语）.
参考文献
【1】        陈建礼.逝者如斯,而未尝往也——狭义相对论的诞生[G]//科学的丰碑——20世纪重大科技成就纵览.济南：山东科学技术出版社,1998：340.
【2】         John D.Barrow. 作为图标的Einstein［J］//Einstein与物理百年（year of physics a celebration in chinese）.北京. 北京大学出版社,2005：13.
【3】        A.Einstein.关于相对性原理和由此得出的结论[G]//Einstein文集（第二卷）.北京：商务印书馆,1977:151.
                  
  3、Lorentz  transformation经典物理推导方法【1】
方法1：设空间有两个静止的物体A与B,它们之间重力的作用力为 ,在 刻内A的重力对B做功 ；当A有 速时设A、B之间的重力作用为 ,其重力对B的初始速度是 ,设在 刻对B做了与 等量的功.于是得等式： 　　　　（1）
当A、B都有 速时,设它们的重力作用为 ,动A在 刻对动B做功 ；而当A静止而B有 速时,静A在 刻对动B做了与 等量的功,于是得等式： 　　　　（2）
设 ,  = , , , ,代入（1）、（2）,
可得等式： 　　　　　（3）           （4）
  将（4）代入（3）,消去 ,整理得： 　　　（5）
　将（4）、（5）代入 ,整理可得三大项： , 当 、 、 的系数均为０时,上式成立.
从第一项系数等于0,可解得 .将 代入第二项系数并等于０,可解得 .将 、 代入第三项系数,可验证其为０.这样就求得了洛伦兹变换.
方法2、用相对性原理求出变换关系式
S原点的坐标为
       即      
        x与 同时为零,         可写成： . 两组时空坐标是对一事件而言的, 它们应有一一对应关系,即要求它们之间为线性变换, m=1,即        （6）同理：             (7)
    根据相对性原理,对等价的惯性系而言,（6）、(7)二式除 外,它们应有相同形式,即要求 ,                  (8)
解（6）有                 （9）
                                      （10）
2、用光速不变原理求k=？
时,一光信号从原点沿OX轴前进,信号到达坐标为：
      （c不变）                     (11)
(11)代(8)中

上述二式两边相乘有：
       （ ）
k代(10)中,有
       或                      （12）
讨论：（1）时间与空间是相联系的,这与经典情况截然不同.
（2）因为时空坐标都是实数,所以 为实数,要求 .v代表选为参考系的任意两个物理系统的相对速度.可知,物体的速度上限为c,  时洛伦兹变换无意义.
（3）  时,
        或      
即洛伦兹变换变为伽利略变换, 叫做经典极限条件.
方法三：设想有两个惯性坐标系分别叫S系、S'系,S'系的原点O‘相对S系的原点O以速率v沿x轴正方向运动.任意一事件在S系、S'系中的时空坐标分别为（x,y,z,t）、（x',y',z',t'）.两惯性系重合时,分别开始计时 .若x=0,则x'+vt'=0.这是变换须满足的一个必要条件,故猜测任意一事件的坐标从S'系到S系的变换为x=γ(x'+vt') (1)
　　式中引入了常数γ,命名为洛伦兹因子
　　（由于这个变换是猜测的,显然需要对其推导出的结论进行实验以验证其正确性）
　　在此猜测上,引入相对性原理,即不同惯性系的物理方程的形式应相同.故上述事件坐标从S系到S'系的变换为
　　x'=γ(x-vt) (2)
　　y与y'、z与z'的变换可以直接得出,即
　　y'=y (3)   　　z'=z (4)
　　把（2）代入（1）,解t'得 t'=γt+(1-γ^2)x/γv (5)
　　在上面推导的基础上,引入光速不变原理,以寻求γ的取值
　　设想由重合的原点O（O'）发出一束沿x轴正方向的光,设该光束的波前坐标为（X,Y,Z,T)、(X',Y',Z',T').根据光速不变,有
　　X=cT                 (6)
　　X’=cT' (7)
　　（1）（2）相乘得
　　xx'=γ^2( xx'-x'vt+xvt'-v^2*tt') (8)
　　以波前这一事件作为对象,则（8）写成
　　XX'=γ^2(XX'-X'VT+XVT'-V^2*TT') (9)
　　（6）（7）代入（9）,化简得洛伦兹因子
　　γ=[1-(v/c) ^2]^(-1/2) (10)
　　（10）代入（5）,化简得 　t'=γ(t-vx/c^2) (11)
　　把（2）、（3）、（4）、（11）放在一起,即S系到S'系的洛伦兹变换
　　x'=γ(x-vt),y'=y, 　z'=z, t'=γ(t-vx/c^2) (12)
　　根据相对性原理,由（12）得S'系到S系的洛伦兹变换
　　x=γ(x'+vt'), y=y', z=z', 　t=γ(t'+vx'/c^2) (13)
　　下面求洛伦兹变换下的速度变换关系
　　考虑分别从S系和S'系观测一质点P的运动速度.设在S系和S'系中分别测得的速度为u(j,n,m)和u'(j',n',m')
　　由（12）对t'求导即得 S系到S'系的洛伦兹速度变换
　　j'=(j-v)/(1-vj/c^2), n'=n/[γ(1-vj/c^2)^-1],
　　m'=m/[γ(1-vj/c^2)^-1] (14)
　　根据相对性原理,由（14）得S'系到S系的洛伦兹速度变换
　　j=(j'+v)/(1+vj'/c^2), n=n'/[γ(1+vj'/c^2)^-1],
　　m=m'/[γ(1+vj'/c^2)^-1] (15)
洛伦兹变换结合动量定理和质量守恒定律,可以得出狭义相对论的所有定量结论.这些结论得到实验验证后,也就说明了狭义相对论的正确性.
参考文献：
【1】徐行可、张晓、张庆福：《物理学概论（上）》134页,西南交通大学出版社,1995年12月版
4、同时性的相对性                                   
经典力学体系中,不需要考虑观测者的观测效应,也不需要任何观测信号,所以也不存在信号延迟问题.这表明经典力学所考虑的是在理想状态下的物理本质关系.在现实生活中,任何物理事件的本质都需要通过对物理现象的观察来反映,这样就必然引入观测者,而观测者本身不能将自己置于整个三维空间中,所以必须借助观测信号来进行观测,由此又必须引入观测信号.这种引入了观测这和观测信号的物理规律,与理想状态下的物理本质规律是不会完全相同的,需要进行一定的关系推演,才能够通过观测者所观测到的物理现象推知符合经典理论的物理本质.“在相对论的第一篇论文发表之前很久,Einstein就已经认识到‘相对性原理’和‘麦克斯韦电磁理论’是应该坚持的基本原理,他也已认识到这将导致电磁理论与参考系无关,以及由此引起的光速与参考系无关的结论,即所谓‘光速不变性’.也就是说,Einstein已经抓住了‘相对论’的基础.那么他为什么一直没有建立起‘相对论’呢？……他回忆……当时……正被一个问题卡住.这个问题就是‘光速不变性’似乎与力学中的速度叠加法则相矛盾.”[1] “在经过了一年时间的研究以后,Einstein终于领悟到,问题正出在人们最不容易怀疑的一个基本思想观念上,即同时性的问题上.”[2] “同时的相对性正是Einstein建立狭义相对论时空观的突破点.在经典力学中时间是绝对的,因而同时也是绝对的：在一个惯性系中同时发生的两事件,在所有惯性系中都是同时的.” [3]
Einstein在<<狭义相对论的意义>>中写道:为了完成时间的定义,可以使用真空中光速恒定的原理.假定在K系各处放置同样的时计,相对于K保持静止,并按下列安排校准.当某一时计Um指向时刻Tm时,从这只时计发出光线,在真空中通过距离Rmn到时计Un；当光线遇着时计Un的时刻,使时计Un对准到时刻Tn=Tm+Rmn/c.光速恒定原理于是断定这样校准时计不会引起矛盾.设有一个牛顿力学方程在其中有效的坐标系.为了使我们的陈述比较严谨,并且便于将这坐标同以后要引进来的别的坐标系在字面上加以区别,我们叫他“静系”.
如果一个质点相对于这个坐标系是静止的,那末它相对于后者的位置就能够用刚性的量杆按照欧几里得几何的方法来定出,并且能用笛卡儿坐标系来表示.
如果我们要描述一个质点的运动,我们就以时间的函数来给出它的坐标值.现在我们必须记住,这样的数学描述,只有在我们十分清楚的懂得“时间”在这里指的是什么之后才有物理意义.我们应当考虑到：凡是时间在里面起作用的我们的一切判断,总是关于同时的事件的判断.比如我说,“那列火车7点钟到达这里”,这大概是说“我的表的指针指导7同火车的到达是同时的事件.”①
可能有人认为,用“我的表的短针的位置”来代替“时间”,也许有可能克服由于定义“时间”而带来的一切困难.事实上,如果问题只是在于为这只表所在的地点来定义一种时间,那末这样的一种定义就已经足够了；但是,如果问题是要把发生在不同地点的一系列事件在时间上联系起来,或者说——其结果依然一样——要定义出那些在远离这只表的地点所发生的事件的时间,那末这样的定义就不够了.
当然,我们对于用如下的办法来测定事件的时间也许会感到满意,那就是让观察者同表一起处于坐标的原点上,而当每一个表明时间发生的光信号通过空虚空间达到观察者时,他就把时针位置同光到达的时间对应起来.但是这种对应关系有一个缺点,正如我们从经验中所已知道的那样,他同这个带有表的观察者所在的位置有关.通过下面的考虑,我们得到一种比较切合实际得多的测定法.
  如果在空间的A点放一钟,那末对于贴近A处的事件的时间,A处的一个观察者能够由找出同这些事件同时出现的时针的位置来加以确定.如果又在空间的B点放一只钟——我们还要加一句,“这是一只同放在A处的那只完全一样的钟.”——那末,通过在B处的观察者,也能够求出贴近B处的事件的时间,但是是没有进一步的规定,也能够求出贴近B处的事件的时间,但是要没有进一步的规定,就不可能把A处的事件同B处的事件在时间上进行比较；到此为止,我们只定义了“A时间”和“B时间”,但是并没有定义对于A和B公共的“时间”.只有我们通过定义,把光从A到B所需要的“时间”规定等于它从B到A所需要的“时间”,我们才能够定义A和B的公共“时间”.设在“A时间”tA从A发出一道光线射向B,它在“B时间”tB又从B被反射向A,而在“A时间”t`A回到A处.如果 tB — tA = t`A — tB,那末这两只钟按照定义是同步的.
    我们假定,这个同时性的定义是没有矛盾的,并且对于无论多少个点也适用,于是下面两个关系是普遍有效的：
1.        如果在B处的钟同在A处的钟,那末在A处的钟也就同B处的钟同步.
2.        如果在A处的钟既同B处的钟,有同C处的钟同步的,那末,B处的两只钟也是相互同步的.
这样,我们借助于某些（假想的）物理经验,对于静止不同地放的各只钟,规定了什么叫做它们是同步的,从而显然也就获得恶劣“同时”和“时间”的定义.一个事件的“时间”,就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示,而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的,而且对于一切的时间测定,也都是同这只特定的钟同步的.
根据经验,我们还把下列量值 2AB / (t`A — tA )= V,当作一个普适常数（光在空虚空间中的速度）. 要点是,我们用静止在静止坐标系中的钟来定义时间；由于它从属于静止的坐标系,我们把这样定义的时间叫做“静系时间”.
  注：① 这里,我们不去讨论那种隐伏在（近乎）同一地点发生的两个事件的同时性这一概念里的不精确性,这种不精确性同样必须用一种抽象法把他们消除.——原注
Einstein认为地方时才是度量物体运动的唯一真实的时间,而洛伦兹却在1915年再版的《电子论》中承认了自己的错误：“是我坚持变量t只能考虑为真实时间的思想和我坚持地方时t必须只能考虑为一个数学辅助量的思想的结果.”认为地方时只不过是数学的假定或是一种数学辅助量,不具有真实的物理意义.1922年12月14日Einstein在日本东京演说《我是如何创造相对论的》：“时间这个概念本来是不能给一个绝对的定义的,”《Einstein文集》：“由此得知,两个隔开的事件的同时性不是一个不变的概念,刚体的大小和时钟的快慢都同它们的运动状态有关.”两个隔开的事件我们不知道是不是完全隔开的,如果完全独立到没有任何关系联系时我们讨论已无任何意义和怎么的都行,因为我们根本无法知道或不知道是不是同时或不同时和谁也不知道究竟谁不准.测量与被测量肯定是属于一个系统,不存在两个完全隔开的事件,两个隔开的事件不属于相对关系,如果属于一个相对系统这时又违背了相对性原理,既然相对就必然存在相互联系,隔开也还是属于一个系统.Einstein的相对却是两个毫无关联的组成的一个体系,既然是一个体系那么就必然存在一个相同的物理条件,它们之间也就应该存在必然联系,相对也好绝对也好但都是存在对应联系关系的.所谓的相对性是把它们之间的时间与运动的关系实质分割成孤立毫不相关而造成的,否则就不会发生相对时间事件了.
Einstein为我们选择了最好的校钟法：“我们必须在这两个钟的距离的中点处摄取这两个钟的电视图,在这个中点上观察它们.如果信号是同时发出的,它们也同时到达中点处.假使从中点上所观察到的两个好钟一直指示着相同的时间,那么它们便能很适宜于来指示距离很远的两点上的时间.” 【44】 我们可以很清楚地看到这种方法是以光速各向同性为前提的.Einstein在1905年《论动体的电动力学》一文中建立狭义相对论时,提出了同时的相对性.Einstein在思想世界中经过一番想象推论之后指出：“我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件,从一个坐标系看是同时的,而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来,它们就不能再被认为是同时的事件了.” 【5】Einstein于1916年在《狭义与广义相对论浅说》一书中对同时的相对性所作详细阐述的原文和配图【6：
假设有一列很长的火车,以恒速 v 沿着如图标明的方向在轨道上行驶.在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体（坐标系）；他们参照火车来观察一切事件.因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定地点发生.而且完全和相对路基所作的同时性定义一样,我们也能相对火车作出同时性的定义.但是,作为一个自然的推论,下述问题就自然产生（参见图一）：
对于铁路路基来说同时的两个事件（例如A、B两处雷击）,对于火车来说是否也是同时的呢？我们将直接证明,回答必然是否定的.
当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的,我们的意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基A→B这段距离的中点m相遇.但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点.令M为在行驶中的火车上A→B这段距离的中点.正当雷电闪光发生的时候（从路基上判断）,点M自然与点m重合,但是点M以火车的速度v向图中的右方移动.如果坐在火车上M处的一个观察者并不具有这个速度,那么他就总是停留在m点,雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇.可是实际上（相对于铁路路基来考虑）这个观察者正在朝着来自B的光线急速前进,同时他又在来自A的光线前方向前行进.因此这个观察者将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线.所以,把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生.这样我们就得出以下的重要结果：对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然（同时的相对性）.每一个参考物体（坐标系）都有他本身的特殊的时间；除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的,否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义.

相对论是研究相对运动系统内物质运动变化规律的时空理论.如果在一个系统内发生两个或两个以上的事件,则事件的先后次序是必须考虑的.由于系统是相对运动着的,从一个系统去观测另一系统中发生的事件,只有用光来传递信息.下面的实验将告诉我们,相对论里同时性只具有相对的意义.

[图15] 所示,一列匀速运动的火车,车厢长A B, 中点为D,即AD=BD,火车的速度为V.某一时刻,火车运行到AP=BP的位置时,A B两点同时发生闪光,并向D和P发出光信号.放在地面上P点的检测仪,将检测到A、B两点的光同时到达P点,其结果是：
------------（1）
由于火车向右运动着,D点在向B方向移动,而光速是恒定的,所以D点的光检测仪将先接收到B点传来的光信号,后接收到A点传来的光信号.其结果是：
AD﹥BD  ----------（2）
（1）式和（2）式表明,在相对运动着的系统中所发生的事件,在其中一个系统中是同时发生的事件,则在另一个系统中该事件的发生就不同时了,所以说相对论的同时性只具有相对的意义.
     相对论量子场论和粒子物理的结合,不断推进对微观物质的认识并运用到宇宙学上可以看出,庞加莱是留了一手.庞加莱提出庞加莱猜想的1904年时,他只类似说应把惯性相对性原理作为点外空间球或德西特时空球自然界的一个基本原理,要求不仅力学规律,而且真空电磁学的规律,在惯性系的变换下也不变.到1905年庞加莱把相对性原理从具有伽利略不变性,再扩展为具有庞加莱不变性的有限而无界的宇宙模型,这类似郭汉英先生称的涉及“真空零点能之类的佯谬”.Einstein假定称它为“点内空间”球或反德西特时空球,那么可以看出,同年Einstein在洛伦兹等人工作的基础上,利用光信号来确定同时性,否定牛顿的绝对时间和绝对空间提出时空观革命的狭义相对论,是配合普朗克、庞加莱抛出的“大量子论”. Einstein认为：“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里,那么任何想要满意地澄清这个悖论的尝试,都注定要失败.如果我们要描述一个质点的运动,我们就以时间的函数来给出它的坐标值.现在我们必须记住,这样的数学描述只有在我们十分清楚地懂得‘时间’在这里指的是什么以后才会有物理意义.我们应当考虑到,凡是时间在里面起作用的我们的一切判断,都是关于同时的事件的判断.比如我们说：那列火车七点钟到达这里,这就是说,我的表指到7与火车到达是同时事件.”
参考文献：
[1] 刘辽、赵峥、田贵花、张靖仪著《黑洞与时间的性质》（北京大学出版社,2008年12月第1版,第228页）
[2] 朱鋐雄著《物理学思想概论》（清华大学出版社,2009年5月第1版,第163页）
[3] 刘辽、费保俊、张允中编著《狭义相对论》（科学出版社,2008年7月第二版,第27页）
【4】A•Einstein 著《物理学的进化》（上海科学技术出版社,1962年3月第1版,132页）
【5】A.Einstein  著 《Einstein文集》第二卷89页 ,商务引书馆1977.7
【6】A.Einstein  著   《狭义与广义相对论浅说》,21页,上海科学技术出版社1964.8
                      5、Lorentz  transformation 的相对论推导
                    (一)、“Lorentz  transformation”的推导方法1
洛仑兹变换反映的是同一研究对象在不同惯性系中运动规律都有相同数学形式.如图1所示两坐标系的相对取向,该坐标系的x轴永远是重合的.在这个情况下,首先只考虑x轴上发生的事件.任何一个这样的事件,对于坐标系K是由横坐标x和时间t来表示,对于坐标系K′ 则由横坐标x′和时间t′来表示.当给定x和t时,我们要求出x′和t′.
      Z′
                        Z  
                                          v
            
y′
                                        v
    K′                        x′           
y             v
                      K                       x                                                                                       

图1
沿着正x轴前进的一个光信号按照方程x = ct或x – ct = 0   （1）传播.由于同一光信号必须以速度c相对于K´传播,因此相对于坐标系K′的传播将由类似的公式x′–ct′= 0  （2）表示.满足（1）的那些空时点（事件）必须也满足（2）,显然这一点是成立的,主要关系(x′–ct′) = λ (x–ct)  （3）一般被满足,其中λ表示一个常数；因为,按照（3）,（x-ct）等于零时 (x′-ct′) 就必然也等于零.如果我们对沿着负x轴传播的光线应用完全相同的考虑,我们就得到条件x′+ct′ = u (x+ct) （4）
方程（3）和（4）相加（或相减）,并为方便起见引入常数a和b代换常数λ和u,令
a = (λ+u)/2以及  b = (λ–u)/2
我们得到方程
x′ = ax–bct
ct′ = act–bx      （5）
因此,若常数a和b为已知,我们就得到我们的问题的解.a和b可由下述讨论确定.
对于K´的原点我们永远有x′=0,因此按照（5）的第一个方程 x = bct/a
如果我们将K′ 的原点相对于K的运动的速度称为v,我们就有v = bc/a           （6）
同一量值v可以从方程式（5）得出,只要我们计算K´的另一点相对于K的速度,或者计算K的一点相对于K′的速度（指向负x轴）,总之,我们可以指定v为两坐标系的相对速度.
还有,根据“相对性原理”,由K判断的相对于K´保持静止的单位量杆的长度,必须恰好等于由K′判断的相对于K保持静止的单位量杆的长度.为了看一看由K观察x′轴上的诸点是什么样子,我们只需要从K对K′拍个“快照”；这意味着我们必须引入t（K的时间）的一个特别的值,例如t=0.对于这个t的值,我们从（5）的第一个方程就得到x′ = ax.
    因此,如果在K′坐标中测量,x′轴上两点相隔的距离为Δx′=1,该两点在我们瞬时快照中相隔的距离就是Δx = 1/a            （7）
但是如果从K′（t′=0）拍快照,而且如果我们从方程（5）消去t,考虑到表示式（b）,我们得到
x′ = a (1– v2/ c2) x
由此推断,在x轴上相隔距离1（相对于K）的两点,在我们快照上将由距离
                    Δx′ = a (1– v2/ c2)       （7a）表示.
根据以上所述,这两个快照必须是全等的,因此（7）中的Δx必须等于（7a）中的Δx′,这样我们就得到a2 = 1/ (1– v2/ c2)        （7b）
方程（6）和（7b）决定常数a和b,在（5）中代入这两个常数的值,就得到了洛仑兹变换的如下基本方程：
x ′= (x–vt) /√(1– v2/ c2)           
                  t′= (t–xv/c2) /√(1–v2/c2)                 （8）

   关于狭义相对论推导Lorentz  transformation的过程,如果用纯粹数学来证明,可以简化为以下内容：
条件一、 , ,其中 为常数.
条件二、 , ,其中 、 、 、 均为常数,且 , 也为常数.
条件三、 , .
先求 , , , 的值.经过简单计算,可以得到
, , , ,其中 .
再将这四个常数代回条件二,可以得到Lorentz  transformation
, , , .
Einstein根据两个基本假设,经过纯数学的演算,不需要添加任何物理学原理,就能推导出Lorentz  transformation.继而有相对论时空观：时间、空间随着参照系的改变而改变.因而,只要两个基本假设成立, 相对论的时空观就是正确的.Einstein在研究Lorentz  transformation下动量守恒时,提出了相对论质量观：物体的质量随着物体运动状态的改变而改变．也可以说成：物体的质量随着观察者的不同而不同.在相对论之前,经典理论认为质量是物体的固有属性,不随物体运动状态的变化而变化.如今,相对论又把经典理论中的一个不变量——质量,演绎成一个可变量.
狭义相对论在推导光学多普勒效应频率变换式,有关著作给出的一般推导过程中是设
,            （11）
又设 ,                                 （12）
将式组（12）前一个关系式代入式组（11）前一个关系式中的 ,得
                        （13）
将式组（12）后一个关系式和洛仑兹变换中的前三个关系式代入式组（12）后一个关系式中的 ,得
         （14）
狭义相对论认为式（14）与式（13）的各对应项系数应该相等,因此得出
, ,       （15）
Einstein在1905年《论动体的电动力学》一文中建立狭义相对论时,从Lorentz  transformation中推导出了所谓的动钟变慢.我们现在考虑永久放在R系的原点（X=0）上的一个按秒报时的钟（此处的R、r系如上图所示）.T = 0和T = 1对应于该钟接连两声滴嗒.对于这两次滴嗒,Lorentz  transformation的第一和第四方程给出t = 0和t =   
从r去判断,该钟以速度u运动；从这个参考物体去判断,该钟两次滴嗒之间所经过的时间不是１秒,而是 秒,亦即比１秒钟长一些.该钟因运动比静止时走的慢了.速度C在这里也具有一种不可达到的极限速度的意义.”
必须指出,相对论的动钟变慢效应是相对的,亦即在相对论中如下表述同样成立：
“我们现在考虑永久放在r系的原点（x=0）上的一个按秒报时的钟.t=0和t=1对应于该钟接连两声滴嗒.对于这两次滴嗒,Lorentz  transformation的第一和第四方程给出T = 0,T =   .从R去判断,该钟以速度u运动；从这个参考物体去判断,该钟两次滴嗒之间所经过的时间不是１秒,而是 秒,亦即比１秒钟长一些.该钟因运动比静止时走的慢了.速度C在这里也具有一种不可达到的极限速度的意义.”
（二）、“Lorentz  transformation”的推导方法2
如图所示：假设S`系中的X`轴的正方向的Lo点发生了事件A,此时S`系的时钟读数为t`,求在S系中A事件的坐标.
       O———O`——————A———————————
       |  ut` |      Lo     |
显然,事件A在S`系的坐标为 Xa`=Lo,Ta`=t`
事件A在S系的坐标应该为： Xa=OAs,Ta=t ,OAs的长度在S`系发生收缩,因此有：
OAs`=k•OAs              ……（1）
     从图中可以看出：OAs`=OO`s`+O`As`          ……（2）
    在上面的（1）、（2）式中,OAs是OA在S系中的距离,OAs`是OA在S`系中的距离,OO`s`是OO`在S`系中的距离,等于ut`,O`As`是O`A在S`系中的距离,等于Lo,k=根号下（1-uu/uu）.
   因此,由式（1）、（2）得： k•OAs=OO`s`+O`As`, OAs=（Lo+ut`）/k     ……（3）,  结合事件A在S`系的坐标为 Xa`=Lo,Ta`=t` 和在S系的坐标Xa=OAs,式（3）可写为： Xa=（Xa`+ut）/k   （这就是X坐标的洛变换式）,   从图中还可以看出：OAs=O`As+OO`s     ……（4）,这里：OAs为OA在S系中的距离,等于Xa；O`As为O`A在S系中的距离,应该等于k•O`As`,即k•Xa`；OO`s为OO`在S系中的距离,等于ut.    因此,式（4）可写为： Xa=k•Xa`+ut         ……（5）,    式（5）结合上面已经得到的Xa变换式,可以得到：  k•Xa`+ut=（Xa`+ut）/k,从上式中解出t得： t=（t`+uXa`/cc）/k     （这就是t坐标的洛变换式）
这也就是说,相对论的动钟变慢效应是相对的,即相对运动的观测者都认为对方的时钟慢于自己的时钟慢.【1】根据Einstein的观点,观察到时间膨胀效应必须有两个先决条件：其一,两个惯性系必须有相对运动；其二,在测量中观察者必须用自己参考系中的无数个钟和另一个与自己有相对运动的惯性系内一个固定的钟相比较,才会发现对方钟走慢了.没有这两个条件根本不可能观察到时间膨胀.在狭义相对论中时间膨胀并不意味着钟“真”的走慢了,时间膨胀是在测量过程中发生的.
（三）、“Lorentz  transformation”的推导方法3
     经典的洛伦兹变换指出：我们将求出相对论的变换公式,这些公式恰好是根据那个事件间的间隔不变的要求的.如果我们为了便于以后的叙述利用量τ= ict,那么,正如在§1-2里所看到的二事件间的间隔可以认为是在四度空间内的相对应的两个世界点间的距离.因此我们可以说,所要求的变换,必须是使所有在四度空间x,y,z,τ内的距离不变的变换.但是这些变换仅仅包括坐标系统的平移与旋转.其中,我们对于坐标轴对自己作平行移动并无兴趣,因为这不过是将空间坐标的原点移动一下、并将时间的参考点改变一下而已.所以,所要求的变换,在数学上应当表示为四度坐标系统x,y,z,τ的旋转.四度空间内的一切旋转,可以分解为六个分别在六个平面xy,yz,zx,xτ,τy,τz内的旋转（正如在三度空间内的一切旋转可以分解为xy,yz,zx三个平面内的旋转一样）.其中,前三个旋转仅仅变换空间坐标,它们和通常的空间旋转相当.我们研究在xτ平面内的旋转,这时y与z坐标是不变的.令ψ为旋转角,那么,新旧坐标的关系就由以下二式决定：
                                 x = x’conψ –τ’sinψ,τ= x’sinψ +τ’conψ                                   （1）
     我们现在要找出由一个惯性参考系统K到另一个惯性参考系统K’的变换公式,K’以速度V沿X轴对K作相对运动.在这种情况下,显然只有空间坐标x与时间坐标τ发生变化.所以这个变换必须有(1）式的形式.现在只剩下确定旋转角ψ的问题,而ψ又仅与相对速度V有关.我们来研究参考系统K’的坐标原点在K内的运动.这时,x’ = 0,而公式(1)可写成：        x = –τ’sinψ； τ=τ’conψ.                                                                (2）
相除可得x/τ= - tanψ                                                                                                (3）
但τ= ict,而 x/t显然是K’ 对K的速度V.因此, tanψ = iV/c                                (4)
由之得        sinψ= (iV/c)/(1-V2/c2)1/2,cosψ=1/(1-V2/c2)1/2                                        (5）
代入(2),得：        x = (x’ - iVτ’)/(1-V2/c2)1/2,y = y’,z = z’,                                τ= (τ’ + iVx’/c)/(1-V2/c2)1/2                                                                        (6）
再将τ= ict,τ’ = ict’代入,最后得
                                x = (x’ + Vt’)/(1-V2/c2)1/2,y = y’, z = z’,
                                t = (t’+ Vx’/c2)/(1-V2/c2)1/2                                                                         (7)
这就是所要求的变换公式.它们被称为洛伦兹变换式,是今后讨论的基础.【2】
4、Part A. Lorentz时空中Lorentz  transformation的推导方法4
光速独立性导致时间空间不独立,以后以时空这词表示.设两个惯性系K,K'.K中坐标X=(x1,x2,x3,x4)(x4=ict),K'坐标X'=(x1',x2',x3',x4')(x4'=ict'). i=Sqrt(-1),为方便引进的. K'在K中速度为v.设t=0两坐标系原点重合,并且这时位于原点有一点光源发光.由光速独立原理,我们在两个坐标系中都将观察到一个球面波的传播.其波前以光速c沿径向传播.传播距离平方R2=(ct)2=x12+x22+x32 in K and R'2=(ct')2=x1'2+x2'2+x3'2 in K’.所以有：x12+x22+x32 -c2t2=0 ,x1'2+x2'2+x3'2-c2t'2=0　,这样就知道：x12+x22+x32 -c2t2=p(v)•( x1'2+x2'2+x3'2-c2t'2) ,其中p(v)≥0是一个可能和速度有关的量,表示由于相对运动引起的可能度规变化.但是由于K,K'两系统对称性,我们必然有p2(v) =1  p(v)=1,这样我们就知道K,K'的时空是等度规的.度规相同表示一切几何内蕴量一致.x12+x22+x32 -c2t2= x1'2+x2'2+x3'2-c2t'2   (1) ,用内积(就是矢量点乘运算)表示就是： ＜X,X＞=＜X',X'＞　   (2) .普遍的相对性原理就是,寻求坐标变换：X=F(X'；v)　    (3).使度规不变性(2)得以满足.F是一个矢量函数,v是个参数,表示K'系在K系中的速度.我们讨论一下它的性质.由于相对论惯性系等价的假设,变换F必然有唯一的逆变换G：
　　X'=G(X；v)　　(4),同时这等价性蕴含下述对称性：G(X；v)=F(X,–v)　　(5),(4),(5)是很强的条件,它们限制F必然是线性变换,(5)同时也为这线性变换作了更强限制.线性变换可以用矩阵表示X'= X A(v),X= X'A-1(v)　　　(6)
A-1(v)表示依赖于速度的逆矩阵.A(v)是四阶矩阵,有16个元素需要确定.
由下列条件：＜X,X＞=＜X',X'＞；X'= X A(v)；X= X'A-1(v)及线性代数运算可以证明,A(v)是列正交,行正交的矩阵,这就有12个方程,所以还差四个参数待定.
再考虑K,K'关系：For x1'=x2'=x3'=0,X的坐标部分位置是vt.这时三个条件,但是同时带进来矩阵A(v)外的元素t和t'.所以现在这三个条件其实只相当于一个,我们还剩三个元素待定；For x1=x2=x3=0,X'的坐标部分为-vt'.这有是三个条件.这样我们终于唯一确定了矩阵A(v).
以上便是Lorentz变换的推导.如果再形式化,并且深刻一些,应该讨论Lorentz群.它是O(3,1)群.
狭义相对论空间描述：设长度为L的物体在相对静态场参考空间（x0, y0, z0）空间以 速度运动,起点为A,终点为B朝向A→B,
则相对运动场空间为： xc = x（x0+ ct）; 和xu =  
相对速度场,     A点为： = ；B点为： = ；
则在x轴向上A→B相对运动场空间长度为：（取光的单程计算运动变长）
静态L0= xb – xa = c• t b –c• ta=c• (t b-ta) 和动态Lu= xub – xua= (c + u) • (t b-ta)
则运动变长为： = Lu –        L0= (c + u) • (t b-ta) –c• (t b-ta) = u • (t b-ta) = u •△t
狭义相对论空间即为：Ωb –Ωa = 【 】
Lorentz  transformation就是保持四维伪欧氏象空间度量不变的时空坐标变换,而保持四维伪欧氏象空间度量不变的洛沦兹变换群本是6阶李群.
下面是陈叔喧教授的分析：对于参照系设在光源上光量子（场质）与场速度一致,但相对光源以速度υ运动的参照系,光量子（场质）运动速度或平动能,甚至变换能不变的.而参照系或场平动能量的量度少了一项坐标相对运动引起的动能mυ²/2,如果变换能hν/2=mc²/2=m(dι/dt)²/2也不变,那么
m(dιˊ/dtˊ)²/2=mc²-hν/2-mυ²/2=mc²-mc²/2-mυ²/2=mc²/2-mυ²/2=mc²(1-υ²/c²)/2=m(dι/dt)²(1-υ²/c²)/2dιˊ/dtˊ=(dι/dt)√(1-υ²/c²)
当dtˊ=dt,        dιˊ=dι√(1-υ²/c²),当dιˊ=dι        dtˊ=dt/√(1-υ²/c²).此关系等效于相对论的时空关系或罗洛兹变换.表明相对论的时空是场的时空,因此所谓物体的长度在运动方向上收缩,是场描述属性引起的特性.
（四）、 时空间隔的导出及其普适性分析
考虑惯性系 与其同族的任一惯性系间的洛伦兹变换,相对性原理表明该变换原则上只取决于惯性系间的相对速度,也即变换系数 应为速度 的函数,
令                 
下面证明对于同一个惯性系族, 是一个常数,不妨称之为洛伦兹常数.
首先考虑 轴上的情形,设惯性系 、 分别相对惯性系 沿 轴以速度 、 匀速运动,而惯性系 相对 的速度是 ,于是有
                                                                        （8-1）
                                                                        （8-2）
                                                                        （8-3）
将（8-1）代入（8-3）得
                        （8-4）
比较（8-2）与（8-4）中各项系数可得
       
即有                 
由惯性系的各向同性不难将结论延拓到任意同族惯性系,注意到洛伦兹常数的量纲是速度倒数的平方,由此不妨定义惯性速率为：

惯性速率不变推论: 对于同一个惯性系族,一质点在相对其中一个惯性系的运动速率为惯性速率,则该质点相对同族其他惯性系的运动速率也为惯性速率.
对（7）作微分可得 系到 系的速度变换如下：
                                                                                （9）
若                 
可设                 
                         
则有                 
                         
证明了上述推论,可进一步引入四维时空点 到坐标原点的时空间隔函数：

时空间隔不变推论：洛伦兹变换保持时空间隔不变. 由狭义相对论可知 ,时间间隔和空间间隔都是相对的 ,但 时间和空间的统一融合体 ———闵可夫斯基连续空间却是绝对 的 ,它表示为事件的四维时空间隔具有洛仑兹不变性 .即
dx2  +  dy2  +  dz2  -   c2 dt2   =  dx 2  +  dy 2  +  dz 2  -   c2 dt 2
Einstein本人对于这种时空融合的绝对性有过这样的论述 “:  依照狭义相对论,由空间和时间结合而成的四维连续区, 仍保持着绝对性,而依照以前的理论,这种绝对性则分别为空 间和时间各自所有 .”
在闵可夫斯基时空中,一个惯性系中测得某静止事件（即发生在同一空间位置的事件）的时间间隔为 ,空间间隔为 ；测得某静止物体的质量为 ,动量为 ．在另一个相对于上述惯性系以任意恒定速度 运动的惯性系中测量,上述事件的时间间隔为 ,空间间隔为 ；上述物体的质量为 ,动量为 ．根据狭义相对论,
                 （1.1）
                     （1.2）
通过对比容易发现,上述两个关系式具有完全相同的数学结构．将（1.1）式等号两边同除 ,得
                           （1.3）将（1.2）式等号两边同除 ,得
                           （1.4）
将（1.3）式和（1.4）式进行对比,得
                             （1.5）
即,质量 与时间间隔 满足完全相同的物理规律．同样,动量 与空间间隔 也满足完全相同的物理规律．假设在第三个以另一恒定速度 运动的惯性系中测量,前述事件的空间间隔为 ,前述物体的动量为 ,则
                            （1.6）
狭义相对论的上述结论分别揭示了时间、空间与物质、运动之间本质性的内在联系,是经过大量实验证明了的事实．我们把该结论作为物理学的一个基本原理,称为“狭义同一性原理”．其表述为：对于一切惯性系,物体的质量和动量分别与事件的时间间隔和空间间隔满足同一变换规律．
   参考文献：
  【1】《狭义与广义相对论浅说》,上海科学技术出版社1964.8,31页
【2】《场论》,Л.Л.朗道、Е.М.栗弗席兹著,任朗、袁炳南译,人民教育出版社1958年8月第一版,第14—15页.
                                  6、狭义相对论的时空变换
什么是相对论？研究相对运动系统内,物质运动变化规律的时空理论,就是相对论.根据相对论的定义,建立相对论,必须具备三个基本要素： 第一,要有相对运动的系统存在；第二,相对运动系统都要处于动态平衡状态（Einstein所称的惯性状态）；第三,系统中要有物质（事件）存在.在此三要素的基础上建立起来的时空理论,才是真正的相对论.
相对论存在于在动态平衡系统之中,没有动态平衡系统,就没有相对论的立足之地.因为,在动态平衡系统中,时空变换才能满足线性迭加规律.惯性力概念是马赫误导的结果.马赫认为：“惯性力在本质上是一种引力”（世界科技英才录——科学思想卷 上海科技教育出版社）.王永久认为：惯性力是一种虚构的力,“这种虚构的力的本质是什么呢？在经典力学和狭义相对论中这是不可理解的”（空间,时间和引力 湖南教育出版社）.
动态平衡原理,是地球上物理学定律成立的必要条件.物体在不受外力作用,或所受合外力作用为零的情况下,能够保持静者恒静,动者恒动,正是物体受动态平衡原理支配的结果.下面我们在动态平衡系统中,来建立物质运动变化规律的时空理论——相对论.在弹性介质中其振动的传播方程不是Galileo变换下不变的,只成立于与介质相对静止的参考系中.如果把介质看成“绝对静止系”,利用它即可测量任何惯性系的绝对速度.其次,同一介质之间不是总能保持相对静止的.
相对性原理告诉我们,在相对做匀速直线运动的系统中,对于同一事件运动变化规律的描述,具有相同形式的数学物理方程.相对性原理,是自然界最基本的物理规律之一.相对性原理,也是宇宙学原理的体现.
什么是相对论的时空变换？在相对运动系统中,测量同一事件的时间和空间之间的关系,就是相对论的时空变换.同一事件是相对论时空变换的核心,时空变换是相对论的核心.
下面采用相对运动的物理参考系,来推导相对论时空变换的普适公式.

[图2]所示,在地球上,有两个物理系统Σ和Σ,,设Σ系统为静止系统,系统中用t记时；Σ,系统为运动系统,系统中用 记时.在 =t=0时,两系统重合.当Σ,相对于Σ以速度V开始向X方向运动的同时,从原点射出一光信号.光在Σ系统中经过时间t,在Σ,系统中经过时间 到达的同一点P,系统的各个坐标轴始终保持平行.光从原点出发,在相对运动着的系统中,经过了不同的时间到达了同一终点P,它们之间的时空关系是：
-------（A） ；  --------（B）
将（A）和（B）两式两边平方后相加得  
将上式移项整理得：  ---------（3）
在[图2]条件相同的的情况下,改变光的传播方向,如[图3]所示,可得相对论时空变换的新公式：
----（4）
（3）式和（4）式,都是相对论时空变换的一般表达式,它们都将纵向相对论,横向相对论,超光速运动相对论的时空变换都包含在其中,并揭示出了相对论时空的方向特性.
从（3）式看相对论时空变换的方向特征：
（1） 当 时,  （2）当 时,  这两式是纵向相对论的时空变换公式
（3） 当 时,  （4）当 时,  这两式是横向相对论的时空变换公式.
宇宙中的诸多天体,都处于动态平衡状态,在这些天体中,都能建立相对论.没有动态平衡,就没有和谐的宇宙.
宇宙飞船是一个动态平衡系统.设宇宙飞船为∑系统,在宇宙飞船中有一个以速度v匀速运动的∑,系统.在 时,∑与∑,重合.当∑,相对于∑开始运动的同时,从原点射出一颗速度为u子弹,子弹从原点出发,分别在在不同的系统Σ,和Σ中,经过不同的时间 和t,到达同一点P,如[图4]所示.对于这个同一事件,有下列结果：
-----（e）  ------（f）
将两式平方后相加：  
经移项整理得：
----------（5）

改变光的传播方向,如[图5]所示,经过同样处理,可得：
-------（6） ,（5）式和（6）式,都是在动态平衡系统中,自然建立起来的相对论时空变换公式,它们也充分揭示出了相对论时空的方向特征.由此可见,宇宙中普遍存在着相对论.
洛仑兹变换二维双曲函数表达形式： ,其中： , .
因为 ,

可以证明,洛仑兹变换正是复变函数中的莫比乌斯变换： .
在极限理论中,点列的收敛性是核心概念.函数的连续性、导数和积分的定义最终都归结为点列收敛性.点列的收敛性是定义在点与点之间的距离之上的,而且证明收敛性时只用到距离的两条性质,即正定性和三角不等式.所以在分析学中只用这两条性质作为公理定义了距离空间.当然原来的欧氏空间也是距离空间的一个特例.那么定义距离空间的意义在哪里呢？在于可以借用欧氏空间的概念和关系来研究更复杂的函数集合,例如连续函数空间C[0,1],平方可积函数空间L2(0,1)等.把这些函数看成点,用这些函数空间中的点列的收敛性,我们就可证明一些微分方程和积分方程的解的存在性和唯一性了.沿着这个方向,分析学定义了众多的函数空间,如赋范线性空间、索贝列夫空间等,它们是解决微分方程和积分方程存在性和唯一性的基本工具.
几何沿另一个方向的发展是研究曲面上的几何问题,如球面上的几何问题,这就是微分几何.主要研究工具是微积分,张量代数及近代发展起来的微分形式等.作为欧氏几何直接推广的黎曼(Riemann)几何,空间中也定义了距离,两点间的长度微元也是坐标微元的正定二次型,只是系数矩阵是坐标函数了.但弯曲空间从局部看来和欧氏空间是相当的,而空间的弯曲程度则由曲率张量来描叙.
如果再把距离函数的正定性取消,我们就得到洛伦兹流形.Einstein用3+1维洛伦兹流形来描叙物理时空,从逻辑上看,比牛顿的绝对平直时空有两大优势：第一、平直时空是弯曲时空的一个特例,弯曲时空是比平直时空更广的概念,所以在逻辑上更可靠.第二、3+1维的耦合时空具有4元数结构,是一个演化的活流形.其中的场方程相对容易解出,而且场量都是活的,物质具有了灵性.所以著名的前苏联物理学家朗道(Landau)说：广义相对论是最接近上帝的工作.
几何沿着连续性方向的进一步发展就是更为抽象的拓扑学.有些几何对象的特点并不需要具体的距离函数来描叙,而只涉及连续变化的等价性,即所谓同胚.如一个球体可通过连续变形变成一个立方体,但不能变成一个环.拓扑直接由衡量远近关系的开集定义,而开集之间只有一些纯粹的逻辑约束,而非数量关系.因此拓扑空间是比度量空间更广的概念,度量空间是拓扑空间的特例,开集可用开球的并集来定义.从逻辑上讲：越抽象的概念,涵盖面越大,结论的适用面越广,但结论越弱,无用的信息越多.
由上面的论述可以看到,数学概念的演化发展是有其内在逻辑的,并非凭空捏造出来的.由此我们可得以下一些重要的启发：（1）好的数学理论都有现实背景,为抽象而抽象、或者很生僻的理论是走不了多远的,也没多少人感兴趣.（2）大自然是用最精致的数学理论设计的,高深的数学理论都扎根在这些基础之上.（3）就数学定理本身而言,只是阐明了概念之间的一些必然的联系和约束.所以希尔伯特说：以桌子、椅子、啤酒瓶取代几何中的点、线、面并没有什么不可,那只是给一个概念起一个名字的问题,重要的是这些概念之间的约束关系.在现代数学中广泛使用的‘同构’概念,就是希尔伯特思想的具体体现；而对量子物理中常用的‘类比方法’,其有效性的逻辑理由也正在于此.Einstein认为：“绝对静止概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特性.倒是应当认为,凡是对力学方程适用的一切坐标系,对于上述电动力学和光学的定律也一样适用,……我们要把这个猜想（即相对性原理）提升为公设,并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度传播着,这速度同发射体的状态无关.”
Einstein是这样说的：“由于这种方法论上的不确定性,人们将认为这样就会有多种可能同样适用的理论物理学体系,这个看法在理论上无疑是正确的.但是物理学的发展表明,在某一时期里,在所有可想到的解释中,总有一个比其他的一些都高明得多.凡是真正深入研究过这一问题的人,都不会否认唯一决定理论体系的实际上是现象世界”（见《探索的动机》——Einstein在普朗克生日宴会上的演讲）
两个惯性S和S’之间的洛仑兹变换：   （1）
S’系沿x轴正向相对于S系以匀速v运动.
逆变换：
                  （2）
同时的相对性：
                 （3）
反过来：
                 （4）
由此可看出,在S’系中同时发生的事件,只要不在同一地点,在S系中看,这两件事就不同时发生.
运动时钟变慢：
                 （5）
质能关系：
                 (6)
相对论还指出,物质的质量和能量之间存在本质联系：
                  （7）
静止质量为 的物体具有能量 （8）
由（7）、（8）,可以算出运动物体的动能：
                  （9）
闵可夫斯基把相对论写成四维时空的形式,从而把时空看成一个整体.
如果令 洛伦兹变换可写为：
（10）
式中             （11）
相对论中联系不同惯性系的坐标变换式洛伦兹变换,.在相对论中,矢量被定义为在洛伦兹变换下与坐标一样变的量,即如（10）那样变的量.
二阶张量被定义为在洛伦兹变换下按以下规律变化的量： （12）
所有的力学量和电学量都可以写成张量,所有的力学规律（除万有引力外）和电磁学规律都可以写成张量方程.所以,除去万有引力定律外,力学规律和电磁学规律都满足洛伦兹变换和相对性原理,都符合相对论.
值得注意的是能量和动量一起可以构成四维动量：
                 （13）
四维闵可夫斯基时空的一个点,用（t,x,y,z）四个坐标表示称为一个事件.三维空间的一个点,由于时间的不断发展,在四维时空中都会描绘出一根线.
图1中A、B、C三条世界线,A描述三维空间中的一个不动点,B描述一个匀速直线运动的点,C描述一个变速运动的点.ds为世界线上两点之间的“距离”.由于不可能画出时空的四个维度,所以没有画出z轴坐标描述的那一维空间.
在四维时空中,闵可夫斯基注意到了时间与空间的差异,考虑了光和质点的速度表达式,把四维时空两点之间的“距离”表示为：
                 （14）
ds通常称为两点的间隔.由于两点总可以用世界线相连,所以ds又可以看成世界线的线元. 有
      t                                       （15）
                                             表明从点1到点2的运动速度正
                                             好是光速,这段间隔正好描述光信
               A        B       C           号的运动,称类空间隔.
           ds       ds           ds           不难看出：                                                                                                                                                                                                                                       
                                                 类空间隔
x                                            类光间隔
                                                                                                                                                               
           图1 四维时空中的世界线                类时间隔
      时空中任取一点p,与p的间隔类光的点组成如图2所示的锥面,成为p点的光锥.                              
光锥内部的点与p点的时间间隔都是类时的,与p点以亚光速信号联系.上半光锥内部点处在p点的未来,而下半光锥内部的点处在p点的过去.上半光锥上的点也处在p点的未来,从p点发出的光信号可以到达它们,下半光锥类似.
光锥外部的点与p点类空,只有超光速信号才能到达,或从它们到达p.而相对论认为,光速是信号传递的最大速度,所以光锥外部的点与p点没有因果关系.
我们考察在S系中静止的一个质点.由于它在S系中不动,从空间看,是一个点,dx=dy=dz=0,（14）约化 （16）
图2   光锥图   
由此我们定义  （17）
为此质点的固有时间.


7、相对论中的质量与动量
Einstein是第一位明确表述全部物理学的新运动学基础的物理学家,虽然这种新运动学在Lorentz的电子论中已经存在了.1905年,通过他对时空间隔概念的批判性考察,这种运动学出现了.基本相互作用统一物理世界图象的方向是Einstein在创立相对论的过程中开辟的.他在解决牛顿力学和电动力学不协调矛盾中没有因循上述的归一思想,他不企图把力学现象和电磁学现象归结为其中任何之一,而是在一个新的时空构架中把两者统一起来.他的狭义相对论实现了在运动学水平上的两者统一.
相对论质量公式的简单推导：
    推导的依据：质量守恒(其实质是能量守恒)、动量守恒、洛伦兹速度变换.
设S系中有两个相同的球A、B,其中B静止,A以速度v与B发生完全非弹性碰撞.

        S
S/

碰前

       
       

碰后

       
       


S系：质量守恒：  
     动量守恒：
     所以有：
S/系：质量守恒：  
动量守恒：
        比较（1）、（3）得：  
由洛伦兹速度变换：

将（2）代入上式：     所以有：    证毕.
Einstein狭义相对论,是建立在所谓的惯性系统中的时空理论.惯性是狭义相对论存在的基础,因为在惯性系统内,做匀速直线运动的物体的数学物理方程,才满足线性迭加规律.Lorentz在1904年已经推导出了电子的纵向质量与横向质量的公式[1],它们分别是：
m L = m / (1 – v 2/c 2) 3/2                    （1）
以及
m t = m / (1 – v 2/c 2) 1/2                    （2）
Einstein在他1905年的论文《论动体的电动力学》中也推导了电子的“纵”质量和“横”质量（原文中有引号）[2].《论动体的电动力学》的第10节“（缓慢加速的）电子的动力学”中,Einstein讨论了这个问题.他从运动方程出发,经过洛伦兹—Einstein坐标变换,得出了一组结果：然后保持“质量×加速度=力”的方程形式,通过比较而导出了电子的纵质量和横质量

式中mo为物体的静质量.Einstein所得到的纵质量mL随速度变化的关系与洛伦兹的结果相同,可是横向质量公式写成： m t = m / (1 – v 2/c 2)                      （3）
公式（3）与Lorentz的公式（2）不同.Einstein在公式（3）下面有一段文字说明：
“采用不同的力与加速度的定义,我们自然会得到其它的质量值.这告诉我们,在比较电子运动的各种理论时,必须十分谨慎地进行.”
事实上,Einstein在推导出电子的“纵”质量和“横”质量公式之前,已经明确写出了电子在电磁场中的运动方程式.他当时假定的作用在电子上的力,与Lorentz采用的力的定义是不同的.所以,Einstein在1905年的论文中的“纵”质量公式（3）与Lorentz的公式（2）不同,在当时是允许的,也是可以理解的.
二十世纪初期,人们对于电子运动的研究是个新兴学科.当时物理学家注意到作用在电子上的力不仅与加速度有关,还与速度有关,这就需要对牛顿的第二定律（F ＝m a ）的形式进行修改.在这种背景下,物理学家开始尝试性地提出“纵“质量和“横”质量的概念,然后,他们很快认识到这种提法不妥当,就着手从动量的新定义出发,对力的定义作出新的表述.
普朗克在1906年著文指出,如果将力表达成动量随时间的变化率,即  形式上与洛伦兹的横质量相同,Einstein在后来的论文中采用了这种对质量的新定义.
1909年,有个叫Bucherer的德国物理学家证明了相对论质速关系的那个实验!
Einstein在1907年发表了长篇论文：“关于相对性原理和由此得出的结论” [3],其中第三章是质点（电子）力学,他明确地写出了质点的动量表示式.如果采用现代的符号,质点的动量表示式为：
     p = mv / (1 – v 2/c 2) 1/2                   （4）
Einstein进而把质点动力学方程中的力定义为：
     F = d p /d t                            （5）
相对论动量表示式（4）和力的定义公式（5）一直延用到今天.公式（5）是牛顿第二定律的推广形式. 值得注意的是,Einstein在1907年的论文中已经不再提及“纵”质量和“横”质量.
在相对论力学中,动量表示式（4）是个非常重要的定义,它是牛顿力学的动量定义的发展.在公式（4）中,相对论动量比牛顿力学的动量多了一项因子,(1 – v 2/c 2) -1/2  ,后来被称之为gamma因子.
在公式（5）中,质点受到的力不仅与加速度有关,也与速度有关.从公式（5）,当质点的速度与加速度的方向平行,以及垂直时,可以作为特例分别推导出质点的“纵”质量和“横”质量.所以,“纵”质量和“横”质量没有普遍性的意义.
在相对论中,质点的总能量表示式为：E = mc 2 / (1 – v 2/c 2) 1/2     （6）
当质点的速度为零时,公式（6）退化成著名的质能公式：Eo = mc 2 ,这里Eo 代表静止质点的总能量. 注意,Einstein在公式中对质量采用的符号是m ,等同于牛顿力学中的质量, 他很少采用静止质量的提法,也几乎不用符号（ m.）.
结合公式（5）和（6）,可以得到质点的能量和动量关系式
                                     (E /c) 2 – p 2 = m  2c 2                                       (7)
在公式（7）中,质量m 是一个不变量,它在任何惯性系中都是相同的.现在教科书上,通常把m 称为静止质量.
在教科书和科普读物上,把相对论质量M（也称为动体质量）写成：
M = m / (1 – v 2/c 2) 1/2                      （8）
公式（8）常常被称之为质速公式,当质点的速度增加时,质量会随着增大；当质点的速度趋向光速时,质量会增大到无限大.
通过公式（8）,相对论动量公式（4）可以简写成p = M v ；相对论能量公式（6）可以简写成E = M c 2,这是引入公式（8）的优点.由（7）、（8）,可以算出运动物体的动能：
                  
第一、四维洛伦兹变换和光速、以及光速不变紧密相连.它可以直接脱胎于电磁学,法国彭加勒是第一个给出该变换的人.该变换固有的适用范围就是四维性质的光电磁.光速不变——它的物理意义就是表述大范围的电磁空间是零曲率的空间.第二、四维洛伦兹变换不能适用于引力方程.洛伦兹变换几乎征服了物理学现有的每一个分支,就是偏偏征服不了引力学.20世纪30年代后随着非线性和分维物理学分支的迅速广泛崛起,洛伦兹变换均被挡在门外.进一步地研究也发现引力空间是最简单的非线性空间——即不等于0的负曲率的空间.这样才划定了洛伦兹变换的适用范围是所有零曲率的空间的物理学分支.
在Einstein之前,惯性质量,即物体对运动的惯性阻抗被认为是一个不可改变的量.这符合牛顿形而上学的机械自然观.１８９５年,奥斯瓦尔德在吕贝克自然科学家大会的报告中还提出质量不变的经典观点.时过不久,１９０１年实验物理学家在进行高速运动电子的实验时,发现电子的质量随着速度增加而变大.Einstein在他的相对论中也论证了这一事实.
只要是运动物体的速度远低于光速,由于运动所引起的质量增加就不明显.因为在经典力学中,物体很大而运动速度很小,质量的增加往往被忽视.相反,在相对力学中,质量的增加起着重要作用.在其后的时期中,原子物理学家们在大型实验设备上,加速了基本粒子.这些实践证明Einstein的学说是正确的.
（1）“质量的相对论变换”公式在1906年已明显地包含于Max Planck的论文（Verh.dtsch.phys.Gas.,1906,4:136）中,但未引起重视；
（2）R.C.Tolman在1911年的论文（Phil.Mag.,1911,21:296）中详细地强调了此“质量的相对论变换”公式；R.C.Tolman后来在他的书《Relativity Thermodynamics and Cosmology》(Oxford,London,1934,1946,1949,1950)中再次写出了此“质量的相对论变换”公式；
（3）A.Einstein在1935年的论文“Elementary Derivation of Equivalence of Mass and Energy”(载Bull.Amer.Math.Soc.,1935,61(4):223-230)中肯定并用到了此“质量的相对论变换”公式.
作为说明,W.Pauli在其名著《Theory of Relativity》(Pergamon Press,1950）中写道,“质量的相对论变换”公式“现在是看作为质量的.这一质量依赖于速度的表达式是由Lorentz基于电子也在运动过程中受到一Lorentz收缩这一假定,首先专门对电子的质量导出这个公式.……Lorentz关于质量改变的定律可以从相对论导出,而不必对电子的形状或电荷的分布作任何特殊的假定,这是一大进步.公式（215）对各种质量均适用,所以不必对质量的性质作任何假定.” W.Pauli在注释中特别提到了M.Planck和R.C.Tolman的工作.
静止质量是物体相对于惯性系速度为0时的质量，它与物体所含原子数的多少无直接关系，爱因斯坦用了理想实验来证明.有一个封闭箱子装了若干个小球，选定一惯性系使得箱与小球都处于静止状态，这时箱子与小球只有静止质量.然后让箱子保持静止，而让小球像气体分子一样做无规则运动，这就使小球具有了动能.这种情况下，小球的运动会使得它的质量增加；同时箱子仍然处于静止状态，但受到小球的影响，它的静止质量也相应地增加了.这个结果表明：按照相对论质能关系，不仅是物体的外部动能，物体的内部动能也能使物体的质量增加，就像一块烧红的铁，比冷却时有更大的质量.
吴大猷先生在其《相对论》一书中也特别提到了“质量的相对论变换”公式（p90）.吴大猷先生的推导过程与R.C.Tolman和A.Einstein完全一样. “质量的相对论变换”公式是相对论中的一个重要公式,如果Einstein的文章中没有这个公式那倒是奇怪的.1911年至1934的25年间,Einstein正在从事广义相对论方面的工作,无暇在文章中提到这一公式也不奇怪.

参考文献
[1].Lorentz H A. Electromagnetic Phenomena in a system moving with any velocity less than that of light. Proc. Sec. Sci., 1904, 6: 809 –831. 中译：相对论原理[M], 科学出版社,赵志田,刘一贯译,1989,6-30.
[2]. Einstein A. Zur Elektrodynamik bewegter Korper, Ann. Phys., 1905, 17: 891-921.中译：论动体的电动力学[A], 范岱年等译,Einstein文集[M] 北京：商务印书馆,1977,83-115.
[3]. Einstein A. Jahrbuch der Radioaltivitat und Elektronik, 1907, 4: 411-462.中译：关于相对性原理和由此得出的结论[A], 范岱年等译,Einstein文集[M] 北京：商务印书馆,1977,150-209.
     8、速度合成公式的思考
1、相对论速度变换
  在 、 系上测某一质点在某一瞬时的速度
    系上：     ；    系     .
            

即     及              （17-11）
讨论：  时,
                  及        
洛伦兹变换 伽利略变换.
2、速度合成公式
在以速度 v 沿 K 系的 X 轴运动着的k系中,设有一个点依照下面的方程在运动：



此处   和   都表示常数.
求这个点对于 K 系的运动.借助于§3 中得出的变换方程,我们把x,y ,z,t 这些量引进这个点的运动方程中来,我们就得到：
, ,        
这样,依照我们的理论,速度的平行四边形定律只在第一级近似范围内才是有效的.我们令：



和            ；[20]
α因而被看做是 v 和ω两速度之间的交角.经过简单演算后,我们得到：

值得注意的是,v 和ω是以对称的形式进入合成速度的式子里的.如果ω也取 X 轴 (Ξ 轴 ) 的方向,那么我们就得到： ,从这个方程得知,由两个小于 V 的速度合成而得的速度总是小于 V .因为如果我们置
  此处 k 和 λ 都是正的并且小于V,那么：
进一步还可看出,光速 V 不会因为同一个“小于光速的速度”合成起来而有所改变.在这场合下,我们得到：

当 U 和 ω具有同一方向时,我们也可以把两个依照§3 的变换联合起来,而得到 U 的公式.如果除了在§3 中所描述的 K 和 k 这两个坐标系之外,我们还引进另一个对 k 做平行运动的坐标系k' ,它的原点以速度ω在 Ξ 轴上运动着,那么我们就得到x,y,z,t  这些量同 k' 的对应量之间的方程,它们同那些在§3 中所得到的方程的区别,仅仅在于以

这个量来代替“v”； 由此可知,这样的一些平行变换——必然地——形成一个群.
洛伦兹变换和Einstein速度相加规建立在平直时空惯性参考系基础上,而现实世界中纯粹的惯性参考系是不存在的,在这种意义上狭义相对论应当被看成一种理想状态的理论.一般而言在有引力场存在的情况下,Einstein速度相加规则仅是一个近似公式.但我们也知道,现有的关于光速不变的实验和观察都是在地球、太阳系和银河系的弱引力场空间范围内进行的.例如在地球绕太阳转动的轨道上完成的迈克耳逊-雷默干涉实验,对自转的太阳两边缘发出的光的观察【3】,对银河系内双星系统的光速的观察【4】,以及银河系内恒星和河外星系光行差现象的观察等等【5】.所有这些实验和观察都证明,即使在弱引力场和弱非惯性运动情况下,光的速度仍然与光源的运动状态无关,近似地满足Einstein速度相加规则.
假设我们的旧相识,火车车厢,在铁轨上以恒定速度v行驶；并假设有一个人在车厢里沿着车厢行驶的方向以速度w从车厢一头走到另一头.那么在这个过程中,对于路基而言,这个人向前走得有多快呢？换句话说,这个人前进的速度W有多大呢？唯一可能的解答似乎可以根据下列考虑而得：如果这个人站住不动一秒钟,在这一秒钟里他就相对于路基前进了一段距离v,在数值上与车厢的速度相等.但是,由于他在车厢中向前走动,在这一秒钟里他相对于车厢向前走了一段距离儿也就是相对于路基又多走了一段距离w,这段距离在数值上等于这个人在车厢里走动的速度.这样,在所考虑的这一秒钟里他总共相对于路基走了距离W=v+w.我们以后将会看到,表述了经典力学的速度相加定理的这一结果,是不能加以支持的;换句话说,我们刚才写下的定律实质上是不成立的.但目前我们暂时假定这个定理是正确的.（摘自《浅说》第6节、经典力学中所用的速度相加定理的全文）
在狭义相对论中,两惯性系相对速度  与  和  平行
                                                                          （1）
（  ）为  坐标系的坐标,（  ）为  坐标系的坐标,令  ,  ,所以变换矩阵为
                             （2）
  如果 ;  ,相对速度  不变,那么                              
                                                                           (3)
     比较   与  
    （4）                        
                                 （5）
比较后知道（4）式=（5）式
                         （6）
相对论中速度合成公式V=(V1±V2)÷（1±V1V2/C2）,仅适用于同一直线上两个速度的合成.当物体的两个速度不在同一直线时,其合成公式又是怎样的呢？下面探讨一下当两个速度垂直时速度的合成,由于互相垂直 的两个速度互不影响,因此可从引力质量角度利用Lorentz  transformation推导出来.
    设物体的引力静止质量为m0,水平速度为v1,垂直速度为v2,合速度为v,不妨设先有水平速度v1,此时引力质量为 m1,由Lorentz  transformation得m1=m0÷（1－ v12÷c2）0.5,m2=m1÷（1－ v22÷c2）0.5=m0÷（1－ v12÷c2－ v22÷c2+v12 v22÷c4)0.5=m0÷（1－ v2÷c2）0.5.∴V2= v12+v22－v12 v22÷c2,当v1＜＜c,v2＜＜c时,v12 v22÷c2→0,此时V2= v12+v22,这就是经典力学中正交速度合成公式.
在经典力学中速度合成公式为v=(v12+v22-2v1v2cosθ)0.5,在相对论中v12+v22变为 v12+v22－v12 v22÷c2,可设其合速度公式为v=(v12+v22－v12 v22÷c2+Xcosθ)0.5,令θ=0,解得X,代入上式得到合速度的计算公式.当v1＜＜c,v2＜＜c时,v12 v22÷c2→0,也可以回到经典力学中的速度合成公式,在此从略.这也符合量子力学的对应原理.
早在二十世纪初,人们就已经对Einstein相对论力学和Newton力学的数学结构做了最透彻的研究.其研究后果之一就是把Newton力学与Galileo抛物几何空间【1】相对应；把Einstein相对论力学与Minkowski双曲几何空间【2】相对应；直言之,Galileo惯性运动变换群确定了Newton力学空间为非Euclid性质的Galileo抛物空间；而Lorentz惯性运动变换群确定了Einstein相对论力学空间为非Euclid性质的Minkowski双曲空间.古新妙先生认为：因为牛顿力学意义下的速度与相对论力学意义下的速度并不相同,各自满足不同的加法公式,牛顿速度满足的加法公式是：         （1）
而相对论速度满足的加法公式是：
                                               （2）
从牛顿速度到相对论速度之间存在如下的映射关系：
                                          （3）
这里的映射关系由双曲正切函数来实现.双曲函数的定义如下：
双曲正弦： ,  双曲余弦： ,  双曲正切： .
双曲正切具有下列性质： .
从牛顿速度加法公式（1）转换到相对论速度加法公式（2）,是双曲正切的功劳,是相对论的奥秘.
参考文献：
【1】Galileo几何 H. Beek 最小曲面的几何学,Sitzungsber. Leipziger Berliner Math. Gee.12:14-30,1913   L. Silberstein, Galileo时空中的射影几何 ,Philos. Mag. 10: 1925  Makarova, N., M., Tow-dimensional Noneuclidean Geometry with Parabolic Angle and Dissertation, Leningrad, 1962
【2】Minkowski几何  A. Einstein关于相对性原理和有此得出的结论 Einstein文集 第二卷 商务印书馆出版,1977  J. D. Jackson, Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons Books Lnc. 1975   Shervatov, V. G.., Hyperbolic Functions. Heath, Boston,1963
【3】 狭义相对论入门,叶壬葵,厦门大学出版社,317,(1988).
【4】. P. de Bernardis at al, Nature, 404, 955 (2000). Mermentt C. L., et al, Astrophys, J., Suppl., 148, 1 (2003).
【5】S. 温伯格,引力论和宇宙学,科学出版社,478 (1984).
9、狭义相对论的意义
对称原理与方向向量的关系非常密切,例如根据对称原理把Maxwell方程组20 个方程式写成4个方程式,通过方程式精简化,才可以把电磁学发展到更基本、更深入的程度.Maxwell的成就在于将当时所有已知的电磁知识集中于四个方程中：  
Maxwell方程组的Lorentz对称性在于：如果我们进行Lorentz  transformation,方程组仍然具有 transformation以前的形式.在麦克斯韦电磁理论中,有关系式：    ①,   ②,式①是电场变化产生磁场的数学表达.可以看出,电场变化(原因)可用导数的形式来表达,磁场强度H(结果)与电位移导数 有关.即结果与原因的导数形式有关.式②是磁场变化产生电场的数学表达.可以看出,磁场变化(原因)可用导数形式表达为 ,电场强度E(结果)与磁感应强度B的导数形式 有关.即结果与原因的导数形式有关.在数学上简直美得像一个奇迹,仿佛出自上帝之手！
如果我们再联系法拉第电磁感应定律 ,相对论动力学基本方程F=d(mv)/dt ,以及导数的含义,参照前面的结论,我们就可以给出原因与结果之间的数学关系： (结果)= (原因),通常简化为因果关系： (果)= (因).有了因果关系： (果)= (因),如果我们知道某个事件发生的原因,我们就可以求出该原因产生的结果.一位法国物理学家曾经这样评价Einstein：“在我们这一时代的物理学家中,Einstein将位于最前列.他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中.”
居里夫人在1911年一封推荐信中说：“Einstein先生是我们相知中最富有创造力的人才……我们对他至为敬佩的是他能驾轻就熟地调整自己的思路以适应新出现的概念,并从中引申出所有可能的结论.……” 霍金对Einstein的推崇达到了无以复加的地步：“在过去的一百年中,世界经历了前所未有的变化.其原因不在于政治,也不在于经济,而在于科学技术——直接源于先进基础研究的科学技术.没有科学家能比Einstein更代表这种科学的先进性.”
Einstein是本世纪初物理学学革命的巨人.海森伯在谈到Einstein的贡献时说,他“有点像艺术领域中的达•芬奇或者贝多芬,Einstein也站在科学的—个转折点上,而他的著作率先表达出这一变化的开端；因此看来好像是他本人发动了20世纪上半期所亲眼目睹的革命.” 2005年4月15日在北京举行的“世界物理年纪念大会”上,诺贝尔物理学奖获得者、美国纽约大学石溪分校和清华大学教授杨振宁作了首场大会报告.他说：“Einstein是一位孤独的物理学家,他不怕别人对他的批评和不同意,并坚持自己的想法.”“Einstein是20世纪最伟大的物理学家,他和牛顿是有史以来人类社会最伟大的物理学家.”“Einstein将对21世纪的理论物理产生重要影响.”
沈惠川教授在《我的世界线：相对论》中指出:“Einstein和相对论成了我的信仰,并成了我自己的一部分.在物理学中,能够永远站得住脚的,除了分析力学（包括Lagrange力学,Hamilton力学和Birkhoff系统动力学）,热力学外,就是相对论（包括狭义相对论和广义相对论,或称为特殊相对论和一般相对论）.这三门学问可说是物理学中的“铁三角”,是其它物理学科必须遵守的约束条件；是物理中的物理,是物理中的哲学.其余的学问,包括量子力学在内,都是在变化的,不一定全对.……相对论要求一直是我审视其它文章（包括自己文章）的基本标准.相对论要求一直是我审视所有的物理学文章的基本标准. ”
相对论是现代物理学的重要基石,普朗克认为相对性原理在物理学界所引起的广度和深度,惟有引入哥白尼世界体系所导致的革命与之媲美.它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一,对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远的影响.相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物,是电磁理论合乎逻辑的继续和发展,是物理学各有关分支又一次综合的结果.相对论经迈克耳逊—莫雷实验、洛伦兹及Einstein等人发展而建立.李醒民在评论相对论这座美仑美奂的人类精神的伟大建筑物时这样写道：相对论犹如一座琼楼玉宇,其外部结构之华美雅致,其内藏观念之珍美新奇,都是无与伦比的.相对论的逻辑前提是两条在逻辑上再简单不过的原理,它们却像厄瑞克泰翁庙的优美的女像柱一样,支撑着内涵丰盈的庞大理论体系而毫无重压之感.其建筑风格是高度对称的,从基石到顶盖莫不如此.四维时空连续统显示出精确的贯穿始终的对称性原理,也蕴涵着从日常经验来看决不是显而易见的不变性或协变性.空时对称性规定着其他的对称性：电荷和电流、电场和磁场、能量和动量等的对称性.正如韦尔所言,整个相对论只不过是对称的另一个方面；四维连续统的对称性（不变性）、相对性或齐性首次被Einstein描述出来,相对论处理的正是四维空时连续统的固有对称.在这样高度对称的琼楼玉宇中,又陈放着诸多奇异的观念——四维世界、弯曲时空、广义协变、尺缩钟慢等——从而通过均衡中的奇异显示出更为卓著的美！
第三章        狭义相对论的时空观
第一节          四维时空问题
Engles认为,从宇宙总体上来看,物质运动是一个永远循环的过程,在这个循环过程中,物质的任何一个属性都不会丢失.宇宙的每一循环过程都按照物质固有的规律运行,是物质属性的有秩序的展现过程,循环过程中的物质运动规律是永恒不变的.世界的某些特征永远保持不变.自然定律在空间的每一个方向上以及在任何时刻都相同,这分别等价于在任何物理过程中的总旋转量——角动量——守恒和总能量守恒.这两个量与电磁质量的总体绝对守恒,它们作为守恒量已与整个物理学的上层建筑深深缠结在一起了.因此“无限时间内宇宙的永远重复的连续更替,不过是无限空间内无数宇宙并存的逻辑的补充【3】”,即时间内的宇宙是空间内的宇宙的纵向展开.所以,“物质在它的一切变化中永远是同一的,它的任何一个属性都永远不会丧失.因此,它虽然在某个时候以铁的必然性毁灭自己在地球 上的最美的花朵——思维着的精神,而在另外的某个时候一定又以同样的铁的必然性把它重新产生出来.【3】”物质的每一个循环过程都是其前一循环过程的重复,各个循环过程所包含的信息展现的程序也是相同的,时间是空间的变化,时间经常是用事物变化的方式来定义的.Einstein指出：“相对论和时间与空间的理论有密切的关系”,在相对论的所有推理过程中,都离不开时间和空间的性质.Einstein的相对论不仅标志着人类科学思维的一大进步,而且是我们今后相当一个时期科学发展的新的起点,是值得我们进一步思考下去的通向新的辉煌的通道.因为这里讨论的本质上是关于时间和空间的理论,这几乎是一切科学的基础.
在刚体中,刚体的空间是由距离不变的质点组成,在几何体中,几何体的空间是由距离不变的几何点组成,在坐标系中,坐标系的空间是由坐标不变的几何点组成,刚体占有的空间、几何体占有的空间是有限空间,有边有界,坐标系定位确定的空间是无限空间,坐标系的几何点之间的距离不变,这些几何点与坐标原点、坐标轴的各点的距离不变,坐标系的几何点相对这坐标系始终静止,坐标不变,坐标系的空间始终相对自己的坐标系静止,坐标系的空间是参考物及坐标系定位确立的空间,参考物是人为选定的,坐标系是人为依据参考物建立的几何图形,坐标系是用坐标描述,质点、假设的其它几何点在这坐标系中位置,也是用于数字化描述物体、物质,假设的刚体、几何体,相对位置的主观意识工具,坐标系只能画在纸上,存在在人的主观意识中,客观上并不存在,坐标系可以建立无数个,描述的是同一个客观存在的宇宙空间,坐标系的空间是主观意识定位确立的空间,在不同的时刻,各个坐标系的相对位置是不同的,在同一时刻,对同一点的位置描述,在不同的坐标系中,这点的坐标是不同的,这就涉及各个坐标系之间的坐标变换.
Einstein的老师闵可夫斯基在1908年德国自然科学家学会的第八十次年会上的报告中宣称的那样："我们现在讲述的空间和时间的观点,是在实验物理学基础上发展起来的,这就是理论之所以有力的原因,它的意义是革命性的.从此以后,时间和空间退化为虚幻的影子,只有两者结合才能保持独立的存在."
在经典力学体系下,空间是三维的,时间是事件发生的顺序,也可以将空间的三维与时间一维在数学上组合到一起过程四维的时空系统,这个系统应当是广泛的,时间就是时间维的坐标刻度,同时就是指某些事件具有相同的时间刻度.
G+P观念让几何以新的面貌重回物理，让G与P一样可以描述物理，这就使当代物理学几何化的深入找到了立足的哲学基础.G+P论题表明了物理中几何学和物理定律的一种强烈的耦合，在这种耦合下，定律描述和几何描述之间有着等同性.由于定律描述和几何描述的理论揭示出的直观性不同，几何化理论解决问题的能力具有明显的优越性.以狭义相对论为例，闵科夫斯基的四维时空的描述不仅直观地解释了洛伦兹方程反映出的狭义相对论含义，而且还揭示出时空更深刻的本质.几何上的高维数的引入，可以把被低维数子空间简并的性质揭示出来.经典观念下，由牛顿确立的三维绝对空间+一维数学时间的框架是不能突破的.时间作为独立的一维，有着和三维空间不同的属性，它们是不能融合在一起的.当以太问题推动洛伦兹的相对论产生时，物理学只能试图在原有时空关系下通过特殊的假设去“拯救现象”.理论的困境导致“时”与“空”的分割的哲学基础和物理基础受到质疑.爱因斯坦通过同时性的物理实质分析，揭示了时间的物理性质，将数学的时间归还物理，由此激发闵科夫斯基用几何的方法来阐述狭义相对论思想.用G+P的观念来看，“时”与“空”的“分割”并不是物理本身给出的，它只不过是认识发展过程中理论的一个约定.这个约定在没有遇到“以太问题”时一直运行良好，但是现在它已不能满足新问题的解决了.这种固定的维数不仅不能使物理学理论精致化，而且也会遮蔽时空的物理本质.时空在这种框架下不能成为物理学的研究对象，而只能作为形而上学的背景.既然“时”和“空”的关系是一种理论约定，那么为了更方便地阐述时空问题，这种约定就可以解除，并重新约定.将时空作为整体几何化，用几何观念直观地阐述狭义相对论的时空观念，闵科夫斯基四维时空概念揭示了三维+一维时空概念无法揭示的时空性质.这使得当代物理学对时空本质的把握被大大地推进.这种改变有着重要的哲学涵义.它使得对时空中运动的描述从一种复杂的动态变化图式，转化成为一种简洁的“静态”几何图式，扩充了几何图式下的“对称”概念在物理上的作用.阿基米德的静力学将“力”在“三维空间”中用“静”的几何关系表现出来；伽利略和牛顿的运动学和力学将“运动”和“力”在“一维时间”+“三维空间”中用空间轨迹“动”的几何关系阐述出来；现在，闵科夫斯基的四维时空的相对论将“运动”用时空的“世界线”的描述重新恢复成为“静”的几何关系.这一“静”的回归的意义是巨大的：“运动”不再是“物理客体”的属性，而成为“时空”的本质.这一点后来在广义相对论将“力”转化为几何描述中，得到了进一步的推广，而且也使“时空”最终成为了物理学研究的“客体”.
根据物理学必须具有普适性,按宇(时)宙(空)中各点同一性和等价性的普遍观点,时空必须具有不变的确定均匀度量性.因此它是由可直接度量的实3-维空间(x1,x2,x3)和不可直接度量的虚(原理二)1-维时间x0=ict构成的具有均匀性,各向同性的4-维欧几里德度规空间: M4(gμν=｛1,1,1,1｝,μν=0,1,2,3.) ：x0=ict,x1=x,x2=y,x3=z,c是真空中的光速.对于物理学,在宇宙任意点建立的参考系(坐标系) M4都是互相等价的,平权的；在宇宙任意点上建立的M4中,一切物理定律都有相同的形式. 原理(一)给出在宇宙中任一点的M4中,物理定律都具有相同的形式.由此物理定律对宇宙四维时空具有普适性.在这里看到,表示时间维度的坐标还具有独特的形式:虚数单位i表示时间的不可直接观测性(原理二),c表示时间在以光速流逝.由于它在宇宙中任一点都有这个特性,就称它为普适时间维度,常用符号0ictxτ==表示.由天文时和原子时的同步表明,τ在4M中是唯一确定的.时间的这个特性在各种文化中都受到了关注.“时光飞逝”,“时间一去不复返”,“逝者如斯夫,不舍昼夜”(中华),“未来珊珊来迟,现在象箭一样飞逝,过去永远静止不动”(德意志),“时间对于谁都是奔跑着走的”(英格兰),……
闵可夫斯基把相对论写成四维时空的形式,从而把时空看成一个整体.
如果令 洛伦兹变换可写为：
（1）
式中 （2）
相对论中联系不同惯性系的坐标变换式洛伦兹变换,.在相对论中,矢量被定义为在洛伦兹变换下与坐标一样变的量,即如（1）那样变的量.
二阶张量被定义为在洛伦兹变换下按以下规律变化的量： （3）
所有的力学量和电学量都可以写成张量,所有的力学规律（除万有引力外）和电磁学规律都可以写成张量方程.所以,除去万有引力定律外,力学规律和电磁学规律都满足洛伦兹变换和相对性原理,都符合相对论.
值得注意的是能量和动量一起可以构成四维动量：
                 （4）
四维闵可夫斯基时空的一个点,用（t,x,y,z）四个坐标表示称为一个事件.三维空间的一个点,由于时间的不断发展,在四维时空中都会描绘出一根线.
图1中A、B、C三条世界线,A描述三维空间中的一个不动点,B描述一个匀速直线运动的点,C描述一个变速运动的点.ds为世界线上两点之间的“距离”.由于不可能画出时空的四个维度,所以没有画出z轴坐标描述的那一维空间.
在四维时空中,闵可夫斯基注意到了时间与空间的差异,考虑了光和质点的速度表达式,把四维时空两点之间的“距离”表示为：
                 （5）
ds通常称为两点的间隔.由于两点总可以用世界线相连,所以ds又可以看成世界线的线元. 有
      t                                       （6）
                                             表明从点1到点2的运动速度正
                                             好是光速,这段间隔正好描述光信
               A        B       C           号的运动,称类空间隔.
           ds       ds           ds           不难看出：                                                                                                                                                                                                                                       
                                                 类空间隔
x                                            类光间隔
                                                                                                                                                               
           图1 四维时空中的世界线                类时间隔
      时空中任取一点p,与p的间隔类光的点组成如图2所示的锥面,成为p点的光锥.                              

光锥内部的点与p点的时间间隔都是类时的,与p点以亚光速信号联系.上半光锥内部点处在p点的未来,而下半光锥内部的点处在p点的过去.上半光锥上的点也处在p点的未来,从p点发出的光信号可以到达它们,下半光锥类似.
光锥外部的点与p点类空,只有超光速信号才能到达,或从它们到达p.而相对论认为,光速是信号传递的最大速度,所以光锥外部的点与p点没有因果关系.
我们考察在S系中静止的一个质点.由于它在S系中不
动,从空间看,是一个点,dx=dy=dz=0,（5）约化
（7）
图2   光锥图   
由此我们定义 （8）
四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知.有一个例子,一把尺子在三维空间里（不含时间）转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的.四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种“此消彼长”的关系.在四维时空里,质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了.在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢.另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等.值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述.四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的.
他在论述“闵可夫斯基四维空间”（《浅说》）时写道：
“一个人如果不是数学家,当他听到“四维”的事物时,会激发一种象想起神怪事物时所产生的感觉而惊异起来.可是我们所居住世界是一个四维空时连续区这句话却是再平凡不过的说法”.
“闵可夫斯基简称为“世界”的物理现象的世界,就空－时观而言,自然是四维的.因为物理现象的世界是由各个事件组成的,而每一事件又是由四个数来描述的,这四个数就是三个空间坐标x,y,z和一个时间坐标――时间量值t.具有这个意义的“世界”也是一个连续区,……
在相对论中,用四维方式来考察这个“世界”是很自然的,因为按照相对论时间已经失去了它的独立性.这已由洛伦兹变换的第四方程表明.还有,按照这个方程,甚至在两事件相对于 的时间差Δt等于零的时候,该两事件相对于 的时间差Δ 一般也不等于零.两事件相对于 的纯粹“空间距离”成为该两事件相对于 的“时间距离”.但是对于相对论的公式推导具有重要作用的闵可夫斯基的发现并不在此.而是在他所认识到的这样的一个事实,即相对论的四维空时续区在其最主要的形式性质方面与欧几里得几何空间的三维连续区有着明显的关系.但是为了使这个关系所应有的重要地位得以表现出来,我们必须引用一个与通常的时间坐标t成正比的虚量i×ct来代换这个通常的时间坐标t.  
在这种情况下,满足（狭义）相对论要求的自然界定律取这样的数学形式,其中时间坐标的作用与三个空间坐标的作用完全一样.在形式上,这四个坐标就与欧几里得几何学中的三个空间坐标完全相当.甚至不是数学家也必然会清楚地看到,由于补充了此种纯粹形式上的知识,使相对论能为人们明了的程度增进不少”.
在狭义相对论中,长度和时间间隔也变成相对量,运动的尺相对于静止的尺变短,运动的钟相对于静止的钟变慢,光速在狭义相对论中是绝对量,相对于任何惯性参照系光速都是c.经典力学和狭义相对论都认为一个惯性参照系可以适用于整个宇宙,或至少一个大的范围.相对于某一个惯性参照系,宇宙中任何范围中的物体运动都遵从惯性定律.实际上,空间化的时间可以与空间一起处理.在时间空间化最为明确显著的近代物理学中,space-time完全是作为一体的.在Newton运动方程中,时间t如取负值,方程依然可以成立,表明Newton力学是时间可反演的；在Einstein狭义相对论中,时间的空间化进一步被形式化、完备化,时间、空间成为space-time.:“相对论是一种原理的理论.”与“构造理论”不同,原理理论“应用分析而不是综合的方法.其出发点和基础不是假设的要素,而是经验上观察到的现象的一般性质、一般原理;从这些性质和原理导出这样一些数学公式,使其用于每一自身出现之处.”“原理理论的优点,是它们逻辑上的完善,和它们基础的稳固”. 在给定参照系后,参照系自己看来的“时间流速”是固定不变的,改变的是从这个参照系看来的别的物体的内秉时间流速,也就是从你看来的别人自己的时间流逝速度.某个物体的“时间流速”就是这个物体的本征长度在时间方向上的投影,也是一种影子,时空中的物体就是时空坐标系中的一个单位向量箭头,那么很显然,这个单位向量角度不同的话,向量在时间轴上的投影长度也就是不同的了.狭义相对论的本质就是如此简单.由于时空的特殊性,在空间中上述的投影是角度越大影子长度越短,在时空中,这个角度越大,投影的长度却是越长.闵科夫斯基几何与欧几里德几何的本质区别是两个微分几何流形的号差不同,度量不一样（闵科夫斯基流形也叫做赝欧几里德流形,就是除了号差不同,别的都一样）.
因果关系是绝时的,不可颠倒的.狭义相时论通过绝对“间隔”把四维时空划分为两大区城,即“类时间隔”和“类空间隔".在“类时间隔”区域,事件之间存在着联系,理论证明因果关系是绝对的,不会导致不可知论;在“类空间隔”区域事件之间没有联系,即不存在因果关系,理论分析证明,同时性是相对的.这便出现了甲乙两事件(无联系的两事件)发生的先后次序因观察者所在的参照系的不同而不同.显然,“类空间隔”区域的同时性并不与因果关系相矛盾.
参考文献：
【1】林为民编译《图说相对论》,内蒙古人民出版社2003年3月版218页  
        【2】吴忠超译〈果壳中的宇宙〉湖南科学技术出版社2002年8月版54页
【3】Engels 著.《自然辩证法 》第23-24页人民出版社1971年版

                       2、狭义相对论中的绝对问题
Einstein认为：“相对论是一种原理的理论.”与“构造理论”不同.原理理论“应用分析而不是综合的方法.其出发点和基础不是假设的要素.而是经验上观察到的现象的一般性质、一般原理；从这些性质和原理导出这样一些数学公式,使其用于每一自身出现之处.”“原理理论的优点.是它们逻辑上的完善和它们基础的稳固”.虽然所有的物理学都认为地面上的观测者和行驶中的火车上的观测者所测得的同一运动物体的运动速度,动量和动能数值是不同的,但是在经典物理学中人们相信理解一个物象系统可以基于一个统一的时间标准和统一的各种尺度标准.而在相对性理论中,( 除了光速的测量是绝对的,与观测者是否在运动无关 ) 包括空间与时间的测量都是相对于观测者的.但是,不仅实验事实推断起来与经典物理相矛盾,而且只有考虑了时间与空间的相对性以后,才能使依据物象来完美构造的物理定律对于所有的观测者来说是不变的,即物理定律的绝对性.的确,如果像时间和长度的经典概念所要求的那样,放弃Maxwell电磁场方程的确定形式,那么留给我们的将是一个任意而又复杂的方法系统.比较起来,相对性理论那个方法才是确定的和简单的.所以,相对性理论应当称作绝对论.这个理论的主要之点不在于测量数值的相对效应,而在于把物理定律的相对性移去了,反倒强调了物理定律的绝对性,即所谓事物运动规律不依赖于观察者的立场.
    根据相对论认为存在所谓的“静止质量”.理由是,根据洛伦茨变换,在四维空间中的不变量是一系列的.比如,四维时间不变量——就是人们所说的“静止时间”,四维空间不变量——就是人们所说的“静止空间”,四维质量不变量——就是人们所说的“静止质量”,四维动量不变量——就是人们所说的“静止动量”,四维能量不变量——就是人们所说的“静止能量”,四维温度不变量——就是人们所说的“静止温度”,四维作用力不变量——就是人们所说的“静止作用力”,四维功率不变量——就是人们所说的“静止功率”,四维电荷密度不变量——就是人们所说的“静止电荷密度”,四维电流密度不变量——就是人们所说的“静止电力密度”,四维标电势不变量——就是人们所说的“静止标电势”,四维磁矢势不变量——就是人们所说的“静止磁矢势”.四维质量不变量正是电磁质量满足Lorentz transformation的直接结果之一.电磁场空间是线性空间,满足Lorentz transformation是很自然的.而引力场是非线性空间,不满足Lorentz transformation也是很正常的.但我们把引力场在局域内微线性化,就可以找微线性化变换群,二次积分后就可以得到非线性变换群.Einstein没有找到这个微线性化变换群——所以始终没有能够创立出真正意义上的“广义相对论”来.他是一个失败者,但更是一个领航者——因为他第一个最早指出了创立出真正意义上的“广义相对论”正确的方向.Lorentz transformation的前提条件是“间隔平方相等”（参见朗道和栗弗席兹合著的《场论》一书）在20世纪头二、三十年里,正如后来的P.A.M.Dirac所说,“一旦看到了一些用非相对论形式表示的物理学,人们就能把它修改成适合狭义相对论的.这很像是一种游戏.一有机会我就沉溺于此.有时候这个结果使我感到十分有趣,可能为它写出一篇微不足道的论文.” 【1】1907年,Planck给出了热力学的变分原理,导出了热力学量的Lorentz变换关系.在Planck的理论中,通过逻辑推理和思辨,并照顾到统计力学中的Boltzmann熵公式,指出熵 必然是Lorentz标量.研究相对运动系统内,物质运动变化规律的时空理论,就是相对论,在相对运动系统中,测量同一事件的时间和空间之间的关系,就是相对论的时空变换.
参考文献：
  【1】 沈惠川,“狄拉克”,载《世界数学家思想方法》（解恩泽,徐本顺主编）,山东教育出版社,1993：pp1357-1401.
                             3、 相对论与约定论的关系初探
马赫和迪昂的约定论思想肯定对Einstein或多或少有所启示,但是Einstein的约定论思想主要源于彭加勒,因为彭加勒是约定论的创造者和集大成者,而Einstein在奥林比亚科学院时期就认真研读了彭加勒的《科学与假设》,并与同伴们进行了热烈的讨论.可以说,Einstein对彭加勒的约定论的内涵和精神实质 是心领神会的.这就是：数学公理和物理学的基本假设或基本原理既非先验判断,亦非经验事实,它们原来都是约定；约定是我们精神自由活动的产品,但是自由并非任意之谓,它要受实验事实的引导和避免一切矛盾的限制；约定是我们强加于科学的,并未强加于自然界,而且并非整个科学都是约定的,约定只是出于方便,无所谓真假；约定具有巨大的方法论功能,在从未加工的事实过渡到科学事实、从科学事实过渡到定律,尤其是从定律上升到原理时,约定都是不可或缺的.Einstein的基础约定论思想虽然没有彭加勒的约定论那么多的内涵,但是却牢牢地把握了彭加勒约定论的精髓,并对其做了更为明确、更为严密、更为深入的阐释和发展.第一,他表明,从永恒的观点看,彭加勒的约定论是正确的,必须把康德的“先验的”冲淡为“约定的”.第二,他把科学理论分为两大类,即构造性理论和原理理论,约定在后一种理论的逻辑基础和内部结构的建设中扮演关键性的角色（这也是我们称Einstein的约定论为“基础约定论”的原因）.第三,作为原理理论逻辑基础的基本概念和基本原理是自由选择的约定,是“人类精神的自由创造”和“人类理智的自由发明” .第四,形象地把这种自由比喻为猜字谜的自由,明确指出理论筛选的双标尺标准.第五,严格区分了作为纯粹命题集的非解释系统和与感觉经验和实在相联系解释系统,指出真理概念适合与后者.第六,创造性地提出了约定论和理性论的方法论——探索性的演绎法和逻辑简单性原则 .另外,Einstein的客观性、可知性、和谐性、统一性、简单性、因果性、协变性等科学信念,实际上属于最深层次的约定,因为无论经验还是理性,都无法证实、证伪或反驳它们.
A. Einstein提出相对性原理和真空光速不变原理两个公设,在这两个公设的基础上以用数学方法证明了Lorentz  transformation并赋予其更广泛的涵义,又进一步推导出在物体运动接近光速时长度收缩、时间膨胀、物体的质量增大等一系列崭新的结论,提出了时空相对性理论.首先由于Lorentz  transformation实际上出现在相对论之前,而Lorentz本人认为由该变换推出的“尺缩”是真实的,有一个关于动杆佯谬实际上就是针对这个意义上的Lorentz  transformation的.而Einstein自己推导的Lorentz  transformation,只是与Lorentz本人的变换具有相同的形式,而没有继承其意义,按照Einstein的意思,“尺缩”不是真实发生的.
当这篇论文发表后,人们并不知道伟大的相对论已经与它同时诞生,Einstein自己也只是为了解决动体的电动力学问题而发表了这篇论文,并没把它命名为“相对论”.此后的6年时间中,Einstein一直把他这篇论文中关于时间、空间相对性的论述简称为“相对性原理”（Reɭɑtiuitᾰ-tsprinzips）,并未当做一种“理论”（theory）来提升.1911年1月16日,Einstein在瑞士苏黎世自然科学会上作了一个题为“相对论”（Die  Reɭɑtiuitᾰ-tstheorie）的报告,发表在《苏黎世自然研究会季刊》56卷第1～14页上,这才正式完整地提出了“相对论”这一全新的理论,并把《论动体的电动力学》一文作为“相对论”的开山之作,故1905年也被追认成了“相对论”的诞生年.传统的惯性系是建立在一无所有的绝对的空间假设之上.这样一个惯性系是虚拟的,他不对应任何具体的物理实在.Einstein的相对论并没有改变传统惯性系的本质.相对论改变的是人们的空间观念和时间观念.相对论在处理传统的惯性系理论与现代物理学实验之间的矛盾的做法是：保留传统惯性系的基本观点和看法,通过改变空间和时间的定义以调和两者之间的矛盾.Einstein推广了相对性原理,提出狭义相对论的相对性原理,即不但要求在不同惯性参照系中力学规律具有同样形式,而且其他物理规律也应如此.在狭义相对论中,不同惯性系的空间和时间之间遵从洛伦兹变换.根据这种变换,同时性不再是绝对的,相对于某一参照系为同时发生的两个事件,相对于另一参照系可能并不同时发生.
     据霍耳顿研究,在Einstein的狭义相对论论文中,既有大胆的假设和虚构的成分(这是理性论思想的体现),也有明显的经验论和操作论的成分.而且,马赫的思维方式对Einstein的影响也十分明显,它显著地表现在两个相互关联的方面.第一,Einstein在他的论文开始就坚持,只有对各种概念,尤其是对时间和空间概念的意义进行认识论的分析,才能理解物理学的基本问题.第二,Einstein认为各种感觉,也就是各种“事件”所提供的东西等同于实在,而不是把实在放在感觉经验之外或感觉经验之后的位置上.论文一开头,对测量和对空间、时间概念的工具论的(因而也就是感觉论的或经验论的)观点就极其明显.关于同时性的定义,更是操作式的定义,这直接启发P．W．布里奇曼于20年代创立了操作论哲学.Einstein引入的“事件”一词,在论文中屡屡出现,这个概念与马赫的“要素”概念几乎是完全吻合的.在Einstein看来,就像一个事件的时间只有通过感觉经验(也就是用置于同一地点的时钟作原则上允许的测量)和我们的意识联系起来才有意义一样,一个事件的地点或空间坐标也只有通过作原则上允许的测量(就是把米尺在同一时间放在该处)进入我们的感觉经验时才有意义.这种工具论的或操作论的定义,体现了马赫关于物理学中的任何陈述都必须表述可观测量之间的关系的要求(这是实证论的要求).这种强烈的经验论色彩,使Einstein论文中的其他哲学内容相形之下黯然失色.难怪那些自命为马赫哲学继承者的人,即新实证论的维也纳学派,热情地接受了Einstein的著作.它为这个学派早期的成长,在哲学上提供了极大的帮助.
尽管怀疑的经验论在Einstein早期的哲学思想中是相当明显的,而且在他的科学探索中也发挥了相当大的作用,但这毕竟不是他的哲学思想的完整画面.否则,就很难解释狭义相对论的创立和他早期的其他科学贡献.事实上,在Einstein早期哲学思想中,也有理性论、实在论和约定论的成分.怀疑的经验论是破旧的锐利武器,理性论的实在论是立新的坚实基础,经验约定论 是构筑理论框架的有力工具.它们各司其职、各显其能、珠联璧合、相得益彰,引导Einstein谱写出“思想领域中最高的音乐神韵”.
            4、狭义相对论与以太
相对论的建立来源于经典物理内部力学图景和电磁图景的冲突：在本体论上表现为粒子纲领与场论纲领的冲突,在方法论上体现为在惯性系变换中,麦克斯韦方程与伽利略相对性原理不协调.这种冲突集中体现在对所谓“以太”的理解上.洛伦兹电子理论保持了物理学基础中实物和以太的二元论,将以太视为类似于绝对空间的参照系,麦克斯韦方程只对常驻“以太”参照系才成立.如果确实如此,那么在相对“以太”参照系运动的实验参照系（比方说：地球）,光沿不同方向就应以不同的速度传播.为了测出地球相对以太参照系的运动,实验精度必须达到很高的量级.到19世纪80年代,迈克耳孙和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度,但得到的结果仍然是否定的,即地球相对以太不运动.此后其他的一些实验亦得到同样的结果,于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质.这一结果使得相对性原理得到普遍承认,并被推广到整个物理学领域.可是,所有的检验“以太风”的实验都无一例外地否定了上述推断,其中最有名的是迈克尔逊—莫雷实验,证明了相对于任何惯性系,光沿不同方向以相同的速度传播,这显然是对以太假说的沉重打击.这是导致经典物理发生严重危机的经验问题,它与黑体辐射问题一起,被开尔文称为是“悬浮在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”. 我国著名相对论物理学家胡宁（中科院理论物理研究所研究员、北京大学教授,中科院院士）在一篇纪念Einstein诞辰一百周年的文章中写到：“迈克尔孙设计了测量地面在以太中的运动速度的实验,实验结果发现这个速度完全测不到,后来洛伦兹和斐兹杰惹根据以太论说明了为什么测量不出地面相对以太的速度.原因很简单：当仪器相对以太运动时,由于电磁作用的改变,沿着运动方向上的长度收缩了,长度的缩短恰好使得仪器相对于以太得速度不可能在干涉仪上显示出来.如果一个人真正理解了以太模型下的电磁规律,他就不会建议用迈克尔孙干涉仪来测量地面相对于以太的速度.总之,在迈克尔逊实验结果和以太模型之间没有出现任何矛盾.”胡宁在《狭义相对论实验基础》一书的序言中也指出：“初次学习狭义相对论的人,往往误认为迈克尔逊实验或“真空光速不变性”是狭义相对论的实验基础.但是,在相对论出现以前,斐兹杰惹和索末菲已经在以太论的基础上对迈克尔逊实验的结果给出了解释.因此,迈克尔逊实验的零结果既可以用以太论来解释,也可以用相对论来解释,也就是说,它既不否定真空光速不变,也不肯定真空光速不变.所以,企图用迈克尔逊类型的实验来进一步更准确地验证真空光速不变将是没有意义的.（摘自张元仲《狭义相对论实验基础》北京：科学出版社,1979）
洛伦兹为了在承认光速与参照系无关的条件下,拯救以太假设,便抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念.在他看来,常驻以太参照系是基本参照系,在这个参照系中,时间是均匀流逝的,空间是均匀的,各向同性的.任何实际参照系都相对于这个基本参照系运动着.它们具有下列性质：空间沿该参照系运动方向收缩,时钟速率变慢,具体变化公式就是引入收缩假设和地方时间概念： l=l0(1-v2/c2)1/2 , T=T0/(1-v2/c2)1/2,式中c为光速,v为运动参照系的速度；l0和l为沿实用参照系运动方向放置的尺分别在以太参照系和实用参照系中所测得的长度；T0与T为这两个参照系中分别测得的某两个事件之间的时间间隔.根据上面两式,可以导出任一事件在这两个参照系中的时空坐标之间的变换公式——洛伦兹变换.这个结论与光速同参照系无关的实验结果相一致.如果要求质点力学定律相对于洛伦兹变换也不变,则牛顿动力学方程就非加以修改不可,这就是后来Einstein从一个全新的观念出发完成的工作.洛伦兹以太论可以解释所有可观察的实验事实,这一点Einstein也是一直承认和肯定的.Einstein在《狭义与广义相对论浅说》一书中写道：“对于所有这些事实和实验的结果,除了迈克尔逊——莫雷实验以外,洛伦兹根据下述假定都作出了解释.这个假定就是以太不参与与有重物体的运动,以太各个部分相互之间完全没有相对运动.这样以太看来好像就体现一个绝对静止的空间.但是洛伦兹的研究工作还取得了更多的成就.洛伦兹证明了,迈克尔逊——莫雷实验所取得的结果至少与以太处于静止状态的学说不矛盾.”（摘自Einstein《狭义与广义相对论浅说》上海科学技术出版社[M],1964.114）.但是,在洛伦兹理论中,以太除了荷载电磁振动之外,不再有任何其他的运动和变化,这样它几乎已退化为某种抽象的标志.除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,它已失去了所有其他具体生动的物理性质,这就又为它的衰落创造了条件.
菲兹杰惹几乎与洛伦兹一起从迈克尔逊–莫雷实验中提出了收缩假说,彭加勒则从同一个实验中得出相对性原理：我们没有任何方法区分静止还是匀速运动.新的相对性原理从根本上取消以太风,以及发现地球相对于以太的绝对速度的可能性.彭加勒在1898年《时间的测量》一文中,首先提出了光速在真空中不变的假设,认为这个公设从来也不能直接用经验来验证,它在利用光信号来定时的过程中具有约定的性质.到1905年,彭加勒详细讨论了利用光信号使异地时钟同步的问题,认为时间概念应该用测量来定义.这位相对论的先驱者,还预言了与以上两个原理协调一致的新力学的世界图像：光速成为不可逾越的极限速率；惯性随速度增加；原来的力学作为一级近似包容在新力学中,等等.彭加勒在物理学危机面前,致力于建立与洛伦兹电子论一致的理论.在对相对论的贡献上,提出普遍原理的是彭加勒,提供数学表达式的却是洛伦兹.但彭加勒与洛伦兹一样承认存在以太和以太参照系,认为与洛伦兹理论一致的以太假说将对相对性原理与真空光速不变原理给出进一步的解释.
洛伦兹等人拯救“以太”的方案生动地告诉人们,一个行将崩溃的原理或假说,可以怎样通过引入保护性的补充假说而保存下来.事实上,迄今为止,它还没有被任何实验证伪.然而,洛伦兹的方案中却包含着“真实”的长度,时间间隔与速度这样一些基本物理量,可是,这些基本力学量却是不可测量的.这就使人们怀疑洛伦兹以太论的真正价值.
二十世纪初,Einstein面对所有一切探测“以太风”的实验都失败的事实, 认为“引入光以太”本来就是“多余的”,这样空间就又回到了一无所有的“空虚”状 态.可是这样的认定在当时就不能自圆其说.面对空间能够传播电磁波的事实,Einstein又认为空间“ 具有一种发送电磁波的性能”,是“物理空间”；以太论的消失始于Einstein的相对论于1905年发表之后.“相对论假设一经引入,把以太看作实物的概念就要从物理理论中排除出去.”“当光的电磁理论取代了光的固体弹性理论以后,以太这一机械的概念实际上已变成多余的障碍物了.”在Einstein看来,以太假设完全是多余的,人们只要从两条对物理过程与定律进行限制的限定性原理出发,就可以实现力学与电磁学概念体系的统一,这就是：（1）真空光速不变原理；（2）物理学定律与惯性系的选择无关.第一条原理跟洛伦兹的出发点是一样的,第二条原理就是狭义相对性原理,它取代了洛伦兹的以太假设.Einstein摒弃这一假设,不只是由于以太的不可观测性,主要是由于他早年的物理经验,培植了他的一种直觉观念,即电磁学定律独立于具体的惯性系.当他年仅十六岁时,就思考过这样的问题：如果一个观察者,以光速追逐一列光,他会看到何种情况呢？对这个问题的回答,似乎是：这列光看起来就像是空间固定振荡的电磁场.但是,不论从实验观察,还是从麦克斯韦理论,似乎都不会得出这一结论.对这一佯谬的长期斟酌,最后,Einstein确信：一束光,在追逐的观察者看来和相对于地球静止的观察者看来是一样的.于是,在他看来,狭义相对性原理勿庸置疑.现在的问题是：在牛顿时空框架里,真空光速不变性与狭义相对性原理是互不相容的.然而,如果把任意两个惯性系之间坐标变换由伽利略变换形式,换成洛伦兹变换形式；同时,对牛顿力学进行改造,使得改造后的动力学定律相对于洛伦兹变换保持不变.那么,这两条原理就相容了.这样,狭义相对性原理就可以表述为：一切物理学定律相对于洛伦兹变换保持不变.Einstein曾经讲过：“在我看来,洛伦兹关于静态以太的基本假定是不能完全令人信服的,因为它所得出的对于迈克尔逊-莫雷实验的解释,我觉得是不自然的.”
狭义相对论不同于洛伦兹—彭加勒理论的关键是：
（1）承认“同时性”,“长度”,“时间间隔”等的操作性质,并且考虑到物理信号传播的有限性,在此基础上使“同时性”等概念相对化.同时性的相对化是指：在一个惯性系中处于不同空间位置同时发生的两个事件,在另一个惯性系看来是不同时发生的两个事件.这是对常识和经典物理的同时性观念的彻底革命,在Einstein以前没有一位科学家和哲学家认识到同时性的相对性,尽管在神话和传说中已经有天上人间时间流逝不同的推测,在洛伦兹和彭加勒的理论中也出现了不同参照系时间流逝不同的科学论断.Einstein理论中尺度和时间单位在不同惯性系中的变化,不再涉及有关物质结构和以太运动关系的特殊假说,而被视为洛仑兹坐标变换的内在要求；力学和电动力学是平权一致的,不存在何者优先的问题；以太被视为无用的假说,即使引入到理论中,也不过是与物质运动分布有关的时空度规的另一种说法,代表真空不是虚空而已,不能赋予它类似质点运动的机械或电磁属性.
　　（2）引入闵可夫斯基四维时空的新表述,将时间处理为与三个空间坐标垂直的第四维,四维时空间隔定义为ds2=c2dt2–dx2–dy2–dz2, 这是在各惯性系中不变的量；还出现了其他与四维时空间隔有关的相对论不变量,空间与时间,动量与能量,电场与磁场等形成了有机的统一体,并且推导出物体总能量E与质量m的关系式E=mc2.这代表着相对论引入了新的自然秩序理想,闵氏时空表述是狭义相对论中类似欧几里德几何的先验自然几何和数学理想,是狭义相对论中最基本的图像推理模型.当然,在彭加勒和Einstein看来,闵氏时空的先验结构不是真正先验的,而是与真空光速不变原理有关的操作约定的结果.
Einstein反对把相对论教条化为某种封闭的体系,认为相对论不过是某种启发性原理,它本身不过是关于固体,时钟和光信号的陈述.人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念,而场可以在真空中以波的形式传播.量子力学的建立更加强了这种观点,因为人们发现,物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性.波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面,那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破.
   5、狭义相对论的时空变换效应
     我们经验所能及的唯一空间,是用尺度上二刻度间的距离所规定的长度标准来测量的,唯一时间是用天文现象所规定的时钟来测量的.如果我们的标准也发生了菲茨杰拉德收缩这样的变化,这种变化是我们觉察不到的,因为我们和这些标准一道前进,也发生相同变化,但是,以不同方式运动的观察者却是可以觉察到这种变化的.所以时间与空间,不是绝对的,而只是与观察者相对的.这样,可知由于时间与空间的性质,相对于任何观察者,光总是以所测得的相同的速度进行.长度、质量与时间并非绝对的量.它们真正的物理数值,就是由测量所表示的.它们对双方不一样这一事实说明,它们的意义只能相对于某一观测者而规定.绝对长度、绝对空间、绝对时间或甚至时间流动的观念都是形而上学的概念,远远超过观测或实验所表示或证明的.相对论摆脱了绝对时间.这些充分表现了狭义相对论引起了时空观发生重大的变革.狭义相对论揭示了时间和空间的内在联系,并且告诉人们对时空的测量是依赖于参考系的选择的.
中科院朱重远研究员的观点,狭义相对论在理论上很难找到突破口.用美国UAH研究员张先生的话：“如果狭义相对论在数学上、理论上有问题,那狭义相对论当时就不会被世界物理界公认,当时Einstein还是个小人物”.倪光炯说过,“不同时的”光学畸变,抵消了必须“同时”观测的洛仑兹收缩,…………没有绝对的收缩,这才是相对论.
  1、从静系到另一个相对于它做匀速移动的坐标系的坐标和时间的变换理论:
“尺缩钟慢”是一种几何效应,物体本身是怎样就是怎样的.相对论说的主要是不同坐标系中测量物理量的变换规则.牛顿认为惯性系之间的“变换是相等的”,这只是一个假设.实验证明很多物理量在不同坐标系中,测量结果是不同的.设在“静止的”空间中有两个坐标系,每一个都是由三条从一点发出并且互相垂直的刚性物质直线所组成.设想这两个坐标系的X 轴是叠合在一起的,而它们的 Y 轴和 Z 轴则各自互相平行着② （ 注： ②本文中用大写的拉丁字母 XYZ 和希腊字母ΞHZ 分别表示这两个坐标系 (K系和k系 ) 的轴 ,而用 相应的小写拉丁字母x,y,z 和小写的希腊字母ξ,η,ζ 分别表示它们的坐标值一一译者注.）设每一系都备有一根刚性量杆和若干只钟,而且这两根量杆和两坐标系的所有的钟彼此都是完全相同的.
现在对其中一个坐标系 ( k ) 的原点 ,在朝着另一个静止的坐标系 (K) 的χ增加方向上给一个 ( 恒定 ) 速度v ,设想这个速度也传给了坐标轴、有关的量杆,以及那些钟.  因此,对于静系K 的每一时间 t ,都有动系轴的一定位置同它相对应,由于对称的缘故,我们有权假定k的运动可以是这样的：在时间 t ( 这个“ t ”始终是表示静系的时间 ) ,动系的轴是同静系的轴相平行的.
我们现在设想空间不仅是从静系 K  用静止的量杆来量度,而且也可从动系k 用一根同它一道运动的量杆来量,由此分别得到坐标又χ,y,z 和 ξ,η,ζ .再借助于放在静系中的静止的钟,用§1 中所讲的光信号方法 ,来测定一切安置有钟的各个点的静系时间 t ； 同样,对于一切安置有同动系相对静止的钟的点,它们的动系时间τ也是用§1 中所讲的两点间的光信号方法来测定,而在这些点上都放着后一种 ( 对动系静止 ) 的钟.
对于完全地确定静系中一个事件的位置和时间的每一组值x,y,z ,t ,对应有一组值 ξ,η,ζ,τ ,它们确定了那一事件对于坐标系 k 的关系,现在要解决的问题是求出联系这些量的方程组.
首先,这些方程显然应当都是线性的,因为我们认为空间和时间是具有均匀性的.
如果我们置   ,那么显然,对于一个在k系中静止的点,就必定有一组同时间无关的值x' ,y ,z . 我们先把τ定义为x',y ,z 和t 的函数.为此目的,我们必须用方程来表明τ不是别的,而只不过是k系中已经依照§1 中所规定的规则同步化了的静止钟的全部数据.
从k系的原点在时间τ.发射一道光线,沿着X 轴射向 x' ,在τ1 时从那里反射回坐标系的原点,而在τ2 时到达；由此必定有下列关系： 或者,当我们引进函数τ的自变数,并且应用在静系中的真空光速不变的原理：

如果我们选取  x'为无限小,那么,

或者：
应当指出,我们可以不选坐标原点,而选任何别的点作为光线的出发点,因此刚才所得到的方程对于x',y,z  的一切数值都该是有效的.
做类似的考察——用在 H 轴和 Z 轴上——并且注意到,从静系看来,光沿着这些轴传播的速度始终是    ,这就得到：
    ,        .
由于τ是线性函数,从这些方程得到： ,此处α暂时还是一个未知函数Φ(v),并且为了简便起见,假定在k的原点,当  .
借助于这一结果,就不难确定ξ,η,ζ这些量,用方程来表示的话,光 ( 像真空光速不变原理和相对性原理所共同要求的 ) 在动系中量度起来也是以速度 V 在传播的.对于在时间τ=0 向 ξ 增加的方向发射出去的一道光线 ,其方程是： ,或者：
但在静系中量度,这道光线以速度 （V-v）相对于k的原点运动着,因此得到： .
        如果我们以t 的这个值代入关于ξ的方程中,我们就得到：
用类似的办法 ,考查沿着另外两根轴走的光线 ,我们就求得： ,此处 ：  ,因此：  ,和      ,代入x' 的值,我们就得到：    ,  ,  此处：      ,而 Φ暂时仍是v 的一个未知函数.如果对于动系的初始位置和τ的零点不作任何假定,那么这些方程的右边都有一个附加常数.
我们现在应当证明,任何光线在动系量度起来都是以速度 V 传播的,就像我们所假定的在静系中的情况那样.因为我们还未曾证明真空光速不变原理同相对性原理是相容的.
在  t = τ = 0  时 ,这两坐标系共有一个原点,设从这原点发射出一个球面波,在 K 系里以速度 V 传播着.如果 （x,y,z）是这个波刚到达的一点,那么 ,借助我们的变换方程来变换这个方程,经过简单的演算后,我们得到： ,由此,在动系中看来,所考查的这个波仍然是一个具有传播速度 V 的球面波.这表明我们的两条基本原理是彼此相容的.
在已推演得的变换方程中,还留下一个v 的未知函数 Φ,这是我们现在所要确定的.
为此目的,我们引进第三个坐标系 K',它相对于k系做这样一种平行于Ξ轴的移动,使它的坐标原点在Ξ轴上以速度-v 运动着.设在 t = 0 时,所有这三个坐标原点都重合在一起,而当 t =Z =y =z =0 时,设 K'系的时间t'为零. 我们把在 K'系量得的坐标叫做x',y',z',通过两次运用我们的变换方程,我们就得到：
  
  
由于x',y',z'之间的关系中不含有时间 t,所以 K 同K' 这两个 坐标系是相对静止的,而且 ,从 K 到 K'的变换显然也必定是恒等变换.因此： .
我们现在来探究Φ（v）的意义.我们注意k系中H轴上在 ξ= 0,η= 0,ζ = 0 和 ξ=0,η = L ,ζ= 0  之间的这一段.这一段的 H 轴,是一根对于 K 系以速度 v 作垂直于它自己的轴运动着的杆.它的两端在 K 中的坐标是： 和    .因此 ,在 K 中所量得的这杆的长度是L/{ Φ(v)}； 这就给出了函数Φ的意义.由于对称的缘故,一根相对于自己的轴作垂直运动的杆,在静系中量得的它的长度,显然必定只同运动的速度有关,而同运动的方向和指向无关.因此,如果v同-v对调,在静系中量得的动杆的长度应当不变.由此推得：
从这个关系和前面得出的另一关系 ,就必然得到Φ(v) =1,因此 ,已经得到的变换方程就变为： , ,   
此处
2. 关于运动刚体和运动时钟所得方程的物理意义
我们观察一个半径为 R 的刚性球① （注：①即在静止时看来是球形的物体.）, 它相对于动系k是静止的,它的中心在k坐标原点上.这个球以速度v 相对于 K 系运动着,它的球面的方程是： .
用 x,y,z 来表示,在 t =0 时 ,这个球面的方程是：
一个在静止状态量起来的刚体,在运动状态——从静系看来——则具有旋转椭球的形状了,这个椭球的轴是

这样看来,球 ( 因而也可以是无论什么形状的刚体 ) 的 Y 方向和 Z 方向的长度不因运动而改变,而X 方向的长度则好像以     的比率缩短了,v 愈大,缩短得就愈厉害.对于 v = V,一切运动着的物体——从“ 静 ”系看来 ——都缩成扁平的了.对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无意义了；此外,在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色.
很显然,从匀速运动着的坐标系看来,同样的结果也适用于静止在 “静”系中的物体.
进一步,我们设想有若干只钟,当它们同静系相对静止时,它们能够指示时间 t；而当它们同动系相对静止时,就能够指示时间τ,现在我们把其中一只钟放到k的坐标原点上,并且校准它,使它指示时间 τ. 从静系看来,这只钟走得快慢怎样呢？
        在同这只钟的位置有关的量 x,t 和τ之间,显然下列方程
         和         成立 ,
因此 , ,由此得知,这只钟所指示的时间 ( 在静系中看来 ) 每秒钟要慢  秒 ,或者一略去第 4 级和更高级的 ( 小 ) 量——要慢     秒.
从这里产生了如下的奇特后果.如果在 K系的 A 点和 B 点上各有一只在 静系看来是同步运行的静止的钟,并且使 A 处的钟以速度v 沿着 AB 连线向 B 运动,那么当它到达 B 时,这两只钟不再是同步的了,从 A 向 B 运动的钟要比另一只留在 B 处的钟落后   秒 [ 不计第 4 级和更高级的 ( 小 ) 量 ],t 是这只钟从 A 到 B 所花费的时间.
我们立即可见 ,当钟从 A 到 B 是沿着一条任意的折线运动时 ,上面这结果仍然成立,甚至当 A 和 B 这两点重合在一起时,也还是如此.
如果我们假定,对于折线证明的结果,对于连续曲线也是有效的,那么我们就得到这样的命题：如果 A 处有两只同步的钟,其中一只以恒定速度沿一条闭合曲线运动,经历了 t 秒后回到A,那么,比起那只在 A 处始终未动的钟来,这只钟在它到达 A 时,要慢    秒.由此,我们可以断定：在赤道上的摆轮钟,比起放在两极的另一只在性能上完全一样的钟来,在别的条件都相同 的情况下,它要走得慢些,不过所差的量非常之小.

附录：新华网消息：据阿根廷《21世纪趋势》周刊网站5月8日报道,霍金确定了可以进行时空旅行的方式.英国著名物理学家斯蒂芬•霍金日前在英国《每日邮报》上发表文章称,时光之旅在理论上是可行的,人类可以打开回到过去的大门和通向未来的捷径.
霍金在文章中提出了三种理论上可行的时空旅行方式.
为了实现时光旅行,霍金首先建议人们接纳时间作为第四维的观念.他举了一个非常简单的例子：当人们驾驶汽车时,向前直行和向后倒车是第一维,向左或向右转弯是第二维,在山路上爬坡和下坡是第三维,那么时间就是第四维.我们怎样才能找到在第四维前行或后退的路径呢？
方法一：虫洞
在科幻电影中,奇形怪状的时间机器借助巨大的能量打开一条穿越时光的隧道,时光旅行者勇敢地走进隧道,去无法确定的时间和地点进行冒险……霍金表示,现实的操作可能并非如此,但这种想法其实并不疯狂.对于物理学家来说,时光隧道也许就是虫洞.霍金说,虫洞就在我们周围,只是小到肉眼无法看见.宇宙万物都会出现小孔或裂缝,这种基本规律同样适用于时间.时间也有细微的裂缝和空隙,比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”,而虫洞就存在于“量子泡沫”中.
有朝一日,人类也许能够捕获某一个虫洞,将它放大到足以使人类甚至宇宙飞船从中穿过.
但霍金警告说,不要利用时间机器回到过去,因为这将导致违反基本的因果论.
方法二：黑洞
霍金在文章中说,时间就像是一条河流,在不同的地段会有不同的流速,而这正是实现通往未来之旅的关键.根据Einstein的理论,时间在有些地方会过得更慢,而在另一些地方会过得更快.当飞船在太空中加速时,对飞船的宇航员来说,时间的流逝速度会有所放慢.
比整个银河系还要重的超大黑洞可以更为明显地降低时间流逝的速度.霍金说,这种超大黑洞就像是一部天然的时间机器.如果一艘宇宙飞船进入超大黑洞,并按照地球指挥中心的要求完成了16分钟绕轨道一周的飞行,而对于宇航员来说,时间只过去了8分钟.如果他们在超大黑洞内执行5年任务,返回地球时会发现已过去了10年.
这种时光旅行方式的问题在于,接近超大黑洞的危险太大.
方法三：以接近光速的速度飞行
霍金指出,另一种方法是设法达到比避免被黑洞吸入所需速度更快的速度.如果能够建造出速度接近光速的宇宙飞船,那么宇宙飞船必然会因为不能违反光速最快的法则,而致使舱内的时间放慢.宇航员以这种方式飞行一个星期,地球上的时间就过去了100年,从而实现通往未来之旅.
第四章          狭义相对论的验证
                             1、质速关系的验证
牛顿力学由于不能解释微观世界诸多实验,推动了量子力学的建立.相对论“并不是起源于思辨；它的创立完全是要想使物理理论尽可能适应于观测到的事实.”“同空间、时间和运动有关的观念,决不能认为是随意的,而只能认为是由观测到的事实所决定的.” 【1】由于Einstein深信相对论在逻辑上的完整性,即相对沦的逻辑前提的“自然性”和“简单性”,因而他在提出相对论时,就对自己的理论满怀信心.
1881年,约瑟夫•汤姆孙在发展它自己的麦克斯韦理论的时候发现,让带电体运动比不带电体更困难.他同样注意到“运动中”物体的质量会增加一个常量,便在电场中表现为他们似乎在机械质量的基础上增加了一个“电磁质量”.换句话说,根据汤姆孙说法,电磁能和一特定质量相对应,这和电磁场的自感形式类似.汤姆孙的这一成果后来由斐兹杰惹和赫维赛德（1888年）,以及乔治•弗雷德里克•查尔斯•塞尔（1896年,1897年）继续推进和完善.用今天的数学符号,他们给出的电磁质量可以用公式描述,其中是电磁质量,也是电磁能.赫维赛德和塞尔还发现物体质量的增长并非一个常量,而是与其速度相关.塞尔于是注意到物体的速度是不可能超过光速,因为在光速下物体的质量会变成无穷大,因此需要施以无穷大的能量才能使其超过光速.同样对于洛仑兹来说（1899年）,整合汤姆孙所发现的质量与速度相关变得非常重要.前者注意到,质量不仅仅和速度有关,还和与之对应的方向有关.他提出了后来马克斯•亚伯拉罕所说的“纵向质量”与“横向质量”,其中的横向质量正是后来狭义相对论中的质量.1900年,威廉•维恩在汤姆孙、赫维赛德以及塞尔工作成果的基础上,假设“整个”质量都是来自于电磁力的.这是一种基于所有自然界的力都是源自于电磁力的假设（“电磁世界观”）.维恩指出,如果假设引力也是一种电磁效应,那么电磁能、惯性质量和引力质量之间必然存在某种比例关系,而庞加莱在1900年发表的论文则发现了另一种将质量和能量结合在一起的方式,他发现电磁能表现为一个质量密度的虚拟流体（即）,并为此定义了一个虚拟的电磁动量.然而,此时他遇到了一个后来被Einstein于1905年完整诠释的辐射悖论.
1902年至1904年,支持电磁世界观的马克斯•亚伯拉罕,通过推导电磁质量的表达式,迅速的给出了关于考夫曼实验结果的解释.根据这些概念,亚伯拉罕提出了“电磁动量”概念.和庞加莱1900年所提出的概念类似,亚伯拉罕认为这不是一个虚拟场,而是一个“真实的”物理实体.并且亚伯拉罕还注意到洛仑兹与1899年所发现的质量与方向有关的现象,并分别命名为“纵向质量”与“横向质量”.和洛仑兹不同的是,亚伯拉罕并没有将收缩假设整合到他的理论当中.因此后者所描述的质量和洛仑兹所说的质量是有差别的.基于前面这些关于电磁质量的工作成果,弗里德里希•哈泽内尔提出物体的部分质量（他成为表面质量）,可以看作为在一个腔体内跳动的辐射.这个“表面”质量和温度有关（因为高于环境温度的物体会发出辐射）,并且和它的能量成正比.哈泽内尔指出,只有发出辐射的物体,也就是温度高于0K的物体能维持这种能量-表面质量的关系.最初他给出的表面质量公式为,但后来亚伯拉罕和哈泽内尔在1905年将计算结果修改成,也就是和静止物体的电磁质量相同的值.
用量热法验证质速关系的实验方法,是美国麻省理工学院的贝托齐在1964年提出【2】,并在麻省理工学院物理系的核科学实验室实施的.该实验用直线加速器加速电子,然后测量电子的运动速度,以及电子撞击到铝盘产生的热量,证明相对论的质速关系成立.贝托齐当年用理论值为0.5MeV,1.0MeV,1.5MeV,4.5MeV,15MeV的五种能量的电子,并测量了它们的速度,在实验报告中给出1.5MeV和4.5MeV两种电子能量的实际测量值,但没有给出15MeV电子能量的实际测量值.
Einstein为了证明他的相对论,1908年提出电磁介质的电磁感应实验方案.1913年, 威尔逊完成这个实验(张元仲著《狭义相对论实验基础》).介质是石蜡做的空心园柱体,在石蜡內放入许多小钢球.空心柱体內外两侧各有金属外壳形成柱体电容器.跟两金属板滑动椄触的两个电刷,串联一个电流计静止在实验室中.使电容噐绕对称轴旋转,外加磁场 的方向与转轴平行.当使外加磁场方向相反时,电流计上出现电流.
在斯坦福德（Stanford）直线加速器中心（SLAC）的电子直线加速器中,电子沿一根三公里长的真空管飞行,被电磁场反复加速.每加速一次,电子的速度都增加一点,但随着电子速率越来越接近光速,所增加的速率越来越少,加速越来越困难.这直接验证了相对论的速度叠加法则.这个加速器可把电子加速到20GeV.当把电子加速到10GeV 时,电子速度达到（1-0.13×10-8）c ,即只比光速小0.39m/s.增加到20GeV 时,电子的运动速度达到比光速小0.10m/s.在以这个速度随电子运动的参考系中,三公里长的加速器缩短到只有七八厘米” 【3】.
最近欧洲建成的大型强子加速器,质子的能量已经达到Mc2,(M代表质子的质量）的4000倍.如果用牛顿力学的能量公式Mv2/2,那末质子的速度v应当接近于光速c的90倍.可是测量到的v仍小于但非常接近于光速,与相对论符合.这个加速器以及已建成的许多高能粒子加速器都是按相对论的公式设计而制造.
      由于电子的质量与其电荷相比,比值非常小.所以它很容易被加速到很高的速率.例如在真空管的两个电极之间加100v的电压,从阴极飞出的电子(设从静止出发),将以6×106 米/秒的速率到达阳极：q U =  mv2,  ∴　v =  =  = 5.92×106 米/秒  
在这种情况下,牛顿定律成立.我们可以把速率的平方表为与电压的正比关系: v2 =  ∝　U  ,其图像如图1所示
   




但把电子放在加速电压为几百万伏的情况下,用上述方法对电子速率的平方的计算结果,却与实验测量值产生了很大的偏差.实验采用范德格喇夫起电机使电子获得1.5兆电子伏特的能量,然后注入直线加速器,最终获得15兆电子伏特的能量,通过测量电子的飞行时间和路程可以计算出电子的速度. 实验数据如下表所示:

动能 （Mev）         飞行时间
  (10-8s)         电子速率
(108m/s)        电子
速率平方
［1016(m/s)2］
     0.5            3.23            2.60             6.8
     1.0              3.08            2.73                7.5
     1.5            2.92            2.88             8.3
     4.5            2.84            2.96             8.8
     15            2.80          ≈　3             ≈9

      绘制成速率平方与电压的图像如图2所示为:






                                         
实验结果表明:
①        被加速电子的速率有个上限,  ～ 3×108 米/秒.
②        电子的动能Ek=qU 是真实的, 但v2达不到预期值,v2 =   ,把此式变化一下可表为mv2 = 2qU .只能是m的值在一定的范围内随速率的增大而增大.这显然和牛顿力学的理论相违背.
由于物体加速是受到的合外力的作用,此时物体引力质量增加,加速度减小.惯性是物体保持运动状态的原因,不但保持原来的速度状态,而且能使物体受到一定力的作用下加速度逐渐减小.在平动过程中,引力质量的惯性是阻碍速度的增加；在转动过程中惯性阻碍角速度的增加.
参考文献：
【1】《关于相对论》,1921年
【2】Willian Bertozzi, American Journal of Physics, Vol. 32, Issue 7, pp. 551-555, July 1964.
【3】王正行著,《近代物理学》[M],北京大学出版社,1995：p.30—31.
                 2、运动物体在运动方向上的收缩效应
     1905年,德国实验物理学家考夫曼(W. Kaufmann)完成了关于高速电子(β射线)的质量与速度相依关系的实验,他于1906年宣布,他的实验数据支持亚伯拉罕(M．Abraham)和布赫尔(A. H．Bucherer)的刚性球电子论,而同洛伦兹和Einstein的基本结论(电子在运动方向的直径会随速度的增加而收缩)不相容.当时,早在1902年就明确提出了相对性原理的彭加勒马上动摇起来,认为该原理并不具有我们先前赋予它的那样重要的价值(他在1904年把相对性原理作为物理学的六大基本原理之一).洛伦兹更是十分悲观失望,他在1906年3月8日给彭加勒的信中说：“不幸,我的电子扁缩的假设同考夫曼的新结果发生了矛盾,于是我必须放弃它.因此,我已到了山穷水尽的地步.在我看来,不可能建立起一种要求平移对电学和光学现象完全不产生影响的理论.”
  面对考夫曼的实验否证,Einstein并不以为然.他在1907年发表的长篇论文中表示,考夫曼的实验数据同相对论的“这种系统的偏离,究竟是由于没有考虑到的误差,还是由于相对论的基础不符合事实,这个问题只有在有了多方面的观测资料以后,才能足够可靠地解决.”他进一步指出,亚伯拉罕和布赫尔的理论“在很大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符,因为他们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的.” 事实果然不出Einstein的预料,1916年,两位法国物理学家指出考夫曼的实验装置是有毛病的.
  最新理论中认为时间是一种高频振动,振动与物体的自身速度是有关的,也就是说在光速不变的前提下会得到运动使得时间变慢的结论,此时的相对速度实际上是相对于物体所在的空间的速度.
                      3、光行差效应的解释
                     (1) 光行差效应提出
1725年,英国天文学家布莱德雷发现了恒星的"光行差"现象,以意外的方式证实了罗麦的理论.刚开始时,他无法解释这一现象,直到1728年,他在坐船时受到风向与船航向的相对关系的启发,认识到光的传播速度与地球公转共同引起了"光行差"的现象.他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒.这个数值较罗麦法测定的要精确一些.菜德雷测定值证明了罗麦有关光速有限性的说法.光速的测定,成了十七世纪以来所展开的关于光的本性的争论的重要依据.但是,由于受当时实验环境的局限,科学家们只能以天文方法测定光在真空中的传播速度,还不能解决光受传播介质影响的问题,所以关于这一问题的争论始终悬而未决.
在地球上用望远镜观测遥远的任意一颗恒星,发现在地球轨道的不同位置上,我们用以观察的望远镜方向在一年内有周期性的变化.

                                       
                    v
                                    α’
                       
                         地球  v   
                       图1            
    假如星光射来的方向固定,如图1所示,则当地球在位置a时,望远镜需朝下偏一个角度α’； 当地球在位置b时,望远镜需朝上偏一个角度α.如果a、b 位置使星光与望远镜方向组成的平面都与地球轨道平面垂直,则α=α’.在一般位置上,α角的大小要变化.这在观测上表现为一颗恒星一年内在天球上画出一个很小的椭圆形轨迹,这就是光行差现象.
         


      v        

            图2
如图2所示,设恒星发出的光以速度c 垂直与地球的轨道平面,则望远镜必须倾斜一个 角,以保证进入望远镜筒口的光经过 时间后到达筒底,被我们的眼睛看到,而不至于被筒壁挡掉.从图上可以看出： ,在实际观测中,这个最大的α角约等于10-4弧度,刚好等于地球绕太阳的轨道运动速度除以光速.
                                2、实验结果
科学家们认为“以太”和绝对空间参考系是对应的,光相对“以太”的速度是恒定的c .所以人们不得不接受这样的图画：太阳系就是对应于以太静止的参考系,地球在这个以太海洋中以30公里/秒的速度运动,完全没有带动以太.
       光行差现象首先由J.Bradley于1727年报道的.

如图：[布喇德雷光行差现象](1728)
a)地球相对与该恒星静止.
b)地球相对与该恒星与恒速率运动.
C)太阳相对于以太是静止的
布喇德雷对天龙座γ星进行了一年的观测得到的结论是：以太相对于恒星静止.或者说：以太完全不被地球所拖拽.
麦克尔逊—莫雷实验各次结果
观测者        年份        l        δ计算        δ观测（上限）        比值
麦克尔逊        1881        1.2        0.04        0.02        2
麦克尔逊—莫雷        1887        11.0        0.4        0.01        40
莫雷—米勒        1902—1904        32.2        1.13        0.015        80
米勒        1921        32.2        1.12        0.08        15
米勒        1924        32.2        1.12        0.03        40
米勒（太阳光）        1924        32.2        1.12        0.014        80
托马歇克（恒星光）        1924        8.6        0.3        0.02        15
米勒        1925—1926        32        1.12        0.08        15
肯尼迪        1926        2.0        0.07        0.002        35
伊林沃斯        1927        2.0        0.07        0.0004        175
皮卡尔、斯塔埃尔        1927        2.8        0.13        0.006        20
麦克尔逊等人        1929        25.9        0.9        0.01        90
约斯        1930        21.0        0.75        0.002        375
塞达罗姆、汤斯        1958        　        　        　        4500
摘自Rev.Mod.phys.27167(1995)



                            3、Einstein对于光行差现象的解释
  Einstein在《相对论的意义》中写道：“没有别的理论曾经满意地解释光行差的事实”.这就是说,光行差的解释,是带有检验性质的.[英]W.G.V.罗瑟在《相对论导论》中,用洛伦兹变换（1-v2/c2）1/2  得出光行差：   六个月后,  本文采用类似罗瑟方法将（1+v2/c2）1/2 处理得到光行差：  ------（5） , 六个月后    ------（6）, 当恒星处在头顶上时,  ,   弧度 =20.5z弧秒,这与天体测量数据相符合.1958 年,有人改进了迈克耳孙-莫雷实验,得到了“以太风”小于地球轨道速度的1／1000 的结论.后来利用穆斯堡尔效应,测得“以太风”的速度为1.6±2.8 米/ 秒,远远小于期望值(30 公里／秒).这既是对狭义相对论的验证,也证明根本不存在19 世纪的作为电磁场载体的以太.
                            4、运动物体的时钟延缓效应
从宇宙线的探测到高能加速器以及对撞机的应用,几乎高能物理实验的各个方面都要涉及狭义相对论效应,可是随着加速能量的不断提高,现在已经确认在小到约为一个质子半径百分之一的距离内,没有观测到狭义相对论的破坏.有人进行了静止光子质量的实验及光速测定的实验,还有人进行了大量有关运动介质的电动力学实验和直接检验尺缩钟慢的相对论效应实验,甚至有人用高速喷气飞机上的原子钟验证运动时钟变慢的效应.所有这些实验都表明,无论在微观尺度还是在宏观尺度,还没有发现狭义相对论有破坏的迹象.
“我们并不知道μ子为何会衰变,或者它的内部机理是什么,不过我们确实知道它的行为符合相对性原理.” 【1】1938年,Ives和Stilwell率先测量了氢原子精细光谱,证明了运动会导致时间变慢.
1955年chamberlam等人测量了动量为1.19Gev/e的π介子和反质子走过40英尺的距离所用的时间,测得π介子的飞行时间是(38×10-9)秒,反质子的飞行时间是(51×10-9)秒,如果用狭义相对论的动量公式=1.19Gev/c,算出速度v,那么相应的飞行时间(40英尺/v)与实验测量的相符合.
1971年哈弗勒与基廷发现向东飞行时,铯钟比地球上的钟慢59×10-9s,向西飞行的钟快了273×10-9s.
参考文献：
【1】《费曼讲物理——相对论》,湖南科技出版社,2004年,63页.
附录1：科学家称Einstein相对论百年后终获确证   2007-11-12 08:53:30　 中国新闻网媒体称,Einstein的相对论获得实证.
　 中新网11月12日电  香港《文汇报》报道,伟大科学家Einstein早于上世纪发表的“时间相对论”,一班国际科学家要100多年后的昨天才终于确证.据悉,1905年,Einstein订立著名的时间相对论,指一件对象相对于另一对象移动的速度,会使时间加快或减慢.根据这个假设,一个移动中的时钟秒针应比一个静止平放的时钟秒针跳动得快,这现象称为“时间稀释”.报道称,国际科学家昨天发表报告指出,他们利用分子加速器把原子打成两条光束,绕圈而行,模拟理论中较快的时钟,然后用高精密度的激光光谱测量时间,发现光束相较外界的确慢了一些.实验与Einstein的理论“完全吻合”.
               5、相对论性多普勒公式的验证
    美国大学物理教科书编者 R.Resnick 先生给出的如下评述： 在经典力学中,运动影响测量也不是一个奇怪的概念.例如,由测量得到的声音或者光波的频率与声源或者光源相对于观测者的相对运动有关.这一现象称为 Doppler 效应,他是每一个人都熟悉的现象（比如汽车从身边驶过那个机声声调的变化）.
      Einstein在1905年建立狭义相对论的《论动体的电动力学》【1】一文中,得出了光学多普勒效应的频率变换式.当光源靠近观察者, 频率变快为兰移；当光源远离观察者, 频率变慢为红移；当光源作横向运动时,频率也变快为兰移：M/M’=γ.国外一些专著【2】,得出一致的结果.
    Einstein在1952年《狭义与广义相对论浅说》【3】一书中讲解动钟变慢时, 给出了运动钟的时率变慢公式：M/M’=1 /γ.与光源作横向运动时频率变快相比,此二者都是讲频率变化,从公式表达上看似乎有矛盾.但从后面的分析看,二者都可从光波的洛仑兹变换求得,二者都是正确的.国内一些专著,例如刘辽,费保俊,张允中编著的《狭义相对论》文献【4】.在讨论光学多普勒效应频率变换时,与Einstein [1]给出的公式相比,当光源作横向运动时,得出了不同的结果：文献[1]为兰移M/M’=γ,文献【4】为红移M/M’=1 /γ.这是因为文献[4]的频率变化公式中用θ角作变量,而文献【1】是用θ’角作变量.不能由此判断何对何错,二者均为正确的,并且反映出不同的物理意义.
学界大多数人都承认,1994年R.Grieser等人所做的实验（Grieser et al,1994）,证明“相对论性多普勒公式是正确的” 【5】.该实验使用电子在锂离子中有3个能级的特点,采用频率可调的激光束轰击静止的锂离子,使得不太稳定的第3能级上的电子数目增多；最终在第3能级上的电子自动跃迁回第2能级时将发出荧光.由于这种荧光的光谱线频率是已知的,实验在测出锂离子以0.064C的速度运动时所发出荧光的频率,两相比较即可以得出最后的结论.
时钟变慢直接导致相对论性的多普勒频移.当光源同观察者之间有相对运动时,观察者测到的光波频率将同光源静止时的光频有差别,这种差别称为多普勒频移.经典理论也预言了多普勒频移, 但狭义相对论的预言同经典理论的预言不同.这两种预言之间的差别是由运动时钟的速率不同于静止时钟的速率造成的,也就是时钟变慢效应造成的.一个特例是横向情况,即观察者运动的方向同光线垂直.按照经典理论,没有频移；按狭义相对论,则有频移,称为横向多普勒频移,它已为许多实验所证实.
参考文献：
【1】Einstein,《论动体的电动力学》,1905年,《Einstein文集》,第二卷,商务印书馆,1977年3月, 103页.
【2】G. Stephenson, C.W.Kilmister, <SPECIAL RELATIVITY FOR PHYSICISTS>§21, Longmans, Green and Co. 1960.
【3】Einstein,《狭义与广义相对论浅说》,上海科学技术出版社1964年8月,31页.
【4】刘辽等,《狭义相对论》(第二版),科学出版社,2008年
【5】马青平著   相对论逻辑自洽性探疑    上海科学技术文献出版社   2004年
                              6、相对性原理的检验——特鲁顿—诺伯尔实验
      朗道在他的《场论》写到：“所有自然规律在所有惯性系中都一样,换句话说,表达自然规律的方程式对于从一个惯性系到另一惯性系的左边、时间变换是不变的.这就是说,描述自然界某个定律的方程式,若用不同惯性参照系的的坐标和时间来表述,具有一样的形式.”
特鲁顿—诺伯尔实验最初是用来测定地球的绝对速度的,实验以失败告终.如图,一根绝缘杆两头各有一个金属球 或 ,球 和球 大小相同且带等量异种电荷 和－ ,二球相距为 .绝缘杆用悬丝悬挂.设电荷随地球运动,绝对速度为 , 的方向与杆的方向成 角.两个运动电荷除去相互的库仑力之外,还有磁场力的作用.
设从 球到 球为r的正方向. 球上电荷在 球处产生的电场强度为 ,磁感应强度为 , 球受到 球的作用力 .则 ,　　　 ,则     （1）
同理,可求得 球受到 球的作用力 , , 　 ,                  （2）









                                             小平面镜   A
                                                         
                                                      
                                                                             
                                                                        
                                                                  
             B                                
                                
                                

                        

                             特鲁顿—诺伯尔实验

                 （2）               

由于在（1）、（2）式的中括号内有 项,因此,力 对悬线有力矩,力矩大小为： ,
,当 时,杆应转动.但实验结果是无论杆的起如位置如何,杆都没有发生转动.实验者得出即使用电磁学实验也无法测得地球的绝对速度,说明电磁运动也遵守相对性原理.

                7、真空光速不变性原理的验证
Faraday 1852：假如我们承认了光媒介以太的存在,那么这种媒介也可能是磁作用力的平台,因为以太在传播辐射之外应别有用途.Maxwell 1865：光是一种电磁波,它在真空中以常数速度c=1/√(Є0μ0).Lorentz 1895：存在不被运动物体拖曳的静止以太,光在其中以常数速度c传播.Poincare 1898：“他（即测光速者）以假定光速为常数开始,特别地,假定它的速度是各向相同的.这是这样的一个假设,即离开了它测量光速的尝试便无法进行.这一假设逻辑上永远也无法由实验直接验证,但是它却可以被实验证否——前提是不同的实验导致了不一致的结果.我们应该庆幸这种矛盾尚未发生,而那些轻微的不一致即便出现了,也可以得到轻松的解释.Abraham 1904：“电磁理论解决了光的绝对运动问题,它表明,光将沿着各个方向以相同的速度c向前传播.
1905年,Einstein发表相对论强调,“谈论绝对空间是没有意义的,地球自转引起力学上的差别是微小的,按照麦克斯韦电动力学,当磁铁运动时在空间产生了感应电场,于是线圈中有了电流；而当线圈运动时在空间没有产生感应电场,可是线圈中照样有电流,可见空间本不该对称(号称相对性原理)；James实验表明相对于以太的运动可测,而Michelson-Morley实验表明相对于以太的运动不可测,我们可以假设光速不变(号称光速不变原理)”.
根据相对论,任何物质的运动速度都不可能超过c,即光在真空中的速度.但是,这一理论并没有阻止物理学家在近20年的时间里去做有关超光速光脉冲的实验,尽管光的极端再成形或吸收等复杂问题常常使得对这些实验的解释显得模棱两可.现在,这一在原子铯蒸气室中演示的超光速光传播实验看起来就要比以前的实验明确多了：在入射激光脉冲的波峰进入蒸气室的入口面之前,一束激光脉冲的波峰离开了该蒸气室的出口面.结果先于原因应当是不可能的,这里的解释也许应当是,实际上并没有出现超过光速的信号,而是该原子体系的电磁响应给人产生了这样一种印象.
科学家研究表明信息传输速率不可能超过光速 ：美国东部时间2005年10月15日(北京时间10月16日)消息,10月16日,美国杜克大学丹尼尔-高希尔等人将在《自然》发表研究文章.他们进行了设计最完美的实验,希望用比光速更快的速度传输信息,结果失败了,从而也提示Einstein的速度极限理论无懈可击.在过去的几年里,科学家采用量子作用、特制镜片、和充满钾蒸汽的腔室进行“超光速”实验,结果表明,比光速更快的观念并不合适宜.
[美]D.哈里德 R.瑞斯尼克著的《物理学》第二卷第二册中,引录了从1675 年法国天文学家罗麦开始,到1956年瑞典的艾奇止,281年中光速测定的结果,其值为C = 2．99×108 m /s.中国计量科学院赵克功和倪育才,在《物理》1979 年4 期上,发表的《光速测定现状》更具有代表性.世界各国用先进激光测量仪,测得的光速值均在299792460m /s左右,光速为一恒定值.关于光速与光源状态无关的论证,张元仲在《狭义相对论实验基础》中,引录了从1913 年到1966年间,世界各国科学家实验结果表明,光的传播速度的确与光源的状态无关.英国《卫报》2005年 4月11日消息, Einstein发表他的狭义相对论一个世纪了,11日,天文学家们聚集在英国华威大学举行2005物理学会议,在纪念这一科学巨匠的同时,科学家们也提出一个惊人论点：Einstein的狭义相对论建立的基础,Einstein的众多理论中不变的准绳——光速可能正在变慢,因此Einstein狭义相对论可能不成立了.剑桥大学天文学院的迈克尔•墨菲教授说：“我们将在这里宣布一些惊人的发现.这些发现暗示出宇宙间存在一种关于光和物质相互作用的更基本的理论,而狭义相对论作为它的基础实际上是错误的.” Einstein认为光的速度是恒定不变的,而这一前提支撑了他的许多伟大的理论包括狭义相对论,同时也是现代物理学的根基,但是墨菲却认为光的速度不是恒定不变的,他说：“事实证明,狭义相对论可能非常接近真理,但是它错过了一些东西,而这些东西可能就是通向一个全新的宇宙和一套新的基本原理的门把手.” 在研究过程中,墨菲的科研小组并没有直接测定出光速的改变,而是分析了来自遥远恒星的光.这些光到达地球需要经过数十亿年的时间,因此科学家们可以观测到光传播的早期,宇宙的基本原理是怎样起作用的.天文学家们通过夏威夷的凯克望远镜观测发现在光传播到地球的过程中,某一波段的光被吸收的情况发生了改变.如果精细结构恒量随着时间发生变化,那么光速也可能发生了变化,也就是说,Einstein可能错了.目前,墨菲领导的科研小组仍在分析来自143颗恒星的光的观测结果.不过,也有许多天文学家对墨菲的这种理论提出了质疑,因为他们使用其他望远镜观测到的结论是光的传播速度并没有发生改变.
人们曾经猜想,是否存在着违背Einstein相对论的超光速,并且可以采用这些超光速技术,以比光速更快的速度传输信息.最为著名的超光速实验,鉴用了含有著名“异常色散”原理的气体腔室.当将一束重叠光波所组成的脉冲,照射穿过该腔室时,腔室内的气体使光波漂移,从而使得光脉冲的速度看起来比光速还快.高希尔等在所进行的实验中,就是采用了这种超光速实验腔室,其腔室充满的是钾蒸汽.结果初看起来,好像是光脉冲的传播时间比光速快了大约270亿分之一秒.但是,当高希尔等通过改变光脉冲振幅,从而加载1或0的数据信息,以快于光速的速度传输信息时,则加载信息所修饰的光脉冲,通过钾蒸汽腔室的传播速度比光速要慢.而且,既使光脉冲本身以比光速更快的速度通过腔室时,结果也是如此.高希尔认为,既使能接收到更快的光子,也得不到那些光子中所包含的信息,其结论与相对论是一致的多伦多大学物理学家阿普拉尔姆-斯坦贝格认为该实验是美妙的.但是,尽管主流科学家相信不可能用超光速信号来传输信息,但任何实验都可能有微小的误差,从而造成允许超光速传输信息的可能性结果.尽管本实验并不见得能使固执己见者完全信服,但高希尔等确实做了一个可以想像得到的最好实验.吕锦华先生认为：所谓看到的比传输光更快的光脉冲,并非是“被加速”的传输光的光脉冲,而是钾蒸汽在度作用下发的光脉冲,所以,它超前于传输光的光脉冲,但它不包含传输信息.包含传输信息的光脉冲实际上并没被加速,仍按相光速传播.因而,信息传输没有能“超光速”.
            8、光速与光源速度无关的验证  
                  （一）、双星现象：
双星的天体系统相互绕着它们的质心O转动,对其中每一颗星来说,如图1-1所示.
                                                          v                                                         
                                                  v
      

                       
             图1-1                                   图1-2
现在观察A星（图1-2）,当它在位置a时,是朝我们地球而来；在b时,离我们而去.如果A星的轨道速度为V,并且假设光传播时带有光源的速度,那么,在地球上测到的A星在a点发出的光相对于地球的速度为C+V,而A星在b点发出的光相对于地球的速度为C-V.
可见,在a点发出的光将比在b点发出的光跑得快.就算V不太大（比C小得多）,但因A星离我们很远,因此,总可以假定A星在b点发出的光到达我们的眼睛时,它从b点经过一段时间（半周期）运动到a点时所发出的光也赶到了,我们将同时在a、b位置上看到有两颗A星.
假如在某一时刻在两个不同的地方看到同一颗星,这就是所谓“魅星”.一般情况下不一定同一颗A星在轨道两端出现,但只要光速依赖于光源速度,则我们预期总能看到“魅星”出现,并且会观察到双星轨道有明显的畸变.事实上,天文观察到的双星系统都很正常,从未看到过“魅星” ,这表明图1-2中A星在a和b点发出的光相对地球的速度是一样的.所以根据观察,人们断定光速与光源的速度无关.
                               （2） 脉冲星的周期
脉冲星是上个世纪六十年代后期发现的一种天体（天文学四大发现之一）,到目前位置人类已经发现了1500多颗脉冲星.所谓的脉冲星就是中子星,由于它的高速旋转,使它的高能电磁辐射周期性地扫过地球,因此有“宇宙灯塔”之称.
在超新星爆发的中心物质,坍塌形成的中子星时,由于物质的强烈收缩而引起的加速自转,使直径一般都在20千米上下的中子星（质量一般都为1.35个太阳左右）,自转周期以秒、毫秒计.而且周期的稳定性,就是人类精确的计时器也无法与之相比,如毫秒脉冲星的周期“变化”,竟然达到小于每10亿年减少一秒的程度.就是我们称之为“周期有明显变化率”的蟹状星云脉冲星（每秒自转30周）,也达到每亿年减少一秒的精度. 我们知道地球（相对太阳）的轨道速度约为30千米/秒,在相隔半年时,其轨道速度变化达到约60千米/秒,这可是光速的万分之二！！！假如光速与观测者的运动有关,那么我们能得到所有脉冲星,在一年四季里,都具有的“恒定不变”周期吗？我国古代超新星爆炸记录,同样可说明真空光速不变.

Vii)真空光速不变原理仍然是个未经完全证实的假定；

                    3、河外星系与恒星的校差光行差
由于地球有环绕太阳的公转速度  v = 29 .75公里/秒,按照光行差角的公式,可求出光行差角的最大值为 α = 20"  .47.对各种恒星进行观测,所得到的光行差角都与20" . 47相符合.如果光速与光源速度有关,则 α = tan -1 v /  c ,也应与光源速度有关, 即 α 不再是常数.考虑到河外星系有很大的退行速度,有人认为,如果光速与源速有关,则应观察到 α 值的变化,但观察结果不能发现这个变化【1】【2】.因此,这个现象被认为是光速与源速无关的证明.
    4、Saden, Alväger  等人的实验【3】【4】【5】
这些实验采用了新的实验手段.例如： π  介子蜕变成为  γ   光子,其相对于观察者（或仪器）的速度仍为 c,即与  π 介子的运动速度无关.这类实验被看作为光速与源速无关的新验证.
5、Tolman实验 【6】
1910年 Tolman 使用洛埃镜观测过太阳光线,认为如果入射光是 c   ±  v ,而反射光是 c ,将要观察到两套条纹之间的相对位移,但这种相对位移没有观察到,因此,得到的结论是,反射镜不能作为新光源,因而入射光速与源速运动速度无关.
6、 Beckmann 和 Madics 【7】
    该实验和 Tolman 实验基本相同,但实验条件较严格,采用单色光,实验安排时避免采用窄缝,以排除窄缝起次光源的疑问（见图2）. 　

　
    实验者假定反射光为 c   ,略去小量后得到
Δ =[ 2 ßL / λ ] [ b / (a + b)]------------(16)
因为激光波长 λ = 6328A°；L = 400厘米；ß = 1.528 × 10-7, （ a / b ）= 10-4,求得 Δ = 1.92 条纹移动.
    因为实验装置可观测到0.1条纹位移,但是实验结果是零.因此实验者认为该实验证明了反射光与反射镜的运动速度无关.
                               7、Ciadea  【8】
该实验将两个激光器安装在可转动台上相应的两边,激光器 L1  的光束经过反射镜  M1反射后,通过半透射镜 M2 ,然后与激光器 L2 的光束会合.将装置转动时,没有发现差频的周期改变,该装置被看作为精度很高的单项实验（见图3）.
　
　
　 8、最新的进展：
1964年在西欧核子中心( CERN),利用高能质子(19.2G ev)打靶,产生的中性介子π0,具有速度Vs = 0.99975C, πo立即(τo = 0.8×10-16 s)衰变为光子(6Gev),光子从产生靶处飞到光子探测器路程达80m,记录πo产生和到达光子探测器时间为Δtへ267ns.结果表明,由Vs=0.99975C的光源（πo）发射的光的速度还是C.这是实验室规模第一次精确证明真空光速不变.日前,美国圣克劳德州立大学(St. Cloud State University)王汝勇和美国导航学会（Institute of Navigation）主席Ronald Hatch 在美国导航学会58届年会撰文指出,可以利用GPS提供的大实验室进行真空光速不变原理的判決实验：让两架相距几百公里的飞机向同一方向,以相同的速度在两个GPS卫星的连线上飞行.两架飞机上的钟不用事先对准,他们各自记录GPS信号到达的时间并计算出它们的差別.这个差别就是GPS电磁波从一架飞机到另一架飞机所需的时间.而比较所需的时间是否与飞机的飞行速度有关就能确定光速是否与观测者相对于地球的运动有关,因此这个判决实验将首次检验对相对于地球运动的观测者来说,光速是否是不变的.他们还指出：不论飞机的飞行速度和GPS技术已足够用来鉴别光速是变还是不变的,而且根据现有成熟的GPS理论可以预计这个实验会出现不同的飞行速度会得出不同的结果,即真空光速不变原理将被证伪. 这个实验不论有重大的理论意义,而且有巨大的实际意义.迄今为止,物理学家都认为在一个封闭系統中速度是不可能被直接测量的.因此惯性导航系统用的是加速度计,速度是由对加速度的积分来得到的.如果通过实验证明不同速度的观测者得到的光速是不同的,那么反过来就能利用光速的不同来测量者的速度,而这将是导航领域的一次革命.它对不能接收到GPS信号的系统,如水下的潜艇则更为重要,为此,王汝勇已设计了速度计,并申请了专利. （笔者认为实验可能出现与预期相反的效果）                              
参考文献：
【1】 G.van Bieshroeck,1932,Astrophys.,75,64.
【2】 O.Heckmann,1960,Ann.D .Astrophys.,23,410.
【3】R.Cialdea,1972,Lett.Nuovo Cimento,4 Ser.,2.821.
【4】 O.Sadeh,1963,Phys.Rev.Lett.,10,271.
【5】 T.Alväges et al .,1963,Nature,197,1191. 1964,Arkiv Fysik, 26,209.
【6】R.C.Tolman,1910,Phys.Rev.,31,33.
【7】  W.Kantor.1972,Nuovo Cimento,Ser.,2,9B,69
【8】P.Beckmann and P.Mandics,1964,Radio Sci.,68D,1265
第五章        时空平权理论
第一节         Einstein的探索性科学假设在科学研究中的重要性
     早在古希腊时代,著名的哲学家、形式逻辑的创始人亚里士多德就提出了归纳和演绎这两种逻辑方法,并认为演绎推理的价值高于归纳推理.而古希腊名声最大的数学家欧几里得,在《几何原本》中把几何学系统化了,这部流传千古的名著就是逻辑演绎法的典范.
牛顿在建立他的力学理论体系时虽然运用了归纳法,但其集大成著作《原理》的叙述方法却采用的是演绎法.
Einstein认为,物理理论分为“构造理论”和“原理理论”.按照他的观点,原理理论“应用分析而不是综合的方法.其出发点和基础不是假设的要素,而是经验上观察到的现象的一般性质、一般原理；从这些性质和原理导出这样一些数学公式,使其用于每一自身出现之处.”“原理理论的优点,是它们逻辑上的完善,和它们基础的稳固.在Einstein看来,“相对论是一种原理的理论.Einstein的探索性的演绎法绝不是这种古老的演绎法的简单照搬.他根据自己的科学研究实践,顺应当时理论科学发展的潮流,对演绎法作了重大发展,赋予了新的内容.也许是为了强调他的演绎法与传统的演绎法的不同,他在“演绎法”前面加上了限制性的定语——“探索性的”,这个定语也恰当地表明了他的演绎法的主要特征.与传统的演绎法相比,Einstein的探索性的演绎法是颇有特色的.这主要表现在以下三个方面.
第一,明确地阐述了科学理论体系的结构,恰当地指明了思维同经验的联系问题,充分肯定了约定在建造理论体系时的重要作用.Einstein把科学理论体系分为两大部分,其一是作为理论的基础的基本概念和基本原理,其二是由此推导出的具体结论.在Einstein看来,那些不能在逻辑上进一步简化的基本概念和基本假设,是理论体系的根本部分,是整个理论体系的公理基础或逻辑前提.它们实际上“都是一些自由选择的约定”;它们“不能从经验中抽取出米,而必须自由地发明出来”.谈到思维同经验的联系问题时,Einstein说：直接经验ε是已知的,A是假设或公理,由它们可以通过逻辑道路推导出各个个别的结论S;S然后可以同ε联系起来(用实验验明).从心理状态方面来说,A是以ε为基础的.但是在A和ε之间不存在任何必然的逻辑联系,而只有通过非逻辑的方法——“思维的自由创造”(或约定)——才能找到理论体系的基础A.Einstein明确指出：“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想的逻辑体系.它的基础可以说是不能用归纳法从经验中提取出来的.而只能靠自由发明来得到.这种体系的根据(真理内容)在于导出的命题可由感觉经验来证实,而感觉经验对这基础的关系,只能直觉地去领悟.进化是循着不断增加逻辑基础简单性的方向前进的.为了要进一步接近这个目标,我们必须听从这样的事实：逻辑基础愈来愈远离经验事实,而且我们从根本基础通向那些同感觉经验相联系的导出命题的思想路线,也不断地变得愈来愈艰难、愈来愈漫长了.”
第二,大胆地提出了“概念是思维的自由创造”、“范畴是自由的约定”的命题,详细地阐述了从感觉经验到基本概念和基本原理的非逻辑途径.Einstein指出,象马赫和奥斯特瓦尔德这样的具有勇敢精神和敏锐本能的学者,也因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实做出正确的解释(指他们反对原子论).这种偏见——至今还没有灭绝——就在于相信毋须自由的构造概念,事实本身能够而且应该为我们提供科学知识.这种误解之所以可能,是因为人们不容易认识到,经过验证和长期使用而显得似乎同经验材料直接相联系的那些概念,其实都是自由选择出来的.Einstein认为,物理学家的最高使命就是要得到那些普遍的基本定律,由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来.要通向这些定律,并没有逻辑的道路,只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉,才能得到这些定律.”为了从经验材料中得到基本原理.除了通过“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”外,Einstein还指出可以通过“假设”、“猜测”、“大胆思辨”、“创造性的想像”、“灵感”、“幻想”、 “思维的自由创造”、“理智的自由发明”、“自由选择的约定”等等.不管方法如何变化,它们都有—个共同点,即基本概念和基本原理只能通过非逻辑的途径自由创造出来.这样一来,基本概念和基本原理对于感觉经验而言在逻辑上是独立的.Einstein认为二者的关系并不像肉汤同肉的关系,而倒有点像衣帽间牌子上的号码同大衣的关系.也正由于如此,从感觉经验得到基本概念和原理就是一项十分艰巨的工作,这也是探索性的演绎法的关键一步.因此,Einstein要求人们“对于承担这种劳动的理论家,不应当吹毛求疵地说他是‘异想天开';相反,应当允许他有权去自由发挥他的幻想,因为除此以外就没有别的道路可以达到目的.他的幻想并不是无聊的白日做梦,而是为求得逻辑上最简单的可能性及其结论的探索.”关于Einstein所说的“概念是思维的自由创造”和“范畴是自由的约定”,其中的“自由”并非任意之谓,即不是随心所欲的杜撰.Einstein认为,基本概念和基本原理的选择自由是一种特殊的自由.它完全不同作家写小说时的自由,它倒多少有点像一个人在猜一个设计得很巧妙的字谜时的那种自由.他固然可以猜想以无论什么字作为谜底,但是只有一个字才真正完全解决了这个字谜.显然,Einstein所谓的“自由”,主要是指建立基本概念和基本原理时思维方式的自由、它们的表达方式的自由以及概括程度高低的自由,—般说来,它们包含的客观实在的内容则不能是任意的.这就是作为反映客观实在的人类理智结晶的科学之客观性和主观性的统一.诚如Einstein所说：“科学作为一种现存的和完成的东西,是人们所知道的最客观的,同人无关的东西.但是,科学作为一种尚在制定中的东西,作为一种被迫求的目的,却同人类其他一切事业一样,是主观的,受心理状态制约的.”
第三,明确地把“内在的完备”作为评判理论体系的合法性和正确性的标准之一.在Einstein看来,探索性的演绎法就是在实验事实的引导下,通过思维的自由创造,发明出公理基础,然后以此为出发点,通过逻辑演绎导出各个具体结论,从而构成完整的理论体系.但是,评判这个理论体系的合法性和正确性的标准是什么呢?Einstein晚年在“自述”中对这个问题作了纲领性的回答.他认为,第一个标准是“外部的证实”,也就是说,理论不应当同经验事实相矛盾.这个要求初看起来似乎十分明显,但应用起来却非常伤脑筋.因为人们常常,甚至总是可以用人为的补充假设来使理论同事实相适应,从而坚持一种普遍的理论基础.但是,无论如何,这种观点所涉及的是用现成的经验事实采证实理论基础.这个标准是众所周知的,也是经常运用的.有趣的是Einstein提出的第二个标准——“内在的完备”.它涉及的不是理论同观察材料的关系问题,而是关于理论本身的前提,关于人们可以简单地、但比较含糊地称之为前提(基本概念和基本原理)的“自然性”或者“逻辑简单性”.也就是说,这些不能在逻辑上进一步简化的元素要尽可能简单,并且在数目上尽可能少,同时不至于放弃对任何经验内容的适当表示.这个观点从来都在选择和评价各种理论时起着重大的作用,但是确切地把它表达出来却有很大困难.这里的问题不单是一种列举逻辑上独立的前提问题(如果这种列举是毫不含糊地可能的话),而是一种在不可通约的质之间作相互权衡的问题.其次,在几种基础同样“简单”的理论中,那种对理论体系的可能性质限制最严格的理论(即含有最确定论点的理论)被认为是比较优越的.理论的“内在的完备”还表现在：从逻辑的观点来看,如果一种理论并不是从那些等价的和以类似方式构造起来的理论中任意选出的,那么我们就给予这种理论以较高的评价.Einstein看到了“内在的完备”这一标准不容忽视、不可替代的特殊作用.他指出,当基本概念和基本原理距离直接可观察的东西愈来愈远,以致用事实来验证理论的含义就变得愈来愈困难和更费时日的时候,“内在的完备”标准对于理论的选择和评价就一定会起更大的作用.他还指出,只要数学上暂时还存在着难以克服的困难,而不能确立这个理论的经验内涵：逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的唯一准则,即使是一个当然还不充分的准则.Einstein的“内在完备”标准在某种程度上是不可言传的,但是它在像Einstein这样的具有“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”的人的手中,却能够有效地加以运用,而且预言家们在判断理论的内在完备时,它们之间的意见往往是一致的.在Einstein创立狭义相对论和广义相对论的过程中,充分地体现了探索性的演绎法的这三个特色.前面我们已简单地涉及到这一点,这里我们只谈谈Einstein从“内在的完备”这一标准的角度是如何对自己理论进行评价的.1906年,当德国实验物理学家宣称,他在1905年完成的关于高速电子(β射线)质量和速度关系的数据支持亚伯拉罕和布赫尔的“刚性球”电子论,而同洛伦兹-Einstein的理论(电子在运动方向的直径会随速度的增加而收缩)不相容,彭加勒立即发生了动摇,认为相对性原理不再具有我们先前赋予它的那种重要的价值.洛伦兹表现得更是十分悲观,他在1906年3月8日致彭加勒的信中说：“不幸的是,我的电子扁缩假设同考夫曼的新结果发生了矛盾,因此我必须放弃它,我已到了山穷水尽的地步.在我看来,似乎不可能建立起一种要求平移对电学和光学现象完全不产生影响的理论.”Einstein的态度则截然相反,他对自己的理论的“内在的完备”抱有信心.他在1907年发表的长篇论文中指出：考夫曼的实验结果同狭义相对论的“这种系统的偏离,究竟是由于没有考虑到的误差,还是由于相对论的基础不符合事实,这个问题只有在有了多方面的观测资料以后,才能足够可靠地解决.”他认为“刚性球”电子论在“颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符,因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的.” 正由于狭义相对论的理论前提的简单性大,它涉及的事物的种类多,它的应用范围广,它给人的印象深,所以Einstein才对自己的理论坚信不疑,要知道当时还没有确凿的实验事实证实这种具有思辨性的理论.谈到广义相对论的“内在的完备”,Einstein说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完整性.从它推出的许多结论中,只要有一个被证明是错误的,它就必须被抛弃,要对它进行修改而不摧毁其整个结构,那似乎是不可能的.”他甚至说过这样的话：当1919年的日蚀观测证明了他关于光线弯曲的推论时,他一点也不惊奇.要是这件事没有发生,他倒会是非常惊讶的.探索性的演绎法是Einstein的主导哲学思想——唯物论的唯理论——的一个重要组成部分.可贵的是,Einstein在这里并没有排斥或漠视经验归纳法在科学中的地位.一方面,他认为纯粹思维可以把握实在;另一方面,又认为从来也没有一种理论是靠纯粹思辨发现的,他对构造性的理论也给予了较高的评价.Einstein敢于正视矛盾的两极,在唯理论和经验论之间保持了一种微妙的、恰如其分的平衡,这正是他的高明之处.他提出的探索性的演绎法,只是强调“要大胆思辨,不要经验堆积”罢了,这是理论科学在20世纪发展的必然趋势,Einstein则是率先表达了这一时代要求.      
2、经典力学中的时空对称性问题
一切物理现象都发生在时空之中,时空的对称性必然会影响物理现象的特性,因此在研究物理理论时,往往要研究时空的对称性.牛顿力学的方程是关于时间反演不变的,也就是说在牛顿的宇宙中,一切动力学过程都是可逆的,因此无法找出一个标度时间向前演化的物理量.量纲不仅规范了物理量的物理意义,而且包含了不同物理量之间的关联性,隐含着客观存在着的物理规律.
　　Galileo相对论指出,不存在“静止状态的”绝对意义,所以“在不同时间的空间的同一点”是没有任何意义的.在18世纪末年,达兰贝尔（J.L.d,Alembert）和拉格朗日(J.-L.Lagrange)等在他们的著作中,提出了把时间想象为第四个纬度的建议.例如拉格朗日写到：“这样以来,我们就可以把力学看成是一种四维几何学,而把分析力学难看成是解析几何的一种推广.”文献【1】在‘引论’中就预先指出,对于牛顿力学的背景时空,即伽利略时空,有着下述对称性：
　　(N1),所有的空间点都是平权的,所有的瞬时也都是平权的；
　　(N2),所有的空间方向都是平权的；
(N3),所有作相对匀速直线运动的惯性参照系都是平权的.
从时空角度上看,“实数是空间的数量关系,纯虚数是时间的数量关系,复数则是时空的数量关系”.在普利高津看来,在近代科学的经典——牛顿力学中,时间作为一个描述运动的参数,是反演对称的,把时间换为空间有相同的结果,这意味未来和过去看来没有实质性的区别.
天气预报主要是通过对大尺度空间（水平和垂直）气象条件的探测,来预报未来的天气情况.如果预报未来的时间越长 ,就要求对空间探测的尺度越大.可以说：对时间尺度的预报,依赖于对空间尺度的了解.考古学家就是通过对地层的研究来推断以前的历史情况.地层越深,可推断出该年代就越久远.上述是space-time平权理论的实际应用,用公式表示： ,上式的物理意义是：对某一物质而言,若其空间量有了变化（如体积变化）,那么该物质必然会产生某一过程；反之,若某一物质产生了某一过程,其结果必然存在空间量的变化.时和空在变换中它们之积是个不变量,时空是不均匀的,但时空却应该是连续的,物体的运动速度、质量、动量和能量也应该是连续的.数学中几何概型的计算时,当几何测度为时间和长度时运算是一致的,时间用长度表示,也是时空平权的反应.你问某人从巴尔的摩到华盛顿有多远,得到的回答可能是“45分钟”：你问的是距离,但回答却是时间.如果你遵守交通规则,即不会有意外情况打乱交通,而在速度有限的情况下,这两个概念是可以联系在一起的.在宇宙中,距离和时间通过永远恒定的光速联系在一起.
参考文献：
【1】        福克. 1965,“空间、时间和引力的理论”,周培源等译,科学出版社,北京.
3、狭义相对论中的时空对称性问题
Weinberg 在他的著名著作《引力论与宇宙论》一书中用了专门一章,标题为“对称空间”,来讨论时空的对称性.Einstein说过一句话：“过去、现在和将来之间的区别只不过是一种幻觉.” 时间不能完全脱离和独立于空间,必须和空间结合在一起形成所谓的时空的客体.
对称与李群在物理学中有许多应用,在物理学中的应用在极大刺激了群论的发展.对称可以在物理学中从多个层面上观察到,例如在牛顿力学中,包括万有引力定律在内的许多定律都在平移,旋转和反射下保持不变；狭义相对论的一个重要特征就是空间与时间的观念是对称的.
对称性在现代科学中的中心地位,从狄拉克对Einstein的评价也可看出,他在1982年询问杨振宁,什么是Einstein对物理学最重要的贡献？杨振宁回答说：“1916年的广义相对论.”狄拉克说：“那是重要的,但不如他引入的时空对称的概念那么重要.”对狄拉克这个与众不同的观点,杨振宁事后评论说：“狄拉克的意思是,尽管广义相对论是异常深刻的和有独创性的,但是空间和时间的对称对以后的发展有更大的影响.的确,与人类的原始感受如此抵触的时空对称,今天已与物理学的基本观念紧密地结合在一起了.”庞加莱的“回归论”：“任何孤立体系在一个足够大的时间间隔内,将回到它的初始状态.时间不是对称的,甚至可能是循环的.”
在相对论中,时间和空间坐标没有真正的差别,犹如任何两个空间坐标没有真正的差别一样.譬如可以选择一族新的坐标,使得第一个空间坐标是旧的第一和第二空间坐标的组合.例如测量地球上一点位置不用在伦敦皮卡迪里圆环以北和以西的里数,而是用在它的东北和西北的里数（1英里=1.609公里）.类似地,人们在相对论中可以用新的时间坐标,它是旧的时间（以秒作单位）加上往北离开皮卡迪里的距离（以光秒为单位）.将一个事件的四坐标作为在所谓的时空的四维空间中指定其位置的手段经常是有助的.
　　对于狭义相对论的背景时空,即洛伦兹时空,则有着下述对称性：
　　(S1),所有的时空点都是平权的； (S2),所有的时空方向都是平权的.
　　这里所谓‘平权’是指“物理影响相同,没有谁表现特别”.这里的伽利略时空和洛伦兹时空都是1+3维时空,1维是时间,3维是空间.洛伦兹时空中的时空点是4维时空点,时空方向是4维矢量方向.所有的时空方向都是平权的对称性包含着所有的空间方向都是平权的对称性和所有作相对匀速直线运动的惯性参照系都是平权的对称性.
伽利略时空的对称性对应着伽利略坐标变换,这个变换具有10个参数(其中N1对称性4个,N2对称性3个,N3对称性3个）；在此变换下,牛顿力学的规律保持不变.洛伦兹时空的对称性对应着洛伦兹坐标变换,这个变换也具有10个参数(其中SI对称性4个,S2对称性6个）；在此变换下,狭义相对论的物理规律保持不变.空间是相对时间的空间,时间是相对空间的时间,统一在速度这个概念上.
狭义相对论是四维时空的数学框架,其本质和牛顿的三维绝对空间加一维时间相同.它只是对客观物理时间和空间的理论抽象,仅仅是一种数学合理化的抽象,是研究工作所利用的工具.Einstein在狭义相对论中的论断：“将自然界定律表示成四维时空连续区域里的定律,则采取的形式是逻辑上最满意的.”【1】 1908年闵可夫斯基在科隆的演讲中说：“我想展现在你们面前的关于空间和时间的看法是从实验物理学土壤中萌芽的,而这就是他们力量之所在,他们是彻底的.从今以后,单独的空间和单独的时间都注定如同阴影般消失,只有他们的某种联合能维持一种独立的实在.” 【2】这一新见解为狭义相对论的形成和广义相对论的发展提供了场地和线索,米是通过秒来定义的.
Einstein把三维的空间和一维的时间合并到一起,在笛卡儿坐标基础上,四维时空坐标创立了.狭义相对论揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性,space-time不能截然分开而是统一的整体,但是没有指明时间与空间的本质.不同时刻的三维Euclid空间被分开,把这些空间合并在一起构成了完整的四维space-time图.在狭义或广义相对论的情形下,时间应当是同时性空间或类空表面.在空间——时间中进行匀速直线运动的粒子历史是一条直线——世界线.不变的不是时间间隔和空间间隔,而是space-time线元长度,即△s=△s`,其中△s2=△l2—△c2△t2,△s`2=△l`2—△c2△t`2.前人借用这个概念,把“真空光速不变的原理”表述成“dS≡0”,即“由真空光速不变的原理,我们可以断定,假如两个事件的间隔在某一个坐标系统内为零,那么,它在所有其他系统内均为零” 【3】.前辈通过对“时空”、“运动”进行分析与观察,把真空光速不变的原理（dS≡0）推广到了dS为非零值的情形：“我们得到一个很重要的结论：两个事件的间隔在所有的惯性参考系统里都是一样的,即当由一个惯性参考系统变换到任何另一个惯性参考系统时,它是不变的.这种不变式也就是真空光速不变的数学表示” 【4】——这就是“时空间隔的不变性”.
Minkowsk指出：“我要向你们提出的空间时间观念是在实验物理学的土壤上产生出来的……从此,单独的空间和单独的时间注定要消退得只剩下一些影子,只有两者的一种联合才会保持为一项独立的实在.Minkowsk空间里时间纬度取虚值,反映了时间和空间的本质差别,因此洛伦兹变换的不变量不是“椭圆型”（空间坐标的平方和时间坐标的平方符号相同）而是“双曲型”（空间坐标的平方和时间坐标的平方符号不同）的,由此产生了光锥内外及光锥前后几个互相不能靠洛伦兹变换到达的区域.
参考文献：
【1】林为民编译《图说相对论》,内蒙古人民出版社2003年3月版218页  
【2】[英]约翰•格里宾著、黄磷译《大宇宙百科全书》,海南出版社2001年8月版276页）.
【3】见《场论》L12-13,P6
【4】 见《场论》L21-23,P7
                                     4、 广义相对论中时空对称性
对于广义相对论,由于引力场使得时空弯曲,在全时空中彼此作相对匀速直线运动的惯性参照系是不存在的（在时空的局部范围内可以存在匀速直线运动,也可以存在局部惯性参照系）.由于这个原因,广义相对论中的时空的对称性,一般要低于伽利略时空的对称性和低于洛伦兹时空的对称性,即其所对应的保持规律不变的坐标变换之参数要减少.在广义相对论中,时空的对称性往往随所研究的具体问题而异.在经典广义相对论的实时space-time中,因为时间只沿着一位观察者的历史增加,不象空间那样可以沿着历史增加或减少,时间和空间方向可以区分开来；在广义相对论中,对称性由洛伦兹群（或庞卡莱群）所支配.
一般认为,以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空对称性是【1】：
　　(C1),所有的空间点都是平权的； (C2),所有的空间方向都是平权的.
为什么说所有的空间点都是平权的？如果空间之内点与点不是平权的,则在空间某些部分,物质会堆积得很多,而在另外一些部分, 物质则分布得很少,这不符合天文观察.
天文观测的事实表明：大尺度空间内星系或星系团的分布以及射电源的计数,大体上是均匀的,而微波背景辐射的分布,均匀程度更高.为什么说所有的空间方向都是平权的？如果空间之内各个方向彼此不是平权的,会引发什么现象呢？整个宇宙绕轴旋转就是一个例子,在这种情况下,旋转轴就是一个特殊方向,它跟其它方向不是平权的.Godel曾研究过旋转的宇宙,得出了在这种宇宙中,测地线可能相交的推论.这意味着,从‘现在’可以返回到‘过去’,从‘现在’也可以提前到达‘将来’；这将对因果律造成极大的紊乱.旋转宇宙的问题还有不少,虽然在引力理论和宇宙学中,旋转宇宙也可以作为一个课题来进行研究,但由于它本身的缺点和问题,多数学者并不采纳这种宇宙.比较(C1)、(C2)和(N1)、(N2),可以看出,以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空对称性同牛顿力学背景时空的对称性都认为所有的空间点都是平权的和所有的空间方向都是平权的.这就是,在一定条件下,可以用牛顿力学来研究宇宙学的理论根源.比较(C1)和(N1),还可以看出,在以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空中,缺乏所有的瞬时也都是平权的对称性,正是由于这种缺乏,使得宇宙时空出现弯曲,必须用广义相对论来进行研究.对称性(C1)说明宇宙空间是均匀的,对称性(C2)说明宇宙空间是各向同性的,这就是宇宙学原理.显然,宇宙学原理并不是毫无根据的人为假定,它是宇宙对称性的合理推论.
广义相对论具有宇宙因子项重力场方程的普遍形式Ruv—0.5guvR+guv= - kTuv,式中Ruv是二阶曲率张量；guv是度规张量；而Tuv是物质的能量—动量张量；k为常数,可由泊松方程求得,λ为宇宙因子,等式的左边是描述空间几何性质的几何量,而右边是物质张量.该式把物质和space-time紧密联系在一起,表明空间——时间的几何性质与物质的分布及其运动密切相关,物质的分布和运动决定四维空间的曲率,而这个弯曲空间又决定物质的运动状态.广义相对论进一步揭示空间与时间的统一性,指出空间和时间不可能离开物质而独立存在,空间的结构与性质取决于物质的分布,因此时间与空间相结合的space-time才是物理实在,时间与空间分别是space-time的投影.时间不过是纵向的空间,空间则是横向的时间；空间是静止的时间,时间是运动着的空间,二者实为一体的东西.在物理学中,在任何惯性参考系中观察任意两个事件,其时间的先后次序都具有绝对的意义,space-time中任意两点间的内禀距离只能是一个旅行者从一点到另一点所花费的固有时间.对于绝对时间与绝对空间而言,事物在空间上的分布规律是其在时间上分布规律的反映,例如宇宙间天体系统的空间分布是其时间演化层次的横向分布,现在空间上的宇宙是历史上宇宙的一个缩影.
现代标准宇宙学理论建立在Einstein引力场方程和罗伯逊—沃克度规的基础上,按宇宙学原理,物质分布均匀和各向同性时,宇宙时空具有最大的对称性.而具有最大对称性的时空结构由罗伯逊—沃克度规描述,其形式为：
          【2】,式中 是尺度因子, 是曲率常数, 是共动坐标.如果尺度因子 不随时间而变,表示的是膨胀速度为零的静态空间.由于 ,罗伯逊—沃克度规表示的时空可以定义统一的时间.事实上罗伯逊—沃克度规中不显含质量,它代表的仅是一种几何性的四维时空框架.物质存在对时空结构的影响是通过Einstein引力场方程引入的.因此我们即可以用罗伯逊—沃克度规来表示运动学意义上的,没有物质和引力场存在的纯几何的时空结构.也可以用它来表示有物质和引力场存在时的,动力学意义上的时空结构.
     天文观测的事实表明：大尺度空间内星系或星系团的分布以及射电源的计数,大体上是均匀的,而微波背景辐射的分布,均匀程度更高.为什么说所有的空间方向都是平权的？如果空间之内各个方向彼此不是平权的,会引发什么现象呢？整个宇宙绕轴旋转就是一个例子,在这种情况下,旋转轴就是一个特殊方向,它跟其它方向不是平权的.Godel曾研究过旋转的宇宙,得出了在这种宇宙中,测地线可能相交的推论.这意味着,从‘现在’可以返回到‘过去’,从‘现在’也可以提前到达‘将来’；这将对因果律造成极大的紊乱.旋转宇宙的问题还有不少,本博文不打算讨论这个问题.只是指出,虽然在引力理论和宇宙学中,旋转宇宙也可以作为一个课题来进行研究,但由于它本身的缺点和问题,多数学者并不采纳这种宇宙.
　　比较(C1)、(C2)和(N1)、(N2),可以看出,以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空对称性同牛顿力学背景时空的对称性都认为所有的空间点都是平权的和所有的空间方向都是平权的.这就是,在一定条件下,可以用牛顿力学来研究宇宙学的理论根源.比较(C1)和(N1),还可以看出,在以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空中,缺乏所有的瞬时也都是平权的对称性,正是由于这种缺乏,使得宇宙时空出现弯曲,必须用广义相对论来进行研究.对称性(C1)说明宇宙空间是均匀的,对称性(C2)说明宇宙空间是各向同性的,这就是宇宙学原理.显然,宇宙学原理并不是毫无根据的人为假定,它是宇宙对称性的合理推论.
参考文献
【1】        Weinberg S. 1972, “Gravitation and Cosmology”, Wiley, New York.
【2】刘辽,赵铮,广义相对论,高等教育出版社,37,308,326 (2004).
                          5、量子力学中的时空对称性
在量子力学虚时间方向和空间方向一样,可以增加或减少,经常使用“将时间变为空间”的问题,在任何情况下,我们利用虚的时间和Euclid空间——时间可以认为仅仅是一个计算实空间——时间的答案的数学手段（或技巧）,在计算机技术中也存在这个问题.对于我们的量子边界,我们需要四维空间——而不是四维space-time——中的一个三维表面.因而Stephen  Hawking和James Hartle提出：在量子宇宙学格局中,通常的时间概念不再适用,它变成了又一维的空间.空间的几何学可以用来作为时间的量度.在量子宇宙学中,时间是宇宙中的物质成分及其位形的构成物.在微观理论中,特别是基本粒子理论中常取自然单位制,其中把时间与空间的量纲取得相同,并把质量量纲取为space-time量纲的倒数,从而只剩下一个量纲,至于单位的大小,则取得使c=1和约化普朗克常数等于1,至于具体取什么单位,则无统一规定,在基本粒子理论中通常是取得使μ介子的质量数值为1.倪光炯教授在量子力学基础上,根据空间一时间反演等价于正反粒子变换这一基本对称性,导出狭义相对论的质能关系式和洛伦兹变换．从而说明高速粒子质量增大和运动钟变慢等相对论运动学效应有其普适的内禀动力学本质．
   由space-time量的差别产生的效应,总可以通过时间量的差别来完成.反之由时间量的差别产生的效应,总可以通过空间量的差别来达到.比如,光的干涉实验,当只允许单个光子通过时（此space-time间量小）,短时间暴光,则在底片上只产生几个光斑,不能形成干涉图样.若长时间暴光（时间量存在了差别）,则在底片上可产生干涉图样.如果不增加时间,只是允许大量光子（空间量存在差别）同时通过小空,那么短时间暴光,也得到了光的干涉图样. 后面我们可以看到量子力学中时空平权主要是电磁质量在引力空间——度量空间中运动
                      6、 时空平权理论
    Einstein认为：“如果一个想法在一开始不是荒谬的,那它就是没有希望的.在我看来,现在有许多人-甚至包括科学家-似乎都只是见树不见林.关于历史与哲学背景的知识,可以提供给那些大部份正受到当代偏颇（偏向某一方面,有失公允）观念所左右的科学家们一种不随波逐流的独立性.这种由哲学的洞察力所创造的独立性,依我来看,正是一个工匠或专家,与一个真正的真理追寻者之间,最大的区别.”法朗士讲：“最难得的是勇气,是思想的勇气.”
在物理学里,自然单位制（natural units）是一种建立于基础物理常数的计量单位制度.例如电荷的自然单位是单位电荷 e 、速度的自然单位是光速 c ,都是基础物理常数.纯自然单位制必定会在其定义中,将某些基础物理常数归一化,即将这些常数的数值规定为整数1.
自然单位制的主要目标,是将出现于物理定律的代数表达式精致地简化,或者,将一些描述基本粒子属性的物理量归一化.物理学者认为这些物理量应该相当常定.但是,任何物理实验必需操作与完成于物理宇宙内部,所以,很难找到比物理常数更常定的物理量.假设某物理常数是单位制的基本单位或衍生单位,则不能用这单位制来测量这物理常数的数值变化,所以通常只能够研究无量纲的物理常数的数值变化,否则必需另外选择一种单位制来研究这物理常数的数值变化,而这另外选择的单位制不能以这物理常数为基本单位或衍生单位[1].自然单位制之所谓“自然”,是因为其定义乃基于自然属性,而不是基于人为操作,普朗克单位制时常会被直接地指称为自然单位制.事实上,很多种单位制都可以称为自然单位制,普朗克单位制只不过是最为学术界熟知的一种自然单位制.普朗克单位制可以被视为一种独特的单位制,因为这单位制不是基于任何物质或粒子的属性,而是纯粹从自由空间的属性推导出来的.如同其它种单位制,任何自然单位制的基本单位,必会包括长度、质量、时间、温度与电荷的定义与数值.有些物理学者不认为温度是物理常数,因为温度表达为粒子的能量每自由度,这可以以能量（或质量、长度、时间）来表达.虽然如此,几乎每一种自然单位制都会将玻尔兹曼常量归一化：kB = 1 .这可以简单地视为一种温度定义方法. 物理量纲自牛顿力学确立以来,只有不断地充实、发展,而从未修正、动摇过,因为它是物理科学的科学核心,是其框架和灵魂！普朗克长度LPL = (hG/2πC3)1/2, 普朗克时间tPL = (hG/2πC5)1/2, 普朗克质量MPL = (h C/2πG)1/2,最早是从物理量纲导出的！
在国际单位制内,电量是用一种特别的基本量纲来计量.但在自然单位制内,电量则是以质量、长度、时间的机械单位来表达.这与厘米-克-秒制雷同.
自然单位制又可分为两类,“有理化单位制”与“非理化单位制”.在有理化单位制内,例如,洛伦兹-赫维赛德单位制（Lorentz-Heaviside units）,麦克斯韦方程组里没有因子 4π ,但是,库仑定律和毕奥-萨伐尔定律的方程里,都含有因子 4π ；而在非理化单位制内,例如,高斯单位制,则完全相反,麦克斯韦方程组里含有因子 4π ,但是,库仑定律和毕奥-萨伐尔定律的方程里,都没有因子 4π .
自然单位制最常见的定义法是规定某物理常数的数值为1.例如,很多自然单位制会定义光速 c = 1 .假设速度 v 是光速的一半,则从方程 v = c / 2 与 c = 1 ,可以得到方程 v = 1 / 2 .这方程的含意为,采用自然单位制,测量得到的速度 v 的数值为 1 / 2 ,或速度 v 是自然单位制的单位速度的一半.方程 c = 1 可以被代入任意方程.例如Einstein方程 E = mc2 可以重写为采用自然单位制的 E = m .这方程的意思为,粒子的静能量,采用自然单位制的能量单位,等于粒子的静质量,采用自然单位制的质量单位.
与国际单位制或其它单位制比较,自然单位制有优点,也有缺点：1、简化方程：借着规定基础物理常数为1,含有这些常数的方程会显得更为简洁,大多时候会更容易了解.例如,在狭义相对论里,能量与动量的关系式 E2 = p2c2 + m2c4 似乎相当冗长,而 E2 = p2 + m2 显得简单多了.2、物理诠释：自然单位制已经自动具备了量纲分析功能.例如,在普朗克单位制的定义中,已经囊括了量子力学和广义相对论的一些性质.大约在普朗克长度的尺度,量子引力效应绝非凑巧地会开始变得重要.同样地,在设计原子单位制时,已经考虑到电子的质量与电量.因此,描述氢原子电子轨域的玻尔半径理所当然地成为原子单位制的长度单位.3、不需原器：“原器”（prototype）是一种用来定义单位的真实物体,例如国际千克原器（International Prototype Kilogram）是一块存放于法国国际计量局的铂铱合金圆柱体,其质量定义为1公斤.依赖原器有很多缺点：不可能实际复制出完全一样的原器,真实物体会遭受腐蚀损坏,核对质量必需亲自到法国跑一趟.自然单位制不需要参照到原器,自然就不会被这些缺点拖累.4、计量精密度较低：当初设计国际单位制时,一个主要目标是能够适用于精密测量.例如,因为这跃迁频率可以用原子钟科技来精密复制,时间单位秒是使用铯原子的原子跃迁频率来定义.自然单位制通常不是基于可以在实验室精密复制的物理量.所以,自然单位制的基本单位所具有的精密位数会低于国际单位制.例如,普朗克单位制所使用的重力常数 G ,在实验室里只能测量至4个有效数字.5、意义过于笼统：设想采用普朗克单位制的方程 a = 1010 .假若 a 代表长度,则这方程的含意是  ；可是假若 a 代表质量,则这方程的含意是 a = 220kg .所以,假若变量 a 缺乏明确定义,则这方程很有可能被误解.明显不同地,采用国际单位制,对于方程 a = 1010 ,假若 a 代表长度,则这方程的含意是 a = 1010m ；假若 a 代表质量,则这方程的含意是 a = 1010kg .从另一个角度来看,物理学者有时候会故意利用到这笼统性质.这时,自然单位制显得特别有用.例如,在狭义相对论里,时间与空间的关系非常密切,假若,能够不区分某变量所代表的是时间还是空间,或者,使用同一个矢量变量就可以一起代表时间与空间,这添加的功能会带给理论学者很大的便利.
注意到在任何单位系统内,为了不致造成定义冲突,只有一小部分的基础物理常数可以被归一化.例如,电子质量　me 与质子质量 mp 不能都被归一化.
基础物理常数        符号        量纲
光速

                L
T−1

磁常数

Q−2
M
L               
电常数

Q2        M−1        L−3        T2       
库仑常数

Q−2        M        L3        T−2       
自由空间阻抗（impedance of free space）

Q−2        M        L2        T−1       
重力常数
G                M−1        L3        T−2       
约化普朗克常数

        M        L2        T−1       
玻尔兹曼常量
kB                M        L2        T−2        Θ−1

基本电荷
e        Q                               
电子质量
me                M                       
质子质量
mp                M                       
只有具有量纲的物理常数才可以被选为基本单位,才可以被归一化.无量纲的物理常数的数值不会因为单位系统的不同而改变.例如,精细结构常数 α 不具有量纲： .
由于 α 的数值不等于1,自然单位制绝不能将 α 的表达式内的四个物理常数 e 、  、c 、ε0 都归一化.最多只能将其中三个物理常数归一化.剩下的物理常数的数值必需规定为能够使得  .
普朗克单位制是一种独特的自然单位制,因为普朗克单位制不是以任何原器、物体、或甚至基本粒子定义.普朗克单位制只以物理定律的基本结构参数为归一化对向.c 、G 涉及广义相对论的时空结构.  捕捉了,在量子力学里,能量与频率之间的关系.这些细节使得普朗克单位制特别有用与常见于量子引力理论或弦理论的研究.
有些学者认为普朗克单位制比其它自然单位制更为自然.例如,有些其它自然单位制使用电子质量为基本单位.但是电子只是许多种已知具有质量的基本粒子之一.这些粒子的质量都不一样.在基础物理学里,并没有任何绝对因素,促使选择电子质量为基本单位,而不选择其它粒子质量.
几何化单位制（geometrized unit system）不是一种完全定义或唯一的单位制.在这单位制内,只规定光速与重力常数为1.这留出足够空间来规定其它常数,像玻尔兹曼常量或库仑常数：kB = 1、 .
有人认为尽管相对论中空间和时间是密不可分的, space-time的类时性或类空性还是绝对的,但是事件具有虚值时间坐标的空间——时间称为Euclid型的,在Euclid  space-time图中,时间方向与空间方向没有不同之处,空间与时间是一个问题的两个方面.Minkowski方程反映了space-time平权问题,他认为：“这种对称性在数学上可以用意义很深刻的神秘形式反映相对论的本质（Minkowski称为绝对世界的标准）.”
设光速c=bm/s,由于光从A点到B点走1s与走bm是一样的,因此若令光速为1,则得1s=bm ,场的运动速度为1.时间用空间的变化来测量,空间用时间的变化来测量.光年既是时间单位,也是长度单位.宏观世界里物体的运动速度很小,仍可用m/s表示.这样便将国际基本物理量缩减为6个.若将光速定为1,则物体的速度称为物体的相对速度,速度是物体在相对space-time中空间与时间的比值.我们称之为space-time的平权理论,它是space-time对称的绝对性的表现形式 .根据space-time平权理论,四维space-time也可以称为四维空间或者四维时间. 本身就反应了时空平权理论.明可夫斯基（MinkoWski）于1908年指出,时间与空间的变化互相补偿,因此,这两者的结合,就是在这新世界里对于所有的观测者也都是一样的.我们惯于想象的空间,有长、宽、高三维,而明可夫斯基指示,我们必须把时间看做是“时空结合体”里的第四维,一秒钟相当于186,000英里,即光在这时间内所行的距离.狭义相对论的本质就是时空平权,Einstein从实证哲学的观点得出狭义相对论的主要成果经常遭到人们的非议原因在此,他本人也曾经说过相对论的基础必将会得到深化.
笔者认为C=1不仅仅是自然单位制的必然,而且进一步表明Minkowski方程的正确性,相对论与量子力学以及基本粒子理论都说明了space-time平权理论的正确.空间和时间本身就是一个数学定义的问题,将两者合并为一个量,整个物理学描述体系将发生改变.闵可夫斯基坐标系中ct轴也可以用t轴表示,在宏观物体的运动中可以用vt轴表示.在数学的几何概型中时间、长度可以视为等价的几何度量,也反映了时空平权的问题.在精密自然科学中,一次冒险也不作,便不会有真正的创新.
人们根据相对论认为空间与时间等价把国际基本物理量减少1个,这早在20世纪中就这样规定了,是用稳定铯原子波长来定义长度的,世界各地的各种非铯和铯原子钟都要和巴黎的铯原子种来校对时间长度（即完成空间长度校对）.因为在相对论时空下,空间是时间的函数,从物理学讲它们的自由度是一,其中一个变量完全可以替代另一个变量.唯物辩证法认为时间是指物质运动和发展过程中先后的顺序和持续性,空间是指物质存在的广延性、伸张性,是物体之间的排列角度与排列顺序,分别是一维、三维的,具有一定的时代局限性.
有人认为光速等于1是自然单位制的结果,没有深刻的含义,这不由得想起了Einstein当年认识到惯性质量与引力质量的相等是必然的结果,进而建立了广义相对论.类似的实例还有很多,例如虽然在那个决定命运的1900年,普朗克鼓起了最大的勇气做出了量子的革命性假设,但随后他便为这个离经叛道的思想而深深困扰.在黑体问题上,普朗克孤注一掷想要得到一个积极的结果,但最后导出的能量不连续性的图象却使得他大为吃惊和犹豫,变得畏缩不前起来. 如果能量是量子化的,那么麦克斯韦的理论便首当其冲站在应当受置疑的地位,这在普朗克看来是不可思议,不可想象的.事实上,普朗克从来不把这当做一个问题,在他看来,量子的假设并不是一个物理真实,而纯粹是一个为了方便而引入的假设而已.普朗克压根也没有想到,自己的理论在历史上将会有着多么大的意义,当后来的一系列事件把这个意义逐渐揭露给他看时,他简直都不敢相信自己的眼睛,并为此惶恐不安.一直要到1915年当玻尔的模型取得了空前的成功后,才在普朗克的脑海中扭转过来.
                          7、时空平权与多普勒效应
著名的哲学家维特根斯坦说：“创造新概念的思维劳作是痛苦的.”利用时空对称性可以判断某些理论是否可行.例如,宇宙学原理常受到非难,若放弃宇宙学原理,仅用广义相对论来研究宇宙又很困难；那就用牛顿力学来研究吧.可是,放弃宇宙学原理就相当于否定所有的空间点都是平权的和所有的空间方向都是平权的；使用牛顿力学,又相当于肯定所有的空间点都是平权的和所有的空间方向都是平权的；这岂不是自相矛盾？这样建立的理论必然要导致不自洽.
观测者与波源之间有相对运动时,观测者测得的波频率与波源发出的波频率不同的现象.这一普遍物理现象是奥地利物理学家J.C.多普勒在1842年首先发现的.多普勒效应引起的频率变化称为多普勒频移.多普勒频移的大小与媒质、波源和观测者运动的速度有关.
经典多普勒效应在静止的媒质中,如观测者不动,而波源以匀速ｖS沿与观测者的联线,向观测者运动,观测者测得的波频率为ｆD＝ｆｃS/(ｃS－ｖS),式中ｃS是媒质中波传播的速度,ｆ是波源发出的波的频率.这个公式指出,测得的波频率ｆD与源的波频率f不同.多普勒频移为△ｆ＝ｆD－ｆ＝ｆｖS/(ｃS－ｖS),即测得的波频率大于源的波频率.如波源沿与观测者联线相反的方向运动时,ｖS为负,即测得的波频率小于源的波频率.如果波源不动,观测者,沿与波源联线以匀速ｖR向波源运动,测得的波频率为ｆD＝ｆ(ｃS＋ｖR)/ｃS,多普勒频移为 ： △ｆ＝ｆD－ｆ＝ｆｖR/ｃS,测得的波频率也大于源的波频率.如观测者,沿与波源联线相反的方向运动时,ｖR为负,测得的波频率小于源的波频率.
当媒质、波源和观测者都在运动时,测得的波频率为ｆD′＝ｆ(ｃS＋ｖM＋ｖR)/(ｃS＋ｖM－ｖS),式中ｖM为媒质沿波源指向观测者的方向运动速度.如果波源或观测者的运动速度不沿着两者的联线方向,则上面各式中的ｖS和ｖR分别表示波源和观测者的速度在联线上的投影.
相对论性多普勒效应：在各向同性媒质中,无论什么参照系,电磁波（包括光波）都以确定的波速ｃ传播,ｃ是真空中的光速除以媒质的折射率（见狭义相对论）.因此它与声波的多普勒效应（属于经典的）有所不同.主要有以下三个方面.
① 对声波,源运动引起的多普勒频移一般与观测者以同样速度运动引起的频移不同；而对电磁波,多普勒频移仅与两者相对运动速度有关,而不论是源还是观测者在运动.
一个电磁波辐射源Ｓ以速度ｖ相对观测者Ｏ沿与联线ＳＯ成θ角的方向运动,观测者测得的频率为
ｆD＝ｆ√[１－(ｖ/ｃ)2]／１－ｖcosθ/ｃ        式中ｆ是源的波频率.
② 当波源和观测者运动的方向与两者之间的联线成直角时,声波没有多普勒频移；对于电磁波,由公式可知,是存在多普勒频移的.
③ 与声波不同,电磁波在媒质中传播时,观测到的波频率不受媒质运动的影响.
日常生活中容易观察到的多普勒效应如鸣着汽笛的火车快速驶过时,路旁的人所听到汽笛的声调,由低变高,然后又由高变低.又例如用光谱仪观测行星的光谱时,因行星与地球间的相对运动,可以看到行星的谱线,因多普勒效应而产生的频移.
多普勒效应有很多应用,如利用多普勒效应制成的流量计,可以测量人体内血管中血液的流速或工矿企业管道中污水或有悬浮物的液体的流速.还可以用多普勒效应测量人造卫星运行的速度和高度等.
笔者认为“多普勒效应”的本质就是时空平权的表现形式（距离的增加相当于时间的延长）：静止的观察者所接收到的发自运动光源的光频率γ与该光的固有频率γ0的关系如下：①当光源的速度与观察方向之间的夹角为90度时（横向多普勒效应）： ,“狭义相对论”理论认为此效应起因于运动光源的振动周期比静止光源增大.②当光源的速度与观察方向之间的夹角为0度（相互远离）或180度（相互接近）时：第一种情况（红移）：  第二种情况（紫移）： .
8、space-time平权的相对性
根据狭义相对论时间空间是不等价的,相对论只是揭示了时空是一个整体,时间和空间有联系.Einstein的狭义相对论虽然把空间和时间统一起来,但是没有抹杀空间和时间的差别.对于四维space-time,尽管space-time间隔的度规方程是按照空间度规为标准的,但符号的正负不定,是可变的,所以叫做符号不定的度规.狭义相对论的space-time就是符号不定的度规的space-time.史蒂芬•霍金在《果壳中的宇宙》中说道：“我应该说,对于相信额外的维,我本人一直犹豫不决.但是,对于我这样的一名实证主义者而言,‘额外维的确存在吗？’的问题是没有意义的.人们最多只能问：具有额外维的数学模型能很好地描述宇宙吗？我们还没有不用额外维便无法解释的观测.然而,我们在日内瓦的大型强子对撞机存在观察到它们的可能性.但是,使包括我在内的许多人信服的,必须认真地接受具有额外维的理由是,在这些模型之间存在一种所谓对偶性的意外的关系之网.” 【1】
时间与空间既是对称的,又是不对称的,这是space-time对称性的相对性的表现形式 . 本身也反映了时空平权的相对性的问题,时间与空间并不完全对称,符号不同.遗传和变异分别是space-time对称的绝对性与相对性的表现形式.构成我们世界的4维不是完全对称的.我们都知道时间维和空间维是不一样的,时间只能不断向前,而空间上我们可以向任何一个方向运动.如果它们是完全对称的,我们就可以马上写下我们世界的距离公式：d2 = x12 + x22 + x32 + x42.但因为这种不对称性,我们好象不能这么写.考察所有已知的物理实验的结论和事实,似乎暗示我们正确的距离公式应该是：d2 = x12 + x22 + x32 - x42.在理性上完全无法解释为什么我们必须生活在一个4维不完全对称的世界中.在现实物理学中,时间与空间是两个完全不同概念的物理度量.如果我们用其中一个量替代另一个量,则从数学角度讲函数关系没有了,函数也就不存在了,从物理学角度讲没有了时间也就不存在空间的概念,同样,没有空间也无所谓时间了,所以它们是不能相互替代的.《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：９．为什么时间具有方向性？１０．宇宙时是不均匀时间流吗？
参考文献：
【1】        吴忠超译〈果壳中的宇宙〉湖南科学技术出版社2002年8月版54页
9、质能方程的space-time平权理论的推导
根据功的原理E=W=Fs=mas,令E=1J,m=1kg,s=1m,a=1m/s2,得1J=1kg×1m/s2×1m=1kg×m2/s2=1/b2kg,所以1kg=b2J,其中1(s)=b(m),即E=mc2,Einstein的质能方程成立.质能方程的推导简化了,各种简化的形态是科学本身的基础,并且表现为认识过程得以实现的必要条件.质能方程也可以从单位换算中得到,能量的单位也可以用kg表示能量是space-time与实物粒子的相互作用 ,Einstein的质能方程反映了space-time平权问题,揭示了space-time结构对物质的作用,与物质自身的性质无关,惯性质量在这里仅仅起比例常数的作用.
质能方程的本质就是时空平权理论的反应,时空平权是狭义相对论理论的核心,这也说明了闵科夫斯基四维时空观点的正确.
第六章        狭义相对论的困难
                 1、物理学界对于狭义相对论的批判
相对论和量子力学的提出,是20世纪物理学的两个划时代的里程碑,相对论和量子力学理论以前所未有的深度改变了人们的世界观,然而由于它们的基本概念与人们日常生活经验如此不同,诞生伊始至今,对于相对论和量子力学原理的诠释存在持续不断的争论.由于理论的发展和认知理念的进步都应该遵从循序渐进的规律,而Einstein却实现了一次大的跨越,在公众消化和接受他这些全新观念的过程中,出现一些偏差完全都是可以理解的.相对论和量子力学是近代物理学的两大理论支柱,它们的提出推动了人类科学技术的迅猛发展,可以预料再今后相当长的一段时间内,这两种理论还将会处于统治地位并得到进一步发展.但相对论提出后的近100年,一直受到不少人的反对,其中包括一些著名物理学家.但一种科学理论遭到如此多人的反对在科学史上还是少见的,托勒密的地心说尽管是一个错误的理论,但在当时它还是符合人们的直觉经验的,在逻辑上还是自恰的,用托勒密的地心说进行一些历法计算还是相当准确的.这个学说在统治人们一千多年的漫长历史过程当中,绝大部分人还是认同的,这说明托勒密的地心说具有可理解性.那么相对论为什么得到如此多人的反对呢?
（1）        英国国家实验室时间频率部主任艾森博士“物理学家对相对论的态度普遍是并不理解它,但它既获公认想必不会错.必须承认我过去也这样.”.
（2）         1972年,英国伦敦大学科学史和科学哲学名誉教授H.丁格尔,他作为在学术界宣教相对论的顶尖级的权威人物,自从在1959年突然意识到狭义相对论存在致命问题,便义无反顾地挺身而出进行反戈一击,与经他先前长期授道所造就的相对论痴迷者和“铁杆拥相者”麦克瑞（McCrea）进行了旷日持久的笔战,在论争无果的无奈情况下,最终发表了他的反相大著《科学在岔路口上（Science at the Crossroads）》,向世人公开表明了他的反相观点,以及他对以Einstein相对论为突出标志的理论物理学被扭曲的现状及其发展前景的愤慨与忧伤之情.
（3）        大多数物理实验学家如拉海利、艾弗斯、沙迪、格兰纽父子、马林诺夫和帕帕斯等都不认同相对论.
（4）        国际著名科学家、诺贝尔物理学奖折桂者阿耳文痛斥相对论“不过一小摆设”,“抹煞了科学与伪科学之间的界线”.
（5）        得克萨斯大学终身荣誉物理学教授伯纳斯称相对论是“一场灾难”,“是改变盲目迷信相对论的时候了！”
（6）        著名理论物理学家卢鹤绂院士耄耋之年冲破重重阻力,向世界推出“向Einstein挑战”的檄文后留有遗言：“一般编辑部不敢登这篇文章,他们迷信Einstein,怕人家说他们不懂物理学.” 卢鹤绂格物研究所所长,加拿大福特贸易公司总裁卢永亮于 2004 年 6 月 11 日在北京相对论研究联 谊会首届年会上的讲话《挑战Einstein相对论的前前后后》中指出,卢鹤绂院士在研究中发现Einstein相对论有许多不足之处.
（7）        原国务委员、国家科委主任、全国政协副主席、中国工程院院长宋健大胆质疑Einstein,呼唤青年科学家敢于创新：“整整100年前,Einstein在他发表的那篇震惊世界科学界的关于狭义相对论的论文中,曾经提出过一句名言：不可能存在任何大于光速的运动.当今的科学界将此称为光障.然而,宋健说,这个外推至今并没有任何直接试验的证明.近年来航天技术的发展,已经促使科学家们细察和反思：为什么飞船不能超过光速呢？” 【1】相对论将参考系作为整个物理学描述体系“基准”的这个“基准”建立在真空光速不变这个普通的物理学事实之上.在相对论的词典里,空间和时间只具有相对的意义,而真空光速不变则具有绝对的意义.真空光速不变是整个物理学描述体系的基准.当时,Kretschmann对Einstein数学游戏的批评是：“普遍协变的假设对物理定律的物理内容没有提出什么主张,而只不过是关于它们的数学表述的一些意见而已.”Einstein是和这个见解完全一样的.……“由于等效原理,引力只能唯一地通过gik来描述,而后者——（gik）不是无关于物质而给定的,它们本身就是场方程所决定的.”（W•泡利著《相对论》第202页）Einstein在1922年就真空光速不变原理写道：“相对论常遭指责,说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位,以光的传播定律作为时间概念的基础.然而情形大致如下：为丁赋予时间概念以物理意义,需要某种能建立不同地点之间的关系的过程.为这样的时间定义,究竟选择哪一种过程是无关重要的.可是为了理论只选用那种已有某些肯定解的过程是有好处的.由于麦克斯韦与洛伦兹的研究之赐,和任何其他考虑的过程相比,我们对于光在真空中的传播是了解得更清楚的”.
（8）        英国赫尔大学梅利•达宁-戴维斯教授指出当今物理学权威们固守于相对论的一般性理论,对于向狭义相对论提出的论据充分的科学异议,不是依科学的论据予以封杀,而是通过将Einstein教条地崇拜成越来越宗教化的偶像的方式予以封杀.著名理论物理学家韦斯雷博士说的对：“相对论时代已告终结”.
（9）        英国国家实验室时间频率部主任艾森博士：“物理学家对相对论的态度普遍是：并不理解它,但它既然获得公认想必不会错.必须承认直至近年我也一直这样.” 他经过钻研,终于发现相对论“是自相矛盾漏洞百出的”.
（10）        著名的物理学家康特(W.Kantor)剖析了60多个相对论“实验验证”的第一手资料后认为：全都基于错误的方法或无效的逻辑.
（11）        毛泽东于 1974 年与李政道谈话时表示,他完全不能理解对称在物理学中会被捧到如此高的地位.毛泽东也反对相对论,还曾经成立过一个反相研究小组.
（12）        著名理论物理学家卢鹤绂院士耄耋之年冲破重重阻力,向世界推出“向Einstein挑战”的檄文后留有遗言：“一般编辑部不敢登这篇文章,他们迷信Einstein,怕人家说他们不懂物理学.
（13）        中国科学院力学研究所郑铨研究员从1961年就反对狭义相对论,自费出版多部反相对论专著.
（14）        航天工业部高级工程师,国际相对论问题专家许少知发表文章说：必须重新评价“相对论”.文中详细列举了反对相对论的种种理由.
（15）        1995年,在美国匹兹堡世界应用物理大会上,5千多位与会者的热门话题不是什么新发现或新发明,而是“物理学还有没有发展的前景？”1997年在德国科隆物理学研讨会惊呼：“物理学正处在宛如开普勒三大定律拯救天文学之前夜”！1998年在圣彼得堡由俄罗斯科学院等主办的自然科学基本问题国际学术会上,300多与会者取得共识：当代科学基础理论问题严重,相对论漏洞百出…….
（16）        中国科学院物理所郭汉英研究员说过：“相对论体系存在有待验证的假定,基本原理不够完善,相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处.物理学并不是一个已完成的逻辑体系.相反,它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱.科学发展的历史正预示着,一场新的变革正在酝酿,并且迟早会到来,物理学正面临新的挑战、酝酿新的突破.”
（17）        M.F.Maqie前美国科学协会主席马吉认为：按照相对论的说法,时间和空间是由速度决定的,但速度又需要由时间和空间来确定,这里还存在着一个逻辑循环的毛病.我相信,现在没有任何一个活人真的会断言,他能够想象出时间是速度的函数.也没有一个活人愿意下这样的赌注：他坚持自己的“现在”是另一个人的“将来”,或是其他人的“过去”.
（18）        前苏联物理学家季米里亚捷夫说过：从物理学的观点来看,相对论理论至少也是健全的理智不能立即接受的.从Einstein中得出的符合实际的全部结论,能够而且常常成功地借助其他理论用简单得多的方法得到,而且这些理论丝毫不包含任何不可理解的东西,与Einstein理论所提出的要求也毫无相似之处.
（19）        象丁格那样相对论的反叛者越来越多,批评相对论的国际学术活动更是高潮迭起频繁有加；自然哲学联盟、非正统哲学联盟和物理促进协会等“非正统”学术团体一个个相继问世；批评相对论的学术期刊如Galilean Electrodynamics,Apeiron ,Hadronical Journals 和Physics Essays等犹如雨后春笋,批评相对论的学术论文专著势如潮涌. 国际学术组织自然哲学联盟每年都在北美召开多次“向当代物理学和宇宙学挑战”学术报告会或研讨会.张元仲教授说：“他的几个推论是不能同时应用的,只能是--------也可以等价的用.”俄科学院等主办的批评相对论的国际学术会已连续举行了6届,一届比一届规模更大、更隆重……正如美国著名《能源》和《伽利略电动力学》杂志主编贝克曼(P.Becmann)教授所总结的：“从加拿大到南非,从欧洲到澳大利亚,从圣彼得堡到北京 ……相对论在‘空前成功’了近90年后仍遭到如此广泛的抵制”,声势之大为历史所未见.1971年在London出版了《An introduction to the theory of relativity》一书,作者W.Rosser【3】在书中多次说：“我们并没有声称狭义相对论是绝对正确的；在将来任何时候,它很可能又被某一个与实验结果符合得更好的新理论所代替”.2004年R.Bluhm【4】论述了“Lorentz对称性的破缺”；而A.Kostelecky【5】介绍说,科学家们仍在努力搜寻各种背离相对论的实例,即使是微小的偏离.也有激烈挑战的,例如英国理论物理学家J.Magueijo【6】 曾提出光速可变（VSL）理论.其实,几十年来批评相对论的大有人在,其中有一些是国际知名的物理学家【2,7,8,9,10】.
     狭义相对论不能对径向多普勒效应做出合理的解释.多普勒现象是：光源远离观察者时光谱红移,迎向时则蓝移.相对速度愈大频移愈甚.笔者认为径向多普勒效应可以从时空平权理论来解释,光源远离观察者时光谱红移——距离增大,相当于时间减缓,因此频率减少.
(20)中国科学院高能物理研究所前所长、《高能物理与核物理》杂志总编郑志鹏研究员明确指出:对于相对论研究,应该允许有不同意见,让不同意见的人发表看法.我们提倡'百花齐放,百家争鸣'的方针,摆事实,讲道理,不抓辫子,不扣帽子,不打棍子,不进行人身攻击,这才是正确的态度.什么事情都应该讲究创新,那能够一成不变.对于相对论研究,也应该这样.只要拿出事实来,用实验来证明,有科学的依据,我们就应该承认.对于相对论不能说'不'字,这才是不正常的.
(21) 《2010年自然科学根本问题国际大会》主席安巴斯米尔诺夫教授的闭幕词有中肯的概括：  麦克斯韦尔方程组具有伽利略变换的协变性,而对于Einstein错误推导出的洛伦茨变换则不能保持协变；因此我们不需要洛伦茨变换.许多企图直接证明时间缩短和空间收缩的实验都得出否定的结果.必须建立全新的理论. Einstein相对论带给物理学的最大损害之一是,许多物理学家用相应的数学概念混淆空间和时间.闵可夫斯基的人为的四维时空即将烟消云散. 现代物理学的基础已经破碎,它的大厦正在垮塌.现代物理学正处于危机之中.这个危机比一百年前的危机还要严重.
论争百年的Einstein相对论的正误问题,让一代代物理学界、哲学界以及非专职学术领域的莘莘学子为之呕心沥血而又茫然若失——无论是主流学派还是非主流学派人士都深受困扰而又难以释然,这种不即不离、难分难解的局面和学术纷争硝烟弥漫的景象随着网络时代光临全球,这方面的论争与较量更趋白热化……之所以如此,其原因就正如Einstein本人早在1921年接受一家荷兰报纸记者采访时所说的：“无论在这儿,还是在那儿,人们根本不理解我的理论,这难道不会对我有一个很愚蠢的印象吗？我相信,真正吸引他们的是不理解所带来的神秘性；这使他们印象深刻,因为它具有神秘的诱惑力.” 【11】
参考文献：
【1】孔晓宁. 天赋人责——聆听宋健院士一席谈.人民日报海外版,2005年01月12日,第二版
【2】Davies P, et.al. Cosmology: black holes constrain varying constants[J]. Nature, 2002, 418: 602~603
【3】Rose W G V. An introduction to the theory of relativity[M]. London: Butterworths, 1971；中译本：岳曾元、关德相译,相对论导论. 北京：科学出版社,1980.
【4】Bluhm R. Breaking Lorentz symmetry[J]. Physics World, 2004,17（3）：41~46
【5】Kostelecky A.The search for relativity violations[J]. Scientific American, 2004,(9): 74~83; 中译：武晓岚译,找相对论的碴. 科学,2004,（11）：67~75
【6】Magueijo J.Faster than the speed of light[M]. Perseus Publishing, 2003. 中译本：郭兆林译,比光速还快[M]. 台北：大块文化出版公司,2004.
【7】 Dingle H. The case against Special Relativity[J]. Nature, 1967,216: 119~122
【8】Dingle H. Science at the crossroads[M]. London: M.Bryan & O’Keefe, 1972
【9】 Essen L. The error in the special theory of relativity[J]. Nature, 1969,217: 19
【10】Essen L. The special theory of relativity, a aritical analysis[M]. Oxford: Oxford Univ. Press, 1971
【11】John D.Barrow. 作为图标的Einstein【J】//Einstein与物理百年（year of physics a celebration in chinese）.北京： 北京大学出版社,2005：13.
                           2、狭义相对论天空的“两朵乌云”
      Einstein把物理理论分为“构造理论”和“原理理论”.他认为: 原理理论“应用分析而不是综合的方法.其出发点和基础不是假设的要素, 而是经验上观察到的现象的一般性质、一般原理; 从这些性质和原理导出这样一些数学公式, 使其用于每一自身出现之处.”“原理理论的优点, 是它们逻辑上的完善, 和它们基础的稳固.”“相对论是一种原理的理论.”( 《时间、空间和引力》) 但是, 相对论体系其实却包含着许多重要的“假设要素”.
      狭义相对论天空存在着“两朵乌云”,这是Einstein发现的 :第一朵乌云——在狭义相对论中,Einstein采用了“欧氏几何对于确定绝对刚体的空间位置是正确的”这个假设,并采用了惯性系和惯性定律,从而给出力学相对性原理.因此在力学相对原理的推论中起着基本作用的是绝对刚体的概念.欧几里得几何学公理之一：几何图形、几何体可以在空间中移动,但是它们的形状和大小是绝对不变的.这意味着,几何图形、几何体具有刚性,几何图形、几何体内任意两点的距离始终保持不变,几何图形、几何体内各点相对静止.Einstein认识到运动体系具有时空特征,使物理学的发展更进一步,可惜他的思想受“绝对刚体的概念”的制约,以至发生判断性的失误,即若以运动体系为参考系,则该体系原有的时空特征将消失得无影无踪——相对性假说.这个重大的失误把“运动质点具有时空特征”的概念推到非心非物的唯心主义泥塘中,因而所得的结论也是个真实与表观的混血儿；也正是这个失误使得近代物理学自相对论及量子力学后进展十分迟缓. 1923年,Einstein提交哥德堡北欧自然科学家会议的报告中曾经指出,“在力学相对性原理的推论中起着基本作用的是绝对刚体的概念”；并且他还意识到,“把全部的物理研究建立在绝对刚体的概念上,然后又用基本的物理学定律在原子论上再建立刚体的概念,而基本的物理学定律又是用绝对刚体的概念建立起来的,这在逻辑上是不正确的.我们之所以指出这种方法论上的缺欠,是因为这种缺欠也同样存在于我在这里所概述的相对论中”；同时他也承认,“由于我们还没有充分认识大自然的基本规律,以致不能够提出一个更为完善的方法来解脱我们的困境”.
    1923年,Einstein提交哥德堡北欧自然科学家会议的报告中又意识到这种做法有着缺欠,而且这个缺欠存在于整个相对论中.是的,把全部的物理学研究建立在绝对刚体的概念上,然后又用基本的物理定律在原子论上再重新建立刚体的概念,而基本的物理定律又是用刚体的概念建立起来的,这在逻辑上是不正确的.同时他也承认,“由于我们还没有充分认识大自然的基本规律,以致不能够提出一个更为完善的方法来解脱我们的困境”.可惜的是,一直到他去世也没有找到解脱这个困境的办法.这个问题就这样挂起来了,而且一挂就是近百年.Einstein沿用了牛顿力学关于“刚性量杆”服从欧氏几何的假定.这是一个非常重要的“假设要素”,相对性原理就包含着这个“假设要素”.我们知道, 几何源于测量.我们还知道, 在几何公理体系下, 只要把欧氏几何的第五公设稍加改动, 我们就有另外两种与之几乎完全平权的几何: 罗巴切夫斯基几何与黎曼几何.对于这两种几何, 同样可以引入进行测量的“刚性量杆”.只不过, “刚性量杆”的长度与坐标距离之间的关系不再是欧氏关系, 而是相应的非欧关系而已.这样, 选取欧氏“刚性量杆”, 而不是罗氏或者黎氏“刚性量杆”就是一种“假设的要素”.其实, 高斯和罗巴切夫斯基都曾经做过大尺度的测量或者天文观测, 以求得到大尺度的三角形内角之和是否为180 度, 也就是说, 是满足欧氏几何还是非欧几何.只不过, 在一定精度下, 他们的结果仍然是180 度.然而, 在原则上, 这个“假设要素”的真伪, 是可以由实验或者观测加以判断的.
第二朵乌云——在狭义相对论中,任何事物都随观察者的不同而不同.它还包含下面两层意思：一个是每个观察者都只承认自己的结论正确,其他观察者的结论不正确；另一个是所有观察者都对.想在两个观察者中决定谁是正确的,既没有经验上的方法,也没有理论上的方法.这就是相对论的相对性.很明显,这个观点与经典天体力学中的观念相矛盾.
“Einstein自从量子力学革新了物理学中的思想方法以后,到他逝世为止,一直想要保持经典天体力学中的观念,即一个系统的客观物理状态必须跟观察它的方式完全无关.虽然Einstein坦白地承认,他对这方面达成一个完整的解答的希望到目前为止尚远未满足,而且他还没有证明这一观点的可能性,他认为这是一个有待解决的问题.（W.泡利的《相对论》补注23）” 不排除相对论与其它学科的认识存在严重矛盾的情况.也许在过去我们过多地在相对论中自言自语,缺乏与其它学科认识的比较研究.或者说相对论的革命并不彻底普遍,在相对论中推翻了的概念在其他学科中依然成立,这必然导致矛盾冲突.
                       3、对于光速不变性原理的争论                                          
在相对论中最难理解的莫过于真空光速不变原理了,其实这一原理是正确的：只要将那个运动的坐标系不要看成绝对坐标系,而是一种运动着的物质系统,光进入该系统后,由于光子与该物质系统内的某种更为细腻的物质——真空量子相互作用,使得光依然以光速运动,也就说光子与它产生相互作用的邻域真空是一个不变量,这就是真空光速不变原理（请参考：广义相对论引论,王仁川,合肥：中国科学技术大学出版社,1996年）.
有人总结说：20世纪初物理学上空的“两朵乌云”,不仅未消,如今反倒平添了许多.A.Einstein与波尔（N.Bohr）关于量子力学那场辩论给人们留下了深刻的印象,A.Einstein对量子力学的主要指责是其关于物质规律的描述是不完备的,可是当我们考察狭义相对论时（以下简称相对论）,会产生一种与A.Einstein当年看待量子力学时相似的感觉,即相对论存在有某种过多地人为任意性,而并非大自然的本来面目.具体而言,这是指A.Einstein本人也不得不承认的“相对论常遭指责,说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位,以光的传播定律作为时间概念的基础”；另外还指他也意识到的光的传播定律与相对性原理的抵触.
    在Einstein的光速不变原理中, 包含了另外一个重要的“假设要素”: 单程光速不变.有关“以太漂移”以及光速测量的所有实验的分析表明, 作为“经验上观察到的现象的一般性质、一般原理”而言, 不包含重要假定的原理应该是“空间闭合回路的平均光速不变”, 或者“往返平均光速不变”.其实, 要测量“单程光速”, 必须把在起点和终点的钟事先对好; 然而, 用什么来对钟呢? 如果不采用其他假定, 就只能用光讯号.但是, 要测量的就是单程光速, 于是这就陷入逻辑循环.Einstein当然非常清楚这一点.如何解决呢?他认为, 必须采取“约定”.其实, “约定”就是一种基于实验, 而又高于实验的“假定”.有没有实验可以验证这个“假定”的真伪呢?至少到目前还没有!除了上述这两个重要的“假设要素”之外, 狭义相对论中还存在其他“假设要素”.和牛顿力学一样, 狭义相对论的基础也是惯性系和惯性运动的存在.无论在洛伦兹- 彭加勒的理论中, 还是在Einstein狭义相对论中, 都无法解决惯性运动和惯性系的起源.在理论上, 这正是Einstein突破狭义相对论, 发展广义相对论的重要原因之一.　物理理论必须在其建立的过程中,在所需要的一系列循序渐进的推理过程中处处都应该符合逻辑,反向推演的过程也应该处处能合理解释.即使这样,这也不能保证这个理论的正确,还必须经过实验的验证.
         有人认为：在狭义相对论中光速只是作为传递信号的速度出现的,没有用到光的任何特殊性质.如果将传递信号的速度由光速改为声速,将基本假设中的真空光速不变原理改为声速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参照系中,所测得的某一特定状态的物质中的声速都是相等的.将公式推导过程中的光信号改为声信号,光速改为声速,那么就会得出任何物体的速度不能大于声速的结论,这种荒谬是十分明显的.子弹的运动速度超过声速、飞机的速度可以超过声速.正常情况下,人可以用眼睛通过光线来研究和了解世界,而盲人和蝙蝠则依赖声波来研究和了解世界.如果狭义相对论是正确的话,那么盲人和蝙蝠就会得出任何物体的速度不会大于声速的结论.其实这种观点是错误的,原因如下：1、只有光不需要依靠介质来传播,能在真空中传播的只有光,而声音的传播严重地依赖介质,在星际空间（它还并非是真空！）,声音无法传播！从而,对于星空的观测和探测,只能依靠光！2,通常光速远高于声速,光的频率远高于声音,作为测量信号,其测量精度、分辨率远高于声音；3,光速的稳定性也远胜声音：光在空气中的传播速度与在星际空间的传播速度几乎是一样的；而声音在空气中的传播速度受气压、湿度和温度的影响.4,人是陆生生物,在陆空中光传播远而快,衰减小,声音则相反.故人体发展的光探测器——眼睛,其灵敏度、分辨率远高于声探测器——耳朵：通过光,眼视可以正确判别颜色、方位、远近、大小,物体的种类、性质、状态,甚至判别其运动速度；而通过声音,耳听仅能大致判别声源的方位、远近,物体的种类、性质.作为物理测量,人类选用光而不是声音是必然的.通过望远镜和粒子探测器、光电探测器,人类在不断探测广阔的宇宙空间奥秘；通过显微镜、粒子探测器、云雾室、胶片摄影,人类在不断探测微观世界的奥秘,不用光,而用声音,行吗？！用文字保存、传播人类的文明（包括科学）,远距离（包括星际）传输信息,不用光,而用声音,行吗？！甚至生命体内部的信息传递和控制依赖的也是电磁信息（神经电脉冲和化学信息）,而非声信息！盲人的听觉比视力正常的人的听觉是要强,但绝不会有蝙蝠那么好！在光线充足的场合,盲人从声信息获得的信息绝对不会比视力正常的人从视觉获得的光信息那么丰富,这就是为什么盲人总希望自己有一双正常的眼睛来观察世界！
Einstein认为应该假设每一个空间点都有一个时钟,但这仍与真空光速不变原理相互矛盾.作出保持真空光速不变的同时面是不可能的,因此相对论的真空光速不变退缩到局域.相对论的弯曲时空并不能通过曲线坐标反映出来,因此每一点有一个时钟,仍然不能表示相对论的四维弯曲时空.相对论没有自恰的时空,广义相对论用的坐标系还是经典坐标系,即用一个时钟表示时间,而且没有Lorentz时空变换的坐标系.著名物理学家康特（W. Kantor）剖析60多个实验的第一手资料后有结论：全都基于无效的逻辑或错误的方法.
光速问题的争论还将无休止纠缠下去,如不过好三道坎：㈠、电动力学问题与光行差、多普勒效应等一类"纯观察"现象不同,属动力学,因而是无法用狭义相对论来解决的.因此,电动力学的所有实验都不可作为这一"原理"的"验证依据".史实表明,"质速关系"和"质能关系"等早已在1905年前出现; ㈡、迈克尔逊-莫雷 (1887) 实验只是否定以太论并证实：在光源所在的参照系中光速各向同性总为 c,但不能证实相对于一切惯性系都各向同性总为 c; ㈢、德•西特关于光速与源速无关的著名双星观察论据,有严重的逻辑漏洞,是不可为据的.甚至连大多数的相对论支持者都承认迄今尚未实验观察到Lorentz收缩：“一涉及广延体就出问题……相对论性静力学、热力学、流体力学,至今尚未建立令人满意的理论框架.”由于相对论是在假设真空光速不变,从space-time关系出发推出运动物体相对性效应的,而引起真空光速不变的真正原因却没有交待.这种从“关系”到“事物”的理论隐藏着严重的缺陷.人们围绕这“真空光速不变”“Lorentz   transformation”展开了激烈的争论.
笔者认为光速不变性原理不可能在狭义相对论框架内解决,前面笔者提出了光速不变性原理有一定的实验基础,后面笔者将分析正是引力的传播速度是定值 c ,才决定了光速是c .
相对论认为,光速和源速无关,和测量光速者的运动速度无关,这要求光速必须是无穷大,也许正因为如此,爱氏坦言“光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色” 【2】1905年,Einstein在德国《物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文,提出了狭义相对论.狭义相对论是以两个前提假设为基础提出来的. “以下的讨论将以相对性原理和真空光速不变原理为依据.这两条原理我们定义如下：①物理体系的状态基以变化的定律,同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速运动的坐标系中的哪一个为参考,是无关的.②任一条光线在“静止的”坐标系中都以确定的速度V运动,不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的.【3】电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值.
Einstein真空光速不变原理的原话是：“诸如此类的例子,以及企图证实地球相对于‘光介质’运动的实验的失败,引起了这样一种猜想：绝对静止这个概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特征.倒是应当认为,凡是对力学方程适用的一切坐标系,对于上述电动力学和光学的规律也一样适用.我们要把这个猜想提升为公设,而且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度c传播着,这速度同发射体的运动状态无关.由这两条公设,根据静止物体的麦克斯韦理论,就足以得到一个简单而又不自相矛盾的运动物体电动力学.”
Einstein提出的真空光速不变有两种假设,一种是假设光波在空间中的传播速度与光源运动状态无关；另一种假设是光波相对观测者的传播速度与观测者运动状态无关.这两种假设紧密相连,接受前一种假设,就必须承认后一种假设,反对后一种假设,也就必须否认前一种假设.
Einstein的狭义相对论作为出发点的基本前提是：静止状态与恒速运动状态并不能由这个系统或那个系统的观测者用任何电磁学或者力学的实验进行区分.狭义相对论的内容可以归结为一句话：一切自然定律必定受到这样的限制,使它们对于Lorentz  transformation都是协变的.在狭义相对论中,Einstein还给出了真空光速不变假定的如下数学形式：设有相对作匀速直线运动的两个运动参照系  r、R（以下简称为r 、R　系、参见图二）,r、R 系分别由直角坐标系oxyz 和 OXYZ构成 ,两个直角坐标系的 x 、X 轴重合,y 、Y 轴和 z 、Z 轴均平行,r 、R 系在 x 、X 轴方向以一定的速度匀速远离,在两个坐标系原点 o 、O 分别有持时钟和量尺的观测者, r 、R 系的观测者使用自己的时钟和量尺测得的 r 、R 系远离速度均为 u .
在上述情况下,Einstein继续假定,在两个坐标系原点 o 、O 重合,r 、R 系观测者所持时钟时间t = T = 0时,在 r 系原点o处有一个点光源发出了一个球面光波,这个球面光波以光速膨胀为球形.在球面光波膨胀过程中,r 、R 系的观测者各自使用自己的时钟和量尺测量球面光波的膨胀运动.

在这种情况下,r 系观测者测得的球面光波运动情况是：球面光波以光速Ｃ膨胀为球形,在球面光波膨胀过程中,球面光波的球心始终是 r 系的原点 o 点.在 r 系观测者所持时钟显示的时间为 t ,r 系观测者使用量尺测得的球面光波任一点坐标为 x 、y 、z的情况下 , r 系观测者使用时钟和量尺测得的球面光波膨胀运动可以表述为如下数学方程
        x2+y2+z2 = Ｃ2t2
与此相应,R 系观测者测得的球面光波运动情况是：球面光波以光速Ｃ膨胀为球形,在球面光波膨胀过程中,球面光波的球心始终在 R 系原点 O点 .在 R 系观测者所持时钟显示的时间为 T , R 系观测者使用量尺测得的球面光波任一点坐标为 X 、Y 、Z的情况下, R 系观测者使用时钟和量尺测得的球面光波膨胀运动可以表述为如下数学方程
        X2+Y2+Z2 = Ｃ2T2
以上两个数学方程就是真空光速不变假定的数学形式.
在给出了上述真空光速不变假定的数学形式之后,以之为基础,Einstein推理出了Lorentz变换,也就是r 、R 系的坐标变换关系和时间变换关系：
        X = γ(x–ut)
        Y = y       
        Z = z
        T = γ(t– )
        γ =   
Einstein对Lorentz变换给出的解释是：对于一个点物理事件,在 r 系研究者使用本系时钟和量尺测得的物理事件的坐标和时间为（x,y,z,t）的情况下,R 系研究者使用本系时钟和量尺测得的物理事件的坐标和时间为（X,Y,Z,T）,（x,y,z,t）和（X,Y,Z,T）的量值关系由上述Lorentz变换给出.
厄瓦耳(Ewald1912)和俄辛(Oseen1915)的消光定理（Extinction theoremof）认为：一个从真空中的以光速c传播的入射电磁波进入色散媒质内,那么它的场就被感生偶子场的一部分所抵消（从宏观角度上看也就是被电极化强度P的一部分抵消的.且被另一个波所代替,这个波以表征媒质的相速度传播,入射波因干涉而消失,数学分析得知对这个过程是在有限的一段距离上发生的,由于真空波和媒质波有着不同的相速度,两者经过这段距离之后就会有明显的位相差,当频率为ω时,相位差是Δφ=ω(n-1)x/c 式中n为折射率,x为这个距离.这里请你们要注意的是,入射波是干涉消失的,而不是吸收,所以,在这里我们讨论的是相位！因为计算难度和相对复杂性,在这里我们给出一些数据：对于n约为1.5的玻璃和波长为650nm的可见光得出的消光定理距离约为2*10^-7m；对于空气中的1Mev的γ射线消光定理距离约为0.73m；而可见在星际空间传播时的消光定理距离则长达2光年左右. 从上面的各种情况下的消光定理距离可以看出,不管光离开其光源时速率多大,由于媒质的介入,一个新的扰动来替代他,这个扰动的频率与光原光频率相同,但却以媒质的特征相速度来传播.这时,对媒质的光学性质进行修正以后,相对于媒质静止的观测者测得的光速都将等这种媒质中的光速,使得源的运动和光相对于源的速率无关.这样就使得关于Einstein第二个设定的所有早期实验和许多近代实验的验证全部因为消光定理而失效.1964年,瑞士日内瓦的欧洲联合核子研究中心,高能中性π介子衰变中产生的6KMeV光子,测量80M路上的飞行时间来确定这里光子的速率,π介是用19.2KMeV的质子轰击铍靶产生的,他们的速率是0.99975C,这个速率是由同一事件的带电π介子速率推算而来的,利用射束的r-f结构来计时.得出源速相当快、甚至接近光速时发出的光子速率依然是C,实验误差在1.3×10-4左右. 实验是把以速度v运动的氢离子做为运动光源,通过观测运动氢离子沿与v成a角方向和沿180o+a角方向上辐射电磁波的波长,则可知道这两背向传播电磁波波长的乘积与观测角a之间的关系,实验若证实两波长的乘积与观测角a变化有关,则可肯定真空光速不变假设成立.相反,若实验证实两波长的乘积是与观测角a的改变无关,实验结果就应看做是支持c,=c(1-(k0×u/c)2)1/2式成立的证据.
1938年,Ires—Stuwell所做的氢极隧射线实验与上述实验有区别,他是把沿180o+a角方向传播的光线用反射镜反射180o后,在同一侧同时观测两电磁波的波长.如果真空光速不变假设成立,应观测到两波长的平均值与氢离子静止时辐射电磁波的波长之比等于1+v2/2c2.如果c,=ck0×u 式成立,应观测到两波长的平均值与氢离子静止时辐射电磁波的波长之比应等于 1+v2/2c2-v2sin2a/4c2  . Ires—Stllwdl所做的实验是观测角a约为7o时的结果,对于此角度而言,实验结果也并非与1+v2/2c2-v2sin2a/4c2 相矛盾.因此,必须在v一定时验证两波长的平均值与a之间的关系,而不是在a较小时验证两波长的平均值与v之间的关系.否则,就不能说真空光速不变假设已被实验所证实.“各种检验真空光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性,并没有证明光速的不变性.” 【1】由于几乎所有实验都包含光的往返,由于存在着抵消,不能消除光速方向上的差异.按经典理论我们可以说光在不同密度介质中传播速度不同,但是这个不同绝对不是光的传播速度改变了,而是光的传播方向改变了,使光在原来传播方向上的分速度改变了.         
参考文献：
【1】张元仲 著《狭义相对论实验基础》（科学出版社,1979年9月第一版,第19～20页）.时至今日仍然未见有证实真空光速不变的实验报道.  
        【2】[美] 约翰•施塔赫尔编,Einstein奇迹年,范岱年等泽,上海：上海科技教育出版社,2001,106—107.
        【3】德国《物理学纪事》1905年第4系列第17卷第895－921页,参见蔡怀新等编译《Einstein论著选编》,上海人民出版社,1973年.
                             4、对于Lorentz  transformation的争论
Einstein所说：每个重大进展都带来了新问题,揭露了更深的问题.对于物理学发展起奠基作用的伟大理论,我们有这深厚的情结,如牛顿的引力定律,Einstein的相对论,然而随着理论的发展,物理理论危机也不断涌现,甚至有不少过去认为正确的理论,成为需要重新考虑的问题.如库恩所说,危机是新理论出现的前提条件.我们需要发挥创造性来建立新的理论.科学是一本写不完的书.
众所周知,狭义相对论仅仅从真空光速不变原理与相对性原理出发.展开了狭义相对论的空间时间变换、相对论力学（核心是质速关系与质能关系）、相对论电动力学,其最重要的不变性是 变换下的不变性.此不变性贯串于狭义相对论的始终,使狭义相对论成为高度协调一致的优美的物理理论.然而,事有一利者必有一弊,数理逻辑的 第一不完全性定理告诉人们,一个包含初等数论和一阶逻辑的形式系统P如果一致,则P一定是不完全的,一定至少存在一个不可证明的命题A,A与┐A在P中都不可证明.由于狭义相对论自始至终坚持 变换下的不变性,按照 定理,它必不完备,其中至少存在一个命题A,A与┐A在其中不可证明.
倪光炯在《近代物理》中指出：“声波在空气中的传播速度,不管发声体的运动状态如何,这个声速在静止的空气中朝各个方向传播的速度都是330m/s.当我们站在静止的空气中,声源朝着我们运动时,声调变尖,即声波频率升高；而当声源离开我们运动时,声调变得低沉,即声波频率降低.这种现象叫做多普勒效应.但是,不论哪一种情形,声波的传播速度w是一样的.如果换一种布置,声源静止在空气中,而我们自己朝着（或离开）声源以速度v运动,听到的声音变尖（或低沉）,这时的多普勒效应一样,但是我们测量相对于我们的声速却变了,前一种情况是w+v,后一种情况是w-v”.
由于光速对所有惯性系不变的要求,描述惯性系（1+3）伪欧氏空间是Minkowski空间,惯性系之间的space-time  transformation,即Minkowski空间中的space-time坐标变换只能是Lorentz  transformation.如果考虑两空间的space-time原点不重合,则它们之间是Poincare    transformation. 虽然相对论成功地解释了一些物体高速运动现象,但是它所推出的相对性效应的关系式却是一个发散型函数,在运用到物理实验过程中却总是出问题.例如,在确定高速运动粒子能量时,总会遇到能量发散的困难,以后虽然用重新定义静止质量的办法,通过“重整化”避免了危机,但这种数学形式上的弥补,只是掩盖了表面矛盾,物理实验中的真实矛盾并没有解决,如：量子色动力学(QCD)理论预言,在极端相对论性的原子核碰撞中会产生高温高密夸克－胶子等离子体(QGP),众多国家花大力投入了实验探索.最近却发现理论和实验研究中“还存在着诸多不确定因素”.QGP是否存在还是个问题.狭义相对论中相对性的原理虽然可以确定两个惯性参照系的地位是等同的,也可以确定任何一个惯性参照系都可以作为时间测量的标准,但是从这一任意的标准参照系去进行实际观测另一个惯性参照系的时间,我们没有任何的理由确定这两个参照系中的时间单位一秒就是确定的恒值,而没有差异.
笔者认为后面通过把引力质量和电磁质量区分开来,可以成功地解决这个矛盾,电磁质量不满足笔者认为Lorentz  transformation.
相对论性重离子碰撞实验中出现的种种困难,最终归结为：“碰撞中发生了Lorentz收缩吗？”“如何检验？”70年代提出“惯性约束”,用强激光引发微热核聚变.20多年过去,最近的实验结果是：现有最佳装置的中子产出额远远低于理论估计值.问题竟是：“熵不守恒时相对论性流体力学方程”究竟应该取什么形式？【1】
根据洛伦兹变换运动的长度在运动物体方向上收缩是指四维物体的是收缩,迈克尔逊的光干涉实验已经证实了这一点.不要推广它的适用范围的原因：第一、四维洛伦兹变换和光速、以及真空光速不变紧密相连.它可以直接脱胎于电磁学,法国彭加勒是第一个给出该变换的人.真空光速不变——它的物理意义就是表述大范围的电磁空间是零曲率的空间.第二、四维洛伦兹变换不能适用于引力方程.洛伦兹变换几乎征服了物理学现有的每一个分支,就是偏偏征服不了引力学.20世纪30年代后随着非线性和分维物理学分支的迅速广泛崛起,洛伦兹变换均被挡在门外.进一步地研究也发现引力空间是最简单的非线性空间——即不等于0的负曲率的空间.这样才划定了洛伦兹变换的适用范围是所有零曲率的空间的物理学分支.
中国科学院理论物理研究所的郭汉英教授认为：“对于这些惯性坐标系而言,没有自身优越的速度、时间没有方向性等等. 对于我们的实验室而言,只要根本不管引力和宇宙学效应,Minkowski时空和PoincarU不变性就是相对论性物理学的理论和实验分析的框架. 所有实验,只要不涉及引力和宇宙学,与此符合得非常好.” “然而,如果在这个实验室中又要进行与引力效应有关的实验、进行天文观测或者进行与宇宙背景有相互作用的实验———而且恰恰就是要测量这些相互作用的效应,那么,这类实验室中的观测者就同样会发现:河外星系红移表明宇宙在膨胀,而宇宙膨胀给出了时间箭头;微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质,不过要扣除我们的实验室相对于微波背景辐射的漂移. 对于这类与宇观效应相关的实验和观测的结果的分析必定表明: Einstein的狭义相对性原理对于这类效应不再成立; 时间反演和时间平移不变性不再存在.”
笔者后面将要分析大爆炸理论是错误的,微波背景辐射需要重新分析,这样该矛盾就迎刃而解了.
    参考文献：
【1】庄一龙.《世界上严肃的科学家冷眼看待相对论》
                     5、Lorentz   transformation的困难
《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：５１．双生子佯谬能否解决？ ５２．穿洞佯谬能否解决？ ５３．滑落佯谬能否解决？５４．柔绳佯谬能否解决？ ５５．直角杠杆佯谬能否解决？ ５６．静止长度上限佯谬能否解决？ ５７．运动物体视在形象佯谬能否解决？ ５８．长度缩短的应力效应佯谬能否解决？
中国科技大学物理学教授沈惠川认为：“在讨论狭义相对论问题时,不能有加速度,否则就要用广义相对论来处理.de Broglie早在1924年他的博士论文中就已说过,在相对论问题中犯傻的人中,有许多就是将广义相对论中的问题与狭义相对论问题搅合在一起,而浑然不觉的.例如,双生子悖论问题中,就涉及到加速度（吴大猷等前辈早就讨论过这个问题）.再如,有人老是说在地球的这个地方测得的光速,与在地球的那个地方测得的光速不同,诸如此类；殊不知,建立在地球上的所有坐标系都不是惯性系,都是有加速度的,都不在狭义相对论讨论的范围之内！”在科学史上,没有一个理论会象相对论那样产生那么多的“佯谬”,如twins  paradox、柔绳佯谬、直角杠杠佯谬、艾伦菲斯特(Ehrenfest) 佯谬、哥德尔 (Godel) 佯谬等.【3】量子色动力学(QCD)理论预言,在极端相对论性的原子核碰撞中会产生高温高密夸克－胶子等离子体(QGP),众多国家花大力投入了实验探索.最近却发现理论和实验研究中“还存在着诸多不确定因素”.QGP是否存在还是个问题. 相对论性重离子碰撞实验中出现的种种困难,最终归结为：“碰撞中发生了洛仑兹收缩吗？”“如何检验？” 70年代提出“惯性约束”,用强激光引发微热核聚变.20多年过去,最近的实验结果是：现有最佳装置的中子产出额远远低于理论估计值.问题竟是：“熵不守恒时相对论性流体力学方程”究竟应该取什么形式？ 拟用超导超级对撞机“模拟宇宙大爆炸的时空和物质状态”,为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论.花几百亿美元巨资猜的这个谜还是离不开相对论.直接观察时钟速率变慢的实验是在1971年海弗尔和凯汀用原子钟完成的.他们把艳原子钟放在飞机上,分别向东和向西绕地球飞行一周后,返回地面与一直静止在地面上的原子钟比较读数,发现向东飞行的原子钟慢了59毫微秒,向西飞行的原子钟快了273毫微秒.在这个实验中,飞机上的原子钟,在飞机飞行过程中处在地球上空的不同高度,即处于不同的引力势.因此,原子钟的速率变慢的数值包含着地球引力势差引起的引力红移效应.把这种引力效应扣除之后,这个实验的结果与狭义相对论的时间膨胀预言符合,精确度接近10％.（摘自自然杂志1979年2卷2期76页作者张元仲）
1.        双生子佯谬  在1911年4月波隆哲学大会上,法国物理学家P．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑,设想的实验是这样的：一对双胞胎,一个留在地球上,另一个乘坐火箭到太空旅行.飞行速度接近光速,在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁,而他的兄弟早已死去了,因为地球上已经过了200年了.这就是著名的twins  paradox.《自然》杂志就把它列为97个至今悬而未决的物理学难题.二带同种电荷的小球,因静电斥力和万有引力而达到力平衡,二小球同时高速运动旁观者认为：二小球高速运动,质量增加,引力变大,距离必然拉近.二小球认为：二小球相对静止,质量不变,引力不变,距离必然不变.
根据狭义相对论,对同一个物理过程,在与其相对静止参照系中测量的时间最短,而在与其有相对运动的参照系中测得的时间将比在物理过程本身进行的参照系内测得的时间（原时）长.那么对于A留地球, B乘坐宇宙飞船出去再回来这个过程,在A看来,在B出去再回来这个过程,他所经历的时间应该比B经历的时间长；而对B来说,在和A分离到再见的过程,他经历的时间应该比A长,这时就无法区分到底谁最更年轻.但我们需要注意到的是,A,B在整个过程中并不都处于相同地位的参照系中,相对于整个宇宙,地球的加速度是比较小的,这里我们忽略这个加速度的影响,而 B从地球到离开,到在回来,需要经过加速离开地球,以一加速度调头返回地球,到达地球后 减速见到A,B处于一个非惯性参照系中,具有加速度,这个是可以真正地“延长”时间的,而A则始终处于地球,一个近似的惯性系中,所以当B返回地球后,B应该比A年轻.或者另外地说,B能够感觉到自己速度的变化,但A感觉不到.可是根据广义相对论的基本原理,物理规律对于任何参考系都成立,对于A而言B不是惯性系,对于B而言A不是惯性系,仍然有矛盾.有人利用广义相对论解释twins  paradox,因为在引力场中时钟延缓（加速运动的物体可以产生引力场）；也有人按照Minkowski三角形不等式解释“twins  paradox”.1959年James  Terrell在《物理评论》杂志上发表论文,指出尺缩效应的形象是人们观测物体上各点对观察者参考系同一时刻的位置构成的形象,常称为“测量形象”.【1】？“若他们始终不离开自己的惯性系,这是‘一去不复返’的相对运动.他们从分手开始便‘永别了’.因此,到底哪个年轻是无法比较的,也就无从考察,得不到任何确切结论.” 【5】人教1979年出版的<物理学导论>(美国人：F.J.Bueche著)P126中的一段关于时间相对论效应的示例： “半人马座α星是距离我们太阳系最近的恒星,距离是4.3×10^16m,光速c=3×10^8m/s,所以光从地球到达该星的时间是1.43×10^8s.也就是4.5光年,往返一次就是9光年,当宇宙飞船以0.999c往返该星时,所需要的时间多长？”书中说“按照地球时钟计算,往返一次需要9年.飞船上的时钟似乎走得慢些,相对论因子是√（1-0.999^2）≈0.045.因此飞船上的时钟把9年指示为约0.4年,所以对于宇航员来说往返仅需要0.4年,约5个月”因此得出“宇航员有一个孪生兄弟留在地球上,在上述旅行过程中,地球上的孪生兄弟大了9 岁,而宇航员在往返旅程中只渡过了5个月.”这就是兄弟佯谬.四川大学物理与技术学院的博士生导师吕教授告诉记者,相对论是建立在大量实验基础上的,理论上谁都可说它对或错,但它对错的关键是,能否找到一个自然现象或一个实验和它矛盾,如果能找到,可以顺着这个方向研究下去,如果找不到,仅从理论上去论证它对或错意义不大.
2.飞船佯谬【6】: 贝尔(Bell)的飞船佯谬说的是,两个飞船用一根弦紧拉着.起飞前两飞船上都备有校准了的钟和发动机的操作程序.两飞船同时起飞,并各自按同样的操作程序加速减速.现在的问题是,弦会不会被拉断？也就是说飞船之间的距离是否变化？
3. 梯子佯谬【7】：梯子佯谬也叫杆仓佯谬或车库佯谬.它说的是一个梯子平躺着快速穿过一个比它的静止长度还短的库房.在库房看来,运动的梯子长度收缩,所以有一段时间梯子完全在库房内,可以将梯子关在库房里.而在梯子看来,库房在运动.本来库房就短些,再加上长度收缩,库房的长度就更短了,所以库房不能包容梯子,没有时间可以关门来关梯子.这显然是一对矛盾.
4. 转碟佯谬【8】: 埃能菲斯特(Ehrenfest)的转碟佯谬说的是,一个以角速度!绕轴旋转的碟子,碟子的静止半径为R0,旋转的半径为R.因为半径与运动方向垂直,长度不收缩,所以R = R0.另一方面,碟子边缘的运动速度为v = Rω,由于长度收缩,所以周长应为2πR = 2πR0（1-v2）0.5.由此可得R < R0,这与R = R0显然矛盾.
根据相对论的质速关系,实物粒子的全部引力质量随速度的变化而变化,但是在可变的引力质量中又存在着粒子的固有引力质量（或静止引力质量）,如何解释两者之间的物理机制呢？  虽然Lorentz    transformation矩阵不包括引力质量,
               Υ       -β1Υ      -β2Υ            -β3Υ
              -β1Υ    1+Aβ1β1    Aβ1β2          Aβ1β3                    
  Lorentz ==   -β2Υ      Aβ2β1     1+Aβ2β2       Aβ2β3
              -β3Υ      Aβ3β1     Aβ3β2         1+Aβ3β3     
式中A=（Υ—1）/β2,β1=v1/c,β2=v2/c,β3=v3/c,Υ=(1—β2)—0.5.当运动速度沿X轴时,就化为普通形式.速度引起的引力质量的增加是狭义相对论效应,但是时钟延缓与长度缩短也是狭义相对论效应.
瞬时固有系,是瞬间与质点保持相对静止的惯性系,如果质点的速度不断改变,瞬时固有系也不断替换,它与其质点永远保持相对静止的固有系之间,没有相对速度只有相对加速度.根据狭义相对论在一个质点的瞬时固有系中观察一个质点的运动,不存在狭义相对论效应.笔者认为狭义相对论效应应当为瞬时效应,对于速度不是累积效应.根据场的space-time本质的观点,引力质量、时间、空间的狭义相对论效应是同一的.孪生子佯谬的一种版本已被围绕地球在相反方向上飞行的两台精确的钟表的实验所验证.当它们重新相遇时,向东飞行的钟表流逝的时间稍微短一些.【4】
    太空站在太空停留了 15 年.按狭义与广义相对论的叠加结果太空钟会有明显的走时误差.为何没有人对太空站的时钟问题大事炒作呢？假设在一个惯性参照系中测量一个物体的长度,物体由静止开始加速,直到c/2,然后匀速运动一段距离后开始减速,直到静止.根据Lorentz  transformation,物体的长度开始与最后应该相等.可是运动物体的长度缩短,由于物体一直在运动,因此物体最后的长度应该最短,这显然存在着矛盾.在狭义相对论中,物理规律在不同的惯性参照系中是一样的,但物理量在不同的参照系中可能不一样,例如运动物体在其运动方向上的长度将比其静止长度小,可以说是观测效应,因为从测量的含义上去理解,这的确是因为光速不为无穷大（而且任何信息传播速度不得超过光速）的原因,但这也是本质规律,是因为从前面一句话可以看出,这是必然会得出的结论,是规律性的.当开始由静止做加速运动,当速度达到0.99c时开始加速到静止,开始和最后的长度是相等的,因为根据上面的话,运动方向上的动长是和运动相关的,只有它运动,它运动方向的动长才会比静止长度小,如果它运动又静止了,那么它的长度就是静长,当然和原来的相等.设想一个物体先从 静止做加速运动然后做减速运动到静止,在这整个过程里,其运动方向的长度应该是先变小,到速度最大时运动方向动长最小,然后又逐渐变大,最后恢复到静止时长度. 时间变换也符合洛沦兹变换,为什么现代物理学的实验证明（譬如μ子绕地运行）具有累积效应？或许有人认为狭义相对论适用于匀速运动,加速运动应当利用广义相对论解释,可是为何利用原子钟绕地球高速运动（加速运动）时钟减缓,寿命的延长,说明狭义相对论的正确？在长度测量实验中,每时每刻都有速度,长度应当缩短,为何必须用广义相对论呢？因此在μ子和介子实验中,μ子和介子作有加速的圆周运动,实验证实作这样运动的μ子和介子的平均寿命大于静止μ子和介子的平均寿命,并不能说明狭义相对论的正确.如果一个微观粒子作匀速圆周运动,其寿命在延长,但是长度不变,这一点可以用实验验证.直到1959年,特雷尔(j.Terrell)在一篇文章中才指出：不对! Lorentz收缩是看不到的.原因很简单：同一时刻从运动物体各点发出的光一般不能同时到达观测者的瞳孔；反之,同时到达瞳孔的光一般也不是同时发出来的.【2】实际上质子碰撞等实验表明运动粒子是全方位膨胀的.
一个航天飞船以4/5光速从左向右掠过地球.一束光脉冲从座舱的一端发射出并在另一端被反射回来.在地球上的和在航天飞船上的人分别对光进行观察.因为航天飞船的运动,他们在光返回的旅行距离上意见不同.因为按照Einstein关于对所有自由运动的观察者光速相同的假设,他们在光花费多少时间飞行上的意见也应该不同.
“潜水艇悖论”指的是这样一种理论假想情况：首先假设一艘完全浸没在海里的潜水艇,相对于海水静止时能不升不降地正好保持平衡,然后在假设它在与海面平行的方向上以接近光速行进.基于物体的长度在运动方向上收缩的相对论效应,在海面上相对于海水静止的船上的观察者看来,潜水艇本身会收缩,密度会变大,并最终下沉.但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩,密度在变大,他们会认为：由于海水密度变大后产生浮力变大,潜水艇将上浮.按照相对论,两种互相矛盾的结论都没有错.1989年美国的物理学家萨普利假设海底在特定的参考系中会加速上升,根据广义相对论space-time效应而扭曲变形,最终与潜水艇接触,结果看上去是下沉了.最近巴西的物理学家认为,在不同的参考系下,相对于海水静止的观察者和潜水艇员所出的重力场并不相同.他通过严密的数学推理发现,从潜水艇员的角度来看,潜艇以接近光速运动的过程中受到的有效重力,实际上也比潜艇相对于海水静止时大,超过海水密度变大而产生的福利,最终导致潜艇下沉.
真正的主流物理学界是如何看待相对论的,现任国际引力与相对论天体物理学会主席的C. M. Will是其代表.C. M. Will对相对论的基本原理都用怀疑的态度去与实验比较进行检验,光速变不变、是否各向同性、Lorentz不变性破缺有多大等等都在研究之列. 主流物理学界关心和讨论的内容是实验结果, 就是C. M. Will这样的理论物理学家最终关心的是理论与实验是否相符.现在几乎没有人在引力与相对论天体物理学会议上去讨论相对论的哲学意义,更沒有人用哲学来论证相对论.在上世纪20、30年代国际上有一些相对论的哲学意义的讨论,在21世纪难道我们又要去重复吗？相对论的真空光速不变原理是在伽利略时空中定义和测量的, 相对性原理是在Lorentz时空中定义和应用的.相对论内含两套不相容时空,使得多数的反相和保相辩论集中于将Lorentz坐标变換应用到上具体问题上.由于两套时空都是相对论不可缺少的,在每一个具体问题中两套时空的不同组合就有不同结论.两套时空本来就是矛盾的,组合到具体问题中总能使结论变得荒唐或佯谬,也总可以组合得避开荒唐或佯谬.
   参考文献：
  【1】赵凯华,罗蔚茵.   新概念物理教程——力学.  北京：高等教育出版社,1995
【2】杨福家等译.维克多•韦斯科夫.二十世纪物理学家.北京:科学出版社,1979   
  【3】庄一龙.《世界上严肃的科学家冷眼看待相对论》
  【4】史蒂芬.霍金著  吴忠超译.《 果壳中的宇宙》湖南科学技术出版社   2002年2月
  【5】 李文博.狭义相对论导引[M] .哈尔滨： 东北林业大学出版社 ,1986.6.3
【6】 Wikipedia contributors, Bell's spaceship paradox, Wikipedia, The Free Encyclopedia,http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bell%27s spaceship paradox&oldid=268420612.
【7】Wikipedia contributors, Ladder paradox, Wikipedia, The Free Encyclopedia,
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ladder paradox&oldid=267021929 (Feb 2009).
【8】Wikipedia contributors, Ehrenfest paradox, Wikipedia, The Free Encyclopedia,
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ehrenfest paradox&oldid=260129764 (Feb 2009).
                    6、狭义相对论的局限性
狭义相对论存在两个问题：
1.沿用了牛顿理论中的惯性参考系的概念——狭义相对论的理论中所提及的惯性参考系的概念,仍然是牛顿理论中的惯性参考系的概念,它并没有解释或取代在牛顿理论中起作用的,作为绝对空间代表的惯性系. 但为什么这类参照系在自然界形成特殊的一类,并充当无加速度的判据（而且一切物理定律在其中有最简形式）,这和以前一样仍是一个谜.这个难题在狭义相对论的理论中没有得到解释.Einstein所指出: “从理论观点来看,狭义相对论还不能完全令人满意,因为狭义相对论所讲的相对性原理偏爱于匀速运动.从物理学观点来看,不可给匀速运动以绝对的意义.如果这是正确的话,那么就产生了这样的问题：这种讲法是不是也应当扩充到非匀速运动上去呢？已经弄明白,如果人们以这种扩充了的意义来提出相对性原理,那么就得到相对论的一种无歧义的推广.人们由此得到了包括动力学的广义引力论.可是在目前,我们还没有一系列必要的事实,可用来检验我们提出这样假定的原理是否得当.惯性原理的弱点在于它含有循环的论证: 如果一个质点离开其他物体足够遥远, 它就作没有加速度的运动; 而我们却又只能根据它运动时没有加速度的事实才知道它离其他物体足够遥远.”( 《相对论的意义》)
2. 狭义相对论的理论框架中没有涉及时空与物质分布之间的关系——在狭义相对论的时空理论中, 没有涉及时空与物质分布之间的关系,换句话说,在这个时空理论中,不同质量的物体对时空的影响是平权的.因而就时空的几何特性而言, 狭义相对论的闵可夫斯基四维时空,仍然保留了牛顿三维时空的欧几里德的特性, 仍然是平直空间. 在闵可夫斯基四维时空中使用四维的笛卡尔坐标系,被称为赝欧几里德空间.在这个是空中,短程线(光线通过的路径)仍然是直线.但近代科学观测的结果发现, 光线在大质量天体附近的路径,是弯曲的. 这类事实表明,时空的几何性质是和时空中的物体的质量分布有关的.
Einstein说,狭义相对论只是逻辑发展的第一步.因为它虽然取得很大成功,但仍然存在一些局限性：1、 狭义相对论无法正确描述引力现象；1946年,《自述》：“当我力图在狭义相对论的框子里把引力表示出来的时候,我才完全明白,狭义相对论不过是必然发展过程的第一步.……这就使我相信,在狭义相对论的框子里,是不可能有令人满意的引力理论的.”2、 狭义相对论无法解释：为何惯性质量等于引力质量
由于牛顿万有引力定律给狭义相对论提出了困难,即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用,因此在整个宇宙中不存在惯性观测者.Einstein为了解决这一问题又提出了广义相对论.关于广义相对论的起源：“… that the basic demand of the special theory of relativity (invariance of the laws under Lorentz-transformations) is too narrow, i.e. that an invariance of the laws must be postulated also relative to non-linear    transformations of the coordinates in the four-dimensional continuum.        This happened in 1908.”
除了上面的两个问题外,狭义相对论效应在广义相对论里才可以得到圆满的解释,Einstein当年从同时性的相对性,从观察效应出发得出狭义相对论效应,是Einstein实证哲学观的体现.
Einstein倾向于用实证的方法来建立和验证其理论,他曾说过：“相对论并不是起源于思辨,它的创建完全由于想要使物理理论尽可能适应于观察到的事实,…要放弃某些迄今被认为是基本的同空间,时间和运动有关的观念,决不可认为是随意的,而只能认为是由观察到的事实所决定的【1】.”相对论理论的基础便是一个Einstein称之为光信号方法的理想实验【2】.
Einstein曾说过：“相对论理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性.从它推出的许多结论中,只要有一个被证明是错误的,它就必须被抛弃；要对它进行修改而不摧毁其整个结构,那似乎是不可能的【3】.”
马赫对于形而上学对立性意识的批判,极大地影响了新一代,他反对孤立存在的绝对性事物,而使之成为物理学革命的先声.经典物理学的理论基础是形而上学对立性哲学唯物主义,它那分割的、片面的思想意识越来越不适应科学的发展.那种以为绝对和相对、无限和有限,共性和个性都是分割的,孤立的存在,可以有绝对空间和绝对时间,可以有无限空间和无限力场的观点,越来越显出它的荒谬.马赫虽没能从哲学上说明辨证范畴的对应同一关系,但他本能的意识到,在实践中观察不到的、无法验证的东西都是错的,马赫原理讲物质运动同周围事物联系在一起,由普遍共性来决定,他把共性放入个性来考察二者关系.
Einstein曾受到Mach哲学观的影响,物理量的可测量性在论证为建立现代物理学的世界图景而使用的概念的合法性时成为一个主要问题,首先起源于狭义相对论,狭义相对论的创立便是Einstein实证哲学观的体现.关于狭义相对论的“尺缩效应”、“时间膨胀”等情况是观测效应还是真实发生的在狭义相对论中,每个观测者都是正确,也就是说观测效应就是真实发生的.任何一种事情是否真实发生了,只能取决于观测者.通过对于观察问题的深入分析,相对论注定要揭露一切经典物理学概念的主观性质,在一种特殊的高度上接近了自然描述中的统一性和因果性这一经典思想.当我们考虑相对论中今天在某种意义上可以认为是可靠部份的那部分科学知识的时候,我们可以看到在这个理论中起主导作用的两个方面：第一,这个理论整个发展过程是依据这样一个问题：自然界中是否存在着物理学上特别优越的运动状态（物理学相对性问题）；第二,概念和判断只有当它们同观察到的事实相比较而无分歧时才是可接受的（要求概念和判断是有意义的）.这个认识论的先决条件是根本性的.
任何观察最终都要将依赖于客体和观察工具在空间和时间中的重合,从而任何观察都是可以独立于观察者的参考系来加以定义的.在相对论的连续四维space-time中,不能用量尺和时钟来定义Einstein——Riemann度规关系.通过广义相对论,Einstein在放弃绝对时间和绝对空间的一切想法方面使我们的世界图景得到了一种超过任何以前的梦想的统一性和谐调性,这种理论提供了关于普通语言的一致性及适用范围的有益的教益.不管现象超出经典物理解释的范围多么远,对于现象的说明必须用经典术语表示出来.任何一个观察者都可以在自己的观念构架中遇见到任何另一个观察者在他自己的构架中如何描述经验.每一个观察者都可能保留空间和时间之间的截然区分,并且可能考察任一其他观察者在他的参考系中将如何借助于普通语言来描述经验和标示经验.Galileo的纲领,即把物理现象的描述建立在可测定的量的基础上的纲领,曾经给整理越来越大的经验领域提供了坚实的基础.用不同的互相排斥的实验装置得到的资料,可以显示没有前例的对立性,从而初看起来这些资料甚至显得是矛盾的.在空间和时间中排列次序的任何企图,都会导致因果链条的一次中断,因为它是和一种本质上的动量交换及能量交换联系着的,这种交换发生于个体和用来进行观察的测量尺杆和时钟之间；而恰好这种交换就是不能被考虑在内的,如果测量仪器要完成它们的使命的话.因此Bohr认为,相对论提醒我们想到一切物理现象的主观性,这是一种本质地依赖于观察者运动的性质.【4】1872年,Mach提出“物体并没有绝对加速度,只有相对遥远星系的加速度,Mach思想的可取之处是在于不能抽象脱离物质去谈论参考系是惯性系或非惯性系.这一思想在广义相对论中得到了应用.科学哲学不能以此为基础,科学哲学的根基必须是也只能是逻辑自洽的理性的实在论.霍金指出：“对于一名理论物理学家而言,把理论视作一种模型的实证主义方法,是理解宇宙的仅有手段.
当然,以此种意义断定的几何命题的“真实性”,是仅仅以不大完整的经验为基础的.目下,我们暂先认定几何命题的“真实性”.然后我们在后一阶段（在论述广义相对论时）将会看到,这种“真实性”是有限的,那时我们将讨论这种有限性范围的大小.（摘自《浅说》第1节几何命题的物理意义中的最后一段）
力学的目的在于描述物体在空间中的位置如何随“时间”而改变.如果我未经认真思考、不如详细的解释就来表述上述的力学的目的,我的良心会承担违背力求清楚明确的神圣精神的严重过失.让我们来揭示这些过失.这里.“位置”和“空间”应如何理解是不清楚的.……（摘自《浅说》第3节经典力学中的空间和时间中的第一段与第二段第一句）.作为科学家,实证精神和理性精神珠联璧合地渗透在Einstein的科学工作中.他把实验视为检验理论的最终标准和发明基本概念、基本假设的启示,把理性视为开启宇宙秘密的钥匙,认为纯粹思维能够把握实在,倡导大胆思辨而不是堆积经验.寻求一个明确体系的认识论者,一旦他要力求贯彻这样的体系,他就会倾向于按照他的体系的意义来解释科学的思想内容,同时排斥那些不适合于他的体系的东西.然而,科学家对认识论体系的追求却没有可能走得那么远.他感激地接受认识论的概念分析；但是,经验事实给他规定的外部条件,不容许他在构造他的概念世界时过分拘泥于一种认识论体系.因而,从一个有体系的认识论者看来,他必定像一个肆无忌惮的机会主义者：就他力求描述一个独立于知觉作用以外的世界而论,他像一个实在论者；就他把概念和理论看成是人的精神的自由发明（不能从经验所给定的东西中逻辑地推导出来）而论,他像一个唯心论者；就他认为他的概念和理论只有在它们对感觉经验之间的关系提供逻辑表示的限度内才能站得住脚而论,他像一个实证论者；就他认为逻辑简单性的观点是他的研究工作所不可缺少的一个有效工具而论,他甚至还是一个柏拉图主义者或者毕达哥拉斯主义者.                                                      
参考文献:
【1】Einstein,《Einstein文集—关于相对论》第二卷,商务印书馆.范岱年 赵中立 许良英编译
【2】Einstein,《Einstein文集—论动体的电动力学》第二卷,商务印书馆.范岱年 赵中立 许良英编译
【3】Einstein,《Einstein文集—什么是相对论》第一卷,商务印书馆.范岱年 赵中立 许良英编译
【4】［丹麦］N.Bohr著 戈革  译.《尼耳斯.玻尔哲学文选》  商务印书馆  1999年
第七章        狭义相对论的哲学观浅议
第一节         物理学家对于狭义相对论发展的思考
     这个世界曾经陷入深深的黑暗中,正是牛顿“给了我们光明！”但不久就等到了撒旦的报复,来了个Einstein——使一切又回到从前.________A•玻恩、A•爱丁顿
    物理过程是客观存在的,人类在黑暗中探索,凭着不完全的感觉——实验观测到的现象、数据材料等,引出新的观念,找出新的规律,说明已有的结果和预言新的现象.这些由实验启发而得出的“基本规律”,是客观世界真实过程的近似描述,肯定有适用的范围.它所用的观念和处理问题的方式,也会深深打下发现者自身的烙印.他们的正确发现使人类对客观世界的认识前进了一大步,他们的某些错误和不足也会引导人们走入歧途.作为学习和研究的正确态度,对任何理论,即使是被认为最“成功”、最完美的理论,在学习与研究时要不为其成功所迷惑,透过表面现象需看到它的不足和局限,自始至终保持清醒的头脑,为更新观念和理论留下创造和接受的空间.尽管我们寻求的理论美是由简洁的基本原理赋予它那种和谐性,但一个理论并不单是从一组预先设定的原理就能用数学推导出来的.有些原理是在过程中产生的,有时来的很恰当,带来了我们希望的那种和谐性.物理学是研究物质的最简单运动规律的科学,其最终目的是：找到物质运动、变化与相互作用的内在联系,以最少的假设,通过分析、推理解释所有相关实验结果,预言新的实验现象.
     中国科技大学物理学教授沈惠川认为：“在讨论狭义相对论问题时,不能有加速度,否则就要用广义相对论来处理.de Broglie早在1924年他的博士论文中就已说过,在相对论问题中犯傻的人中,有许多就是将广义相对论中的问题与狭义相对论问题搅合在一起,而浑然不觉的.例如,双生子悖论问题中,就涉及到加速度（吴大猷等前辈早就讨论过这个问题）.再如,有人老是说在地球的这个地方测得的光速,与在地球的那个地方测得的光速不同,诸如此类；殊不知,建立在地球上的所有坐标系都不是惯性系,都是有加速度的,都不在狭义相对论讨论的范围之内！”
著名物理学家、中国科学院理论物理研究所郭汉英研究员认为：“不过,有几个问题不妨探讨一下.一提到的双生子佯谬,一定涉及加速运动.有人问我,Einstein认为惯性力与引力等效.于是,一有加速运动,就有惯性力,后者就等效于引力.那么,狭义相对论能不能描述加速运动？留给人们思考吧. 目前物理学对宇宙的了解,包括猜想只有4%,而完全不知的竟占到了70%.知识还有一个副产品———权威与偏见.相对论体系存在有待验证的假定,基本原理不够完善,相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处.这个伟大体系同样不是一个完成了的理论体系.相对论体系其实包含着许多重要的假设要素.今天,宇观尺度上的观测数据分析结果,对相对论体系提出了严重挑战.”  
Einstein讲：“相对论时空观的巨大成就,并没有穷尽、也不可能终结人类时空观的发展.相对论仅仅是产生新时空观的新起点.科学是对真理的追求和探索,但不是宣示绝对真理或终结真理.相对论时空观是科学的,但相对论不可能是绝对的真理.只有僵死的哲学教条才宣示有绝对真理,但那已不是真正的哲学,也不是真正的科学.在历史的长河中,任何理论都是相对真理.”宋健认为: “整个科学史表明,一种概念或科学假设从来不会是一开始就完美无缺,总有后人去继承它、发展它或修正它.一百多年来,直到今天仍有很多人对狭义相对论（SR）和广义相对论（GR）作进一步的讨论和进行大规模的实验,甚至提出不同的意见.这是正常现象,是科学技术得以兴旺发达的必由之路.我们并不是否定Einstein；但任何一个科学理论均有其适用范围,不可能主宰一切.在科学研究中,如果思想不解放,就不可能创新.美国三个科学院组织的‘21世纪委员会’提交过一个报告,其中说‘Einstein的理论并不是最终真理’,意思是说‘关于相对论研究仍然是open的！ ”董光璧先生说,当A.Einstein在世时,许多物理学家常以批评其理论祝贺他的生日,A.Einstein都一一回答；他认为,会上的几位报告人是"以质疑和发展表示对A.Einstein的尊敬".
2、狭义相对论对于哲学发展的影响
Einstein不仅是一位伟大的科学家,也是一位伟大的哲学探索者,他为后人留下了卷帙浩繁的科学著作和哲学社会学著作,将以伟大的物理学家和当代著名的哲学家而载入史册. Einstein指出：狭义相对论的成就可以表征如下：它一般地指出了普适常数C（光速）在自然规律中所起的作用,并且表明以时间作为一方,空间坐标作为另一方,两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系,依照古典力学并且依照狭义相对论,空间（空间时间）是独立于物质或者场而存在的.赖兴巴赫说：“Einstein的工作比许多哲学家的体系包含着更多的固有哲学.” Einstein认为,现代哲学的基本原理组成了我们所有人生活的世界,这些原理是活生生的,是经过千百年实践检验证明的.Einstein是一个奇迹,他的贡献极大地促进了人类的文明进步.在当今之世,他已经成为人类智慧的化身和道德的典范.他的业绩远远超出诺贝尔奖所给予的标志.未来的时代愈久远,现在与之比肩的名人将逐渐被人淡忘,而Einstein必将越来越成为后世敬仰的楷模.普朗克讲：“要对Einstein的理论作出中肯评价的话,那么可以把他比做２０世纪的哥白尼,这也正是我所期望的评价.”
     Einstein认为,哲学是科学研究之母,科学生发新的哲学思想,科学和哲学二者在他身上可谓珠联璧合、相得益彰.在常规科学时期,科学家是在范式的指导下解难题的,哲学表面看来对科学似乎不起什么作用,岂不知,哲学成分早已包含在范式之内了.但是当科学面临危机和革命时,科学家单在科学自身之内是找不到足够的破旧立新的思想武器的,他们只好求助哲学批判和哲学分析.而且这样的任务也只能由有哲学头脑的科学家来担当,因为他们“最清楚鞋子究竟是在哪里夹脚的”,富有科学功力和哲学素养的科学家便顺天应时地成为科学革新家.在创立狭义相对论的过程中,科学和哲学在Einstein的思想中是水乳交融、彼此砥砺、相辅相成的.
Einstein“博观而约取,厚积而薄发”.他善于博采众家之长,又不墨守成规或拘泥于一家之言,他既从专业哲学家斯宾诺莎、莱布尼兹、康德、休谟等人那里汲取了丰富的思想营养,又从哲人科学家开普勒、伽利略、牛顿、安培、亥姆霍兹、黎曼、普朗克、马赫、彭加勒、奥斯特瓦尔德、迪昂、皮尔逊等人之处获得了有益的启迪,加之他善于结合科学实践进行思考和创造,从而形成了他的综合实在论思想.这种实在论既在各种不同的乃至对立的哲学流派之间保持了必要的张力,又在传统和革新之间保持了必要的张力,因而成为一种卓有成效的科学研究纲领.霍耳顿教授在60年代末发表的一篇著名论文《马赫、Einstein和对实在的探索》 中这样写道：“在我们这个世纪的思想史中,有一章可以题为‘阿尔伯特•Einstein的哲学历程,这是一段从以感觉论和经验论为中心的科学哲学,到以理性论的实在论为基础的哲学历程.” 把Einstein科学哲学概括为由温和经验论、基础约定论、意义整体论、科学理性论、纲领实在论构成的独特而绝妙的多元张力哲学,在这个兼容并蓄、和谐共存的哲学统一体中,五种不同的乃至异质的要素相互限定、彼此补充,保持着恰到好处的“必要的张力”.
Einstein从小就对哲学怀有浓厚的兴趣,他的科学哲学的思想来源十分丰富.这里既有从古希腊到近代的哲学大家,也有从开普勒到普朗克的诸多哲人科学家,以及他与逻辑经验论的风云人物的交流和对话,尤其是以马赫、彭加勒、迪昂、奥斯特瓦尔德、皮尔逊为代表的批判学派对Einstein科学哲学思想的形成影响极大.但是Einstein并没有墨守成规,而是在汲取批判学派思想营养的同时,结合自己的科学实践和哲学思考,对它们进行了改造和发展,从而成为批判学派科学哲学思想的集大成者和发扬光大者.Einstein在进行着基本概念的批判分析工作时,也就是在进行着哲学思考.他认为他在物理学基本概念上的发现是哲学的发现,这些发现决定了他的所有物理学成果.Einstein曾经说过“与其说我是物理学家,不如说我是哲学家”.
各个时代的哲学大家都是Einstein的思想沃土,其中包括古希腊的先哲,近代哲学大师如笛卡儿、莱布尼兹、斯宾诺莎、洛克等,以及Einstein的同胞先辈叔本华和尼采,Einstein也崇尚中国先哲孔子.在批判学派表人物马赫、彭加勒、迪昂、奥斯特瓦德、皮尔逊的科学哲学名著中,Einstein科学哲学的诸多构成要素都能在其中窥见到蛛丝马迹乃至明显烙印.在Einstein与逻辑经验论者石里克等以及哥本哈根学派的交流和交锋中,尤其是它在Einstein对自己的科学探索过程和科学成果的哲学反思中.
寻求一个明确体系的认识论者,一旦他要力求贯彻这样的体系,他就会倾向于按照他的体系的意义来解释科学的思想内容,同时排斥那些不适合于他的体系的东西.然而,科学家对认识论体系的追求却没有可能走得那么远.他感激地接受认识论的概念分析；但是,经验事实给他规定的外部条件,不容许他在构造他的概念世界时过分拘泥于一种认识论体系.因而,从一个有体系的认识论者看来,他必定象一个肆无忌惮的机会主义者：就他力求描述一个独立于知觉作用以外的世界而论,他象一个实在论者.就他把概念和理论看成是人的精神的自由发明（不能从经验所给的东西中逻辑地推导出来）而论,他象一个唯心论者；就他认为他的概念和理论只有在它们对感觉经验之间的关系提供出逻辑表示的限度内才能站得住脚而论,他象一个实证论者；就他认为逻辑简单性的观点是他的研究工作所不可缺少的一个有效工具而论,他甚至还可以象一个柏拉图主义者或者毕达哥拉斯主义者.
Einstein创建的相对论在物理学上起到了无法比拟的作用,它从逻辑思想上统一了物理学,使物理学建立在经过严格的科学考察过的时空理论的基础之上.许多物理概念都是经过相对论改造过的.Einstein的相对论不仅改变了物理学,而且对哲学也产生了重大的影响.
１９０５年,Einstein的狭义相对论宣判了机械自然观的死刑,这是自然科学史上的一次大变革,也是辩证法在物理学基础中的胜利.它把牛顿经典运动定律中所说的那种关于时间和运动的形而上学的机械观点提高到辩证法的高度.牛顿定律是速度远远小于光速的极限定律.牛顿的形而上学观点方法,尽管是当时所公认的定律,但是由于物理学的发展,碰到了无法逾越的鸿沟.Einstein运用辩证思维的冲击力量摧毁这些障碍,并为物理学的进一步发展开辟了道路.在Einstein以前,虽然有其他一些研究家确实已经采用形式数学的方法解决了运动物体的电动力学问题,然而Einstein的功绩仍是不可低估的.
普朗克在一次演讲中说：Einstein时空观的“勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论上至今所取得的一切大胆成果”.
在科学上时空观是指对时间和空间物理性质的认识；在哲学上,是指对时间和空间的系统认识,即从根本上进行的思辨.狭义相对论理论由Einstein提出,不是一种巧合,而是一种必然.Einstein站在前人的肩膀上,通过对科学的研究和对哲学的探讨,经过10 年的沉思,才有了此灵感,才创立这个伟大的时空理论.
在人类的科学和认识史上,从亚里士多德到牛顿、Einstein,我们可以看到他们的时空观都是不同的.亚里士多德的时空观是基于柏拉图的哲学思辨.同样,从牛顿时空观到Einstein时空观变化及其过程中,马赫对Einstein的哲学思辨起到了奠基的作用.马赫认为：“在现代物理学中保持着牛顿绝对空间和时间的观点在我们看来是毫无意义的.”  Einstein摆脱人类以往关于时间与空间性质的种种不正确认识的思想基础,正是得益于马赫对牛顿时空观的批判,以及对绝对时空观的批判所提供的哲学武器,才使得Einstein从狭义相对论的困惑中得以解脱,从一个完全新颖的方向来考虑时空观：绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构,一种形而上学的概念,而不是直接由物理学的观察和实验得来的.
科学史家杰拉耳德霍耳顿认为：相对论不但对于物理学本身,而且对于现代科学的哲学也是一种关键性的进展.(见许良英编,第17页)这样一种新时空概念及其所形成的对自然的新时空观,并不容易被理解和接受.同时,这种时空概念与哲学上传统的时空观表现出有限性和无限性、直观性和非直观性上的冲突,有限与无限、有界与无界的辩证关系再次进入人们的思考中,这进一步增加了对其理解的难度.所以,无论是在物理学上还是哲学上,接受相对论的时空概念都不是一件轻而易举的事情.
3、狭义相对论对于现代物理学理论结构的影响
现代意义下的物理学的主要任务是,依据观察和实验所获得的事实,运用地建构物理图象.这种思想的形成和发展以及物理世界图象的变迁,构成了物理学思想的主流.在这个意义上考察物理学思想的发展,董光壁曾把它概括为五种形态（思辨物理学、数学物理学、实验物理学、理论物理学和计算物理学）和四种物理世界图象（力学物理世界图象、能学物理世界图象、电磁学物理世界图象和基本相互作用统一物理世界图象）,其中的计算物理学和基本相互作用统一物理世界图象出现在20世纪.
20世纪之初量子论和相对论的诞生被公认是一场物理学革命.正是它的发展导致一种新的物理学研究纲领的确立、一种新的物理世界图象的形成和一种新的物理学研究方法的兴起.
历史上构造物理理论的方法大体上可分成两种：模型构造法和公理构造法,Einstein又称为“构造理论”（Constructive-Theory）和“原理理论”（Principle-Theory）,模型构造法中将研究涉及的对象建立具体的物理模型,然后对模型中的物理量,根据实验建立定律,由定律组（方程组）形成理论体系.牛顿起初建立的是“质点力学”,他所使用的模型有：绝对时间、绝对空间、质点等.公理构造法,是类比欧几里得几何理论的建构方法.这种方法首先建立几条公理,然后运用逻辑推理的方法,建构起整个理论体系,相对论就是这样建立起来的.这两种物理理论的建构方法的特点是：模型法比较直观；公理法理论深刻,并具有数学美.实践证明这两种方法都是成功的方法,各有优缺点,有时可以同时使用相互补充.
                            4、狭义相对论中相对与绝对问题
在Einstein以前,物理学家从来没有认识到区分绝对物理量和相对物理量在理论上有多么重要！Einstein也在<<相对论>>中写道:如果相关于K,K1是一个匀速运动而全无转动的坐标系,那么,自然现象在K1中的发生过程,和K中的发生过程遵循完全一样的基本定律.        这就是相对性原理(Principle of Relativity).
相对论是从场的问题上兴起的.由于旧理论的矛盾与不一致,迫使我们把新的性质归之于自然界的一切现象的舞台——时－空连续区.相对论的发展经过两个阶段.狭义相对论只能应用于惯性坐标系,就是只能应用于牛顿所建立的惯性定律在那里有效的系统里.狭义相对论建立在两个基本假设上：在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中物理定律都是相同的；光速永远具有相同的值.从这两个被实验所充分确认的假设中推出了运动的杆与钟具有随速度而改变其长度和韵律的性质.相对论改变了力学定律.如果运动微粒的速度接近光速,旧的定律就失效了.相对论所重新提出的关于运动物体的新定律由实验完满地确认了.相对论（狭义）的另一个结论便是质量和能量之间的关系,相对论把质量守恒和能量守恒两个定律结合成为一个质－能守恒定律.
绝对观念、终极真理来源于绝对事物,世界上没有绝对事物,也就没有绝对观念、绝对真理.自从黑格尔以后,那种企图建立绝对观念、终极真理的时代就一去不复返了.Einstein时空观的巨大成就,并没有穷尽、也不可能终结人类时空观的发展.相对论仅仅是产生新时空观的新起点.我们将继续追求对真理探索,找出相对论暂时还不能解决的问题的答案.
要读懂Einstein的《相对论》,关键在于对其“相对性”的理解.许多人在研读《相对论》的过程中,往往会有一个“否定之否定”的过程.当代人在学习《相对论》以前,都曾深受牛顿自然哲学思想的熏陶,坚信牛顿关于物质、时空、运动的观点都是绝对正确的.初识《相对论》,获知在牛顿理论中具有绝对意义的物质的质量、时间的间隔等物理量,在Einstein的理论中都只有相对的意义,都会有不同程度的惊讶.惊讶之后,除了少数人仍坚信牛顿理论是绝对正确、Einstein的理论是谬论以外,大多数人都接受了Einstein的理论.相信《相对论》是正确科学理论的人群中,不少人哲学相对主义的思想倾向会油然而生：原来世界上没有绝对正确的东西,一切科学理论都只有相对意义.但随着对相对论理解的逐步深入,人们发觉Einstein的相对论,实际上并非宣扬相对主义,而是强调事物的“绝对性”：虽然时间间隔、空间距离等只具有相对意义,但取而代之的有四维时空间隔的绝对性、自然规律的绝对性、因果关系的绝对性等.实际上Einstein本人也是这样认为的.1921年9月30日,Einstein在给施默尔的信中说：把他的理论叫做“相对论”是普朗克提出的,尽管他自己不喜欢,还是不得不使用它.他说自己更喜欢用“不变论”这个名称.【1】从牛顿理论到Einstein的《相对论》,人们的思想观念有了这样一个从绝对到相对,又从相对到绝对的认识过程,是否最后完成了呢？第一,从牛顿理论的绝对性到Einstein理论的绝对性,两者不是同一回事,相对论是牛顿理论的补充、发展,使之更为完善,是科学的进步.第二,有些人认识到了相对论的“绝对性”以后,可能会自觉不自觉地认为Einstein的相对论是“绝对真理”,不可能再有修改发展；任何对相对论提出质疑的人,都还没有读懂相对论.笔者以为任何科学理论都有其适用范围,相对论也不会例外.有人对相对论提出质疑,对于探究相对论的适用范围,进一步揭露物理学基础理论中还可能存在有待改善的问题,也许是有积极意义的.
相对性原理在不同的惯性系中找到了相同的部分,这些部分,无论是观察还是实验,都不可否认的是"这个"样子,它也就是我们的常识.绝对量和相对量的区分依据就是相对所有的惯性测量坐标系变换而言,凡是那些不变的物理量——即绝对量,只有这种绝对物理量才可以称之为基本物理量；也是所谓的不可测的物理量.也是永远不可测知的物理量.同时也是最核心的物理量.凡是那些可变的物理量——即相对量,这种相对物理量只有技术工程学的意义.当然,这是可测知的物理量.是核心物理量的外围物理量.是次基本物理量.绝对式和相对式的区分依据就是相对所有的惯性测量坐标系变换而言,凡是那些不变的物理式——即绝对式,只有这种绝对物理式才可以称之为基本物理定律；也是所谓的不可测分的物理式.同时也是最核心的物理定律.凡是那些可变的物理式——即相对式,这种相对物理式只有技术工程学的意义.当然,这是可测分的物理式.是核心物理式的外围物理式.是次基本物理式.绝对和相对区分,早在18世纪的数学大师就自觉地明确区分开来,并且深知只有那些绝对量和绝对式才有核心意义.
参考文献：
【1】        杭州出版社2001年6月出版的《Einstein语录》第151页
                        5、光速不变性原理与唯物辩证法关系的思考
Einstein认为按照麦克斯韦电磁理论,电磁波的速度为c是依据真空的导磁率和介电系数得到的,电磁波是以电磁和磁场转换传播的.他认为依据经典力学认为以光速追逐光看到的却是只振荡而不前进的电磁波肯定是不符合电磁理论的,它们之间存在着不可调和的矛盾,要么抛弃电磁理论的电磁波速度的结论,要么抛弃经典力学的速度叠加原理. Einstein为此一直追逐了10年,最后他抛弃了经典力学的速度叠加原理,在26岁时提出了光速不变原理,从而提出了相对论.
相对论提出了光速不变原理,Einstein在1905年的相对论论文里称其为“公理”,而在1916年Einstein出版的《狭义与广义相对论浅说》里却这样写道“我们可以假定关于光的速度c是恒定的这一简单的定律已有充分的理由为学校里的儿童所确信,谁会想到这个简单的定律竟会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大的困难呢？原理：是指具有普遍意义的最基本的规律,必须由实践确定其正确性. 公理：反复的实践检验是真实的,不需要证明同时也无法去证明的客观规律.Einstein在自己写的书中也承认“假定关于光的速度c是恒定”,并且这个假定也没有经过实验的确认.
研究space-time的性质需要进行测量,光或电磁波是测量space-time的唯一工具,从而是了解space-time性质不可缺少的因素.
相对论常遭指责,说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位,以光的传播定律作为时间概念的基础.然而情形大致如下：为了赋予时间概念以物理意义,需要某种能建立不同地点之间的关系的过程.为这样的时间定义究竟选择哪一种过程是无关重要的.可为了理论只选用哪种已有某些肯定了解的过程是有好处的.由于Maxwell与H.A.Lorentz的研究之赐,和任何其他考虑的过程相比,我们对于光在真空中的传播是了解得更清楚的.【1】      
狭义相对论只所以适用于电磁场是因为电磁场的传播速度都等于光速,在电磁场发生的两个事件是以光速联系着,如果以其它信号联系,同时性与因果律的概念也会变化.互补性观点可以看作因果性概念的一种合理性推广.相对性原理认为任何物理规律对于任何参考系都成立,真空光速不变性原理却告诉我们光比其他物质更具有优越性,光速为定值,光速是物体运动的速度极限,不可能有比光速更大的速度,唯物辩证法认为除了作为整体的宇宙及其一般规律而外不承认任何绝对不变的东西和绝对不变的界限,光速原理并不只是光的原理,而是用光速表示一切速度的极限和宇宙的space-time性质,也说明唯物辩证法的观点具有一定的局限性.
参考文献：
        【1】  A. Einstein  著   李灏  译.《相对论的意义》科学出版社  1979年
              6、狭义相对论与唯物辩证法的关系初探
随着研究工作的不断的深入,Einstein的哲学观发生了很大的变化,已经逐渐地变为辩证唯物主义的哲学观,尽管Einstein不相信辩证唯物主义.例如十月革命后,前苏联中央马列主义学院院长梁赞诺夫（1870-1932）找到伯恩斯坦商量出版,后者让Einstein审稿.1924年6月24日,E给伯恩斯坦回复了书面意见：“B先生把恩格斯关于自然科学的札记送到我这儿来,要我发表意见看它们是不是可以出版.我的意见如下：如果这些札记的作者不是一位值得注意的历史人物,那么我就劝他不出版这些札记,因为不论用现代物理学眼光看,还是用物理学史的眼光看,这些札记都无特殊价值.但我觉得这些札记是值得公布的,因为这是恩格斯精神意义的有趣材料.”
      １９０５年,Einstein的狭义相对论宣判了机械自然观的死刑,这是自然科学史上的一次大变革,也是辩证法在物理学基础中的胜利.它把牛顿经典运动定律中所说的那种关于时间和运动的形而上学的机械观点提高到辩证法的高度.牛顿定律是速度远远小于光速的极限定律.牛顿的形而上学观点方法,尽管是当时所公认的定律,但是由于物理学的发展,碰到了无法逾越的鸿沟.Einstein运用辩证思维的冲击力量摧毁这些障碍,并为物理学的进一步发展开辟了道路.在Einstein以前,虽然有其他一些研究家确实已经采用形式数学的方法解决了运动物体的电动力学问题,然而Einstein的功绩仍是不可低估的.
  相对论一些假设条件(如真空光速不变)违反人们的直觉,相对论伟大之处在于它使人们摆脱了牛顿绝对时空观的束缚,对时间和空间的概念赋予了新的物理学涵义——时间和空间不是别的而正是运动着的物质本身,进一步说是物质本体通过运动所表现出的现象形态.大部分人在学习或研究相对论时,参考的是一些教科书,但相对论是一个同（真空中）物质运动密切相关的很深的时空理论,一些教科书上并没有直接反映这种思想,而对相对论的一些逻辑推导或讨论又在牛顿的绝对时空框架内进行,但相对论作为一种时空理论必然离不开时空坐标这样一些概念,人们在碰到时空坐标这种概念时自觉或不自觉地就与绝对时空框架联系了起来,而忽视了时空本身的物质属性和运动属性,这样就使得相对论的一些逻辑假设和理论推导难以让人们在直觉和理性思维方式下去体验和把握,由此造成了学习者或研究者的思维混乱.
从表面上看,相对论是一关于时空坐标变换的理论,其实坐标变换仅是一种数学处理手段,还是表象的东西.严格讲,相对论是一个关于运动着的物体或粒子与真空相互作用的理论,要描述这种相互作用机制可以采用坐标变换的方法也可以采用其他方法,Einstein采用了前者,前者更直观、更经济些,但却远离了物理本质.其实,相对论的一些结论可用粒子物理和量子力学以及牛顿力学（从某种意义上讲,牛顿力学是一种经验科学,但它在本质上也是一种物体或粒子与真空相互作用的理论,引力、物体的惯性、质量等无一不与物体或粒子与真空相互作用机制有关.从根本上说,Einstein是为了克服经典物理学内在的不统一性而创立了狭义相对论.这种不统一性包括牛顿力学与电动力学的内在不统一性,绝对参照系与非绝对参照系之间的不统一性.为了克服这些逻辑不统一性而作的长期不懈的探索,自然地引导Einstein走向狭义相对论.正如英国著名物理学家邦迪所精辟评述的那样,任何主张,只要声言物理学的统一性是必不可少,都必然会推出狭义相对论,因为它不能容忍所有的惯性系从动力学的观点看来是等效的,但根据光学测量又是可分辨的.
第八章            狭义相对论困难的思考
1、        狭义相对论效应与加速度之间的关系
物理学是一门自然科学,它的理论和应用基础是建立在实验和观测上的.而实验和观测总是离不开某一个具体的参考系(或坐标系),加上历史上把惯性系之间的伽利略相对性原理和伽利略变换推广到狭义相对性原理和洛伦兹变换,从而建立狭义相对论这样的背景,许多物理学工作者以参考系的属性(惯性系或非惯性系)来界定狭义相对论的范畴是自然的,不足为怪.至于这种界定的优劣,那就是属于“仁者见仁,智者见智”的事情了.
1966年Farley等人以2%的精度做过实验让粒子做接近光速的高速圆周运动,粒子既有很高的速度,也有很高的加速度.实验表明,粒子寿命的变化只与速度有关,而与加速度无关.在验证时间膨胀效应的实验中,有许多实验涉及到加速过程,覆盖的加速度范围非常广.例如在原子钟环球航行实验中,时钟经受的向心加速度为 g（g代表地球表面的重力加速度）；在转动圆盘的实验中,光源的向心加速度达 g；在穆斯堡尔效应的温度依赖性实验中,晶格中原子核振动的加速度以及作圆周运行的μ介子的向心加速度都高达 g 以上.尽管加速度范围这么广,但最终,几乎所有的实验都得到了与狭义相对论预言的由速度引起的时间膨胀效应基本相符的结果.这一事实表明,加速度对实验中的时间膨胀没有任何贡献.即使我们承认时间膨胀效应的存在,也只能说这些效应都是由速度引起的时间膨胀效应,而“非加速度效应”.
     相对论中引起广泛兴趣的一个问题是“孪生子佯谬”问题,它曾困扰了物理学界几十年,特别是50年代掀起了空前激烈的争论,发表了许许多多的文章.然而时至今日,“孪生子佯谬”的问题,可以说不但在实验上而且在理论上都已经很好地解决了,因而不妨将之改称为“孪生子效应”.可是,近年国内有人认为“孪生子效应”并没有从理论上得到解决,而且沿用当今的理论(相对论)可能导致某观测者看到“返老还童”的荒谬结果.这种见解其实是把两个坐标系中观测到的钟慢效应,误认为是某个观测者所“看到”的结果.
     根据Einstein的观点,狭义相对论效应不具有累积效应.如果不具有累积效应,那么在实验中怎么测量狭义相对论效应？时间与长度的变换符合洛沦兹变换,您如何理解双生子佯谬和潜水艇悖论？假设一个物体在运动方向上的长度为l,开始由静止做加速运动,当速度达到0.99c时开始减速直到静止,那么开始与最后的长度是否相等？如果速度相等说明不具有累积效应,时间变换也符合洛沦兹变换,为什么现代物理学的实验证明时间膨胀（譬如μ子绕地运行）具有累积效应,而长度收缩是瞬时效应？
   从Einstein狭义相对论我们知道,运动物体发生“尺缩”、“钟慢”等效应.运动物体“尺缩”效应在狭义相对论看来并不是动体自身物质的收缩,只是时空的一种性质,是时空测量中必然产生的效应,动体的内部结构不会发生任何变化；按Einstein自己的说法：狭义相对论是涉及到刚性棒、理想钟和光信号的理论,根本不考虑动体物质的具体结构和动力学效应问题,这样狭义相对论中动体的“尺缩”“钟慢”等效应是不是一种伴随动体物质结构变化的物理实在以及动体运动过程中基本性物理量的真实变化,在狭义相对论中,根据洛伦兹变换运动物体的长度在运动方向上收缩,是观察效应,还是本质规律？洛伦兹认为这种收缩效应是实在的、客观的,是真实的动力学效应,这种收缩效应引起物质内部结构和物理性质变化,对物质来说具有普遍意义.狭义相对论中‘钟慢、尺缩’属运动学效应,而广义相对论中.它们已属动力学效应,不应该是观察效应,而是物理的真实性.Einstein曾说过：“……仅仅是外部关系的结果,不是一种真正的物理变化”.如果仅仅是观测效应,显然不符和Einstein的哲学观——“有一个独立于知觉之外的客观世界是一切自然科学的基础”.
   为了导出狭义相对论,Einstein作出了两个假设：运动的相对性(所有匀速运动都 是 相 对 的 ) 和 光 速 为 常 数 ( 光 的 运 动 例 外 ,它 是 绝 对 的 ).         他 的 好 友 物 理 学 家P.Ehrenfest        指出实际上蕴涵着第三个假设,  即这两个假设是不矛盾的.物体运动的相对性和光速的绝对性,  两者之间的相互制约和作用乃是相对论里一切我们不熟悉的时空特征的根源. (李新洲,  《寻找自然之律  --- 20 世纪物理学革命》)
2、Lorentz    transformation  的修正
如果认为加速运动的物体引力质量增加、长度缩短、时钟延缓,减速运动的物体引力质量减小、长度增加、时钟加速,这样我们便可以看出自然界的变化具有对称性.这样twins  paradox便可以迎刃而解,因为双生子在运动过程中既有加速过程,也有减速过程,时钟既有延缓过程,也有加速过程,所以见面时年龄应当相同,潜水艇悖论根本不存在.
在上文的理想实验中,物体的引力质量（或者长度）开始与最后应当相等,静止引力质量（或者长度）是绝对的,运动引力质量（或者长度）是相对的,运动引力质量（或者长度）是在实验过程中观察者测得的引力质量（或者长度）,并非内禀引力质量（或者长度）,不同观察者测得的引力质量（或者长度）不同.
因鉴于此,现将Lorentz    transformation修正如下：
t=t0［1－(∫t0 adt0)2/c2］±1/2,l=l0［1－(∫t0 adt0)2/c2］±1/2, 加速时取负号,减速时取正号.
1966年 Farley 等人以2%的精度证实,μ子的衰变率与加速度无关.笔者认为实验中可能只考虑到法向加速度,没有考虑到切向加速度,上式中的加速度为切向加速度.
根据space-time平权理论,加速运动的物体时钟延缓与长度缩短本质是一致的,速度不变（即能量不变）时长度与时间不变,进一步说明了场的space-time本质观点的正确.根据这个修正,上面的潜水艇悖论自然不存在,潜水艇对于不同的观察者看都应当是相对于海平面静止的.这样修正与Lorentz    transformation并不矛盾,与上面的实验也符合,狭义相对论效应不是由加速度决定,而是由加速度对于时间的积分决定.（我认为这一修正可能只是近似,可以从广义相对论推导而来,希望有关数学家可以做这方面的工作.）
                          3、狭义相对论效应与广义相对论效应的统一
狭义相对论与广义相对论是紧密地联系在一起,有质物体的最主要的作用就是产生空间曲率,一切物体在重力场中运动的轨道只所以会发生弯曲在于空间本身是弯曲的,引力质量的大小是物体周围空间曲率大小的表现形式,因此加速运动的物体引力质量的增加可以认为从space-time中获得,此时引力场增强.不同观察测得同一物体的引力质量不同,但是宇宙的总能量不变,进一步说明能量守恒定律的正确性,即狭义相对论效应是能量守恒定律的表现形式.相对论中的时间、长度、引力质量不但具有相对性,同时具有绝对性,是相对性与绝对性的统一,Bohr的观点具有一定的局限性.广义相对论揭示了物质对space-time结构的反作用.因此一个粒子的引力质量并不是它本身所特有的,而是由宇宙中所有其它粒子决定的.这样运动引力质量与静止引力质量之间便统一起来,从根本上解决了上面的问题.狭义相对论可以从广义相对论推导出来.我们在地球上之所以能站起来行走,是由于一切天体都向地球发射引力波.按照广义相对论,只在引力作用下运动的物体,如果用它自己的时钟测量,它总是走者一条费时最多的路线.
设想宇宙中的每一个粒子都带有自己的时钟（一个给定的时间）,固有时间（绝对时间）是对相对时间流逝的仅有的有内禀特性的度量方式.例如当物理学家列出某种亚核粒子的寿命时,他们指的是用粒子自身的钟测得的寿命,而不是实验者测得的寿命.因为如果用实验者测得的寿命,还必须说明粒子与实验者的相对加速度,根据广义相对论它不是一个内禀的物理量,因此会因不同实验而异.相对论天空存在着“两朵乌云”,这是Einstein发现的 :第二朵乌云：在狭义相对论中,任何事物都随观察者的不同而不同.它还包含下面两层意思：一个是每个观察者都只承认自己的结论正确,其他观察者的结论不正确；另一个是所有观察者都对.想在两个观察者中决定谁是正确的,既没有经验上的方法,也没有理论上的方法.这就是相对论的相对性. 很明显,这个观点与经典天体力学中的观念相矛盾.“Einstein自从量子力学革新了物理学中的思想方法以后,到他逝世为止,一直想要保持经典天体力学中的观念,即一个系统的客观物理状态必须跟观察它的方式完全无关.虽然Einstein坦白地承认,他对这方面达成一个完整的解答的希望到目前为止尚远未满足,而且他还没有证明这一观点的可能性,他认为这是一个有待解决的问题.（W.泡利的《相对论》补注23）”后面我们将分析根据引力场的时空本质的观点,这朵乌云根本不存在,观察者运动状态不同测量物理量不同,主要是相对时空作用的结果,但并非实证主义的观点.
在Lorentz    transformation修正后,狭义相对论仍然仅适用于惯性参照系.由于相对space-time总会影响绝对space-time的结构,因此不可能通过追求物理学世界图景的客体性的意向从其实在图景中排除观察及其制约着的效应,重新解释相对论与量子力学,不过相对论效应与测不准原理也是客观的,Einstein 与Bohr分别看到了问题的一个方面.这样修正也符合Einstein的基本思想.
由于狭义相对论的几何基础是Minkowsk空间 ,它仅适用于直线运动.在曲线运动中速度的大小和方向都可能变化,虽然曲线的每一点可以认为是直线段,但是总体上不能看作直线.因此曲线运动必须用广义相对论解释,μ子作圆周运动时间延缓,必须用广义相对论研究.狭义相对论应当是广义相对论的特例.在没有物质的空间中,场方程的解就是Lorentz     transformation.
   广义相对论认为,万有引力实质上只不过是弯曲时空的物理效应,时空弯曲由物质的分布及其运动决定.从大范围讲,时空是弯曲的,平直时空只存在于小的局部范围内.这就是为什么在宇宙中实际上总是找不到严格的惯性系,而只能找到近似的局部惯性系的原因.
  孪生子效应之所以出现“佯谬”或“悖论”,不在于留在地球上的孪生子所处的惯性参考系中是否观测到旅行孪生子的时钟变慢,问题的症结在于从旅行孪生子所处的非惯性参考系中是否也能得到同样的结果.从非惯性系的观点来处理这个问题,借用发展广义相对论所用的一套张量分析数学工具进行计算是方便的.在这个意义上说,孪生子效应的比较令人信服的解决还是与广义相对论有关的.
                                         4、 Einstein的早年哲学观  
                                    （一）唯心主义者
第一阶段唯心主义者（1879年——1891年）,当时Einstein是一个宗教信徒,一个唯心主义者.他在《自述》里写道：那时“我还是深深地信仰宗教”的.他作为一个有思想、有感情的人,出于对追名逐利的世俗传统的厌恶,因而到宗教中去寻找出路和安慰.但是,“这种信仰在我12岁那年就突然中止了.” 由于读了通俗的科学著作,Einstein很快相信《圣经》里的故事有许多不可能是真实的.
                                       （二）实证主义者
第二阶段实证主义者（1891年——1916年）,它自1891年起像一根红线一样贯穿于Einstein的一生,成为他的哲学思想的牢固基石和本质特徵.十七世纪牛顿时代的物理革命是文艺复兴人文主义思想的直接结果,而二十世纪初的物理学变革是十九世纪末哲学变革的结果.Einstein统一性思想是建构在物质性基础之上的,因此,它的最显著、最根本的特征就是坚持了唯物主义路线.也可以说,这就与恩格斯首先提出的“物质性统一”思想保持了本体论意义上的一致.恩格斯认为世界是统一的,并且这个统一的基础是它自身的物质性：“世界的真正的统一性是在于它的物质性,而这种物质性不是魔术师的三两句话所能证明的,而是由哲学和自然科学长期的和持续的发展来证明的.
    上大学时,Einstein有几位卓越的数学老师,按理说应该在数学方面得到深造,可是他“大部分时间却是在物理实验室工作,迷恋于同直接经验接触”.他曾设计了用热电偶检测地球运动引起光速变化的实验,由于得不到设备和支持,实验最终未能完成.Einstein的女婿凯泽尔在传记中写道：“谁也无法使他参加数学讨论会,他还没有看到掌握存在于数学之中的创造力的可能性.他希望完全凭经验进行研究,以适应他当时的科学情绪.作为一位自然科学家,他是一位纯粹的经验论者.”凯泽尔断言早期的Einstein是“纯粹的经验论者”固然言过其实,但至少道出了Einstein当时的经验论思想倾向是相当明显的.
     Einstein的这一倾向也表现在他与奥斯特瓦尔德的关系上.在1901年那个心情沉重的春天,面对失业的Einstein于3月19日和4月3日两次给这位莱比锡大学的化学教授写信,恳请谋取一个实验员的职位(看来他相信自己是一个实验论者).他说他发表的毛细管论文是受到奥斯特瓦尔德《普通化学教程》一书的启发,说自己是“一个对绝对测量很熟悉的数理工作者”.Einstein的父亲也于4月13日贸然给奥斯特瓦尔德写信,为儿子求职,说他儿子“在当代所有大物理学家中最崇敬奥斯特瓦尔德”.
  Einstein选中奥斯特瓦尔德并非偶然.因为奥斯特瓦尔德不仅是一位第一流的物理化学家,而且还是世纪之交一位活跃的哲人科学家.他反对对自然现象作纯力学的解释,坚定地怀疑并批判了力学自然观.以他为代表的能量论者认为,只要能测量观察中所出现的各种量(例如能量、压力、体积、温度、热、电位、质量等)即可,用不着把它们归结为假想的原子过程或动力学的量. 他们谴责像以太这类具有无法直接观测到的性质的概念.他们发出号召,要求重新考察作为所有物理推理基础的基本原理,尤其是要考虑牛顿运动定律、力和作用的概念、绝对运动和相对运动概念的适用范围.所有这些破除迷信的要求(除了反原子论),肯定与年轻的Einstein的志趣十分契合,而且现象论的思想也与他的经验论追求相近.
                          5、洛伦兹变换是动力学效应
我们认为,对于高速力学运动,实际上存在着不同性质的时空变换.我们把它们分别称为“运动学变换”与“动力学变换”：（相对论的）“运动学变换”指的是：对于同一物体在不同惯性坐标中测量它的长度、运动所经历的时间间隔以及质量,此时被测物体本身运动状态不变,只是由于测量系统与被测物体的关系不同而得到不同结果,这时自然不存在物体属性的实在性变化.动力学变换（效应）指：在同一坐标系、针对同一物体的静止和运动两种不同状态,测量其长度、运动所经历的时间间隔以及质量.此被测物体由静止到运动,经历一个加速过程,此时,长度收缩、时间延长、质量增加不仅是观察效应,而且是物体属性变化.这是由于有关“高速运动介子寿命的延长”“加速器中被加速电子、质子的惯性质量加大”,以及“铯原子钟绕地球飞行后变慢”的实验告诉我们：物体的实在属性确实发生变化,而不是观察效应.至于这种变化的机制,还有待进一步研究.狭义相对论就其本身的内容来说,是研究不同惯性系间时空坐标变换.因此,这种物质属性的变化已超出了狭义相对论的范畴.──钱时惕
洛伦兹认为这种收缩效应是实在的、客观的,是真实的动力学效应,这种收缩效应引起物质内部结构和物理性质变化,对物质来说具有普遍意义.从Einstein狭义相对论我们知道,运动物体发生“尺缩”、“钟慢”等效应.运动物体“尺缩”效应在狭义相对论看来并不是动体自身物质的收缩,只是时空的一种性质,是时空测量中必然产生的效应,动体的内部结构不会发生任何变化；按Einstein自己的说法：狭义相对论是涉及到刚性棒、理想钟和光信号的理论,根本不考虑动体物质的具体结构和动力学效应问题,这样狭义相对论中动体的“尺缩”“钟慢”等效应是不是一种伴随动体物质结构变化的物理实在以及动体运动过程中基本性物理量的真实变化.狭义相对论中‘钟慢、尺缩’属运动学效应,而广义相对论中它们已属动力学效应,不应该是观察效应,而是物理的真实性.Einstein曾说过：“……仅仅是外部关系的结果,不是一种真正的物理变化”.如果仅仅是观测效应,显然不符和Einstein的哲学观——“有一个独立于知觉之外的客观世界是一切自然科学的基础”.
文章前面分析了洛伦兹变换,说明了其真实含义,使狭义相对论时钟收缩效应与广义相对论的时钟收缩效应统一在一起,圆满地解释了双生子佯谬和潜水艇悖论,说明了相对性原理正确的原因.
狭义相对论中的运动长度与运动时间其实是相对space-time,并非绝对space-time,这是Einstein实证哲学观的体现.马赫的观点是,物体的运动不是绝对空间中的绝对运动,而是相对于宇宙中其他物质的相对运动,因而不仅速度是相对的,加速度也是相对的；在非惯性系中物体所受的惯性力不是“虚拟的”,而是一种引力的表现,是宇宙中其他物质对该物体的总作用；物体的惯性不是物体自身的属性,而是宇宙中其他物质作用的结果.马赫的精辟见解被Einstein取名为马赫原理.狭义相对论与广义相对论中的时钟延缓本质上是一样的,加速运动的物体激发的引力场的增强,空间曲率变大,相当于引力质量增加,长度缩短,时钟延缓；减速运动恰好相反.如果将引力场与产生引力场的源（物质）作为一个整体来考察.则牛顿的万有引力定律是从整体的角度来考察万有引力场,比如引力质量、惯性质量等描述的是物体和场这个整体的物理性质.只要产生场的物体的整体性质在空间的状态不随时间变化、也不随物体的运动而变化.我们就认为这些引力质量和惯性质量总是守恒的.
     在Einstein的狭义相对论论文中,既有大胆的假设和虚构的成分(这是理性论思想的体现),也有明显的经验论和操作论的成分.而且,马赫的思维方式对Einstein的影响也十分明显,它显著地表现在两个相互关联的方面.第一,Einstein在他的论文开始就坚持,只有对各种概念,尤其是对时间和空间概念的意义进行认识论的分析,才能理解物理学的基本问题.第二,Einstein认为各种感觉,也就是各种“事件”所提供的东西等同于实在,而不是把实在放在感觉经验之外或感觉经验之后的位置上.根据Einstein的观点,狭义相对论效应不具有累积效应.如果不具有累积效应,那么在实验中怎么测量狭义相对论效应？时间与长度的变换符合洛沦兹变换,您如何理解双生子佯谬和潜水艇悖论？假设一个物体在运动方向上的长度为l,开始由静止做加速运动,当速度达到0.99c时开始减速直到静止,那么开始与最后的长度是否相等？如果长度相等说明不具有累积效应,时间变换也符合洛沦兹变换,为什么现代物理学的实验证明时间膨胀（譬如μ子绕地运行）对于空间具有累积效应,而长度收缩对于时间是瞬时效应？
有一种比较普遍的观点,即相对论是一种基于测量的理论.关于相对性理论是一个测量理论,有美国大学物理教科书编者 R.Resnick 先生也作过如下评述：在经典力学中,运动影响测量也不是一个奇怪的概念.例如,由测量得到的声音或者光波的频率与声源或者光源相对于观测者的相对运动有关.这一现象称为 Doppler 效应,他是每一个人都熟悉的现象（比如汽车从身边驶过那个机声声调的变化）.虽然,所有的物理学都认为地面上的观测者和行驶中的火车上的观测者所测得的同一运动物体的运动速度,动量和动能数值是不同的,但是在经典物理学中,空间和时间的测量是绝对的.而在相对性理论中,( 除了光速的测量是绝对的,与观测者是否在运动无关 ) 包括空间与时间的测量都是相对于观测者的.不仅实验事实推断起来与经典物理相矛盾,而且只有考虑了时间与空间的相对性以后,才能使依据物象来完美构造的物理定律对于所有的观测者来说是不变的,即物理定律的绝对性.的确,如果像时间和长度的经典概念所要求的那样,放弃Maxwell电磁场方程的确定形式,那么留给我们的将是一个任意而又复杂的方法系统.比较起来,相对性理论那个方法才是确定的和简单的.所以,相对性理论应当称作绝对论.这个理论的主要之点不在于测量数值的相对效应,而在于把物理定律的相对性移去了,反倒强调了物理定律的绝对性,即所谓事物运动规律不依赖于观察者的立场.
从Einstein狭义相对论我们知道,运动物体发生“尺缩”、“钟慢”等效应.动体“尺缩”这种收缩效应在狭义相对论看来并不是动体自身物质的收缩,只是时空的一种性质,是时空测量中必然产生的效应,动体的内部结构不会发生任何变化；而洛伦兹认为这种收缩效应是实在的、客观的,是真实的动力学效应,这种收缩效应引起物质内部结构和物理性质变化,对物质来说具有普遍意义.按Einstein自己的说法：狭义相对论是涉及到刚性棒、理想钟和光信号的理论,根本不考虑动体物质的具体结构和动力学效应问题,这样狭义相对论中动体的“尺缩”“钟慢”等效应是一种伴随动体物质结构变化的物理实在以及动体运动过程中基本性物理量的真实变化.
  根据Einstein的观点,在狭义相对论中,Lorentz收缩应当属于观察效应,然而到了广义相对论时空弯曲（收缩）是本质规律.它确实是一种观察得到的结果,但是对于运动体系确实存在这种规律.一维可以理解为数轴,理论上有了原点、单位、方向就可以使每一个时间点与一个数值（时间）对应起来.但我们某时刻总是在某时间点上及不能倒退,也不能超前,也不能让时间停止.这样的时间可以与时钟程对应关系.但建立坐标系时,数轴变成了坐标轴.坐标轴上的刻度,表示的不再是坐标轴上的值,而是扩展到整个坐标系,即坐标线（二维）和坐标面（三维）.时空参考系中的时间,是四维时空中的一维.时钟的某一时刻都应该有时空图中的坐标线、坐标面与之对应,Lorentz  transformation中是有这些东西的,称之为同时性.但在非惯性系中,由于产生了时空弯曲,同时性失去了原有的意义.
在相对论中,Einstein指出,空间收缩的效果是可测量的.然而Einstein却又宣称,对同一参考框架,两不同的时空度规(metric)解(例如：史瓦西(Schwarzschild)解和各向同性的解)在物理上是等效的.基于史瓦西解和各向同性的解产生相同的光线偏移,Einstein评论,"应该注意,这个结果和相关的理论,同样地不被我们的坐标系统的任意选择所影响”. 宋健说,关于GPS 能否检验收缩因子的存在这个问题,至今使研制GPS 的人头痛.航天部门林金教授已多年研究此问题,目前还介入指导中国的GPS 研制.泡利在其《相对论》一书中有一段评论（上海科学技术出版社,凌德洪等译）：“......我们知道,这种收缩是和同时性的相对性有关的,正因为这个理由,曾经有过这样的论断,这种收缩仅是一种‘表观’收缩,换句话说,它是由于我们的时空测量所引起的.......但是我们不认为这样的观点是合适的,而认为在任何情况下洛仑兹收缩原则上是可以观察的.在这一方面,Einstein的理想实验是富于启示性的.它证明了观察洛仑兹收缩所必须的,测定空间上相互隔开的两事件的同时性,可以完全借助于量杆来完成,而不必用时钟.我们设想用具有相同的静止长度L0的两个杆A1B1和A2B2,它们分别以大小相等,方向相反的速度v相对于K运动.当A1和A2,B1和B2分别重合时,我们在K中标出这两点并记为A*和B*（由于对称性的理由,这种重合在K中是同时发生的）.因而A*B*的距离当用在K中为静止的杆来度量时,其值为L=L0*(1-v2/c2)0.5.由此可知洛仑兹收缩不是单一量杆所量出的性质,而是两根彼此作相对运动的同样的量杆之间的倒易关系,这种关系原则上是可以观察的.”
瓦瑞恰克是在狭义相对论诞生之初就对相对论作出重要贡献的物理学家,发现了相对论速度空间可以用罗氏几何来理解.对于相对论的时空观的提法,他提出了自己的看法,就是认为“尺缩”仅仅是由“校准时钟和度量长度的方法所引起的......”.这是他在莱比锡《物理学的期刊》上一篇《关于艾伦菲斯特的悖论》论文中提出的,Einstein觉得“对这些意见是不应当置之不理的,因为它们可能引起混乱.”于是写了《关于艾伦菲斯特的悖论——对V.瓦瑞恰克的论文的意见》,发表在同一刊物上,文章短小,似乎击中要害,我们引述最重要的文字（《Einstein文集》第二卷,范岱年等编译）：“这一点瓦瑞恰克先生或许会承认......但是他也许会坚持这样的观点,认为洛仑兹收缩的根源完全在于任意规定‘我们校准时钟和度量长度的方法’.下述理想实验表明,这种观点是多么缺乏根据.设有两个（静止时相比较）等长的量杆A’B’和A”B”,它们能够沿着一个非加速的坐标系的X轴,同X轴平行的,以同样的取向滑动.当A’B’向X轴的正方向,A”B”向X轴的负方向,以任意大的恒速度运动时,A’B’和A”B”应当相互滑动而过.这时端点A’和A”在X轴的一个A*点相遇,端点B’和B”在X轴的一个B*点上相遇.于是,根据相对论,距离A*B*小于量杆A’B’和A”B”中任何一个的长度,这是可以由一个在静止状态中同线段A*B*相重合的量杆来加以证实的.”
从Einstein狭义相对论我们知道,运动物体发生“尺缩”、“钟慢”等效应.运动物体“尺缩”效应在狭义相对论看来并不是动体自身物质的收缩,只是时空的一种性质,是时空测量中必然产生的效应,动体的内部结构不会发生任何变化；按Einstein自己的说法：狭义相对论是涉及到刚性棒、理想钟和光信号的理论,根本不考虑动体物质的具体结构和动力学效应问题,这样狭义相对论中动体的“尺缩”“钟慢”等效应是不是一种伴随动体物质结构变化的物理实在以及动体运动过程中基本性物理量的真实变化,在狭义相对论中,根据洛伦兹变换运动物体的长度在运动方向上收缩,是观察效应,还是本质规律？洛伦兹认为这种收缩效应是实在的、客观的,是真实的动力学效应,这种收缩效应引起物质内部结构和物理性质变化,对物质来说具有普遍意义.狭义相对论中‘钟慢、尺缩’属运动学效应,而广义相对论中.它们已属动力学效应,不应该是观察效应,而是物理的真实性.Einstein曾说过：“……仅仅是外部关系的结果,不是一种真正的物理变化”.如果仅仅是观测效应,显然不符和Einstein的哲学观——“有一个独立于知觉之外的客观世界是一切自然科学的基础”.
钱时惕讲：“我们认为,对于高速力学运动,实际上存在着不同性质的时空变换.我们把它们分别称为“运动学变换”与“动力学变换”：（相对论的）“运动学变换”指的是：对于同一物体在不同惯性坐标中测量它的长度、运动所经历的时间间隔以及质量,此时被测物体本身运动状态不变,只是由于测量系统与被测物体的关系不同而得到不同结果,这时自然不存在物体属性的实在性变化.动力学变换（效应）指：在同一坐标系、针对同一物体的静止和运动两种不同状态,测量其长度、运动所经历的时间间隔以及质量.此被测物体由静止到运动,经历一个加速过程,此时,长度收缩、时间延长、质量增加不仅是观察效应,而且是物体属性变化.这是由于有关“高速运动介子寿命的延长”“加速器中被加速电子、质子的惯性质量加大”,以及“铯原子钟绕地球飞行后变慢”的实验告诉我们：物体的实在属性确实发生变化,而不是观察效应.至于这种变化的机制,还有待进一步研究.狭义相对论就其本身的内容来说,是研究不同惯性系间时空坐标变换.因此,这种物质属性的变化已超出了狭义相对论的范畴.” Einstein说过：……这也许是物理学的一个特征,某些基本问题可能会永远纠缠着我们.狄拉克临终前提醒我们：……对狭义相对论的认识还远没有完善.2005年6月,英国的J.Dunning-Davies教授曾说过一段很有意思的话：“在20世纪末,许多人仍象对待圣物那样盲目相信由相对论推出的任何结果.他们忘记了所有理论都是人为的,而宇宙却不是人造的.任何理论或模型,只不过是微不足道的人类智力作出的某种解释.但许多人如此深信某个理论的正确,而知名权威们竟不惜代价地阻止任何人对这些理论提出任何问题.Dingle（对相对论）的忧虑至今被隐藏起来,Thornhill对狭义相对论（SR）的有效性的怀疑难见天日.……实际上,主流物理学并非如大多数人所以为的那样坚实与无懈可击.”
根据Einstein的观点,狭义相对论效应不具有累积效应.如果不具有累积效应,那么在实验中怎么测量狭义相对论效应？时间与长度的变换符合洛沦兹变换,假设一个物体在运动方向上的长度为l,开始由静止做加速运动,当速度达到0.99c时开始减速直到静止,那么开始与最后的长度是否相等？如果速度相等说明不具有累积效应,时间变换也符合洛沦兹变换,为什么现代物理学的实验证明时间膨胀（譬如μ子绕地运行）具有累积效应,而长度收缩是瞬时效应？
我们生活的世界是3维线性空间,加上时间维是4维.在这个空间上给出一个度量（就是一个二次型矩阵）：标准的情形diagonal（1,1,1,-1）.观测者的参考系不同,这个度量也不同.有人认为度量是人为给定的,因为度量的选择不能改变整个空间或流形（就是高维的曲面,广义相对论中存在弯曲）的微分结构和拓扑结构.度量的选取乃是观察者的感觉,同一个客体可以给出不同的度量,但是最终决定空间结构的拓扑量和微分结构不会改变（Milnor怪球是拓扑同胚但微分结构不同的例子）.‘钟慢、尺缩’等度量的改变是观察效应,还是物理的真实性,决定于我们认为到何种程度上的结构是真实存在的.（拓扑,微分,度量是逐步细化、逐步更高层次的结构.）我们处理的眼光角度不同,得出“‘钟慢、尺缩’等度量的改变是观察效应,还是物理的真实性”问题的答案就不同.
笔者认为,Lorentz  transformation不是观测效应,是物质运动过程中的真实变化,不具有累积效应,它的本质只能通过广义相对论才能理解.
                       6、修正后的洛伦兹变换的实验验证问题
通过这样修正狭义相对论,不但可以解释减速以及虚速率下的相对论,而且发现相对论更加具有数学上的美感：运动物体的长度既可以增加,也可以缩短；运动时钟既可以延缓,也可以加速；运动物体的引力质量既可以大于静止质量, 也可以小于静止质量.自然界物体的运动 —— 加速与减速、实速率与虚速率更加显示出对称性与统一性,反映在科学上便具有科学美.无疑这样修正符合Einstein的科学思想 —— "大自然总是喜欢简单与美感."笔者认为简单本身就是一种美感.进一步可以设想,这样还可以解释一些用现代物理学无法解释的现象,譬如由于运动物体的引力质量可以减小,可以解释动物在死亡过程中重力略微减小——其体内某些物质的运动速度在减速（当然应该利用实验证实）等等.澳大利亚新南威尔士大学网站对双生子问题的解释网页 http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/twin.html说明了上述观点的正确.
假设A、B两物体的静止质量相等,一个物体以角速度ω旋转,同时两物体以V作平动,那么根据Lorentz     transformation,他们的能量相等,可是旋转物体具有转动动能,那么如何解释？狭义相对论只研究了平动状态下的情形,因此在转动状态下需要进一步修正.假设一个物体的静止引力质量为m0,转动动能为E（计算时应当考虑相对论效应）,则它的能量为m0c2+E,此时它的运动引力质量为（m0c2+E）/c2.如果一个物体同时作平动与转动,那么转动时的运动质量可以作为平动时的静止质量.自旋是带电粒子的相对性理论的一个自然特色,它和广义相对论是以一种未知的方式深刻地联系在一起的.两个电子的总自旋通过体系轨道波函数的对称性质,对氦原子的能量具有很大的影响.
下面的实验可以验证修正的Lorentz   transformation的正确性：用宇宙飞船携带国际米原器、时钟到月球旅行一周,在运动过程中使米原器始终沿着运动方向.根据广义相对论,在运动过程中引力场在减弱,返回后米原器的长度应当基本不变,时钟的运动应当加速.Hafele和Keating把铯原子钟分别放在地面和飞机上,据说飞机向东绕地球一周返回地面,飞机上的铯原子钟比地面的慢,而飞机向西绕地球一周返回地面,飞机上的铯原子钟比地面的快,说明了上面的修改是正确的.,“根据凯利博士从美国海军天文台索取的原始资料复印件,四个钟的其中三个有严重的不稳定基线漂移.用Hafele在1971年内部报告上自己的话说,多数人包括我自己不认为这些原子钟指出的时间加快说明任何问题,理论与测量数值的不同令人困扰.理论上东向飞行的钟应比地面钟-40ns,西向飞行的钟应比地面钟+275ns.而实验值用最稳定的447号钟,东向飞行的钟比地面钟-97ns,西向飞行的钟比地面钟+26ns,从对比数据可以发现实验的值与理论计算发生严重的偏差,根本谈不上实验验证了狭义相对论的时间延缓效应.”当物体作匀速直线运动时,物体的质量没有变化,周围的时空结构也没有变化,因此与静止状态效果一样,并不辐射引力波,相对性原理是正确的.
7、几个狭义相对论验证实验的重新分析
尽管相对论解释了许多实验,但是否揭示了导致实验的本质原因,需要继续研究.1971年美国科学家在地面将精度为0.000000001秒的铯原子钟对准,把其中4台原子钟放到喷气式飞机上绕地球一圈,然后返回地球与地面上静止的原子钟比较,结果是绕了地球一圈的这4个原子钟比地面上的慢了59毫微秒（0.000000059秒）,与广义相对论的计算结果误差为10%.后来将这个实验的喷气式飞机换成宇宙飞船,实验数据更接近广义相对论的计算结果.物理学家曾经利用原子钟高速运动时钟减缓寿命的延长,说明狭义相对论的正确,笔者认为这是不妥的.因为原子钟在高速运动过程中,地面上的时钟相对于它也在高速运动,为什么地面上的时钟不减缓呢？因为原子钟在实验中有一定的飞行高度,在飞行过程中实际是变速运动,加速运动的物体可以产生引力场,根据广义相对论引力场中时间延缓,所以对此应当重新分析.引力场强度不变,时钟的快慢不变,强度变大,时钟延缓,反之时钟加速.1971年,为了验证相对论的时间变化,美国进行了原子钟环球飞行实验,其结果是：时钟向东飞行时慢了59×10-9,往西飞行时快了273×10-9.广义相对论的计算值与实验结果有一定的偏差（尤其钟快现象）.总之,在实验中的三组原子钟相互看来,实验中既有“动钟变慢”现象,也有“动钟变快”现象.
一般认为,来自外层空间的宇宙线轰击地球大气,产生了大量的μ介子,这些μ子具有很宽的能量范围,飞行速度有大有小,高能量的μ子速度非常接近光速c,可大于0.9954c.μ子寿命很短暂,产生后会很快衰变掉,各个μ子的实际寿命有长有短,但是当我们统计群体μ子的平均寿命时发现,其平均寿命是恒定的.一群μ子衰变掉一半所需的时间,称为半衰期,常被用作寿命的标志,大量的实验统计出静止μ子的半衰期T = 1.53×10-6秒,恒定不变.在μ子和介子实验中,μ子和介子作有加速的圆周运动,实验证实作这样运动的μ子和介子的平均寿命大于静止μ子和介子的平均寿命.因为1963年的一次实验中,人们在高1910米的山顶上,测量铅直向下的速度在0.9950C～0.9954C之间的 - 子数目,每小时平均有563 ± 10个；然后在离海平面3米高的地方测量相同速度的 - 子数目,平均每小时408 ± 9个. - 子从山顶运动到海平面所需时间应为： . 这是静止 - 子半衰期 的4倍多,如果高速运动的 - 子半衰期和静止时相等的话,人们预期在飞行经过1907米距离后,在海平面附近的 - 子数应不到   个.而当时实际测量却有408个,这清楚地表明,运动着的 - 子半衰期增长了,或者说,衰变过程变慢了.
【1】【2】
笔者认为这是一个广义相对论效应——μ子和介子在飞向地球的过程中,引力场在增强,  同时由于μ子带有电荷,地磁场的存在相当于加强了引力场.笔者认为下面的实验也应当是一个广义相对论效应,长度收缩不具有累积效应：在现代高能物理研究中常用的粒子加速器中,粒子可以被加速到0.9998c的高速.从下表可以看出原长1米的原子管道的长度收缩效应.
速度        静止长度        运动长度
0.1c        1m        0.995m
0.5c        1m        0.886m
0.8c        1m        0.6m
0.9c        1m        0.436m
0.97c        1m        0.243m
0.99c        1m        0.141m
0.999c        1m        0.045m
0.9998c        1m        0.02m
                              
参考文献：
【1】A.P.弗伦奇 著《狭义相对论》 人民教育出版社1979年6月第1版
【2】倪光炯 李洪芳 著《近代物理》上海科学技术出版社1979年8月第1版
8、同时性的绝对性
泡利所说“测定空间上相互隔开的两事件的同时性,可以完全借助于量杆来完成,而不必用时钟.”绝对有序的概念和普适时间的概念都包含同时的绝对性论断,这与狭义相对论的同时的相对性是完全矛盾的.最后可以提到,在时间观念上,作为现代物理学的两个支柱的相对论和量子理论一直存在着抵触.量子力学在绝对意义上使用时间的概念,同时性也具有绝对的意义,而相对论认为这是不容许的.正如狄拉克所说：“这里我们就碰到了巨大困难的开头.……这个抵触是最近四十年来物理学的主要问题.可以说,物理学家们的主要努力全是围绕着要协调相对论和量子力学这一问题而转的.对于这一课题已经做了大量工作,但还看不到解决的办法.”现在,远距关联实验的结果也许为我们解决这个问题提供了一点依据和线索.　
根据相对绝对论,同时性应当是相对性与绝对性的统一,也符合唯物辩证法的观点——除了作为整体的宇宙及其一般规律而外不承认任何绝对不变的东西和绝对不变的界限.狭义相对论引发了对空间和时间的物理概念的清晰理解,对运动着的测量杆和测量钟的行为的认识.它在原则上去掉了绝对同时性的概念,表明了当处理运动速度同光速相比不是小的可以忽咯的运动时,如何对运动规律进行修改.它导致了Maxwell的电磁场方程组形式上的澄清,尤其是它还引发了对electric  field和磁场本质上的 同一性的理解.它把质量守恒和能量守恒这两个规律统一起来,从而展示了质量和能量的等效性.从形式的观点上看,人们可以这样来刻画狭义相对论的成就：它概括性地表明了普适常数C（光速）在自然规律中扮演的角色,同时展示了以时间为一方,空间坐标为另一方,两者进入自然规律的方式之间存在着密切联系.【1】一九零五年Einstein第一篇相对论论文“论运动物体的电动力学”中讲到 tA-tB=rAB/c-v,  tA′-tB=rAB/c+v,这里Einstein误用了经典速度合成公式,许少知先生首先发现并对此进行了批评.如果用相对论速度合成公式可得 tA-tB=rAB/c,  t′A-tB=rBA/c.由于相对于观测者A、B是以速度V运动的,因此光从A→B,距离rAB,不等于光从B返回到A,即： rAB≠rBA, 还是可以得到同时性的相对性结论.
协同学的创始人,H•哈肯是这样说的:“狭义相对论否定了绝对参考系的存在,但是3k宇宙背景却是一个很好的绝对参考系.这个新的绝对空间导致了一个有趣的时间概念:在狭义相对论中,作任意运动的不同观察者不可能找到一个共同的时间,而与3k宇宙背景联系的观察者却经历着一个宇宙的或者说是普适的时间.” 【2】相信有一个外在的客观世界,以及对其描述时我们的时、空概念具有客观性、统一性、普适性和相对独立性,这是物理学的最最基本信念和概念基础,全部物理学可以说都建立和展开在此基础之上. Einstein所讲的同时性的相对性只是对于以光速传播的电磁场而言,并非绝对化.在运动会上以光信号与声信号得到的同时性是不同的,但是绝对的同时性在理论上还是存在的,例如A点发出的光信号,在以A点为圆心,以R为半径的圆上收到信号的时间是同时的.郭峰君先生说：“众所周知,狭义相对论推导洛仑兹变换是以坐标系的原点O'与坐标系K的原点O完全重合的瞬间开始计算坐标位置和计时时刻的.Einstein在论证所谓“尺缩钟慢效应”时,却都疏忽了坐标系的原点O'与坐标系K的原点O是否处于完全重合的瞬间这个必须具备的最起码的基础条件,全然忘记了他自己设计的“同地性”和“同时性”这两个最原则的基本概念.Einstein说：‘只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里,那么任何想要满意地澄清这个悖论的尝试,都注定要失败.’
参考文献：
【1】Einstein  著  方在庆 韩文博  何维国  译.《Einstein晚年文集》  海南出版社    2000年3月第1版
【2】《自然杂志》7卷8期P582
                    9、虚速率及其存在下的相对论
   马赫说：“如果这种假说有可能使某些可观察到的性质在逻辑上联系起来,而要是没有这种假说就永远无法联系,那么,就不得不接受这种假说.”赫拉克利特 (鼎盛年约 BC504 - 501) 已经认识到 “思想是最大的优点,智慧就在于说出真理,智慧只在于一件事 ,就是认识那善于驾驭一切的思想 .”,亚里士多德 (BC384 - 322) 则更加明确地指出 “人们追求智慧是为了求知,并不是为了实用 .”
量子统计物理证明了,任何具有上限能量且有有限个能级的平衡孤立系统,可以出现负绝对温度.当温度T→+∞后,系统内能再增大,温度跳变到T＜0,这就是负温度状态.负温度的存在,不仅在理论上得到证明,而且在核磁共振与激光技术中已有应用.
    由量子统计物理可知,粒子具有的统计平均速率与系统温度的平方根成正比, V∝T0.5 ,当T＞0时,V为实速率；当T＜0时,V=vi为虚速率【1】.
    既然负温度的存在,不仅在理论上得到证明,而且在核磁共振与激光技术中已有应用,因此我们应该承认负温度与虚速率的存在,进一步假定Lorentz  transformation  对于虚速率状态依然成立.
    当物体的运动速率为虚速率时,加速度应当为虚加速度,此时［1－(∫t0 aidt)2/c2］＞1,于是：当速率的绝对值增加时,物体引力质量减小、长度增加、时钟加速；当速率的绝对值减小时,物体的引力质量增加、时钟延缓、长度缩短.
参考文献：
【1】        阎庚年 著.《热力学史》山东科学技术出版社  1989年5月 版
附录：负温度——颠倒了的物理世界
文章提供 于 2013-1-14 10:29:29 (北京时间: 2013-1-14 23:29:29)
文章作者: 程鹗
今年元旦刚过,德国物理学家乌尔里克•斯奈德便发布了一项新成就：实现了处于比绝对零度还低的“负温度”状态的气体.这个结果通过新闻界报道引发了对温度的好奇.其实,所谓的“负温度”并不是一项新发明,也不是不可思议的极低温.恰恰相反,那可以说是非常高的温度,以至于无法用通常的温度概念描述.这也是一个与经验相反的颠倒世界.
……
热力学研究发现,不仅仅不存在绝对零度以下（负温度）的状态,绝对零度本身也是无法达到的.此后发现的量子力学之测不准原理更说明原子是不可能绝对静止,因此不可能存在处于绝对零度的系统.目前所知的最接近绝对零度的物质是在实验室里人为创造出来的.科学家通过激光制冷手段可以将处于气体状态的原子冷却到极低温,并因此实现玻色-Einstein凝聚.2003年,麻省理工学院的实验室将钠原子降到450pK（1pK是10的负12次方开尔文度）,是现在的最低温记录.
后来的统计物理学研究为熵作出了更为清楚的定义：熵值描述的是系统在可能占有的微观状态上的分布程度.如果一个系统只占有小部分的状态,比如固体中分子只在固定的晶格点附近振动或者按照颜色站好队的水,它的熵值便比较低.反之,流体中分子可以完全自由运动；不同颜色融合后的分子间的分布组合也大大增加,其熵值也就比较高.
熵还为温度本身提供了一个更为严格的定义.因为热运动并不是系统唯一的能量来源,把温度简单地看作热能的衡量并不准确.物理系学中的温度是改变一个系统的熵所需要的能量.在不同的状态下,将一个系统的熵改变一定量时所需要的能量是不同的,而这正是系统温度的不同.
在我们日常的世界中,能量和熵的变化总是步调一致的,系统在获得能量的同时熵会增加.物体获得能量（热量）后会膨胀,扩大状态空间,甚至从固体融化成液体、进而蒸发为气体,这都是趋向无序的过程.反之,能量减少时熵亦会减小.这样得出的温度数值随状态变化虽然不同,却永远是正数,也就是绝对零度以上.
然而,在量子世界里,我们却可以遇到甚至构造出一些奇异的体系,与日常经验不符乃至相反.在经典世界里,随着能量的增加,系统中粒子动能会越来越大,没有止境.它们能占据的态也因此越来越多,更加无序,所以系统的熵会随着能量增加.
而量子世界中的粒子只能占据量子化的能量态.随着能量的增加,越来越多的粒子会进入高能量态.绝大多数的量子系统有着无止境的高能量态,粒子占据越多的高能量态,系统的熵越高.这与经典系统没有区别.的确,量子系统在高温条件下通常可以用经典物理描述.
但在非常特殊的情况下,人们可以设计出只存在有限能级的量子系统.在这样的系统中,粒子所能占据的能量态有限.能量增加的结果使得越来越多的粒子集中在最高的能级上.这样集中的结果是系统趋于有序,熵反而减少了.如果所有的粒子都集中在最高能级上,系统会变得完全有序,熵因此变成零——与所有粒子都集中在最低能量态的经典意义上的绝对零度情形一样,只是完全颠倒了.因为能量增加导致熵减少,按照“改变系统的熵所需要的能量”的定义,该系统的温度是负数！
这个意义上的负温度虽然匪夷所思,它其实是很早就被科学家认识的.它之所以稀有,是因为它在经典物理世界中不可能存在,在量子世界中也需要非常特殊的条件才可能.这样的负温度系统早在1951年就被物理学家在核子自旋系统中证实了.差不多同时,科学家发明了激光.他们选择合适的材料和条件,使得其中原子只有少数几个能级可供电子跃迁,然后输入能量将大量原子激发到其中的高能激发态,使得处于高能量态的原子多于基态.这样的原子体系便处于负温度状态.而这些原子步调一致地从激发态跃迁回基态时所付出的光子便成为激光束.
核自旋和激光系统都不是“纯粹”的负温度系统.它们只是在特定的自由度（自旋和原子能级）上实现了负温度,而原子本身所处的还是平常的正温度环境.今年德国物理学家所实现的突破便在于他们把一些经过激光制冷的原子通过调制整体地进入了负温度状态,这些原子完全处于负温度,不再另有正温度环境.但这样实现的状态非常不稳定,只能存活非常短暂的时间.
如果负温度系统接触到正温度系统是会发生什么样的现象？处于负温度状态的系统是不稳定的,会自发的释放能量.激光束正是这种能量释放的表现.它们接触到正温度系统时会自发地将能量传递给对方.正温度系统接收热量后能量和熵都会增加,温度增高.同时负温度系统在损失能量时（如果没有外来能量补充的话）熵也会增加,直到失去负温度状态.因此整个系统正像热力学定律所要求的那样向熵增加的方向演变.因为这个过程中能量（热量）是从负温度一方传向正温度一方,负温度并不比正温度更“冷”,而是比任何正温度还要“热”——这正是一个颠倒了的物理世界.      来源: 搜狐
作者: sunwinism    時間: 2017-12-4 09:06

现代物理学基础的思考之九:大爆炸理论的思考
            目录
    第一章       大爆炸理论
1、经典力学框架下的宇宙观
2、宇宙背景辐射
3、哈勃定律的提出
4、大爆炸理论简介
5、大爆炸理论的实验根据
6、大爆炸理论的经典力学基础
7、大爆炸理论的广义相对论基础
8、大爆炸理论与现代物理学基本原理之间的矛盾
9、 相对性原理和宇宙学原理的疑难
10、大爆炸理论与广义相对论的矛盾
11、大爆炸理论的天文学困难
                  12、局爆宇宙学及其实验证据
13、局爆宇宙学的困难
                   14、宇宙自然选择学说简介
第二章    宇宙无限论
                   1、宇宙论中时间箭头的争论
                  2、量子力学与热力学中的随机性
                  3、光度佯谬及其解释
                  4、引力佯谬及其解决
                  5、宇宙无限论的实验基础
                  6、宇宙无限论的理论基础






               第一章   大爆炸理论
  1、经典力学框架下的宇宙观
      遂古之初，谁传道之？ 上下未形，何由考之？  圜则九重，孰营度之？ 翰维焉系？天极焉加？  八柱何当？东南何亏？九天之际，安放何属？ 隅隈多有，谁知其数？ 天何所沓？十二焉分？ 日月安属？列星安陈？
                                        ----屈原，《天问》
  物理学家弗里敦说过：“所有的物理学定律最终都是从宇宙中获取信息的，从牛顿定律到量子力学的所有原理都可以用同一种方法推导出来.”
亚里士多德认为时间既是事物运动的尺度也是事物静止的尺度，实质上已得出了时间是物质持续性的量度，时间既不是运动，又不能脱离运动，它依赖于物质的运动而客观存在着.时间是无限的，即时间在量上是无限的，又是无限可分的.宇宙既不生成，也不可能消灭，是单一的和永恒的，它的整个时期既无开端也无终结，在自身包含着无限的时间.【1】
16世纪前，人们只能凭肉眼看到六、七千颗星体.1539年哥白尼提出日心说，人类对宇宙的认识进了一大步. 波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473-1543）1536年写成《天体运行论》，1543年公开出版.认为太阳是宇宙中心，而地球只是一颗普通的行星，这样恒星的东升西落，行星的打圆圈的视运动都能解释了.他对宇宙分成若干天层；太阳静止于中心，挨着是水星天、金星天、带月亮的地球天、火星天、木星天、土星天和恒星天等.地球不是宇宙的中心而是围绕太阳运行的普通行星,其自身又以地轴为中心自转.哥白尼的日心说推翻了统治天文学1000多年的地心体系（即地球是宇宙中心的学说），引起了全世界的轩然大波，人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色.在此之后，天文学上的发现不断地突破人们所建构的关于宇宙中心的知识体系，地球不是中心，太阳也并非就是，银河系也不是，随着爱因斯坦广义相对论的提出，人们才认识到宇宙根本没有中心.
17世纪，天文望远镜问世、开普勒三定律和牛顿万有引力定律的建立，标志人类进入掌握行星层次天体运动规律的阶段，为进入工业社会奠定了必要的科学基础.开普勒在弟谷观察的资料基础上，于１６０９年发表了《新天文学》一书，叙述了行星运动的两条定律.第一条定律提出所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行，太阳位于椭圆的一个焦点上.第二条定律指出每一颗行星的向径在相同时间里扫过的面积相等.后来又在《宇宙谐和论》中补充了第三定律，行星绕太阳公转的恒星周期平方和行星轨道半长径的立方成正比.为牛顿发现万有引力定律铺平了道路.牛顿从苹果落地事实启示联想到一个人站在山崖上，把一块石头轻轻地放开，石头会直落到地面，如果他用力把石头抛向远处，石头就会向前跑一段再成一个弧形落到地上.如果他用力更大，落下更远.若力足够大时，这就不会再落到地面上，而围绕地球公转起来.地球没有引力，该石头就会朝着他抛出的方向照直飞去.引力就像一头拿在小孩手中，一头拴着小石头的绳子一样，从小孩手中牵引着小石头转圈.这样只要证明地球对月球的吸引力确实就是月球绕地球运行所需的向心力.经过十几年的努力，终于找到计算引力的公式，后来跟力学三定律一起发表于《自然哲学的数学原理》一书中.牛顿提出：物体的每个分子吸引其它分子，这个引力强度与其质量成正比和被吸引的分子之间的距离平方成反比.但牛顿无法解释星体为何一开始就作如此运动.因此，就把上帝作为第一推动者.天体为什么会按哥白尼体系运动，笛卡尔曾提出过以太旋涡理论.后来为康德与拉普拉斯吸收了牛顿引力理论构成旋涡星云演变说.1900年美国的钱伯林提出星子说，认为有一颗恒星运行到太阳附近，在太阳的正面和背面掀起两股巨大的潮，从太阳喷出的物质逐渐汇合成围绕太阳的气盘，并逐渐凝聚成行星和卫星.1916年英国金斯提出“潮汐说”，认为一恒星接近太阳，从太阳表面引出潮汐隆出物，这雪茄烟形长条逐渐脱离太阳并形成行星.杰弗里认为恒星与太阳相撞，撞出物形成行星系.1944年苏联施密特认为太阳通过暗星云时俘获物质，形成绕太阳旋转的星云盘，逐渐形成行星和卫星.同年德国魏扎克认为绕太阳旋转的气体尘埃盘中出现规则排列的旋涡，在次级旋涡中形成行星.
稳恒态宇学认为宇宙在时间和空间上都是无限的.它主张宇宙从未有过开始，或者更确切地说，宇宙乃是处于连续的创造过程之中.当宇宙膨胀之时，总密度减少，但密度存在一个下限值，宇宙不会在密度低于此值的情况下存在.当宇宙接近这个下限值时，便会创造出更多的物质来使密度再度升高.因此当宇宙不断地膨胀时，新的物质便连续地在星体中创造出来以填补空隙.新形成的物质就是构成星系的氢.每个新星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以致死亡，但又形成新的星系团.新星系形成，老星系死亡，但宇宙的总密度不变.并且总是存在有各种不同年龄的星系.因此，宇宙在任何时期检验都是一样的.尽管个别星系团有所变化，但总体图象是始终如一的.
牛顿在《自然哲学之数学原理》的“总释”里还写道：“六个行星在围绕太阳的同心圆上转动,转动方向相同,而且几乎在同一个平面上;鉴于慧星的行程沿着极为扁平的轨道跨越整个天空的所有部分,不能设想单纯力学原因就能导致如此多的规则运动:因为它们以这种运动轻易的穿越了各行星的轨道,而且速度极大;在远日点,它们运动最慢,滯留时间最长,相互距离也最远,因而相互吸引造成的干涉也最小.这个最动人的太阳、行星和慧星体系，只能来自一个全能全智的上帝的设计和统治.如果恒星都是其他类似体系的中心，那么这些体系也必定完全从属于上帝的统治”.牛顿的原文中仅有：“...我用重力解释了天体运行和海洋的潮汐，但我还不能指出重力自身的原因...”.中世纪文艺复兴以来,生气勃勃的新兴科学,以哥白尼为开端的日心说,向教会写了宣战书!以牛顿自己也表示：“我不知重力自身的原因...上帝设计一切和统治一切”这段话为终结，向教会高悬免战牌！牛顿的星体引力场理论清楚地给出了万有引力定律:在星体时空中,给出了物体由与星体间引力相互作用产生的运动规律.爱因斯坦广义相对论也是星体的引力场理论，核心是:星球告诉周围时-空如何弯曲;时空告诉其中的物体如何运动.由于后者考虑了时空参考系的相对性原理,从而比前者更苻合天文观测的实际结果.这两个引力场理论,对质点在星体引力场中运动的几何轨迹,都给出了很好的描述，并且后者由于满足时空相对性原理而更准确些.
参考文献：
【1】《物理》第31卷第2期117页.
            2、 宇宙背景辐射(cosmic background radiation)
       定义：来自无明显分立源天区的各向同性电磁辐射.在不同波段，辐射有不同的起源，并可具有非宇宙学起源.
       所属学科：天文学（一级学科）；星系和宇宙（二级学科）
       百科名片:宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射.特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同.频率属于微波范围.宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年.大爆炸宇宙学说认为，当宇宙发生大爆炸时，开始时宇宙的温度是极高的，之后慢慢降温，刚到现在约150亿年后大约还残留着3K左右的热辐射.
     概念:宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射.二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统.1964年，他们用它测量银晕气体射电强度.为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声.他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K.1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖金.
   特征：微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3厘米－75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到.从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射.黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件.因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱.由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前.微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息.微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性.这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性.在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2－0.3％；其次是大尺度上的各向同性.沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3％.各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系.
起因：1964年，美国贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Penzias， A. A .）和威耳逊 （Wilson，R . W .）为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统.他们安装了一架卫星通讯用的喇叭形天线.这架天线有很强的方向性，即喇叭口对向天空中某方向时，地面及空中其它方向电磁波干扰都很微小.为了检验这台天线的低噪声性能，他们避开噪声源而将天线指向天空进行测量，在波长7.35厘米处所作的测量已经表明，无论天线指向什么天区，总会接收到一定的微波噪声.这种噪声相当显著，并且与方向无关.他们日复一日，月复一月地进行测量，结果都是一样.它既没有周日变化，也没有季节变化.与地球的自转和公转运动也没有明显关系.起先，他们怀疑这种噪声来自天线系统本身.1965年初，他们又对天线进行了彻底检查.他们拆卸了天线的喉部，发现有个鸽子窝，他们又把鸽子窝清除掉.虽然做了种种努力，仍无法把噪声降下来.从而排除了这种噪声来自天线系统本身的可能性.就是说，这种噪声应当是来自空间的一种辐射.这种辐射相当于绝对温度在2.5－4.5K之间的黑体辐射，通常称之为3K宇宙微波背景辐射.由于天顶方向和地平方向的大气厚度明显不同，彭齐亚斯和威尔逊测得的这种辐射与方向无关，排除了地球大气层起源的可能性.由于银河系物质分布不均匀，因而也排除了银河系起源的可能性.微波背景辐射只可能来自广阔的宇宙.更精确地说，微波背景辐射是高度各向同性的温度约为2.7K的黑体辐射，这是一种充满宇宙各处的均匀辐射.彭齐亚斯和威尔逊在进行这项重要工作时，只是为了测试他们的天线的性能.作为工程师，在完成这项工作后以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为标题在《天体物理杂志》上发表他们的结果，意思是说，他们在频率4080兆赫（即波长7.35厘米）处对天线噪声测得的有效温度比预期值高2.5－4.5度.1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖.宇宙微波背景辐射是无处不在的3K热(黑体)辐射， 因其峰值在微波区而得名.那问题就来了，这个背景辐射只是一个3K的低温热辐射而已，而我们周围可是有一层厚厚的大气，温度在300K左右.根据黑体辐射公式，大气的热辐射在微波区要比3K的背景辐射强得多，我们怎么可能观测得到这个背景辐射呢? 哪里才是解释的关键呢?因为地球大气的辐射95％以上的能量集中在3～120微米内，只要测量远大于120微米波长的辐射，可以认为不受大气辐射的影响.但波长大于1米，会受到银河系高频辐射的影响.从那以后，已经有许多人对微波背景辐射作了详细的研究，在相当宽的波长范围内得到了支持黑体辐射谱的结果.也证明了高度各向同性.1989年11月宇宙背景探索卫星（COBE）升空，获得了丰富的数据，证明实测的微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，观测数据与黑体辐射理论曲线的符合情况极好，卫星同时证明，这种辐射具有高度各向同性.1965年初，彭齐斯和威尔逊与狄克小组进行了互访，最后共同确认这个相当于3K的宇宙背景辐射就是“原始火球”的残余辐射.这是对大爆炸理论的强有力支持，从此，大爆炸理论又获得了新生.这一发现终于被狄克、皮伯斯、劳尔和威金森等人作为宇宙大爆炸理论的证据.也就是说，宇宙大爆炸后约200亿年的今天，在宇宙间还残留着3K左右的辐射.
     1948年, 美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)预言，宇宙大爆炸产生的残系辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5开，或者说5K(绝对零度等于摄氏零下273度，即-273℃).但是他们的预言并未引起人们的普遍重视.
     发展：但是多年以后，即1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺•彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特•威尔逊(Robert Wilson)却十分意外地发现了这种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线.与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特•迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射.他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射.它相当于在电磁波谱的微波部分波长为7．35厘米的某种无线电波信号；如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度--这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近.它被称为"宇宙微波背景辐射".宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论以有力的支持. 恩格斯说“只有证明了由辐射而散失到空间的能量可以汇聚起来并重新参与活动，才能彻底证明唯物论成立.” 据2010年11月25日出版的《科技日报》记者常丽君报道，2010年11月23日美国物理学家组织网公布，在宇宙微波背景辐射中发现了一种圆环结构；科学家解释说，发现宇宙微波背景辐射中存在圆环结构并不是对大爆炸理论的否定，而是支持可能存在多次大爆炸.这是英国牛津大学物理学家罗杰•彭罗斯和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫•古萨德扬最近的发现.
                               3、哈勃定律的提出
1929年哈勃在《美国国家科学院会议文集》上发表了"河外星云的距离与视向速度之间的关系"，在该文中，哈勃根据有关旋涡星云距离的定量数据，提出著名的哈勃定律：V=DH，其中V就是星云的视向速度，D是星云的距离，H是哈勃常数.这是一个简明的线性关系，而且天文观测的数据又吻合得极好，很快大家都接受哈勃的想法.

        4、Big  Bang  Cosmology 的简介
20世纪最重要的宇宙学理论有5个：1. 大爆炸模型理论；2.恒稳态模型理论；3.准恒稳态模型理论；4.马赫原理模型理论；5.大数定律模型理论.它们都必须与宇宙学观测实验数据尽可能符合，都必须符合所谓宇宙学原理：宇宙大尺度是均匀的各向同性的加速膨胀的：小尺度有结团（星系，星系团，超星系团等等）；量子宇宙是封闭的没有奇点的膨胀与收缩振荡的.目前，21世纪主流科学认可的是大爆炸模型理论.实际上，宇宙大爆炸说真正的思想起源可以追溯到更远的时期.对于大爆炸学说的思想起源，霍金在《时间简史》中写道：当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过.根据一些早先的宇宙论和犹太人／基督教／穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻.对这样一个开端，有一种议论是感到必须有“第一原因”来解释宇宙的存在.（见《时间简史》第17页）
现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称Big Bang  Cosmology宇宙学，与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实.它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史.在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化.这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发.
根据Big Bang  Cosmology宇宙学的观点，Big Bang  Cosmology的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上.物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡.宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质.但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降.当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的.温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）.宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核.当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙.“初始状态可能对于宇宙特征有过根本的影响，也许甚至影响到基本粒子和力的性质.”  【1】美国物理学会前会长和哲学学会前会长Weeler教授认为：我们的宇宙开始于所谓“普朗克量子”，而终止于“黑洞”-----“大千世界源自量子比特”！
参考文献：
【1】        史蒂芬•霍金. 果壳里的宇宙 [M].湖南：湖南科学技术出版社，2005.1.
                            5、大爆炸理论的实验根据
Big    Bang  Cosmology模型能统一地说明以下几个观测事实：
（1）        Big   Bang  Cosmology理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年.各种天体年龄的测量证明了这一点.
（2）        在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%.用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦.而根据Big Bang  Cosmology理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实.
（3）        根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度.Big Bang  Cosmology理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度.1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺•彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特•威尔逊(Wilson)在一次检测天线噪音性能的实验中偶然发现了太空中存在波长为7.35cm的微波辐射，并且是一个各向同性的讯号.这个信号既没有周日的变化也没有季节的变化.这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射，对应到约为3K 的宇宙空间黑体辐射.彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖.根据1989年11月升空的宇宙背景探测者（COBE，Cosmic Background Explorer）测量到的结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.726±0.010K 的黑体辐射谱  .继COBE之后，比COBE角分辨率高近70倍的WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeNASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）于2001年进入太空，对宇宙微波背景辐射进行更精确的观测，WMAP测量到的结果显示宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.725±0.002K 的黑体辐射谱，因此WMAP的功劳在于清晰地确认了COBE的成果.Big Bang  Cosmology理论 认为宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生.科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的温度要高.澳门发现，背景温度约为-263.89摄氏度，比现在测量的-273.89摄氏度的宇宙温度要高.
早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移，这些“星云”在朝远离我们的方向运动.如果运用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映.随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系.1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究.当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系.现代精确观测已证实这种线性正比关系v = H0×d，其中v为退行速度，d为星系距离，H0为比例常数，称为哈勃常数.这就是著名的哈勃定律.哈勃定律揭示出宇宙是在不断膨胀的.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀.因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大.当观测者或观测器面对星空时，他（或它）就位于R = ∫0T C（t）dt 的球心位置，C（t）是星际空间的光速，T就是他（或它）观测星空的时刻，以C（t）⊿t为半径的球面处的景象是在T时刻前⊿t时发出的光带来的景象映射，T C（t）为半径的球面处的景象是在观测前T时刻（也就是0时刻）发出的光带来的景象映射，这些景象是在T时刻同时映射到他（或它）的观测点的.可见在他（或它）的面前展现的是一幅时间间隔为0到T的宇宙景象的历史画面.离他（或它）越近的是时间越接近其观测时刻的景象，离他（或它）越远的是时间越遥远时的景象.近期的景象信号越强又最接近，故细节观测得越清楚；遥远的信号传输的时间和距离越久远，信号就最弱，越难分辨其面目.所以，任何观测者在任何地点、任何时候面对星空时，他都感觉自己是处于宇宙的中心，离它观测的时刻越久远，它看到的宇宙的范围就越宽广；离它观测的时刻越近，它看到的宇宙的范围就越窄小，他永远也看不到宇宙在他观测时刻的实时全景！从而，不同的观测者在任何地点、任何时候看到的宇宙景象，只有时间越久远的，才看得越一致；时间越近的，各人看到的差别就越大.就全景而言，各人的观察是不全相同的.一个人在平地上平视的视野不超过3公里，站在200米的高塔或山顶上，视野不超过30公里，这样的范围内他接受到的光信息时间差不足0.1毫秒，而通常人视觉的时间分辨率仅为10毫秒（如果一个人对距离一米处的图象能分辨1毫米的细节，那他对一公里外的物体，三米大小内的景象就无法辨明了，只有靠望远镜来提高空间分辨率）.从而，人们都以为在他视野中看到的一切都是瞬间发生的，都是他在观测的时刻发生的，是与他同时存在的事物.而以此经验去观测星空，他也以为离他多远的星体只是距离问题，没意识到时间上的差异.这也说明观测实际上已包含着光的性质（光速），如果光速是无穷大的，就没此问题；如果光速与声速一样，也只每秒数百米，那么信息传输的延迟现象就会非常明显了.我们也就不会先见闪电后闻雷声，或先见超音速飞机后听到飞机的轰鸣了.
（4）        在1998年,由美国加里福里亚大学的劳仑斯伯克莱国家实验室的Saul Perlmutter教授和澳大利亚国立大学的Brain Schmidt所分别领导的两个小组通过对Ia型超新星爆炸的观测发现了我们宇宙的加速膨胀,他们指出那些遥远的星系正在加速地离开我们. 【1】
有许多实验的结果已与Big Bang  Cosmology的预言相符，比如早在1948年，科学家预言Big Bang  Cosmology后散落的残余辐射因为宇宙的膨胀而冷却，如今它的温度应为绝对零度以上5度.而在1965年，美国两位无线电工程师意外地发现了无线电接收器中无法阐明原因的噪声，后来知道它就是宇宙微波背景辐射，它的温度是绝对温度以上2.7度，与1948年的预言差不多.两位工程师因此获得了诺贝尔物理奖.拟用超导超级对撞机“模拟宇宙Big Bang  Cosmology的space-time和物质状态”，为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论.
洛弗尔指出：“人们常认为Big Bang  Cosmology理论中的单子是由宇宙一致性假说产生的数学难题.”标准的Big Bang  Cosmology宇宙模型有极好的的数学对称性，一些物理学家认为这就是以数学方程解析Big Bang  Cosmology初始零点时会出现单子的原因.为了修正这个理论，有人就在模型中引入了和观测到的宇宙类似的不规则性，希望这能使起始状态有足够的不规则性而不至于一切都缩致一个点.然而霍金和埃利斯指出，根据他们计算，在已观测到的范围内，物质分布具有不均匀性的Big Bang  Cosmology理论在起点处仍会有单子.为了回避整个关于宇宙起源的问题，一些科学家提出了所谓达到“无限脉动宇宙模型”，即宇宙不断膨胀，收缩至单子，再膨胀，再收缩至单子，永远进行下去.然而物理学家温伯格在《最初的三分钟》里指出，随着每一次连续脉动，宇宙必产生某种递进的变化，因此必须有个起点，而不是可以无限回归，物质世界一直存在着，仍然面对着宇宙起源问题.
奇点物质是能级无限大的物质.根据相对论理论的宇宙能量方程V+U＝－K/2，当物质半径R→0时，曲率K→∞，能量V+U→－∞，其中动能V→0，势能U→－∞.R→0时的物质状态就是没有质点（没有大小）的奇点.据英国《星期日泰晤士报》 报道，霍金与其合作者、英国剑桥大学数学物理教授图罗克最新提出的"开放暴胀"理论认为，宇宙最初的模样像一个豌豆的物体，悬浮于一片没有时间的真空，"豌豆"状的宇宙存在的时间与"大爆炸"相隔一个极短瞬间.该理论认为，"豌豆"状的宇宙在"大爆炸"前的瞬间内经历了被称为"暴胀"的极其快速的膨胀过程.宇宙在大爆炸后不到１秒的时间里膨胀了大约１０^３０倍，大约和橘子一般大小，然后开始以较稳定的速率膨胀，直到现在，大约１５０亿年，成为目前的样子.另外，霍金和图罗克还根据"开放暴胀"理论推断，宇宙最终将无限地膨胀下去，而不是像一些天文学家所认为的，膨胀到一定程度后会在引力作用下收缩.在这个过程中，物质“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.这个模型暴胀期的长短是个关键.若稍短，物质为充分散开，原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长，原生宇宙的物质则过于分散，形不成星系和恒星，自然也就不会出现生命和人类.１９８７年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型，两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来，这个细管子称为“虫洞”，大宇宙为母宇宙，可能存在着从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞，这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙.就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙.
１９９２年，萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说.母宇宙是空间闭合的，犹如一个黑洞，该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点，奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙.这个学说的要点是，子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强或弱的随机变异，新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小，随机变异的物理常数有可能允许小小的暴胀，子宇宙可变的较大，当它足够大时，可分隔为两个或更多的不同区域，每个区域又坍缩为一个新的奇点，新奇点又触发下一代的子宇宙，如此时代相传，有的小宇宙重又坍缩，有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞，从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代，借用生物进化论的术语，它们是被“自然选择”下来的，经“选择”作用，产生越来越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙.如果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话，那么应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值.这个学说的另一要点是关于恒星的存在.在许多情况下，恒星是黑洞的前身.在气体和尘埃云中，恒星仍在形成.在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩.但碳尘埃粒子是从那里来的呢？斯莫林指出，碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的质量时才会发生，如果两者质量之差比氦核的结合能大的多，则质子和中子不可能粘在一起形成氦核.没有氦，聚变反应链在第一阶段便终止了，根本形不成更重的元素，从而使恒星将少得多，自然也不会有多少黑洞，因此在任何一个宇宙中，若其中质子与中子的质量相差较大，将只能产生很少的宇宙，也就没有什么“选择”的余地了.
下面是science上关于宇宙形状的近期报道：  时空结构将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在了一起.但是究竟时空结构是什么，而CMB的测量又能告诉我们什么呢？在爱因斯坦的广义相对论中，空间和时间被连接在一个有弹性的“簇拓扑空间”——一个数学对象中，这个拓扑空间的每个小片粗看象一个四维的橡胶片.光线沿拓扑空间的轮廓前进，这个轮廓被叫做测地线.在一个平坦的平面上，从一个远距离对象发出的平行光将保持和它们接近一个观测者时同样远近的分隔.但是在一个有正曲率的表面，如一个球，接近的光线将移动更远的间隔，使得远处的物体看起来比正常物体更大.在一个有负曲率的表面，如一个马鞍，平行光束将更紧密的结合在一起，使得物体看起来更小.因为弯曲的簇拓扑空间对光的扭曲不同于扁平的簇拓扑空间，所以弯曲的簇拓扑空间也应该产生不同种类的CMB.用微波探测器（叫做BOOMERANG）观察到的1-degree-wide波正好是理论预言的扁平宇宙所应该有的，对于这个结论大部分物理学家至少希望用微波各向异性探针的（MAP'S）图象证实.一些研究者希望MAP将给出关于宇宙大小和形状的更多详细而精确的信息.“当我们看微波背景的时候，我们基本上留意到了球的表面，” 普林斯顿大学的一个天体物理学家和MAP科学队的一个成员David Spergel解释道.如果宇宙是无限的，那么“最后散射的表面”将不能给出关于它的形状的线索.但是如果宇宙是有限的，那么时空和安置在时空当中的散射表面必需使它们自身向后弯.一个足够巨大的球将会把自己相交贯穿至少形成一个圆周，正如一个围绕着销子搭接起来的圆盘一样. 实际上，Spergel说，因为光能通过不止一个路径穿过弯曲的时空，所以天文学家将看到一个交叉点不是一次而是两次，与一对圆周在天空的不同部分描绘出冷点和热点的方式相同.在美国的Spergel组和在巴黎天文台由Jean-Pierre Luminet领导的组正在研制一些运算法则以搜索在MAP数据中的这种信号.其间，数学家Jeff Weeks，一个纽约州的自由记者已经写了一个把一对圆周转化为宇宙模式的计算机运算法则.Weeks说，对形象化最容易的是一个“曲面（toroidal）”宇宙比最后散射的表面小.他指出，在包围着一个圆环面的两维宇宙中，天文学家看起来将在假想出的空间的盒子的相对的两个壁上看到同样的点.相似的，在三维曲面（toroidal）宇宙中，天文学家将在相对的方向看到三对圆周. toroidality仅仅是对扁平的有限宇宙来说10个不同toroidality之中最简单的一个.如果宇宙被证实是弯曲的——这一点在当前还不是事实——那么对Weeks的运算法则来说将会有无限多的可能性去尝试.“我们将开始尽可能快的关注任何可用的数据，”Weeks说.如果宇宙合作，他们可以不用等太长时间，Spergel说：“两年后，我们就能知道我们住在一个有限的宇宙中.” 　注解：CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波.这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射.CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景
霍金和图罗克的新理论在科学界引起了不同的反应."暴胀"理论权威之一、俄罗斯物理学家林德对霍金等的理论提出了批评.林德称，宇宙自始至终存在，试图发现一个起点和所谓的终点是没有意义的.而英国的一些著名天文学家则出言谨慎.他们指出，霍金的新理论完全是按照物理学定律纯理论推算的结果，它是否揭示了宇宙的本质还有待干实际观测的考验.据悉，美国将于两年后发射一颗卫星来测量宇宙大爆炸遗留的微波辐射，这很可能为霍金的理论提供检验.霍金曾经花了很长一段时间去研究宇宙大挤压(反演)，爱因斯坦的宇宙学公式曾预言也许有这么一个演化阶段存在.那是一个逆演着的时空过程，物理理论几乎全部翻了过来，得出的结论也太荒谬.最后，霍金也不得不放弃他的这个研究.
对于这个“宇宙学的黄金时代”，科学出版社出版的《10000个科学难题（物理学卷）》一书开篇，中科院理论物理研究所的李淼教授也把大爆炸之前宇宙是什么样子回答清楚了.李淼教授说，大爆炸之前宇宙是什么样子？现在流行的看法是，在物质产生之前，宇宙经过一个剧烈膨胀时期，叫暴涨时期.研究暴涨时期的“之前”有物理意义.因为，即使时间不复存在，我们可以问取代时间的概念是什么？近年来关于量子引力的研究结果建议我们用抽象的代数来取代几何概念，就是说，不但时间不复存在，就是空间也不复存在了.这种抽象概念无法用寻常的图像来解释，就像温度这个宏观概念，用到极端如越来越小的体系时，温度会不在适用，而更加正确的概念是分子原子的运动.不过，我们现在还不能肯定暴涨之前时间和空间肯定消失了，因为还存在一些其他理论.其次，一门学科成熟的标志是研究进入误差很小的定量化阶段，2006年诺贝尔物理学奖授予20世纪90年代初的一项实验发现，授奖的一个重要原因是，这项发现再次证实了大爆炸理论，因为大爆炸理论预言了微波辐射的涨落.
按照爱因斯坦的论述（1919年），理论有两大类.一类他称为“构建性理论”，气体动理论就是这类理论的一个范例.另一类他称为“原理性理论”，经典热力学和相对论是这类理论的范例.笔者认为，大爆炸理论应当为“构建性理论.”
附录：
   1、 “据美国《发现》杂志网站记者Adam Frank2001年 6月25日报道，美国莱切斯特(Rochester)大学激光能量实验室(Laboratory for Laser Energetics)的天体物理学家们人工构造了一个宇宙诞生初期的环境，并将在这一环境中尝试让一个新的宇宙诞生.”
“据该文报道，这个实验室足足有一个足球场那么大，内有几百吨重的玻璃、钢和塑料，这些材料被混合在一起形成世界上最大的激光源，称作Omega激光源.而且，为了验证这一激光源的强大威力，每隔一小时，这一强大的能量库就会通过一个超强的闪光灯发射出15000伏特的电流，同时产生60束分离的中子流，这些中子流呼啸着穿过180英尺长的玻璃架，到达一个灼灼闪光的分隔为两层的目标分隔实验间内.在一个巨大的蓝色球体的中心，60束激光聚焦在空间上的一点，精确度是千分之一英寸.紧接着，所有巨大的能量都释放出来，在这一瞬间，科学家可以创造出只有在一个恒星内部才有的压力和温度.这时候，在只有针尖大小的一点上集中了60000亿瓦特的电流，这简直是不可思议的，比整个美国任何时候所需要的全部电流都要大.”
2、新华社电 日本名古屋大学日前公布，由该校研究生院专家参与的一个研究小组在银河系附近大小麦哲伦星云之间发现７个能演变为星系的分子云，为“星系仍在不断诞生”的观点提供了证据.   研究人员利用位于智利的南天射电望远镜观察连接大小麦哲伦星云的氢原子气体带“麦哲伦桥”，并在其中距离地球约２０万光年处发现了７个分子云.这７个分子云聚集在约６０００光年的范围内.  通过计算这些分子云的质量和运动速度，研究人员推测，２０亿至３０亿年后这些分子云将演变为气体和超过１００万个恒星，从而形成小型星系.   大小麦哲伦星云是离银河系最近的星系，而之前发现的“星系种子”都距离地球１０００万光年以上.参与研究的名古屋大学天体物理学专家福井康雄说，此次是科学家首次在距地球如此近的地方发现分子云，为星系仍在不断诞生的观点提供了证据.同时，这也为近距离、详细观察分子云提供了可能，有助于早日解开星系形成之谜.
3、新华网北京2006年10月3日电（记者颜亮）宇宙起源和命运的线索隐藏在它早期产生的微波背景辐射中.美国科学家约翰•马瑟和乔治•斯穆特凭借他们在宇宙微波背景辐射研究领域取得的成果，将宇宙学带入“精确研究”时代，并因此荣膺今年诺贝尔物理学奖.
　　目前科学界普遍接受的宇宙起源理论认为，宇宙诞生于距今约137亿年前的一次大爆炸.微波背景辐射作为大爆炸的“余烬”，均匀地分布于宇宙空间.测量宇宙中的微波背景辐射，可以“回望”宇宙的“婴儿时代”场景，并了解宇宙中恒星和星系的形成过程.
　　虽然人们在上世纪60年代就已知道微波背景辐射的存在，但针对这种大爆炸“余烬”的测量工作一开始都是在地面上展开，进展十分缓慢.大爆炸理论曾预测，微波背景辐射应该具有黑体辐射特性，但一直未能得到地面观测结果的确认.
　　借助1989年发射的ＣＯＢＥ卫星，马瑟和斯穆特领导的1000多人研究团队首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测研究.他们对ＣＯＢＥ卫星测量结果进行分析计算后发现，宇宙微波背景辐射与黑体辐射非常吻合，从而为大爆炸理论提供了进一步支持.
　　另外，马瑟和斯穆特等还借助ＣＯＢＥ卫星的测量发现，宇宙微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异，也就是说存在所谓的各向异性.这种微小差异揭示了宇宙中的物质如何积聚成恒星和星系.诺贝尔奖评审委员会提供的材料介绍说，如果没有这样一种机制，那么今天的宇宙很可能完全不是现在这个样子，其中的物质也许像淤泥一样均匀分布.
　　马瑟和斯穆特等人实现了对微波背景辐射的精确测量，标志着宇宙学进入了“精确研究”时代.著名科学家霍金评论说，ＣＯＢＥ项目的研究成果堪称20世纪最重要的科学成就.在ＣＯＢＥ项目的基础上，耗资1．45亿美元的美国“威尔金森微波各向异性探测器”2001年进入太空，对宇宙微波背景辐射进行了更精确的观测.而欧洲“普朗克”卫星不久也将发射升空，继续提高研究的精确度.
参考文献：
【2】        王义超: 暗能量的幽灵. 中国 <财经> 杂志, 总176期, 2007-01-08
附录1:70亿光年外发现巨型星系团 质量为太阳800万亿倍

    这张图像是由斯必泽红外空间望远镜和位于智利托洛洛山的泛美天文台4米口径望远镜获取的数据合成的.图中，老年星系成员被用黄色圈子圈出，而年轻成员则用蓝色圈子圈出. 最近天文学家观测到一个距离地球达70亿光年的巨型星系团.这个庞然大物的质量大约为800万亿个太阳质量，包含数百个星系，这使其成为在如此遥远距离上发现过的质量最大的星系团.
尽管它的质量如此之大，但要不是注意到了它强大的引力对宇宙微波背景辐射效应造成的扭曲影响，科学家们还不会发现它.根据大爆炸理论，宇宙微波背景辐射(CMBR)是宇宙诞生时产生的辐射残余.大爆炸发生之后，离子和电子形成了宇宙中第一批原子，并辐射出光子，这些光子在接下来的137亿年中穿越广袤的物质宇宙，最终抵达地球上的望远镜而被人看到.当光子穿越大质量星系团时，由于S-Z效应的作用，它将受到影响，从而改变性质.大质量星系团中大量的高能电子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞，将其一部分能量传递给后者并使其成为高能光子，这一过程也被称作“逆康普顿散射”.
利用这种效应，研究人员使用位于南极的南极望远镜(SPT)已经成功找到了几个隐藏的星系团.但这次新发现的这个是其中质量最大的一个，它已经被命名为SPT-CL J0546-5345.
因为这一大质量星系团极度遥远，因此我们现在所看到的是它在70亿年前的模样，那时候宇宙年龄只有现在的一半，而我们的太阳系还没有形成.但即便是这时，它的质量已经差不多和附近的后发座星系团相当，而这是我们已知密度最大的星系团之一.在那之后的漫长岁月中，天文学家估计其质量至少已经增长了4倍，这将使其成为宇宙中质量最大的星系团之一.关于这一星系团的研究细节将发表于《天体物理学快报》（Astrophysical Journal Letters）.
但是这一星系团也表现出不寻常的一面.其内部充满着已经看不到快速恒星孕育场面的星系，这表明这些星系都已经进入老年.这也说明这一星系团一定是在宇宙形成之后最初的20亿年内便开始成型的.所配的这张图像是由斯必泽红外空间望远镜和位于智利托洛洛山的泛美天文台4米口径望远镜获取的数据合成的.图中，老年星系成员被用黄色圈子圈出，而年轻成员则用蓝色圈子圈出.
对这样遥远距离上的大质量星系团的观测数据可以帮助研究人员进一步理解暗物质和暗能量是如何影响宇宙结构的形成的.
       6、大爆炸理论的经典力学基础
   事实上米恩在1943年就指出【1】，牛顿引力理论也能用来描述宇宙膨胀.除了不含宇宙常数项外，导出的动力学方程与弗里德曼宇宙学方程完全一样（曲率常数等价于积分常数）.运动方程中不含任何相对论修正因子，这个结果也告诉我们，罗伯逊—沃克度规描述的实际上仅是牛顿力学意义上的时空结构.建立在罗伯逊—沃克度规基础上的宇宙学理论在本质上是牛顿力学意义上的理论，它最多仅适用与宇宙膨胀速度大大小于光速情况下的宇宙过程.这也是在许多情况下，现有标准宇宙学理论能与实际天文观察相一致的原因.但它不适合于描述高速膨胀情况下的宇宙过程，对于宇宙膨胀速度较大的情况，比如位于宇宙学距离上的超新星红移问题，建立在罗伯逊—沃克度规基础上的推论是靠不住的.
参考文献：
【1】E. A. Milne, A Newtonian Expanding Universe, General Relativity and Gravitation, Volume 32, Number 9 , Publisher: Springer Netherlands , September (2000).
         7、大爆炸理论的广义相对论基础
2006年6月19日，霍金在北京人民大会堂谈到：“为了理解宇宙的起源，我们必须把广义相对论和量子理论相结合.最重要的问题是理解宇宙为什么是这样子，怎样变成这个样子？……宇宙起源于爆炸，时间终结于黑洞……”.研究广义相对论，就不能不提到著名的奇点定理.在1965年至1970年之间，彭罗斯和霍金证明了广义相对论的奇点定理，他们得出：在广义相对论中奇点是不可避免的，即只要爱因斯坦的广义相对论正确，并且因果性成立，那么任何有物质的时空，都至少存在一个奇点.【1】——【3】
爱因斯坦宇宙模型的提出






1917年，爱因斯坦发表《根据广义相对论对宇宙所做的考查》，首次将广义相对论应用于宇宙学.现代宇宙学由此开始.为了得到一个静态宇宙模型，他在引力场方程中加上了一个宇宙项，得出Rμν －λ g μν ＝－k（T μν － 1/2  g μν T）.由此爱因斯坦得出一个静态的、有界、无边的宇宙模型.
1973年，霍金和埃利斯出版了《时空的大尺度结构》一书，这本书是霍金的一部代表作，书中的部分内容是基于霍金的Adams奖的获奖论文.在这本书里，霍金对奇点定理做了总结，并在此基础上，提出了关于宇宙的两个预言：其一，大质量星体的最终归宿是塌缩到事件视界背后的包含奇点的黑洞，即宇宙中存在黑洞.其二，我们的过去存在奇点，它构成了宇宙的开端.【4】
由此可见，奇点定理为黑洞和大爆炸宇宙学提供了理论依据.毫无疑问，霍金对奇点定理的数学推导是正确的，但问题的关键是如何在物理上解释这个定理.
自从奇点定理提出后，一些广义相对论的研究人员认为：既然爱因斯坦广义相对论是正确的，根据奇点定理，奇点将不可避免，因此，物理学应该接纳奇点，接纳无穷大.这就是目前许多理论物理学家对奇点定理的理解.基于这种观点，在过去的40多年里，与奇点相关的一些领域，例如黑洞和大爆炸宇宙理论得到了发展.在黑洞理论中，黑洞中心是一个奇点，在奇点处，物质的压力无穷大，物质的密度也是无穷大，在黑洞的外面，还存在一个无限红移面，为了避免裸奇点的出现，彭罗斯还提出了宇宙监督假说.大爆炸宇宙学打破了“物质不灭﹑时间永恒”的观念，提出了宇宙有开端，时间有起点的观点.
奇点定理实际上提出了一个问题，物理上究竟允许不允许出现无穷大，要回答这个问题，历史上的经验值得借鉴，在物理学的历史上，只要物理理论中出现无穷大，这个理论多半就是错误的，或者是一件不可能发生的事情，例如：理想流体中会出现奇点，这说明理想流体理论所描述的运动，不是真实的流体运动，真实的流体有粘性.
在黑体辐射公式中的紫外灾难，表明Rayleigh-Jeans的公式有漏洞，因而普朗克建立了量子理论.而以光速运动的物体将具有无穷大的质量，让爱因斯坦提出了物体运动不可能达到光速.由此可见，在物理学的其它分支，物理理论中是不允许有无穷大的结果出现.只要物理理论中出现无穷大，这个理论多半就是错误的.既然奇点定理得出在广义相对论中奇点是不可避免的，那么，对奇点定理实际上还存在另一种解释，即在爱因斯坦的广义相对论中一定存在问题.找出广义相对论存在的问题，找出奇点产生的根源，对爱因斯坦理论进行修正，这才是广义相对论研究的正确方向.
参考文献
【1】Penrose, R., Phys. Rev. Lett., 1965, 14 p57.
【2】Hawking, S. W., Proc. Roy. Soc. Lond. 1967, A300, p187.
【3】Hawking, S. W., Penrose, R., Proc. Roy. Soc. Lond. 1970, A314, p529.
【4】 Hawking S W, Ellis G F R. The large scale structure of space-time. Cambridge: Cambridge University Press, 1973.
8、大爆炸理论与现代物理学基本原理之间的矛盾
      现代物理学认为物质之间有四种相互作用，可是大爆炸理论没有提及大爆炸是何种相互作用.能量守恒定律认为能量是不可创造，质量守恒定律认为质量是不可创造，电荷守恒定律认为电荷是不可创造,大爆炸理论认为能量、物质（质量）、电荷、空间、时间已经被一个无限小的点爆炸创造，并且是在四大皆空发生的，如何理解这些关系？大爆炸理论和动量守恒定律以及角动量守恒都是不相容的.
     从辩证唯物主义的观点来看，宇宙大爆炸理论显然是错误的，因为能量守恒和质量守恒定律是宇宙中的最基本定律，大爆炸只能使能量和质量改变形态，其数量在爆炸前后应相等，绝不可能从某个时刻开始无中生有.
     李新民先生提出了大爆炸理论的十个问题:1.炸出了时间的起点，产生了创世的哲学问题，支持了上帝创世的宗教学说.2.炸出了客观规律，客观规律的出现从创世的那天才有，并且在不同的爆炸阶段表现不同.例如，任何物质都受大爆炸力的一个作用方向，那么任何物质都存在一个不同的惯性趋向，即物质的惯性各不同.3.炸出了绝对运动，物质粒子从静止被炸开，从静止开始运动，并且爆炸力驱动物质产生绝对运动.4.炸出了无穷大的能量，即提供爆炸力的能量是无穷大的.5.炸出了运动，和现有的科学理论发生冲突.即，运动不是绝对的和永恒的.6.炸出了宇宙是有限的，宇宙是从有限大小开始爆炸的.7.炸出了绝对空间.在以大爆炸为圆心的任一法线上，其物质运动矢量方向不同.8.炸出了真空空间.爆炸区域外是真空空间，宇宙正在向外面的真空空间膨胀.即空间分成两部分，宇宙内是充满物质和光子的空间，宇宙外是真空空间.9.宇宙暴涨，暴涨出了一个人择的宇宙.我们的宇宙是平坦的，膨胀的，有规律可循的.而其他宇宙是惊涛骇浪，坑坑洼洼，并且和我们相邻的宇宙，光信号无法传达，无法联系，不是各宇宙的光不一样，就是各宇宙之间有一堵无法穿越的墙.10.宇宙暴涨，暴涨出宇宙有第二次点火的意志和第二次能量来源.
设星系在△t内退离距离△D=V△t=HD△t；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.取H=3×10-2m/s•光年，代入后可以得到：△λ/λ=△D/D=H△t=3×10-2m/s•光年•△t=10-10/年•△t,也就是说，任一星系的△λ/λ都将以每年10-10持续增加.60年代的观测精度(△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”.依据这些佐证，至少在某些情况下，关于红移跟膨胀关联是“唯一的”传统解释并不能成立.红移跟运动的关联确实并不具有唯一性：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；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” ，可以忽略不计.
   60年代苏联专家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”.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”.据此不难算出，在地球引力场中以光速通过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=H△t=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.即在相对频移量相同的情况下，哈勃效应需要7.88×102s，而引力效应则只需要7.5×10-8s；故而可得引力效应/哈勃效应=7.88×102s/（7.5×10-8s）=1.5×1010.面对这样的计算结果，由列梅特、伽莫夫等人依据哈勃定律发展而来的大爆炸-膨胀宇宙论，其基础已经彻底崩塌而无疑.哈勃的观测结果并没有错；但是这个结果只是“宇宙在膨胀”的充分条件，“宇宙在膨胀”的必要条件是红移谱线“持续移动”而不是“红移”.
                         9、 相对性原理和宇宙学原理的疑难   
      在相对论体系中, 一些基本原理之间的关系并不完全协调. 相对性原理认为运动都是相对的，没有什么东西能够作为参考系来判断宇宙是处在什么状态之中，可是现代物理学从频率红移现象得出宇宙在膨胀，进一步发展为Big Bang  Cosmology理论.
     爱因斯坦说：“我们也不知道，究竟是不是只有在有重物质的附近，它的结构才同洛伦兹以太的结构不大相同，以及宇宙范围的空间几何究竟是不是近乎欧几里德的，但是我们根据相对论的引力方程却可以断言，只要宇宙中存在一个哪怕很小的正的物质平均密度，宇宙数量级的空间的性状就必定存在着对欧几里德几何的偏离.在这种情况下，宇宙在空间上必定是封闭的和大小有限的，其大小则取决于（物质的）平均密度.”但是，物理学家讲“就整个宇宙来说，空间的弯曲有多大呢？30多年来对此做了许多直接的测量和间接的测量，很遗憾没有一致的结果.几乎一半的结果支持宇宙空间是属于三角形三内角和大于180°的类型，而另一半则认为它是属于小于180°的类型.这种平分天下的现象使敏感的人意识到，真正的情况可能正是两方的平均，即三内角和等于180度，宇宙空间不存在弯曲.的确，如果回到宇宙早期去考查，这种观点就更加令人信服了.因为，即使用现代相当分散的数据，也都表明早期宇宙的空间不存在弯曲.这一结论的精度高达10-60，这可能是目前已知的一种最精确的‘不存在’.”“现代宇宙学正在努力寻求证明：我们生活的宇宙，在大尺度上必定（或非常近于）是欧氏空间.”
在COBE和WMAP观察到的‘微波背景辐射温度谱’图中，明显存在有一个偶极矩.这个偶极矩被解释为是由于银河系中心的空间运动产生的多普勒效应.根据COBE的观测结果，给出的数据是：银河系中心的空间运动的速度是547 km/s，运动的方向指向银经266度，银纬29度.然而根据标准宇宙学模型中的哈勃定律，银河系中心是不应当存在这个空间运动.由此可见宇宙学原理从银河系中心的这个空间运动的存在，也是不能成立的.银河系中心的这个空间运动显然可以理解为是相对于牛顿的‘绝对惯性参考系’的运动.
   关于用微波背景辐射定义的‘绝对惯性系’的物理意义，俞允强教授在他的‘热大爆炸宇宙学’一书中有这样的论述：‘考虑到宇宙介质和它占据的空间都在膨胀，全局性的参考系是不存在的.因为参考系须由一群相对静止的物体组成.实际使用的参考系都只是局域的测量基准.上面讲的静止系也只是局域的.以观测到的背景辐射为各向同性作准则，不同的地方有各自的静止系.它们之间是随着宇宙的膨胀而有相对运动.所以，这样的静止系与牛顿的绝对空间很不一样’.
    英国著名学者邦迪早在1962年《物理学和宇宙学》的演说中明确提出，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“在宇宙学和通常的物理学之间，看来存在着明显的冲突.”微波背景辐射发现后，问题更加突出.1971年，爱氏的学生和追随者伯格曼在《宇宙学作为科学》一文中认为，“宇宙环境对于局部实验的影响导致相对性原理的等效破坏.”但是，在相对论体系中分析宇观效应的数据，仍然要用以相对性原理和庞加莱不变性为依据的基本物理量和有关物理规律.这就出现问题：在什么意义下可以利用闵氏时空和庞加莱不变性下的物理量和物理规律，来分析有关宇宙效应的数据?近似程度如何?在相对论体系中二者如何协调?
通常认为，这些不协调是对于两类不同的物理问题所引起的，不是本质的冲突.就像其他物理理论一样，往往可以用来研究具有不同对称性的物理系统.然而，狭义相对论与宇宙学的关系却并非如此：两者都是关于时空的理论，宇宙学的基础广义相对论，是以狭义相对论为基础建立起来的；而相对性原理却又明显与宇宙学观测不相容.事实上一切实验和观测都是在我们的宇宙之中进行的，如果找不到我们的宇宙所近似满足的宁宙学原理和相对性原理之间的关系，在宇观尺度上，由相对论以及庞加莱不变性引申出来的观念和理沦就会失去严格的基础.何况，物理学的一个重要趋势，是将宇观尺度与微观尺度的物理联系起来，由相同的物理规律来描述.这就必须解决相对性原理与宇宙学间的不协调.然而在相对论体系中却无法做到.
其实，这种不协调甚至可以追溯到伽利略.在划时代名著《关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话》 (1632年)中，伽利略论述了在平静水面上静止或平稳匀速航行的大船中，人们通过在船舱内的任何实验和观测，都无法发现大船是在静止还是在航行.他以此来反驳托勒玫学派对于哥白尼学说的非难：如果地球在绕着太阳转动，为什么我们丝毫没有觉察?这就是后来称之为伽利略相对性原理的著名论述.但是，伽利略要求“把你和你的朋友关在大船甲板下的主舱里面”.换句话说，实验者不能向外观望.显然，如果向外观望，就可以从大船与岸边的相对运动，也可以通过天文观测，来判断大船的运动状态.如果存在“以太漂移”，即使在封闭的船舱内，也能够判断大船的运动. 以伽利略相对性原理为基础的牛顿体系包含着这些不协调：牛顿体系无法建立自洽的宇宙图景，无法解决这些不协调.
相对性原理要求存在惯性系, 与引力无关的物理规律在惯性系之间的10 个( 空时平移4、推进3、空间转动3) 参数的彭加勒变换群ISO(3,1)下保持不变.对于这些惯性系而言, 没有自身优越的速度、时间没有方向性等等.对于我们的实验室而言, 只要不管引力和宇宙学效应, 闵氏空时和彭加勒不变性就是相对论性物理学的理论和实验分析的框架.所有实验, 都与此符合得非常好.空时测量、同时性的定义以及一些基本的物理量的定义, 全都基于相对性原理和彭加勒不变性, 特别是其中的空时平移不变性.在力学中, 能量、动量和质量的定义和守恒, 以及质能公式都与空时平移不变性密切相关.在场论中,相应的物理量和公式同样如此; 而且不同物理性质的场可以看作是彭加勒群的不可约表示, 这些表示以彭加勒群的两个卡希米算子的本征值来表征, 分别是质量平方和质量和自旋的平方.第一个算子完全由平移群的生成元给出, 第二个算子依赖于平移群和齐次洛伦兹群的生成元, 它们共同构成彭加勒群的代数.然而, 一旦这些实验室要进行天文观测, 或者进行与宇宙背景有相互作用的实验, 而且恰恰就是要测量这些相互作用的效应, 那么, 这类实验室中的观测者就会发现: 河外星系红移表明具有优越速度、暗示宇宙在膨胀, 而宇宙膨胀给出了时间箭头; 微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质, 不过要扣除我们的实验室相对于微波背景辐射的“漂移”.对于这类与宇观效应相关的实验和观测的结果的分析必定表明: 相对性原理对于这类效应不再成立; 时间反演和时间平移不变性不再存在; 适当扣除我们实验室的“漂移速度”, 并忽略原初扰动、在一定近似下, 宇宙背景空间是3 维均匀各向同性的, 具有6 个参数的变换群; 这样, 宇宙背景空时的度量是弗里德曼- 罗伯孙- 沃克度量, 它依赖于标度因子和一个标记三维宇宙空间为开放的伪球、平直的欧氏空间还是闭合的球的参数k=- 1, 0, 1, 对应的对称性分别是转动群SO(3,1)欧几里德群E(3) 和转动群SO(4); 标度因子仅仅依赖于宇宙时和k 的值, 其形式由宇宙中物质分布的能量动量张量通过爱因斯坦场方程决定.在这样的背景空时里, 由于存在优越速度和时间方向, 相对性原理不再成立.这就是前面提到的邦迪和伯格曼等指出的疑难.但是, 在相对论体系中分析这类宇观效应时, 又不得不用到以相对性原理和彭加勒不变性为依据的基本物理量的定义和有关的物理规律.因此, 这就出现了问题: 局部实验室中的物理学和天文学家, 在什么意义下可以利用闵氏空时和彭加勒不变性定义的物理量和物理规律,来分析从局部实验室得到的有关宇宙效应的数据和信息呢? 在相对论体系中如何将二者协调起来呢?通常认为,这些不协调,仅仅是对于两类不同的物理问题所引起的, 而非本质的冲突; 就像其他物理理论一样, 往往可以用来研究具有不同对称性的物理系统.然而, 应该强调的是, 狭义相对论与现代宇宙学的关系并不那么简单.首先, 两者都是关于空时认识的理论, 现代宇宙学的基础是广义相对论, 广义相对论又是在狭义相对论的基础上建立起来的; 然而, 狭义相对论的一些极为重要的性质又明显与现代宇宙学的观测不相容.由于我们的一切实验和观测都是在我们这个宇宙之中进行的, 如果找不到我们的宇宙所近似满足的宇宙学原理和相对性原理之间的关系, 在宇观尺度上, 狭义相对论以及彭加勒不变的理论, 就失去了严格的概念基础.更重要的是,我们的宇宙是一个演化的系统, 这是相对论物理学在上个世纪对于自然科学的一个极其重要的贡献;当今物理学的一个趋势恰恰正是将宇观尺度的物理与微观尺度的物理联系起来, 由相同的物理规律来描述.这就必须解决上述狭义相对论与现代宇宙学之间的不协调.然而, 在爱因斯坦相对论体系中却很难做到.
这种不协调却值得反思.反映基本自然规律的基本原理之间应该是相互协调的.因此应该存在排除这种不协调的空间、时间和宇宙理论.这样一来，宇宙学原理就应该成为作为相对性原理基础的惯性运动的保障或者起源；同时，就会在满足相对性原理的惯性系中“挑选”出一类相对“优越的”惯性系.于是消除这两个原理的不协调，有可能在给出惯性运动的宇宙学起源的同时，回到存在一类“优越的”惯性系.当然，这并不意味着回到牛顿，因为牛顿体系根本不能建立自洽的宇宙图景.
其实，在马赫对牛顿绝对空间的批判中就隐含着这一点.马赫认为，质点不是相对于绝对空间，而是相对于整个宇宙作惯性运动：“如果我们说，物体保持其在空间的方向和速度不改变，我们的这一断言只不过是相对于整个宇宙的简述.”“我们怎么能够确定这样的参照系?只能参照宇宙中的其他物体”(《力学史评》)这就隐含着要求：相对性原理与宇宙图景之间应该相互协调是否存在这种理论呢?
爱因斯坦提出宇宙是'有限但没有边界'这个概念,把只在局部有限区域内成立的广义相对论引力理论应用到宇宙学的研究中去.从数学考虑出发，宇宙是可以'有限但没有边界'，但是宇宙是'有限但没有边界'这个概念并没有任何观测依据.于是有些学者根据爱因斯坦'宇宙是有限但没有边界'这个概念提出：我们现在所处的宇宙只是个'小宇宙'，在'小宇宙'之外还存在有'大宇宙'这个概念.在所谓'大宇宙'中还存在有许多和我们所处的宇宙一样的其它'小宇宙'.标准宇宙学模型只是描述我们所处的这个'小宇宙'的理论模型.
后来的天文观测证明，宇宙并不是如爱因斯坦假设的那样'有限但没有边界'.现代天文观测表明，即使根据标准宇宙学模型，许多理论物理学家也相信，宇宙物质的总密度应当等于1，即宇宙应当是平坦的.平坦的宇宙应当是无限的.这样，广义相对论引力理论'应用范围应当是局部有限区域'的要求便无法得到满足.如果承认宇宙是无限的，理论物理学家实际上是不留痕迹地把爱因斯坦所杜撰的密闭'死亡电梯'变成无限的宇宙.这显然是不符合爱因斯坦当年杜撰密闭'死亡电梯'时的初衷.
可是后来的天文学家和理论物理学家，在用广义相对论进行宇宙学研究时，只注意了如何对广义相对论引力方程从数学上进行求解，对在'无限的宇宙'中应用只在局部有限区域成立的广义相对论引力理论是否合理似乎很少有学者加以考虑.人们把爱因斯坦在引进宇宙学原理后，从广义相对论引力方程简化得到的所谓宇宙学方程，认为是研究宇宙学不可动摇的基础.Friedmann也只是去掉爱因斯坦后来又引进的宇宙学常数，从而得到了宇宙膨胀的数学解.如果在'无限的宇宙'中应用只在局部有限区域成立的广义相对论引力理论是不合理的，显然这样得到的宇宙膨胀解也不可能是合理的.
实际上在宇宙的不同层次结构中，可以应用俞允强教授的有心力场假设对天体运动用广义相对论引力理论进行求解.这样做才符合广义相对论对适用范围只能是局部区域这个限制要求.把只在局部有限区域成立的广义相对论引力理论，加上宇宙学原理作为研究宇宙学的基本假设，实际上是偷偷地把只在一个局部的有限范围内成立的广义相对论引力理论的应用范围，扩大到整个无限的宇宙.
  10、大爆炸理论与广义相对论的矛盾
          《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：６２．奥伯斯佯谬能否解决？
     广义相对论认为一切参考系都等价，无法确定整个宇宙的运动状态，可是大爆炸理论却认为这个宇宙处于膨胀阶段，如何理解这一关系？宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的，通过对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测，宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆炸.我们所知的基本物理，比如广义相对论和粒子物理标准模型，在那里都不适用.为理解宇宙起源，需要了解大爆炸时期的基本物理量，可是根据相对论时间不能倒流，如何了解大爆炸时期的基本物理量？                                    
宇宙空间是有限的还是无限的，这是古今中外思想家科学家都极为关心极为感兴趣的一个问题.文献【1】表达了一种普遍共识：相对论宇宙学“认为宇宙有限，这是对20世纪以前宇宙观念的极大改观.” 【1】                              
在相对论体系中，存在着一些带有根本性的困惑.例如在弯曲时空中如何测量质量、能量、角动量和自旋等物理量？事实上，在广义相对论中，这些物理量的测量和定义依赖于狭义相对论，特别是依赖于狭义相对论闵氏空时中的平移.然而在广义相对论的局部闵氏空时中却并不存在这种平移.当然，如果引力效应很弱，局部实验室可以在一定的近似下忽略引力近似具有闵氏空时的平移.但是一个局部实验室与宇宙尺度的现象有关的实验和观测，比如观测星系红移、测试与微波背景辐射的作用，那么局部实验室得到的有关数据，就必然与狭义相对性原理冲突.狭义相对论的平移力不再严格成立.哈恩说："在宇宙大爆炸后应该有同等数量的物质和反物质.但是，今天只是物质主宰我们的地球，所以这可以解释当我们相互握手时，为何我们不会消灭对方.如果中微子产生成自己的反粒子，这可能帮助我们了解更多关于上述不平衡现象."关于这个不平衡现象，哈恩继续解释说："这个实验要问的关键问题是：为何我们在宇宙的一个角落中存在，只有物质而没有反物质.宇宙学理论从超新星爆炸大红移推得宇宙加速膨胀这一结论，使用的弗里德曼方程中用了罗伯逊-沃克度规.已有人证明，该度规得出的是牛顿-伽利略速度相加规则，而不是狭义相对论的速度相加规则.英国物理学家米恩1943年甚至从牛顿力学理论导出弗里德曼方程.可见，弗里德曼方程并不适用于光速量级的高能超新星爆炸.因而，宇宙加速膨胀的结论存在疑问.
  根据宇宙学原理，在宇宙任何处观测，都应得到同样的远方星系的退行规律——宇宙在膨胀.地球是非常普通的一颗行星，它可能正好处在而且一直处在宇宙爆炸的中心吗？显然不会.那么，与地球反向运动的恒星相对于地球的速度较大，在地球上观测这些恒星的谱线红移会非常明显，与地球同向运动的恒星相对于地球的速度较小，在地球上观测这些恒星的谱线红移会很弱；也就是说， 在地球上观测宇宙中各恒星的谱线红移会有明显的方向性.然而事实并非如此，谱线红移没有方向性，在各个方向上都是等价的，它与恒星到地球的距离是成正比的.
如果宇宙本来就是无限的，则爆炸发生在空间的每一点.如果宇宙是有限的，则Big Bang  Cosmology的宇宙范围比现在小得多.兰茨伯格提出，如果把宇宙的膨胀作为时间箭头，则宇宙的收缩就会使观察者有时间倒流的感觉，但如果宇宙、观察者本人和用来量度的尺都同时发生收缩，由于缺乏一个参照系，观察者就无法知道宇宙是否在收缩.美国物理研究所的唐•路博维希等科学家在新一期英国《自然》杂志上报告说，他们研究了距银河系中心仅32光年的射手座星云的光谱，结果发现氘的丰度比按照Big Bang  Cosmology理论标准模型计算出的结果高出约10万倍.如果宇宙Big Bang  Cosmology假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离.目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀.倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙Big Bang  Cosmology假说是错误的.现代宇宙学认为，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标系”，它是优越的空间坐标系，典型星系对于这个坐标系均匀和各向同性；可以测量地球相对这个坐标系的运动速度.1965年，美国彭齐斯和威尔逊发现了2.7K宇宙背景辐射.后来进一步的研究证实，背景辐射严格地各向同性的情况只存在于一个惯性系中，在相对于这个惯性系运动的任何其它惯性系中显示出辐射温度的方向变化.可以认为，宇宙背景辐射是宇宙标准坐标系的最好的物质体现.测量从各个方向到达地球的背景辐射温度的微小偏离(其最大值指向狮子座 星方向)，得到地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为400公里/秒.
然而，如果要进行宇宙学观测或进行与宇宙背景有相互作用的实验，或恰恰要测量这些相互作用的效应，就会出现问题.河外星系红移表明，具有优越速度、暗示宇宙在膨胀；宇宙膨胀又给出时间箭头.微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质，不过要扣除实验室相对于微波背景辐射的“漂移”.对于这类实验和观测结果表明：适当扣除我们实验室的“漂移速度”、忽略原初扰动，在一定近似下，宇宙背景空间是均匀各向同性的、具有6个参数的变换群；宇宙背景时空的度量是弗里德曼?罗伯孙?沃克度量，依赖于标度因子和一个标记三维宇宙空间为开放的伪球面、欧氏空间还是闭合球面的参数A=?1，0，1，对应的对称性分别是转动群SO(3，1)，欧几里得群E(3)和转动群SO(4)；标度因子仅依赖于宇宙时和k，其形式由宇宙中物质分布的能动张量通过爱氏场方程决定.在这种背景时空里，由于存在优越速度和时间方向，相对性原理不再成立；按照庞加莱群的不可约表示对于物质场的区分和有关物理量的定义失去严格的意义.
Roger  Penrose证明，如果宇宙中物质施加的引力总是表现为吸引，并且宇宙中存在着足够的物质，那么这些物质的引力效应就使人们不可能无限地沿着时间往回追踪所有的光线.某些（也可能是所有的）光线必定会达到一个终点——“奇点”，即光线在其轨迹的尽头达到了space-time的边缘.如果我们把宇宙的整个历史——所有的空间和所有的时间——想象成伸展在我们面前的一张硕大无比的纸，那么我们就有可能在某些特殊的地方发现一种密度和温度无限大的“奇点”.【2】根据奇点定理，在具有合理物质源的广义相对论的经典理论中，引力坍缩情形中的空间——时间奇性是不可避免的.利用时间方向的反演可以得到相应的初始的空间——时间奇性是不可避免的.物质与space-time在初始奇点创生，在终极奇点消灭，这两种奇点也许存在一个准确的时间对称.如果Euclid空间——时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间的奇点处开始，就有了和经典理论中指定宇宙初态的问题，但是我们提不出任何特别的原因，认为它应当以这种而不是那种方式开始.在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在Big Bang  Cosmology奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的.引力似乎存在不同于粗粒化产生的内禀引力熵的出现，宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始.霍金说：“广义相对论导致了自身的失效：它预言它不能预言宇宙.”
另一方面，Einstein认为：自然界的真实定律不可能是线性的，也不可能从这种线性定律推导出来.Maxwell方程组表现的几何定理就是：“边界的边界是不存在的.”
现代物理学认为宇宙始终以接近于（其实相等）区分收缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率膨胀，说明宇宙无始无终.物理学在时间的大门口（Big Bang  Cosmology、大坍缩）走到了尽头；但另一方面，尽管有那么多表面上的变化，物理学在人们心目中始终走它的永恒之路.在物理学的描述中，“时间”不是一个原始范畴，在使用时间已临近“时间的大门口”这一观念是错误的 .广义相对论和粒子物理标准模型在那里都不适用.为理解宇宙起源，需要了解大爆炸时期的基本物理.首先,大爆炸是广义相对论结合某些物态假设和宇宙学原理下的解，怎么可以接受这种奇性解而反过来否定其基本前提的？因为如果这种极端情况下广义相对论和粒子模型失效，那这个解就更不可信的了.第二、大爆炸只是动力学方程的解，什么背景辐射、大尺度结构、核合成、氦丰度等根本与这个奇点无任何必然联系，因为所有这些结果都可由任何初期小而热的宇宙模型平行地解释.这些怎么就成了对大爆炸理论的验证呢？第三、物态方程对具体宇宙模型具有决定性影响，但宇宙中物质形态几乎是无限的丰富，而我们关于物质形态的知识是很有限的，怎么可以根据一个作了无限简化的并且被观察否定了的正能量条件，来否定广义相对论呢？正确的思维方式应是一个未被实验明确证否的基本原理是不可随便怀疑和修改的，怀疑一个基本原理的必要条件是要么明确与试验冲突，要么几条基本原理之间有逻辑矛盾.像对待大爆炸、黑洞之类的反常解，首先想到的应是怀疑辅助假设的有效性，而不是急急忙忙地否定基本原理.
惠勒教授通过他的质朴性原理总结道：“爱因斯坦广义相对论的成功，为当代科学开辟了另一个概念：从一个基本的方程将可推知一切.然而，这个概念也碰到了困难，因为它假设，物理学的方程是被刻在一块坚硬的花岗岩上的，它是万古不变的.实际上，方程本身也是由大爆炸形成的.不仅粒子和场本身来自大爆炸，就连物理定律也来自大爆炸.大爆炸这一建造过程完全是随机的.就像遗传变异和热力学第二定律一样，并没有一块预先刻定的物理定律的花岗岩.”
下面的分析来自于网络;现在，假设真空中一个不旋转，不带电荷，体积有限，球型对称且密度均衡的理想试验物体，以及两位虚拟的观测者，进行一次坐标转换的试验.第一位观测者相对试验物体是静止的，没有任何其它参照系，也没有其它引力场的影响.假设观测者的存在与否不对试验物体产生任何影响.测量结果使观测者得到了物体的质量、体积、不旋转、不带电荷等属性.他还计算了物体表面及周围因物体惯性质量而存在的引力场的情况.他要是懂得广义相对论，就可以得到物体表面及周围时空曲率的表达式.他也可以用质能方程E=MC2来计算物体的总能量.但因为没有任何参照系，他不知道物体的运动状况.他得到这些情况后就离开了.第一个观测者离开之后，一个外力作用于物体之上，段时间之后，外力撤销.这时，第二个观测者出现了.同样假设这位观测者的存在与否不对试验物体产生任何影响，他相对于物体是静止的，也没有任何的参照系，没有其它引力场的存在.第二位观测者对物体进行同样的测量.他得到一组数据，质量，体积，不带电荷，不旋转等等，他也计算物体表面及四周引力场的情况，也知道时空弯曲的情况.
根据能量守恒原理，因为有外力的作用，因此试验物体的总能量肯定发生了变化，设为△E.因此，物体的惯性质量也会改变，△E=△MC2.又根据广义相对论，物体的惯性质量使时空弯曲，现在惯性质量变了，物体表面及四周的时空曲率也必然改变.这些改变均相对于第一位感测者得到的数据而言.在外力发生作用时，这些数据就改变了.设惯性质量与时空曲率的关系式为:g=M/R2，与地球引力加速度的表达式一样.如果用微分几何方程式ds2=∑gikdxidxk来表达，则gik为一个张量，在球型对称的时空弯曲中，同一球面的gik在数值上是相同的，方向不同，因此，可以用g=M/R2来简化计算.在上面的实验中，g的变化量为△g=△M/R2=△E/R2C2，R为物体表面的球面半径，△g为物体表面时空曲率变化量.现在的问题是:物体受外力作用时，到底先改变了物体的惯性质量，从而改变时空曲率，还是先改变时空曲率再改变了物体的惯性质量?我们并不能确定，惯性质量与时空弯曲之间是否是因果关系，我们所知道的只是能量的变化.因此，可以这样认为，物质和它周围的时空，根本就是不可以分割开来的.抛开时空去讨论物质的物理规律或抛开物质去讨论时空的几何性质都是片面的.因为我们不知道，是时空曲率的改变从而改变了物质的惯性度量，还是物质的惯性质量改变导致了时空度量的改变.把这个问题与能量关联到一起，就成了这样的问题:是弯曲的时空改变曲率抵消了能量的变化，还是物体惯性质量的改变抵消了能量的改变?我们无从区分.于是，根据等效的原则，得出这样的结论:弯曲的时空蕴含能量.曲率的变化会吸收或释放能量，并通过与之紧密相连的物质表现出来.将时空弯曲直接与能量联系起来，物质成为这一关联的载体，或者叫表现形式.(想起弹簧没有?)时空和能量成了宇宙的主角.这样好像不太习惯，但仔细想，一切物理现象均在时空中发生，均涉及能量的变化，如果抛开时空来研究物理规律，是不全面的，只有将时空变化放到物理现象中一起来研究，才更合理.把上面的结论逆反过来，将得到一个更重要的结果:如果平直的时空产生扰动，从而有时空曲率的变化，就会有能量的产生，而代表能量的物质，或者说能量的载体，物质就会产生.也就是说，能量和物质会从平直时空的扰动中，凭空产生，而总体上，能量依旧保持平衡.那么，现今的宇宙完全可以从平直时空的扰动开始，慢慢演化成现在的样子.时空和物质的存在是自洽的，不存在大爆炸这样一个奇怪的起始点.
霍金在《时间简史》中提出下列观点意义深刻：“携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分为四种.必须强调指出，将力划分为四种是人为的；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意.大部分理论家希望最终找到一个统一理论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面.确实，许多人认为这是当代物理学的首要目标”，“如果找到了完整理论，就找到了上帝的精神”， “广义相对论只是一个不完整的理论，它不能告诉我们宇宙是如何开始的”，“在弗利德曼模型中，所有星系都是直接互相离开，过去某一时刻它们必须在同一处.然而，在实际宇宙中，星系不仅仅是直接相互离开，它们从来没在一处过，只不过是非常靠近而已.也许，现在膨胀着的宇宙不是大爆炸奇点引起的结果，而是从早期的收缩而来的.” 中国著名科学家朱洪元教授早在1963年就说：“爱因斯坦的后半生就是一个例子，他提出了广义相对论以后就是一切科学，无论是自然科学或是心理学.其目的就是把我们的经验组织起来，成为逻辑的系统…….这种思想指导下，根据脱离实际的逻辑推理和数学演算，得出了宇宙有限的结论，甚至还算出了宇宙半径……”
参考文献：
【1】吴翔等. 文明之源——物理学[M]. 上海:上海科学技术出版社, 2001, 222
【2】何香涛，乔戈，“霍伊尔和他的稳恒态宇宙”，《自然辨证法研究》，Vol. 9, No. 1, 1993.(He Xiangtao, Qiao Ge, “Sir Fred Hoyle and His Theory of Steady State Universe”, Studies in Dialectics of Nature, Vol. 9, No. 1, 1993.)
附录1：爱因斯坦曾支持定态宇宙理论
一份被科学家忽视数十年的手稿显示，阿尔伯特•爱因斯坦曾经涉足一个宇宙大爆炸替代理论，他提出宇宙在稳定和无限地扩大.这份手稿写于1931年，手稿内容不难让人们联想起英国天体物理学家Fred Hoyle在近20年后支持的稳恒态理论.不过当时爱因斯坦很快就放弃了自己的观点，但手稿显示他仍对宇宙是在一次爆炸中形成的观点犹豫不决.
上世纪20年代，大爆炸理论获得了观测数据的支持，当时美国天文学家Edwin Hubble等人发现，遥远星系正在不断远离，并且宇宙本身也在膨胀.这似乎暗示着，在过去，宇宙是一锅非常稠密炙热的“原始肉汤”.
但是，自上世纪40年代后期以来，Hoyle认为宇宙可能在永恒地扩展，并且保持着恒定的密度.而宇宙通过不断增加新物质来保持这一发展状态.之后，粒子将合并形成星系和恒星，而它们将以合适的速率发展，逐渐占据宇宙膨胀制造出的额外空间.Hoyle的宇宙是无限的，因此它的大小并没有随着其膨胀而改变，它始终处于一个“稳定状态”.
最新公开的手稿显示，爱因斯坦在更早时也描述了一个基本相同的理论.“如果密度保持不断，新粒子必须不断形成.”他写道.该手稿被认为是爱因斯坦于1931年在美国加州旅行时写下的，部分原因是它被写在美国的便条纸上.
该手稿被收藏在耶路撒冷爱因斯坦档案馆中，人们能够在该馆网站上自由浏览，但是它一直被错误地归纳为爱因斯坦另一篇论文的初稿.爱尔兰沃特福德理工学院物理学家Cormac O’Raifeartaigh表示，当意识到这份手稿讲述的内容是什么时，自己几乎从椅子上跌下来.他和同事在arXiv预印本服务器上公开了他们的发现，以及爱因斯坦德文原稿的英文译本，同时，他们将论文刊登于《欧洲物理学期刊》上.
“该发现证实，Hoyle并不是一个怪人.”研究合作者、英国剑桥大学科学历史学家Simon Mitton说.Mitton曾撰写《Fred Hoyle：科学人生》.无论如何，爱因斯坦曾考虑过稳态宇宙模型是不争的事实，而这将为Hoyle有关这一问题的辩论增加筹码.“如果Hoyle知道，他肯定会用它来重击对手.”O’Raifeartaigh说.
尽管Hoyle的模型最终通过天文观测被排除，但它至少有数学上的一致性，通过调整爱因斯坦广义相对论方程式，提供了物质自发形成的可能机制.爱因斯坦未公开的手稿表明，首先他相信此类机制能衍生于自己的原始理论.但O’Raifeartaigh研究小组表示，那时爱因斯坦可能意识到自己的运算出现了错误.当他改正后，他大概觉得这个想法不可靠，于是丢到了一边.
普林斯顿大学宇宙学家James Peebles表示，这个手稿可能是“一个始于新点子带来的兴奋的草稿，但作者意识到被自己欺骗后，就立刻放弃了”.而且似乎没有记录显示爱因斯坦曾经再次提到过这些运算.
但实际上，爱因斯坦推算了稳定状态概念，以表明自己对大爆炸理论的一贯抵制.即便其他理论物理学家证实大爆炸是广义相对论的自然结果，爱因斯坦也觉得它“糟糕透了”.O’Raifeartaigh及同事指出，在天文学家发现宇宙膨胀证据后，爱因斯坦放弃了对静止宇宙的偏袒，而一个稳态宇宙将是下一个最好的选择.
附录2：2014年9月29日，来自新华网的一条新闻“不存在黑洞 大爆炸理论也是错的 已经数学验证”中表示，一位北卡罗来纳大学的科学家证明了黑洞不可能存在.
来自科研出版社英文期刊《Journal of Modern Physics》（现代物理）2014年9月刊的一篇研究论文报道：中国学者罗平安教授，通过建立的引力子相互作用的二个物体静态万有引力物理模型，发现了当前主流物理理论和实验中，普遍忽略的一些无穷小量，在研究宇宙空间时，居然对宇宙的稳定性产生了不可思议的影响.在考虑了这些无穷小量后，推导出的万有引力理论，发现：原来限制宇宙空间不可能无限大的奇点，居然消失了，人类再也不必为宇宙大爆炸而担心了.（阅读点击原文）
“不存在黑洞 大爆炸理论也是错的 已经数学验证”属于数学方法方面的验证，“当前引力理论及实验所忽略的无穷小量对宇宙稳定性的影响”则从最基础的物理模型出发证明，牛顿、爱因斯坦理论在宇宙论上遇到的奇点不存在，也就是说大爆炸理论是错误的，所谓的暗物质、暗能量也没有必要存在，两篇文章是不同侧面的相互补充.
如果这两篇的研究成果是对的，那么困扰人类很久的“宇宙大爆炸”魔咒将不复存在，人类再也不必为宇宙大爆炸而担心了.

                        11、大爆炸理论的天文学困难
大爆炸之前是什么？大爆炸理论认为大爆炸之前没有时间，这样的问题不存在.有两种候选的统一理论：一是所谓“一切事物的理论”——超弦理论；另一是不大为人所知的“环量子论”，据此，大爆炸是大反弹.被称为“物理学诗人探险家”的惠勒（John A.Wheeler）博士则根据他对量子论和信息论的理解，提出了关于大爆炸的“观察者起源说”.
——摘自奥弗比（Dennis Overbye）的文章
      过去多少年人们一直都在谈论宇宙膨胀的减速并引入宇宙学基本参量q0——减速参量——来描述这种减速（十年前的教科书和文献告诉我们，宇宙的膨胀是在不断减速的，具体如何减速，也就是q0到底是多少呢？“观测表明”，q0可能接近1/2！）.但1998年底以来的高红移超新星观测等结果使人们惊奇地发现，q0居然为负值！即宇宙是在加速膨胀！同时不为零的宇宙学常数的引入改变了人们对宇宙的认识.发现宇宙加速膨胀的“超新星宇宙学项目”的首篇论文利用最先发现的7颗高红移，得出的结论可是Einstein-de Sitter宇宙耶！即q0=1/2的减速膨胀的宇宙！Perlmutter et al. 1995, ApJL, 440, L41.这不禁让我想起了爱因斯坦的那句名言： “Subtle is the Lord”，“上帝是微妙的，但并不是不怀好意的”.）
又例如，1994－95年引起天文界轰动的焦点——宇宙比古老恒星还年轻的“宇宙年龄佯谬”（有当时中央电视台新闻联播的报道为证），在现在看来，则迎刃而解.
大爆炸宇宙学的六大难题——
1．宇宙学原理问题：如果宇宙起源于大爆炸，那么宇宙的边缘部分的星体密度应该比靠中心的部分更为稀疏，可为什么我们测量到的宇宙在大尺度下是如此均匀？天文学家猜测河外星系的分布有可能是均匀的，但目前没有令人信服的观测证据.天文观测表明，目前已发现上万个星系团，距离远达70亿光年.至少有85％的星系是各种星系群或星系团的成员.星系团形成更大的结构，称为超星系团.超星系团的存在表明宇宙内的星系分布是不均匀的.
2．宇宙学红移问题： 哈勃定律中的速度—距离关系是建立在观测的红移—视星等关系及一些理论假设前提上的.哈勃参数最初被定为约500 km/s/Mpc，现在公认的数值在50—75之间.这个事实就是其准确度很差的明显证据.关于河外星系退离的速度从来没有用其他方法直接测量过，所以星系光谱线红移的多普勒效应的解释依然是一种猜测.
3．大爆炸宇宙极早期的问题：大爆炸宇宙学认为，大约在150亿年以前的某一时刻，宇宙是个高密度的原始粒子.这个原始粒子的尺度比一个纳米还要小，可是它集中了可见宇宙的全部质量（上万亿个银河系的质量），而在原始粒子以外，则是一无所有的虚空.在大爆炸之前，既没有时间，也没有空间.这种简单的大爆炸模型，显然是远远偏离了人类有文明史以来的物理学和逻辑学的基本原理，包括物质和能量不能无中生有.能量守恒定律认为能量是不可创造，质量守恒定律认为质量是不可创造，大爆炸理论认为能量、物质（质量）、空间、时间已经被一个无限小的点爆炸创造，并且是在四大皆空发生的.如果宇宙存在一个开端，那么这个开端便是时间坐标轴的原点，如何确定这个坐标原点呢？那我们不得不采用绝对时间概念，但是，如果采用绝对时空观念，那样由相对论等高等物理理论推导而来的大爆炸理论岂不成了废纸一张？  对于宇宙的历史，相对论者在写论文的时候都采用了绝对时空观，如大爆炸后的最初一秒钟，大爆炸后的两万年……这些可是相对时空观念不允许的.对于宇宙的年龄，人们没有必要通过研究某个古老陨石所携带的某种放射性同位素的半衰期来测定它.由广义相对论，我们可以得知，每个星体由于其速度及引力场的不同，会导致时间的快慢程度不同，也许有个星球上的智慧生物认为宇宙的存在只有15亿年，也许另一个星球上的生物认为宇宙已有1500亿年了.因此，我们永远也不知道宇宙的年龄.今天，我们人类认为宇宙有150亿岁了（这个时间一直在修改当中），可是早在46亿年前，地球还没形成！那时，引力场和物质的运动速度都跟现在完全不一样，因此，我们现在没人能够理解当时的那种时间概念.所以，在大爆炸理论中，时间是整个理论的误点之一，因为它与自己的理论基础的不能融洽结合.每个星体由于其速度及引力场的不同，会导致时间的快慢程度不同.适合智慧生物的行星，其质量最大相差四个数量级（见《近代物理学》P536，王正行编著），就是按牛顿观，这样大的差异引起的重力加速度的差异大约不到22倍，其摆钟走时差别约4.5倍，原子钟由于振荡频率减小计时也变慢.同样材质制作的量尺，在大质量行星上因原子、分子的间隙减小会变得短些，就象人平卧时身长会比站立时长些一样.
4、视界疑难.视界是因果联系的区域，由于受到有效传播时间的限制，在早期宇宙中，不同的视界之间不能以热信号或光信号等相互联络，因此，它无法说明目前宇宙的普遍性的因果联系.比如，在全天空，宇宙背景辐射的温度，直到105分之一的程度都是均匀的，这是目前宇宙存在着普遍性因果联系的有力证据.
5、平直性疑难.宇宙的平直性与宇宙学密度相关，目前的宇宙学密度约为1，即我们的宇宙是平直的，这要求早期的宇宙学密度要更精确地等于1，因为，如果早期的宇宙学密度的值与1有些偏离，那么，这一偏离就将急剧增长，而破坏宇宙的平直性.但是，初始宇宙物质密度非常大，半径又相当小，按照广义相对论，其曲率应该很大，怎么会是平直的呢？
6、磁单极疑难.根据有关理论，宇宙大爆炸后，随着能量的逐步降低，会发生对称性的“自发破缺”，在不同视界的相交处将会产生磁单极.因为磁单极的质量很大，它的质量密度将是重子质量密度的1014倍.这是一个灾难性的预言，因为，既然磁单极这么多，它早就应该被发现了，但实际上却至今没有发现一个！
2004年2月，美国和法国天文学家先后报告发现了距离地球最遥远的星系.美国天文学家宣布发现的那个星系距离地球130亿光年，大约形成于宇宙大爆炸后7.5亿年.法国发现的星系距离地球132亿光年大约形成于大爆炸后4.6亿年左右，是迄今发现的宇宙中形成时间最早的一个星系.Ａｂｅｌｌ1835星系群处在地球和该星系之间.当地球上的观测点与该星系和Ａｂｅｌｌ1835三者形成一条直线时， Ａｂｅｌｌ1835的质量将该星系的光线折射并放大到其本身亮度的25至100倍，天文学家才能看到这个星系.法国天文学家将该星系命名为Ａｂｅｌｌ1835ＩＲ1916.　
类似的这种发现与相对论的光速是宇宙最高运动速度有所冲突.按照目前为大多数人所接受的宇宙大爆炸起源理论，我们目前所处的宇宙来源于大约140－150亿年前的一个“奇点”的爆炸.美国和法国科学家发现的星系距我们都在130亿光年之外，也就是说，这些星系在大爆炸约10－20亿年后就已经在现在的位置上了.迄今为止，科学家观察到的宇宙都是各向同性，没有任何迹象显示任何星系是位于宇宙的一侧边缘，因而在地球与Ａｂｅｌｌ1835ＩＲ1916星系相对的另一侧也应该有距离在130多亿光年甚至更远的星系.也就是说，在大爆炸发生后10－20亿年左右，宇宙中竟然产生了相距超过260亿光年的星系！
2004年 1月5日，在美国天文学会的一次国际会议上，美国乔治亚州立大学的一个天文学家小组宣布首次捕获到从蚀星SS433发出的光线.观察到SS433天体所发光线既有红移又有蓝移.人们发现，同一类星体有不相同的红移谱线，这明显与速度红移理论相矛盾，因为同一个类星体不可能以几种不同速度远离我们而去.另外，有些类星体的红移量相当大，用哈勃红移理论解释，这些类星体应处在极遥远的地方，且有几乎趋近光速的退行速度.这说明星系红移是不能完全用多普勒效应来解释，必然还有另外因素影响波长的红移，但到目前为止，还没有人提出可令人信服的物理机制对星系红移现象作出圆满说明，星系红移现象已向整个物理学提出严峻的挑战.
虽然Big Bang  Cosmology宇宙模型可以解释众多的观测现象，却存在许多疑难，如视界疑难、准平坦性疑难、结构起源疑难、宇宙常数疑难等.因此人们在宇宙甚早期引入暴胀（inflation）阶段——宇宙以指数形式快速膨胀，暴胀模型可以解决上述一些疑难，但宇宙常数问题依然存在.1998年以前，物理学家和天文学家一般都认为宇宙学常数等于0或很小可忽略，而且粒子物理学家认为，宇宙学常数可以看作宇宙真空能量密度的一种量度.但最近几年来，天文学家用各种观测方法和手段，例如超新星、宇宙微波背景和引力透镜等遥远天体的观测、宇宙物质密度的测量和真空能量密度的测量，获得了比较精确的数据表明宇宙学常数不仅存在，而且其能量密度与物质成分在同一量级，还稍大一点.宇宙学常数Λ导致的能量——动量张量的能量密度ρΛ=Λ/（8πG）和压强pΛ=-ρΛ.由于压强与能量密度正好大小相同而符号相反，因此宇宙学常数在Einstein场方程中起一个“反引力”的效果.现在一般引进有效宇宙学常数Λeff=8πGρΛ+Λ0, Λ0是裸的宇宙学常数.根据大爆炸宇宙学说，星系、星系团等超大尺度结构应该是早期等离子体的不均匀性增长演化而成，而这种早期等离子体的不均匀性，应该在微波背景辐射的小角度（1″～1°）各向异性上有所反映，而宇宙整体的不均匀性应表现在微波背景大角度上的各向异性.多年来，不少观测宇宙学家和天文学家都在致力于探测这种各向异性，迄今为止，还没有得到所期望的结果.道尔哥夫和泽尔多维奇称这一尚未解决的问题为“现代宇宙学中的一朵乌云”.
2004年5月22日，英国的《新科学家》杂志发表了34位科学家和工程师签名的《致科学界的公开信》上网后，又很快获得了185位科学家的网络签名），对大爆炸理论进行了口诛笔伐.他们尖锐地指出：“更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观察的验证.该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观察的结果：它不断地在增补可调整的参数，就象托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样.” 【1】
    在深入研究宇宙的起源之后，对于眼前的世界，诺贝尔奖金得主温伯格这样写道："很难理解这只不过是一个充满敌意的宇宙中的一小部分，更无法想象到现在的宇宙是从一个难以言传的陌生的早期状态演化而来，而又面临着无限冰冷的，或是炽热难耐的末日.宇宙越可理解，也就越索然无味."
参考文献：
【1】全志钢，大爆炸或许从未发生过，新发现，2006年6月，P40.
附录1:

附录2: 科学家发现宇宙在大爆炸前就存在

宇宙微波背景辐射图片，圆环说明宇宙在大爆炸前发生过事情.
新理论“共形周期宇宙论”认为黑洞将最终吞噬宇宙中的所有物质.根据他理论，彭罗斯表示.吞噬宇宙中所有物质之后，留下来的就只有能量，触发下一次大爆炸进而开启一个新永世.彭罗斯在接受英国广播公司采访时说：认为的变化中，会看到一次指数性膨胀，但并不是发生在永世—用这个术语描述从我大爆炸到遥远的未来这段时期.认为这个永世只是一系列类似时期中的一个，以往永世的遥远未来不知何故成为开启我这个永世的大爆炸.
英国和亚美尼亚科学家表示，北京时间11月30日消息.发现了能证明宇宙在大爆炸前就已存在证据.绝大科学家认为宇宙是大爆炸后产生的但在宇宙微波背景辐射(CMB中发现的同心圆—大爆炸后效应—可能证明大爆炸前有事件发生.
宇宙并非大多数人所认为的那样开始于137亿年前，这一引发争议的发现认为.而是周期存在从一个永世进入另一个永世.备受尊敬的科学家—牛津大学教授罗杰•彭罗斯和亚美尼亚埃里温国立大学教授瓦赫•古扎德亚将这一发现刊登在arXiv.org网站上.
现在温度已降至零下270摄氏度左右.绝大多数科学家认为宇宙是大约137亿年前大爆炸后诞生的恒星和星系在宇宙形成后大约3亿年出现.太阳诞生于大约50亿年前.地球上第一次出现生命则是大约37亿年前.宇宙微波背景辐射可追溯到大爆炸后30万年.
美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器在宇宙微波背景辐射中发现的证据显示，但彭罗斯和古扎德亚认为.辐射中存在印记年代逾越大爆炸.两位科学家表示他已经发现了12个同心圆例子，其中一些有5个圆环，说明一些天体在其历史上发生了5次大规模事件.圆环出现在星系团周围，星系团背景辐射中的变化水平似乎较低，显得有些怪异.
将继续膨胀下去，这项研究发现似乎否定了得到广泛支持的有关宇宙起源的膨胀理论”这一理论认为宇宙开始于大爆炸.直至未来达到某一个点才停止膨胀.彭罗斯和古扎德亚认为，同心圆是上一次大爆炸前的上一个永世中特大质量黑洞碰撞发生的极度强烈的引力辐射波的印记.指出，这意味着宇宙周期受控于大爆炸和特大质量黑洞碰撞.
附录3：美数学家认为宇宙可能“有始无终”

宇宙大爆炸想象图
中国科技网讯　据英国《每日邮报》近日报道，美国两位数学家表示，他们经过分析发现，现有的科学界广泛流行的与“永恒”宇宙有关的三个观点都是错误的：无论是否是“宇宙大爆炸”，宇宙确实拥有一个“起点”，但宇宙没有终点.最新研究发表在麻省理工学院的《技术评论》杂志上.“大爆炸”这一术语的创造者、天文学家兼物理学家弗雷德里克•霍利持有一种观念：那就是，宇宙无始无终，可能会永远存在下去.但现在，塔夫茨大学的两位数学家宣称，他们已经“证明”：宇宙的未来可能是永恒的，但过去并不是.宇宙可能没有终点，但宇宙确实拥有一个起点.奥黛丽•米萨尼和亚历山大•维兰金表示：“宇宙学领域的一个基本问题是：宇宙存在着一个起点还是一直就存在.彭若斯与霍金的奇点定理解决了这个问题，该理论认为，最初的奇点不可避免.”宇宙在不断膨胀，这也符合“原始奇点”理论——一个密度无限大的对象发生爆炸，导致“宇宙大爆炸”.从地球上可以观测到这一点，而且，宇宙也因此不可能自大爆炸开始就只是“安静地呆着”.然而，有三个理论使宇宙不需要一个“起点”就能不断膨胀.米萨尼和维兰金表示：“目前，科学界存在着三种被广泛接受的与宇宙命运有关的观点：始终在膨胀的宇宙膨胀、循环宇宙以及在膨胀之前作为一个静态种子而始终存在的‘突然出现’的宇宙，这三个观点都认为宇宙不需要一个起点.”这两位科学家从数学上对这三种观点进行了分析，结果发现，宇宙不是一直就存在的，宇宙存在着一个起点，不管这个起点是否是“大爆炸”.米萨尼和维兰金说：“我们的分析结果显示，宇宙不可能一直就永恒地存在，宇宙一定存在着一个起点.”
附录4：德科学家宣称：宇宙并非在膨胀
     科技日报讯  据英国《自然》杂志网站7月16日报道，近百年来，标准宇宙学理论认为：宇宙源于一次大爆炸而且正在不断膨胀，这似乎已成了一个根深蒂固、颠扑不破的“真理”，但现在，一名德国科学家却提出了一种完全不同的解释，他认为，宇宙根本不是在膨胀，粒子质量的不断增加或可解释为一些距离地球遥远的星系似乎离地球越来越远.
    德国海德堡大学的理论物理学家克里斯托弗•维特里克在arXiv上撰文指出，他已经构建出了一种完全不同的宇宙学框架，在这套框架内，宇宙并非在膨胀，而且，万事万物的质量一直在增加.这一理论或许有助于科学家们理解一些有争议的问题——比如宇宙大爆炸中出现的“奇点”等.
  天文学家们通过分析物体的原子释放或吸收的光来测量物体是在远离还是接近地球，这些光会以独特的颜色或频率出现.当物体远离地球时，这些频率会移向光谱上的红色（低频）.上世纪20年代，包括埃德温•哈勃在内的很多科学家发现，大多数星系都展现出了这样一种红移，而且，星系距离地球越远，红移越大，据此，他们认为宇宙一定在不断膨胀.
  但正如维特里克所说的那样，原子释放出的这种独特的光也被组成原子的基本粒子尤其是电子的质量所控制.如果某一原子的质量增加，那么，其释放出的光子的能量也会变得更高.因为能量越高，频率越大，因此，释放和吸收频率将前移到光谱中蓝色的部分.相反，如果粒子变得越来越轻，频率将变成红移.
  因为光速是有限的，当我们看着遥远的星系时，在时间上，我们是在朝后看.如果所有的质量一直在增加，那么，古老星系的颜色将看起来是红移而非目前的频率，红移数量也将同它们与地球之间的距离成正比.因此，红移将使星系似乎离人们越来越远，即使它们并非如此.维特里克认为，在名为暴胀的短期之内，宇宙仍然在快速膨胀，但在暴胀之前，宇宙大爆炸不再包含有一个宇宙密度无限大的“奇点”时刻.现在的宇宙将是静止的，甚至开始收缩.
  这一想法听起来似乎合情合理，但它也有一个大问题：它无法被检验.地球上万事万物的质量最终都是相对于国际千克容器这一千克标准得出的数值.如果包括国际千克容器在内的万事万物的质量一直在随着时间的流逝而增加，那么，我们就找不到检验办法了.而对维特里克来说，缺乏实验测试并非大事，新模型的主要优势在于摒弃了困扰物理学界的宇宙大爆炸奇点.
   尽管该文还没有经过同行评议，但有些《自然》杂志的评审专家认为，这一想法值得深究.英国圣安德鲁斯大学的天文学家赵洪生（音译）表示：“我认为探究另一种解释是一件趣事.维特里克的解释似乎很严谨，值得推敲.”
  也有科学家表示，最新解释或许可以帮助天文学家们避免落入单一思维的窠臼.英国爱丁堡大学的宇宙学家阿琼•贝雷拉表示：“现在，天文学家们在追寻一个以暴胀和大爆炸为中心的标准模型.在一切盖棺论定前，看看是否还存在另外一种解释至关重要.”（刘霞）    《科技日报》（2013-07-18 一版）
12、局爆宇宙学及其实验证据
（1）局爆宇宙学的主要观点
    一些理论物理学家把宇宙起源和量子理论中真空的量子起伏联系起来.为了调和量子理论和宇宙大爆炸理论中的宇宙起源问题， 1980 年代初，出现了 “暴胀”理论，它的基本假设是：最初的宇宙开始于一个直径只有10 -35米的小起点，在大统一对称破缺时期，宇宙经历了一次难以想象的剧烈膨胀，它使一个视界的体积就暴胀成了我们所能探测到的整个宇宙.
     因为我们的宇宙是由一个视界暴胀起来的，视界疑难自然不再存在；磁单极子也成了个别现象，至今没有发现就不足为奇；在暴胀中，宇宙的曲率半径增加了大约为1043的因子，所以，无论初始宇宙如何弯曲，暴胀后，它都将是平直的.
   局爆宇宙学认为宇宙是无限的，在时间和空间上没有起点.宇宙中每一个局部的空间区域每时每刻都在运动和变化.宇宙中每一个恒星和星系都有从生长到死亡的演化过程，它们是整个宇宙演化的组成部分.
                    （2） 局爆宇宙学的观察证据
    1．宇宙学红移的非多普勒效应解释：局爆宇宙学认为星系之间的宇宙空间不是一无所有的虚空.如果远方河外星系发出的光子与物理真空（或者与暗物质）有一种超微弱的相互作用并损失能量，那么宇宙学红移也是可以得到解释的.我们在电磁波方程中引入一项阻尼项，这样在方程的解中，会有一项电磁波频率减少项的出现，从而推导出了哈勃定律.
   2．轻物质丰度：天文学家通过对河外星系的观测，发现物质主要成分是氢原子和氦原子，氢原子大约占75％，氦原子占25％.局爆宇宙学借鉴大爆炸宇宙学的模型，认为在宇宙的局部性爆炸时，也有极高温度和极高物质密度的过程，也有个核合成时期，同样可以解释轻原子的物质丰度.
   3． 局爆宇宙学认为，3K微波辐射是宇宙中的局部性爆炸的产物. 与大爆炸宇宙学不同，局爆宇宙学认为3K微波背景辐射不是由宇宙一次性大爆炸遗留下的产物，而是宇宙各地的局部性随机爆炸遗留下的产物.近年来发现的3K微波背景辐射中大约万分之一的起伏，正是宇宙中的局部性爆炸的证明.
   4．  伽玛射线爆以及超新星爆发
伽玛射线爆(γ爆)是一种短暂的高能爆发现象，平均每天会观察到1-2次的爆发，爆发持续的时间约在0.01秒至1000秒之间.关于γ爆的起源目前正在研究之中.一种模型认为，当两个巨型致密天体（例如中子星和黑洞）发生碰撞时，会导致伽玛射线爆的发生.它既是致密天体的死亡，也促进了新恒星的形成.
  美国加利福尼亚大学研究人员利用新方法观测到一次距今110亿年的超新星爆发.这是迄今发现的年代最久远的超新星爆发事件.
     局爆宇宙学认为，伽玛射线爆以及超新星爆发是宇宙中的局部性爆炸的直接观察证据.用局爆宇宙学说明宇宙中星体从生长到死亡的演化过程，比假设中的宇宙大爆炸学说要现实得多，也合理得多.
    5．  大爆炸初期的宇宙模型
            大爆炸宇宙学的研究越来越追溯到更早期的宇宙,特别是20世纪80年代以来，根据大统一理论发展起来的暴涨宇宙学，开始研究宇宙年龄约为10－36秒或更早期的情况.1980年到 1981年，美国科 学家艾伦•格斯等人把基本粒子统一理论已解决的 “真空相变，”现象应用于宇宙．他们解释说，在刚刚诞生的宇宙 中，发生了使宇宙性质完全改变的“相变”.相变前的旧宇宙比新 生宇宙具有更大的真空能，这种真空能转变为排斥力，使空间急骤膨胀.宇宙是从没 有时间、空间、物质和能量的“虚无”状态，通过量子力学所说 的“隧道效应”产生的.爱因斯坦的“宇 宙”常数项迄今仍是个迷;量子宇宙学的发展，有些问题仍待解决.

当宇宙年龄小于10－36秒时，宇宙间不仅没有星球，没有化学元素，甚至连任何基本粒子也没有，有的只是时间、空间和物理的真空.继续追溯这种非常单纯、非常对称的状态，便会得出时空创生于无(当然也就是说宇宙创生于无)的结论.其实，空间和时间的非永恒性，在相对论和量子论中已有强烈的暗示.按照相对论，要精确地测量时间，就必须精确地知道测量者的运动轨迹.然而，量子论中的测不准原理告诉我们，不可能精确地了解任何一个物体在时间中的运动轨迹，从而也就原则上否认了精确测定时间的可能性.这个精度的限制是lp～(hG/c3)1/2～10－33厘米，tp～(hG/c3)1/2～10－43秒，其中h是普朗克常数，G是万有引力常数，c是光速.lp和tp分别叫做普朗克长度和普朗克时间.它们的意义是：我们无法造出一种“尺”和“钟”，用来测定小于lp的长度和小于tp的时间.一个量在原则上不能测量，就不会有物理意义.这表明，在小于lp和tp的范围内，空间、时间概念就失效了.
1983年以来，霍金就致力于发展一种宇宙的自足理论.1984年初，他和他的合作者得到了第一个完整的宇宙自足解.该理论的第一个要点是建立非时间的理论，这种新的“时”空，实际上是一种欧几里得空间，其中不再含有时间坐标.该理论的第二个要点是给出上述欧氏空间的创生幅度，即宇宙创生于无的幅度.霍金只就简单的情况作了计算，还不能看作是真实宇宙的解，而不过是玩具式的模型而已，但它无疑向人们提出了一个值得深思的问题：我们关于时空和宇宙的传统观念是否一贯正确?这当然是向现代物理学和哲学的挑战.
    第一：Ia超新星的观测结果显示的是该星的光度距离和它红移值，虽说测量了这样的不少星系的距离和红移值，而且显得越远红移越大或速度越大，但测到的不是同一地点在不同时间的红移值，而是不同地点在不同时刻的红移值，所以得不出同一点的质元以前的远离速度小于以后的速度的结论，也就是说宇宙是否加速膨胀不能直接测量，它依赖宇宙摸型.
   第二，尽管把测到的距离和红移值代入有宇宙常数的爱因斯坦方程后，拟合出的减速因子是正的，但含宇宙常数的爱氏方程并没用任何太阳系的检验，其本身是否正确就成问题，由它导出的减速因子更靠不住，因此说宇宙加速膨胀已成定论或已被验证是不妥的.
  第三，把测量的距离和红移代入不带宇宙常数的爱氏方程拟合后发现宇宙密度为负的或为零，这显然是荒谬的，说明既便是得到太阳系内检验的方程尚存在有错误，得不到检验的方程更不能说正确.
13、局爆宇宙学的困难
暴胀理论完全是一个‘事后的理论’，完全是为了掩盖标准宇宙学模型中存在的问题而杜撰出来的理论，它并没有严格的理论根据.没有人知道宇宙为什么会突然出现暴胀，又为什么会在仅仅经历大约‘10-33妙’这样一个极短时间后就嘎然而止.因此暴胀理论是一个非常不靠谱的理论，许多学者之所以相信暴胀这个理论，完全是因为如果没有暴胀理论，标准宇宙学模型就要彻底崩溃，暴胀理论的奠基人之一、美国普林斯顿大学物理学家保尔•斯坦因哈特（Paul Steinhardt）自己后来也成为成了暴胀最主要的批评人之一.
即使在认可暴胀理论的宇宙学家中，有些人对最初的宇宙起始于一个直径只有10-35米的小起点这个说法也有点心虚.例如国家天文台陈学雷研究员在科学网（sciencenet.cn）上发表过一篇博文：‘无限时空－－谈谈宇宙学的科普和一些常见的误解（8）---大爆炸理论与稳恒态理论’，在这篇博文中陈学雷研究员就提到：‘宇宙大爆炸是根据观测到的宇宙膨胀的事实，向过去追溯推出的结论，那么追溯上去到大爆炸那一刻，宇宙究竟是什么样子呢？勒梅特认为，最早的时候所有的物质都凝聚成一个超级原子，这个原子是不稳定的，衰变时发生大爆炸，分裂成我们今天所知道的物质，这只是他的一个猜想，还不是一个完整的科学理论’；……‘现在说到大爆炸理论一般只是指宇宙早期经历过高温高密的阶段，而并不是指宇宙一定从一个奇点产生’.
所谓的暴胀是个怎样的图景呢？那是在远不到1秒的时间里，一个原子大小的东西，一下子变成了比银河系还要大的庞然大物.这是一个更无法解答的大疑难.另外，这样的暴胀速度将是光速的1030倍以上，这是在根本上与相对论过不去.有人说：宇宙的膨胀是时空的膨胀，这不同于物质的膨胀，因此可以超光速.在广义相对论中，时空与物质密不可分，所谓的“四维时空连续体”是一种特殊的物质.
暴胀理论预言宇宙学密度为1，而重子物质的产生速度远远跟不上时空的暴胀速度，因此，重子物质的密度远小于1，于是，宇宙的主要成分应该是人们还未认识到过的非重子物质——暗物质.宇宙中的大部分物质竟是我们从未认识到的，它们究竟是何物，又成了一个大疑难.
暴胀后的宇宙应该持续减速膨胀，然而用现代宇宙学的理论来分析天文观察数据，却发现：宇宙还在加速膨胀！这一异常，又触发了宇宙学家们的想象空间，他们认为：宇宙空间存在着比暗物质更大量的“暗能量”.
笔者在前面已经分析暗能量与暗物质并不存在，只是弱相互作用的表现形式.
    据2010年11月25日出版的《科技日报》记者常丽君报道，2010年11月23日美国物理学家组织网公布，在宇宙微波背景辐射中发现了一种圆环结构；科学家解释说，发现宇宙微波背景辐射中存在圆环结构并不是对大爆炸理论的否定，而是支持可能存在多次大爆炸.这是英国牛津大学物理学家罗杰•彭罗斯和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫•古萨德扬最近的发现.
14、宇宙自然选择学说简介
为什么宇宙会是我们观测到的这副样子？为什么它具有目前已测知的那些基本常数值？８０年代初，在宇宙创生大爆炸框架下发展了目前最流行的暴胀宇宙模型：宇宙在大爆炸后不到１秒的时间里膨胀了大约１０-３０倍，大约和橘子一般大小，然后开始以较稳定的膨胀速率，直到现在，大约１５０亿年，成为目前的样子.在这个过程中，物质“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.这个模型暴胀期的长短是个关键.若稍短，物质为充分散开，原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长，原生宇宙的物质则过于分散，形不成星系和恒星，自然也就不会出现生命和人类.因此出现了暴胀为何如此精确的问题，按照现行的物理学基本定律，大爆炸产生的宇宙其“自然尺寸”应该只有亚原子大小，即普克郎长度１０ ^－３５量级，而这样的宇宙是短命的.前苏联科学家林德提出“自我增殖的宇宙”概念──“最有可能的是，我们正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的.”
１９８７年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型，两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来，这个细管子称为“虫洞”，大宇宙为母宇宙，可能存在着从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞，这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙.就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙.
１９９２年，萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说.母宇宙是空间闭合的，犹如一个黑洞，该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点，奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙.这个学说的要点是，子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强或弱的随机变异，新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小，随机变异的物理常数有可能允许小小的暴胀，子宇宙可变的较大，当它足够大时，可分隔为两个或更多的不同区域，每个区域又坍缩为一个新的奇点，新奇点又触发下一代的子宇宙，如此时代相传，有的小宇宙重又坍缩，有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞，从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代，借用生物进化论的术语，它们是被“自然选择”下来的，经“选择”作用，产生越来越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙.正如有的学者指出的：“西方文化无论怎样发展，都不可能改变自己的《圣经》血统，东方文化无论再怎么现代化，都不可能脱离自己的《易经》血缘”.
如果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话，那么应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值.这个学说的另一要点是关于恒星的存在.在许多情况下，恒星是黑洞的前身.在气体和尘埃云中，恒星仍在形成.在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩.但碳尘埃粒子是从那里来的呢？斯莫林指出碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的质量时才会发生，如果两者质量之差比氦核的结合能大的多，则质子和中子不可能粘在一起形成氦核，没有氦，聚变反应链在第一阶段便终止了，根本形不成更重的元素，从而使恒星将少得多，自然也不会有多少黑洞，因此在任何一个宇宙中，若其中质子与中子的质量相差较大，将只能产生很少的宇宙，也就没有什么“选择”的余地了.
第二章        宇宙无限论
1、宇宙论中时间箭头的争论
　   一种观点认为，宇宙学时间箭头是由相对论时间对称场方程加初始条件产生的，宇宙空间的膨胀使得电磁扩散波相对于电磁收缩波占了上风，即滞后波远多于超前波，这就形成了电磁学时间箭头，从热力学时间箭头派生出信息论和生物学的时间箭头.在涉及到熵的增加时，多数物理学家认为，初始火球在刚开始时实际上是处于热平衡，但是那个时刻的宇宙非常微小.火球所代表的是那一微小尺度的宇宙所能允许的最大熵的状态，但是这种允许的熵和在今天宇宙尺度下能允许的熵相比较是微不足道的.随着宇宙膨胀，可允许的最大熵随着宇宙尺度增加，但是宇宙中的实际的熵远远落在允许的最大值后面.由于实际的熵总是拼命去追赶允许的最大值，所以产生了第二定律.
     彭罗斯认为，这不可能是对热力学第二定律的正确解释.如果真是如此，在一个最终塌缩到大挤压的空间闭合的宇宙模型中，该论证在时间的颠倒方向上最终又能适用.适合于膨胀宇宙极早期并给予了我们低熵的同一限制应该又能适用于收缩宇宙的最后阶段.“时间开端”处的熵限制给出了热力学第二定律.如果把同一低熵的限制应用于时间的终结处，则我们应该在那里发现和热力学第二定律的严重冲突.彭罗斯指出，我们有充分的理由怀疑在塌缩的宇宙中会有这种熵的反转.其中最有力的原因是黑洞相当于一个塌缩宇宙的微观模型；如果宇宙塌缩时熵要反转，那么在一个黑洞附近必须能观察到第二定律的严重违反.然而，黑洞热力学与量子效应的研究都使人相信第二定律强有力地支配着黑洞.(1)热力学第二定律是宏观规律，对少量分子组成的微观系统是不适用的.(2)热力学第二定律适用于“绝热系统”或“孤立系统”，对于生命体(开放系统)是不适用的.早在1851年开尔文在叙述热力学第二定律时，就曾特别指明动物体并不像一架热机一样工作，热力学第二定律只适用于无生命物质.(3)热力学第二定律是建筑在有限的空间和时间所观察到的现象上，不能被外推应用于整个宇宙.“热寂说”的荒谬，在于把无限的、开放的宇宙当做热力学中所说的“孤立系统”.热力学中的“孤立系统”与无所不包、完全没有外界存在的整个宇宙是根本不同的.事实上，科学后来的发展已经提供了许多事实，证明宇宙演变的过程不遵守热力学第二定律.正如恩格斯在《自然辩证法》中指出了“热寂说”的谬误.他根据物质运动不灭的原理，深刻地指出：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径——指明这一途径，将是以后自然科学的课题——转变为另一运动形式，在这种运动形式中，它能重新集结和活动起来.”
   霍金认为宇宙起源于一个光滑和有序的状态，这是一个非常特殊而又自然的初始边界条件.彭罗斯认为，宇宙的初始奇点与终极奇点是不对称的，初始奇点（大爆炸）的魏尔曲率必须为零，而终结奇性的魏尔曲率会发散，在一个开放宇宙中所产生的黑洞也具有发散的魏尔张量.在彭罗斯看来，初始奇点是非常特殊的，为了产生一个和我们生活其中的相类似的宇宙，造物主必须瞄准可能宇宙的相空间中的不可思议的小体积——在所考虑的情况下大约为总体积的 1/1010（123）.彭罗斯已经把宇宙的开端归结为奇迹.从普赖斯提出的超时间观点看，宇宙的熵增过程的确应当象彭罗斯那样理解为为什么宇宙开端的熵那么低，而宇宙开端熵很低的问题又等价于我们是否能够重新形成低熵的未来.
彭罗斯的想法看来已经给出了时间箭头的正确条件.还有一个问题没有解决：为什么不从大塌缩开始向大爆炸走呢？这就是根据超时间观点提出的问题.彭罗斯用粗粒化方法计算熵，这里面包含着主观主义的各种问题.他承认不同的粗粒化会给出不同的结果，但他认为这在实际上不会造成很大差别，因为在开始和结束时刻所涉及的这两个熵值是由“天壤之别”的.实际上，对于熵的计算，我们不一定采用统计力学中的粗粒化方法，直接根据热量变化和温度的关系就可以计算，按照彭罗斯的设想，我们需要搞清引力熵的性质如何.
霍金指出，魏尔曲率假设在给出宇宙学时间的两端具有不同的边界条件这一点上有合理之处.但是，他同时又提出批评：1. 它不是CPT不变的；2. 魏尔张量不能一度准确为零；也不能解释小起伏.霍金认为，宇宙早期的魏尔张量接近为零，同时允许有小的涨落，这可以从无边界条件中推出；宇宙演化晚期的魏尔曲率发散，与量子宇宙论的场方程（一般是惠勒——德维特方程）具有两个复数解有关.其中的一个解就是半个欧氏四维球和洛氏德西特解的一个小部分相连接； 另一个可能解释以同样的半欧氏四维球连接到一个洛氏解上，该洛氏解膨胀到非常大的半径，然后再收缩到给定边界上的小半径.这两个解对应着宇宙论时间的两 端：在第一个仅具有很短的洛氏时期的解的情形，三度规hij的微扰衰减得很厉害，相当于魏尔张量接近零并有微小涨落的情形；在第二个解中，宇宙膨胀又收缩，微扰可以非常大并不显著衰减，宇宙演化的末期会非常无规而且混沌，魏尔张量极其巨大.这意味着用魏尔曲率假设表述的宇宙论时间箭头可以从无边界条件推 出.
彭罗斯同意霍金说的，魏尔曲率假设需要用一个更基本的理论来解释.但是，他又指出，无边界假设只是宇宙初始态结构的好的候选者，但是我们需要某种非常 不同的东西解释终结态的魏尔张量发散.而且，一个解释奇性结构的理论必然违反T，PT，CT以及CPT，才能产生某些具有魏尔曲率假设性质的东西.他同时 指出，霍金的无边界假设并不能排除白洞的存在；霍金提到的量子宇宙论场方程的复数解分别对应着：（A）宇宙大爆炸（度规微扰一开始衰减得厉害，后来增 大），相当于热力学不稳定态；（B）黑洞奇性和宇宙大挤压（魏尔张量已经发散，同时度规的微扰衰减消失），相当于热力学稳定态，确定热力学时间箭头意味着 如何从（A）过渡到（B）【1】.
受激态原子的自发辐射是一个不可逆过程，而且是热力学不可逆过程的微观机制.按照DLP测量理论，量子测量的实质在于处于热力学或统计力学亚稳态的测量仪器与微观粒子发生量子作用，驱动亚稳态向稳态不可逆地演化.量子测量的确包含电子穿越气泡室形成微水滴，光子被墙壁或底片吸收的不可逆过程，但在负测量结果的理想实验中，波包塌缩的不可逆过程很难求助于热力学过程.一般说来，量子测量的不可逆因素深深地卷入到了热力学中.但是，即使测量仪器没有不可逆的记录过程，在负结果测量中发生的量子纯态向混合态的转变，也是典型的微观不可逆过程.
实际上，包括彭罗斯和霍金在内的多数物理学家误以为薛定谔方程是时间对称的，从而认为存在可逆性问题,从两个方面澄清问题.首先是，薛定谔方程只有在势能U是保守势时，才可以写成定态形式，并有关系ψ*(-t)=ψ(t)，这时候量子过程的正向过程和时间反演过程的几率一样，从而过程对时间反演不变.只有在这个条件下，我们才可以认为薛定谔方程时间反演不变，是可逆的.但在一般情况下，比如在一个处于非平衡态的孤立系统中，U与粒子的动量有关；对于处于非定态的系统，如原子的自发辐射过程，就有ψ*(-t)≠ψ(t)，这时正向过程与反演过程的概率不相等，过程是不可逆的，薛定谔方程就不能对时间反演不变.薛定谔方程不能提供相互作用能U的具体形式，目前在量子力学中U的形式实际上是按经典力学方式确定的.这也适用于霍金和彭罗斯关于量子引力和时间箭头的讨论，霍金忽视引力势能可能会影响量子过程的可逆性；彭罗斯在涉及这个问题时没有彻底澄清引力势对量子过程的影响最后是如何通向宏观不可逆性的，魏尔曲率假设的本质就是引力势在过去和未来两个时间方向的的不对称性.另外，U在作为非保守势时，它未必是引力势，比如电磁场产生的洛伦兹力就是非保守势；而引力势也可能是保守势，所以彭罗斯把不可逆过程归结为量子引力的内在时间不对称性，也是可疑的.实际上，广义相对论中的魏尔曲率与电磁场的洛伦兹力是类似的，因为在弱场线性近似下，魏尔曲率对应于牛顿万有引力场的狭义相对论效应——引力磁场效应，具有非保守力的特点，这种非保守力在广义相对论的非线性结构中更为显著.所以，彭罗斯认为宇宙论时间箭头与魏尔曲率假设有关，实质上把握了广义相对论的内在非线性和非保守力机制 导致的不可逆效应.广义相对论具有产生非线性耗散结构的不可逆机制的引力不平衡条件，如果与热力学结合，热力学的时间箭头就与宇宙论时间箭头的引力不平衡条件联系起来了.这个问题最后需要合理的量子引力论建立后才能彻底解决.
我们在分析了量子论中U过程的不可逆性以后，认为在CPT对称的前提下，只要薛定谔方程中的外势是非保守势，U过程在时间的两个方向就会给出不同的概 率幅，从而导致R过程的不可逆性.霍金误以为CPT对称自然导致量子过程特别是量子引力过程具有时间反演对称性，量子测量的不可逆性来自与热力学，黑洞和 宇宙事件视界有关的信息不完备性，就像玻恩所说的“不可逆性是把无知引入物理学基本定律的结果”；而实际上在不同的引力场中，特别是不同大小的黑洞附近， 物质或辐射被吸收或发射的概率不相等.但是，引力场中物质或辐射被吸收或发射的概率不相等，以及量子测量中R过程的不可逆性，并不象彭罗斯设想的那样要求 微观物理定律（特别是彭罗斯设想中的未来的正确的量子引力论CQG）破坏CPT对称，只要求某种非保守势导致量子过程在时间两个方向的演化概率不同.进一 步的分析可以发现，非保守势导致的量子过程的演化概率不同，是与非保守势在时间两端的稳定性分布不同有关.概率与信息不完备性有关，但是无论是概率的差异 还是信息的不完备程度，都有客观的原因；只有在与人的干预有关的过程中，主观性作为一种特殊的条件差异导致概率和信息的差异.
在涉及到宇宙学时间箭头时，广义相对论中黑洞与白洞的不对称性也是一个重要问题.彭罗斯认为，黑洞对应于热力学稳定态，白洞对应于热力学不稳定态，而 且不可能存在；霍金则认为，一旦考虑量子效应，黑洞和白洞的区分是模糊的，特别是微观黑洞和微观白洞完全等价.戴维斯指出，在涉及到黑洞霍金辐射时，我们发现黑洞蒸发的早期阶段是缓慢的，最后阶段是爆发式的；就平均而论，形成黑洞的早期塌缩并不是这样的.所以，每一个塌缩和蒸发过程也存在微观不可逆过程， 黑洞和白洞在时间反演的意义上也不是等同的.理由如下：如果我们给出额外的假设，白洞奇点也将从黑洞蒸发过程的时间倒转过程中形成，那么喷发物质的随机性 将产生一个形成黑洞的随机扰动的时间逆转过程.只有当白洞象黑洞一样以相同的几率形成时，广义相对论的时间对称性才会得到保留.如果一个蒸发的黑洞总是等 价于它的时间反转过程（即白洞），它的行为必定在生存的开端和结尾是一样的.戴维斯认为广义相对论内在地具有时间不对称性，这与彭罗斯的立场接近；但是与 彭罗斯不同的是，他否定宇宙终结奇点类似于黑洞奇点.
                      2、量子力学与热力学中的随机性
戴维斯指出，在宇宙学情况下，初始奇点的随机性（即“分子混沌”）导致宇宙的时间不可逆性，混沌粒子运动是大爆炸过程中光滑宇宙流体的一个特点.如果 宇宙重新收缩，终极奇点态是混沌的或随机的而不是高度有序的（块状的），这与安置在一个假想的霍金盒子中的黑洞的情形相反，在那里奇点的随机形成和随即消 失带来的是时间的对称性，这种黑洞奇点的随机性是内在随机的.在宇宙学的情况下，终极奇点被赋予由宇宙动力学支配的奇点，所以塌缩到视界内的宇宙不是黑 洞.但是，宇宙终极奇点如何不同于黑洞奇点，以及宇宙是否真的象戴维斯所期望的那样振荡不息，这是一个没有澄清的问题.我们认为，只有搞清各种势在决定量 子波函数演化过程中如何影响从过去向未来演化的提供波ψ(t)和从未来像过去倒转演化的确认波ψ*(-t)的几率幅；特别是在各种奇点附近，由魏尔曲率决定的引力势如何影响量子波在时间两个方向上的演化几率，才能解决宇宙演化的最后结局.
　 　引力论与量子论相统一的理论还遥遥无期，宇宙论和量子论的时间之矢已然浮现，但远未被澄清.但是，对热力学第二定律的理解却在进一步深化，这特别归功于以普里高津为首的布鲁塞尔学派的工作.普里高津提出的耗散结构论对热力学第二定律提出了新的理解：（1）热力学第二定律并不是在经典动力学基础之上的宏观近似，而是动力学的基本原理，可以从它开始建立动力学的更一般的形式体系；（2）热力学第二定律并不意味着热力学系统的单向退化，它也是进化的原动力，熵最大状态只是演化的终态，而在演化过程中，不可逆性导致自组织的出现.在远离平衡态的非线性体系中，通过耗散机制可以导致类似生命现象的复杂结构出现.走向复杂化的进化过程在一定范围内与热力学不可逆过程一致.
普里高津指出，不可逆理论的构建方式有：（1）存在着不可逆理论，它们出于描述观察到的宏观不可逆性的明显目的而被构建出来，如热力学，扩散理论等等.（2）通过引入隐含不可逆性的几率假定，从可逆的动力学方程中推导出不可逆性的理论.例如，在处理具有大数目的系统时，人们抛弃了动力学观点，而把碰撞事件或一系统状态的改变看作是马尔代夫类型的随机过程，即在某种瞬间发生的事件只依赖于那个瞬间的状态而根本不依赖于过去的历史.于是，粒子碰撞造成的 不稳定性动力学关联在微观状态被打破，抹去了粒子过去运动的信息.分子运动论和统计力学就是这样构建出来的.（3）还有一些理论，它们基于时间反演不变的理论，但通过引入初始条件或通过t的拉普拉斯变换，从而成为不可逆理论，宇宙学的时间箭头就是这样引入的.
普里高津认为，几率分布允许我们在动力学描述的框架内把相空间复杂的微观结构包括进去.因此，它包含附加的信息，此种信息在个体轨道的层次上不存在. 因为对于具有对初始条件敏感性的不稳定系统，个体轨道变得不可计算，只能给出多种运动形式的几率分布.于是，在分布函数ρ的层次上，我们得到一个新的动力学描述，它允许我们预言包含特征时间尺度的系统的未来演化，这在个体轨道层次上是不可能的.个体层次与统计层次间的等价性被打存了.而对于稳定体系，“个 体”层次（对应于单个轨道）和“统计”层次（对应于系统）是等价的.在不可积动力学体系中，个体的某一轨道可以对应于不同的系统分布ρ，而同一系统分布ρ 可以对应不同的个体轨道，过去和未来的不对称性在系统层面上涌现出来，它意味着时间反演的初始系统分布是低几率的.普里高津认为宏观的时间方向是一种突现现象，同时又主张寻求微观不可逆过程的理论描述.
概率随机性被引入物理学，第一次是热力学，第二次是量子力学.然而，这两次引入却被认为具有非常不同的含义.在热力学中，随机性被认为是主观引入的，而在量子力学中，随机性被认为是客观的，具有不可还原的终极意义.将热力学第二定律作为一个基本的事实，意味着微观层次的随机性也应该是客观而非主观的，终极的非表面的.普里高津坚决反对熵和概率的主观主义解释，因为主观解释就意味着化学亲和力，热传导，粘滞性等等这一切与不可逆的熵产生相联系的性质都和观测者有关.还不止于此，起源于不可逆性的组织现象在生物学中起作用的程度，使我们不能再把它们认为是由于我们的无知而产生的简单幻觉.普里高津反问道：“我们自身——活生生的能够观察和操作的生物——只是由我们的不完善的感觉所产生的虚构之物吗？生与死之间的区别难道也仅仅是幻觉吗？”【1】
普里高津指出，为了能把热力学第二定律当作动力学的一个基本假定，人们显然要求存在一种适当的“机制”，以便打破一般动力学描述的时间反演不变性.但是，并非所有形式的对时间反演不变性的破坏能表达第二定律的内容.例如，人们相信，引起K介子衰变的超弱相互作用是违反时间反演不变性的，但他并不导致第二定律，因为仍然能把它纳入哈密顿模式或幺正的动力学系统中去.
普里高津认为对称破缺机制必须是这样的，它使得用一个群描述的幺正演化成为用一个半群描述的非幺正演化，人们可以把一个李雅普诺夫函数或与之等价的H定理和这个半群联系起来.假如由于这个某种原因，在动力学描述中并不允许一切态或初始条件都能在物理上实现，而只允许态的一个有限制的集合能在物理上得到 实现，而这些态在某个适当的意义上是时间非对称的，那么一种普遍和内在对称破缺就可能出现.
守恒动力系统中相空间的流就像“不可压缩的流体”，换句话说在相空间中“测度”守恒，动力学可借助于作用在分布函数上的幺正算符来表示，时间箭头没有出现.对于充分不稳定的动力学系统，存在着非定域的描述；这类系统的特点是对初始条件的高度敏感性，从而导致运动的不稳定性.对这样的系统，原则上相空间 的轨道描述要由相空间的几率分布函数所代替，正像在量子力学中，粒子的轨道描述原则上不再适用，而要代之以几率波函数描述一样.而分布函数并不能约化为轨道，就像波函数不能约化为经典轨道一样.
由于放弃了轨道描述，量子力学不得不引入算符运算，这是为了解释与经典的连续性变化完全不同的量子分立变化.对于运动不稳定的系统，由于放弃经典轨道 描述，使用算符十分自然，这时把动力学描述和概率描述联系起来的一个自然的途径是通过一种适当的变换Λ，它的时间反演形式是Λ’.热力学第二定律表述为一 个选择性原理：它断言存在着对称破缺变换Λ和Λ’，它们导致了相应于两个时间方向有区别的熵增半群Wt和Wt'，而且存在着一个靠动力学来繁衍传递的选择 性原理，据此仅有一个对称破缺变换可导致物理真实的状态，并因而给出物理上可观察到的变化，这相当于“禁止盲目回测原理”.
变换算符Λ可以确定的系统既是“本征随机的”，又是“本征不可逆的”.只有当动力学运动具有高度不稳定性或对初始条件敏感时，这种对称破缺Λ才有可能 存在.不稳定动力学系统有着重要的性质：即在每一相点处都有两个（比整个相空间的维数低的）流形，一个随着t的增加在动力学作用下逐渐收缩，另一个随着t 逐渐扩张.收缩流形的运动在某种意义上象是一个单个的单元移向未来，它的所有的点都趋向于同样的命运；但是但我们越来越远地回顾过去，它们则有着发散的历 史状况.扩张的流形则相反：在其上的点有着发散开的将来行为；而当我们的目光折回到越来越遥远的过去，就找到了逐渐收敛的历史.
正是这种时间非对称客体的存在，使人们能够去构造对称破缺变换Λ（或Λ’），方法是给扩张流形和收缩流形赋予非等价的作用.事实上可以证明，选择 Λ（它给出t≥0时的熵增加变化）作为物理上可实现的对称破缺，这意味着把集中到收缩流形上的奇异分布函数排除在物理上可产生的态的集合之外.另一方面， 如果对称破缺是通过Λ’发生的，那么必须把与扩张流形相联系的态看作是物理上不可实现的态.热力学第二定律的真正含义是不可逆过程的时间反演所需要的初始 边界条件在自然界中被严格禁止，既不会在自然界中发现，也不会由我们制备出来，因此我们能把被允许的态与一个概率测度联系起来，并通过非幺正变换把决定论 动力学导向概率过程.与动力学态相关的状态信息也是通过对称破缺变换Λ引入的，所以对于某一个态和对于时间或速度反演相对应的态，其值是不一样的.如果用 这个观点理解彭罗斯的魏尔曲率假设，就是指从宇宙大塌缩或黑洞的终极奇点出发向宇宙初始大爆炸的初始奇点演化是一个被自然界禁止的过程.未来的物理学需要 理解宇宙大爆炸的条件是如何形成的，以及黑洞是否真的几乎永久地存在下去.
普里高津在这种更广泛形式的动力学即算符运算中，发现可以存在一个时间算符，它与动力学刘维算符是共轭的，从而显示了热力学（时间算符）与动力学（刘 维算符）的互补关系.这个算符所表征的是系统的内禀性质，相当于生物的“年龄”，而不是外部的标度时间，但时间算符的本征值与外部时间相对应我们发现，普里高津的微观不可逆过程，实际上是把不存在形成超前波的初始边界条件这一规则推广到了相空间中初始边界条件的选择中去.当然，在有限的范围内，形成一个向里收缩的超前波是可能的，但在它们的边界之外，是没有超前波的；同样，局部的可逆过程和反转过程是有的，但是在总体的意义上，不可逆过程不可能从根本上逆转，特别是在开放体系中，即使过程本身“复原”，环境中的不可逆变化仍然存在.另外，普里高津构造的各种算符只适用于不稳定系统，造成了 可逆过程与不可逆过程的二元论.实际上，无论是可逆过程还是不可逆过程，只要有相互作用，必定是时间箭头一致的.如果我们考虑到量子波函数中的相位因子或 其他隐变量，就会发现所谓的“可逆过程”，很可能是忽视了相位因子等隐变量的粗粒化结果.比如，在量子统计中，如果考虑相位因子的变化，粒子的全同性就消 失了.所有过程在绝对的意义上都是不可逆的，只有在忽视某些内外隐变量变化的粗粒化时，可逆过程就以近似的和理想化的形式出现了.而在热力学时间箭头的早 期讨论中，这个问题被倒过来了，似乎可以从理想化的可逆过程通过粗粒化的统计过程，推导出不可逆性，实际情况很可能是可逆过程不过是不可逆过程的粗粒化结 果.彭罗斯所说的U演化到R演化的转变最后也需要一个类似普里高津所说的从幺正演化群过渡为非幺正演化半群的处理.
参考文献：
【1】 [比]伊•普里高津 [法]伊•斯唐热：《从混沌到有序》，p304,曾庆宏 沈小峰 译，上海译文出版社，1987年8月第1版.
3、光度佯谬问题及其解释
  古希腊的亚里士多德就是一位宇宙有限论者，无限的空间和时间带来了许多佯谬，首先一个佯谬是所谓光度佯谬，德国天文学家奥尔勃斯在1826年提出了这样一个天文学命题.他假设：宇宙无限；宇宙中充满物质，星数无限；恒星的密度不变，平均光度也不变；星光照度与距离平方成反比.则会导致：黑夜和白天一样亮.这就是著名的勃斯佯谬问题.他的证明如下：E=∫0∞2πKρdr=2πKρ∫0∞dr=∞.这里的ρ为恒星数密度，E为亮度.勃斯佯谬不在于恒星分布是否均匀，也不在于星空中有无吸收光的物质，而是定域积分的必然结果.星空背景是黑的，是宇宙还在膨胀的必然结果，即宇宙时空是不定域的，边界在向外不断扩展.一旦，宇宙不再膨胀，甚至收缩，它就是定域的，宇宙时空内光就会形成驻波，那时星空背景不仅会是亮的，还会是闪烁的.
这一佯谬其实是人们没有考虑到光能可以被核外电子吸收，把电磁能量储存起来或者转化为引力质量的能量，光度佯谬就不会发生.除此之外刘原生先生认为：奥尔伯斯佯谬的数学表达，是对无限空间的发光体的积分.它的初始条件和推导基于以下宇宙学的观点：A、宇宙中恒星(发光体)的分布是均匀的.不过，在1823年我们还不知道有星系的概念.现代天文学告诉我们：恒星的分布是成团的.B、宇宙中恒星之间应该没有遮光物质.现代宇宙学认为：遮光物质的存在并不会影响光线的传播.但是，就是在这些最基本、最简单的问题上，由于古老观念在作祟，使我们屡犯固执的错误.上世纪三十年代，天文学家在探讨银河系时，就是因为忽略了遮光物质，使我们把太阳系当成了银河系的中心.现在，21厘米波基本给出银河系的图像，如果没有遮光物质，我们看银河系中心，那里应该是个大火球.C、宇宙中恒星的光线，无论传播多远都不会改变其性质.这个问题我们放到后面去讨论.　以上三点是奥尔伯斯佯谬成立的必要条件，缺一不可.但是现在可以看出：其中任何一条都不可能完全确立.所以奥尔伯斯佯谬在揭示宇宙是有限的实际意义不大.
即使天体之间有吸光物质,这个矛盾也仍然存在.有些人从天体非均匀分布,天体寿命有限的效应或演化效应来解释;也有人通过假设引力常数随距离的增加而减少到零来解释，笔者认为运用上面的理论很容易说明，现代物理学中所指的引力是引力与弱相互作用的合力.
4、“引力佯谬”及其解决
１８９４年，德国的诺曼（Ｃ•G•Neumann，１８３２～１９２５）与西里格（Ｈ•von•Seeliger，１８４９～１９２４）就提出，宇宙中存在无限多颗恒星，每一颗星球都受到四周恒星无限大的引力，当四周的引力作用于某颗星体时，该星体必然被撕得四分五裂.如果“万有引力”定律在宇宙各处都起作用，那么宇宙中不可能存在一颗颗独立的星球，或者说，每一颗恒星都会获得无限大的引力加速度.1894年德国的另一位天文学家西利格尔指出：如果星球无限多而且均匀分布，那么宇宙中任一有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为无限大)所吸引，有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体；然而实际情况并不是这样.这就是所谓的“引力佯谬”.
“引力佯谬”还可引申出“密度佯谬”，即那片密度较小天区的物质会被四周大密度区的天体吸走，而留下一片密度趋于０的“真空”天区.而原先宇宙密度较大的天区会出现一个质量超大的星球，并把周围天区的星球全部吸归己有，成为一个质量与密度无穷大的天体.如果考虑到万有引力与弱相互作用是反作用力，则佯谬便不复存在.
笔者认为在宇宙中除了考虑万有引力外，还应当考虑它的反作用力，应当重新进行分析.
5、宇宙无限论的实验基础
摘自《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题： 94． 宇宙会一直膨胀下去吗？ ９５．宇宙大爆炸的量子起源是什么？９６．大爆炸之前可能存在什么？ ９７．我们的宇宙是否有兄弟姐妹？
      Einstein：球面宇宙是有限的，又是无界的.    注：“球面宇宙”的球面，即其对外的界面，硬说其无界，硬称此体积有限大的东西为宇宙，这就是Einstein宇宙理论的立足点.
    Einstein：如果宇宙无限大，宇宙物质密度必为0，如果宇宙物质密度不为0，宇宙必然是有限的【1】. 注：宇宙有多大，只与不动的立方厘米量有关，与物质毫无关系，与密度毫无关系.
    谭天荣：只有对于“有限宇宙”，才能给出一个物质密度【2】.
    简明不列颠百科全书：Einstein对宇宙认识的贡献是无与匹敌的.
    中国大百科全书：Einstein以科学论据推论宇宙有限无界：这是宇宙观一次革命，它为宇宙膨胀理论和大爆炸宇宙学奠定了基础.
    德西特：宇宙象一个正在长大的气泡，不断膨胀.
    勒梅特：反推时间可知，所有星系所有物质被挤进宇宙蛋，一场大爆炸把它炸开，几十亿年后，留下现在的膨胀宇宙【3】.
    注：任何膨胀体，都只能是在无限大空间中的一个空间区膨胀着的一细物，都只能是在无限多个上级配件中膨胀着的一个下级配件.
    丁肇中：科学家相信，宇宙从爆炸来，爆炸以前，没有时间和空间.
    注：任何爆炸，都只能是结构性配件的下级配件，在一定的运动持续过程或时间，在一定的空间区高速离散的现象.
    伊壁鸠鲁：宇宙过去和现在一样，将来也永远如此：它的空间无限大，它的有形体无限多.
霍金在《时间简史》中也说过：“我认为大爆炸有着明显的宗教意蕴.”宇宙学是建立在观测事实的基础上，它必须对观测事实进行数学处理，建立理论模型；理论模型必须给出可供观测的预言.例如，宇宙能否作为一系统并被进行整体研究，在宇宙学中并不是显而易见的：(1)宇宙必须表现出可观测的大尺度统一特征；(2)宇宙各部分之间必须存在物理上的联系机制(不能是抽象的“普遍联系”)；(3)在地球这个局部所发现的自然规律可以适当地外推到整个宇宙.大尺度红移现象的发现为第一点提供了观测证据，引力理论的发展(广义相对论)为第二点提供了物理理论根据，第三点虽然无法得到证据，但对这个问题(也是一切自然科学甚至一切科学面临的问题)，科学家都持一种经验主义的谨慎的态度.正是这三点都有一种科学上能容忍的答案，现代宇宙学才敢于把宇宙作为一个整体(Universe as a whole)来进行科学的研究.
薛定谔认为：“一个只有剔除了一切人格化因素才能得到的宇宙模型不会为人格化的上帝所造.由此我们可知，科学家们并不是从经验事实出发否定了上帝的存在，或限制了上帝的作用，而是他们采取的方法一开始就排除了上帝.”
世界上许多著名的物理学家评论了宇宙背景辐射发现的物理意义.伯格曼认为，在宇宙尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”.韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过不是相对于以太，而是相对于光子气.斯塔普认为，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序.哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对参考系.罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念.胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间没有出现任何矛盾；在某种意义上，上述400公里/秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对以太运动的速度，他认为，宇宙背景辐射的各向同性分布所决定的坐标系，可以看作是真空的静止坐标系；相对性原理的适用范围应有一定的限度.在1979年美国普林斯顿纪念Einstein诞生一百周年大会的报告中，狄拉克也对此作了评述.他说：“这样就有一个优惠的观察者，对他来说，微波辐射是对称的.可以说，这个优惠的观察者在某种绝对的意义上是静止的，也许他就对以太静止.这恰恰与Einstein的观点相矛盾.”“在某种意义上说，洛伦兹是正确的而Einstein是错误的，因为Einstein说过的一切，就是根源于当时的物理学不可能显示出绝对零速度.”
哥白尼的宇宙边界是太阳系，随着人们观测水平不断地提高，视界在不断地扩大.实际上，望远镜可以越造越大，视野越伸越远，总可以观察到以前没有观察到的空间，自然而然地形成无限无边的宇宙概念.自伽利略和牛顿之后，人们普遍接受了时空的无限性.特别有了空间坐标系以后，可以很直观地把宇宙的体积看成是无限的，无论沿宇宙空间中任何一点的任何一个方向看过去，都不能找到它的边界，宇宙空间是欧几里德几何中的三维的无边和无限的空间.无限、无边的观点之所以被普遍承认，除了天文观测事实以外，若承认宇宙是有边界的，或有限无边的，都有会碰到这样一个无法解答的问题：界限的外面又是什么？无限、无边的宇宙观和牛顿的无限的时空相吻合.牛顿力学为无限、无边的宇宙观点提供了依据.因为按万有引力的规律，一个有边界的宇宙将不能保持稳定，在边界上的星球将处于特殊位置，星际间的万有引力将把它拉向中心.于是，一个无限无边的宇宙模型又从牛顿力学找到了根据.
在观测中，宇宙是高度均匀的.物质的物理性质和分布都是均匀的.无限数目的星在体上以均匀的密度分布在宇宙空间中，无论哪个天体，哪处时空和哪个方向都不居于特殊地位，它说明宇宙的结构是如此一致，我们有可能以一种极为简单的方式建立全宇宙的模型.
相对论甚至不能对径向多普勒效应做出合理的解释.多普勒现象是：光源远离观察者时光谱红移，迎向时则蓝移.相对速度愈大频移愈甚.频率红移应当是观察者测得的现象，根据space-time平权理论，距离的增加相当于时间的延缓，因此频率减小.因此红移量与距离成正比，光源越远，它远离我们的速度也越快，即V=H×R，哈勃的发现验证了这个问题.类星体是射电天文学观测的结果.它的特点是红移特别巨大.根据哈普定理：红移越大，相对地球退行的速度也越大，离地球也就越遥远.这样，类星体就被解释成一个远离地球、且相对地球高速退行的天体，从而引发了远距离与大能量的矛盾.李晓卿：“一定能揭示红移现象所蕴含着极为丰富的物理内容，使我们认识达到一次飞跃.” 天文学报1976.2. 何香涛，沈小峰：“红移争论”是近代天体物理学中最热门的讨论课题之一.  《自然辩证法通讯》1983.1   
微波背景辐射的温度朝不同方向看如此一致，说明space-time的本质是场，它是零点振动的表现形式，应当重新分析这些实验.热的本质如果归结为量子的碰撞（宏观上或微观上），那么就可以理解微波背景辐射的温度.热辐射的本质其实就是由于电磁质量能级的变化而辐射electromagnetic   field，温度的本质应该解释为electric  field与引力场的强度，可以运用实验证明这个观点.物体在碰撞过程中能量的损失的过程应当是机械能——电磁能——内能——电磁能之间的相互转化，由中子组成的物体之间的碰撞不会发生这一过程.传导与辐射本质上是一样的.空间增大时，时间缩短，容易理解Minkowski方程s2=(ct)2—(x2+y2+z2)，也进一步验证了广义相对论的正确.
参考文献：
【1】        Einstein.狭义与广义相对论线说.上海科学技术出版,1964. 90；96.
【2】        谭天荣.哥本哈根迷误.陕西科学技术出版社，1988.134.
【3】 阿西摩夫.古今科技名人辞典.北京：科学出版社，1988.331；385.
6、宇宙无限论的理论基础
时空的无限性和人类的有限性的矛盾，是人类认识宇宙的最大的问题，是一个不易逾越的难题.人类生活在无限宇宙中极为细小的一个角落，若把地球看着宇宙的一粒尘埃，那么生活在地球表面的人类的活动空间有多么的渺小不言而喻.人类生活在无限宇宙无始无终时间长河中的一个极短的瞬间，而每个个体的生存时间就更短了；人类的个体是认识宇宙的主体，除了艰难的维持生存的劳作外，可供认识宇宙的时间就寥寥无几了！人类生存的时空局限，规定了人类的有限性，限制了人类对无限宇宙的认识活动，使人类不能直接接触和观察一些必须了解研究的客观对象，造成众多人类直接观察无法达到的死角，给人类的认识带来了一些盲区和空白.人类不能直接看到遥远星系和空间的真实情况，也看不到地球表面深处正在发生什么；看不到人类史以前的宇宙状况，前人可能并不准确的记载和见解在学习或传授之中，对于宇宙的未来人类处在预测和猜想状况里.如果不是人类群体的协作和继承，在这样的条件下人类是无法达到今天这样的对宇宙认识的水平.  
如果宇宙是在膨胀，宇宙常数就不该有.但是直到目前为止，也还没有一个人能找出一个理论上的论据来证明这一项不该有.这一困难，即“宇宙常数问题”，是今日物理学中最深刻的未被解决的问题之一（笔者注：按照前面的观点宇宙常数的实质是引力的反作用力——弱相互作用的表现形式）.1998年以前，物理学家和天文学家一般都认为宇宙学常数等于0或很小可忽略，而且粒子物理学家认为，宇宙学常数可以看作宇宙真空能量密度的一种量度.但近几年来，越来越多的观测证据表明，宇宙正处于加速膨胀的阶段，一个正的宇宙学常数对所观测到的数据有最好的拟和结果，几乎所有的宇宙学家都相信宇宙学常数的存在，并期待在宇宙学上有更多的观测效应如果宇宙在膨胀，宇宙不存在中心，距离观察者越远膨胀速度越大的原因为何，Big Bang  Cosmology的起点在何处？按照Big Bang  Cosmology理论，地球与太阳之间的距离应当越来越大，太阳的辐射频率应当越来越小.在宇宙的Big Bang  Cosmology过程中，温度和密度随着时间的流逝而下降.在Big Bang  Cosmology早期，温度太高，原子和分子均无法存在，自然力的强度随环境温度的变化而变化，现代物理学认为分子的平均动能E=1.5kT，那么温度的实质是何？
根据引力场的space-time本质的观点，能量是物质与space-time的相互作用，如果认为引力质量具有正的能量，那么必须认为引力场具有负能量，自然界不存在负引力质量的物体，物理学家预言宇宙中存在负引力质量，但是没有发现由负引力质量形成的物质原因在于此.引力定律确保了宇宙中所有质量之间的（负的）引力位能，必定永远和每个质量m相关联的（正的）能量mc2的总和大小相等、符号相反.因此总的结果准确的等于0.现代物理学认为物质的引力场的质量是静止质量的10-37倍，原因在于它只是计算的其space-time量子形式.整个宇宙的电磁质量之和为0，物理学中的反物质是电磁质量不同，引力质量相同.现代天文学测得宇宙的扩张速度正在加快，像有一股普遍的推动力持续将space-time结构向外推，原因在于正负引力质量间相互排斥，不至于把宇宙卷曲到无限小的尺度，所以宇宙不存在起源问题.
因为整个宇宙的正引力质量为无穷大，空间和时间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面，所以绝对空间弯曲为一个半径为无穷大的封闭的球形空间，而封闭的球形空间对光线有一种独特的聚焦作用，使得物体向远处运动时在一定距离上越来越大.人们可以说：“宇宙的边界条件是它没有边界.”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响，它既不能被创生，也不能被消灭，它就是存在.因此宇宙不存在起源问题，宇宙应当是时间上无始无终、空间上无边无缘，造物主无所事事的宇宙，这也符合唯物辩证法的基本观点——space-time在本质上是无限的【1】.
关于大爆炸理论，它可以是宇宙存在过程中的一个环节，而决不可能是宇宙的起源.如果说是起源也只能说是某个阶段的起源，宇宙是不存在一个绝对开始的那种“起源”的.
稳态宇宙学提出以后，曾得到了几方面的支持，其一是大爆炸宇宙学难以解释的星系产生问题，在这里可以顺理成章地得到说明.因为只要在稳态宇宙方程中，物质的产生和宇宙的膨胀不是正好地得到补偿，就可能出现稳恒态附近的起伏解，解中恰好呈现了物质分布的局域不均匀性.在稳态宇宙学中，不出现高温、高密度的初态，避开了难以摆脱的“奇点”困扰.像一切其它宇宙模型一样，稳态宇宙模型也有一些先天不利的因素.它引出了一个物质不断创生的假设，这是现今物理学无法解释与理解的.此外，近年来的一些观测结果也给它增加了诸多不利的因素，例如对河外射电源计数结果与它的预言数不一致.更重要的是3K宇宙微波背景辐射的发现表明，宇宙的早期确实呈高热状态，稳态宇宙学对3K的解释却是牵强和不自然的.此外，它还不能对现今宇宙中氦元素的形成与丰度做出解释.笔者认为宇宙学宇宙学是一门最深奥的科学，地球人认识宇宙，只能逐步深化，永无止境.
参考文献:
【1】［英］约翰. D. 巴罗   著   卞锍麟  译.《宇宙的起源》   上海科学技术出版社   1996年6月
作者: sunwinism    時間: 2017-12-4 09:08

引力质量与电磁质量之间的关系新探
                             目录
第一章：电子的电磁质量不是电子静止质量的一部分
1、等效原理的适用范围
2、希格斯机制的由来
3、现代物理学对于希格斯粒子的实验探究
4、希格斯机制的局限性
5、电子的电量与电荷运动速度之间的关系
6、电的本质的思考
7、能量均分定理与布朗粒子
8、Einstein科学美学观
9、电子的电磁质量不是电子静止质量的一部分
10、规范场的新认识
第二章：电磁质量的能量
       1、库仑定律的发现
       2、引力质量与电磁质量的等价关系
       3、四个基本假设
4、电磁质量的能量
       5、类星体问题初探
       6、电磁质量与引力质量的能量转化问题
       7、电磁质量与引力质量的转化实例分析      
第三章：电磁质量的量子分布
1、        夸克理论的提出过程回顾
2、         现代物理学探求夸克的实验
3、        现代物理学对于夸克理论的探究
4、        夸克禁闭问题的由来
5、        现代物理学对于量子化的困惑
6、        电磁质量量子化认识过程简要回顾
7、        经典电动力学电磁波辐射理论的质疑
8、        磁单极子的存在性问题
9、        现代物理学实验对于磁单极子的寻找
10、        电磁质量的几何空间结构
11、        广义相对论与量子力学没有统一的原因
12、        因果论浅析
第四章 ：电磁质量的波粒二象性
      1、现代物理学中的三类波
      2、物质波的验证
      3、电磁质量的波粒二象性
4、EPR 悖论的根本性解决
第五章：电磁作用与强相互作用之间的关系
     1、强相互作用的提出过程回顾
2、现代粒子结构的发展
   3、强相互作用的研究进展
     4、电磁作用与强相互作用之间的关系
     5、强相互作用不是短程力
6、电子的结构和质子自旋危机的解决
7、强相互作用和电磁相互作用关系的实验根据
8、惯性概念的发展

















第一章        电子的电磁质量不是其静止质量的一部分
                   1、等效原理的适用范围
     Einstein晚年致力于引力场与电磁场统一的研究，如果统一场论按照广义相对论的基础建立，那么电磁场也应当满足广义相对论的等效原理.根据Einstein的广义相对性原理，物理定律对于任何参照系都成立，那么下面的理想实验如何解释：假设在真空中有两个质点A、B，惯性质量均为m,带有等量的同种电荷，它们在万有引力和静电力的共同作用下处于平衡状态，能否根据等效原理相当于它们的惯性质量为0？如果把其中的一个质点的电荷换成异种电荷，能否根据等效原理相当于它们的惯性质量为2m? 在Einstein电梯中也可以设计类似实验：假设电梯绝缘，上部带有正电荷，电梯之中有一负电荷，它们在万有引力和静电力的共同作用下处于平衡状态，在电梯自由下落的过程中Einstein思考广义相对论的过程是否仍然可行？
     中子引力干涉实验表明：中子在引力场中的干涉行为与它的质量有关，这与Einstein广义相对论之弱等效原理的论断：“质点在引力场中的行为与它的质量无关”不符！笔者认为，主要是由于中子具有磁矩——电磁质量，造成了弱等效原理失效.
                2、希格斯机制的由来
对称是美的，完美的对称只有唯一的一种相互作用，世界也就变得单调而乏味.标准模型包含费米子及玻色子两类-费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理.简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力.电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一.这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力.由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”. 标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子. 希格斯子也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子.在研究过程中，杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础.一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的.当1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦.
希格斯机制(<noinclude>)是苏格兰物理学家彼得•希格斯和其他理论物理学家同时发现的一种物理机制.如果粒子的运动方程满足规范不变原理，那么粒子的静止质量（以下简称为质量）必须为零，这种粒子一般被称为规范粒子.1964年希格斯提出的E=M2h2+Ah4希格斯场公式,在规范场理论中，规范粒子的质量是为对称性所不允许的.这是杨-米尔斯理论的严重缺陷.随着对对称性破缺的深入研究，特别是南部-戈德斯通定理的发现，物理学家们发现在规范理论中零质量的南部-戈德斯通粒子能为零质量的矢量规范粒子提供纵向分量，从而赋予它们以质量.所谓“希格斯玻色子”的“上帝粒子”，是希格斯(Higgs)为解决当连续的对称性发生自发破缺，却出现一些静止质量为零、自旋为零的所谓：“戈德斯通(J．Goldstone)粒子”的玻色子的矛盾，而提出所谓 “希格斯机制”，认为：由于光子的静止质量为零，它不同于一般有静止质量的粒子“有3个极化方向”，而“只有两个与其动量方向垂直的横极化，没有沿运动方向的纵极化”.通常复标量场的两个实分量都是具有“非零的”静止质量.希格斯研讨满足定域 U(1)规范不变性的复标量场与电磁场的相互作用，当选取其中的一种特殊参数，使U(1)规范不变性遭到破坏的同时，却使得原应为光子的粒子，出现了纵极化分量，静止质量不再是零.而标量场的两个有静止质量的分量，就只剩了一个.即：由于对称性发生了自发破缺，标量场的一个分量所转化为的零静止质量的戈德斯通玻色子，变成了原应为光子的粒子的纵分量，而成为具有静止质量的粒子.而标量场剩下的另一个有静止质量的分量就成为所谓的“希格斯粒子”.并认为它是一切粒子质量来源.美国科学家格林的《宇宙的结构》一书中说：各种基本粒子的质量之所以不同,是因为不同种类的基本粒子同希格斯海的相互作用强度各不相同.如顶夸克，在希格斯海中加速非常困难，希格斯海是通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量的.希格斯正是在研究电弱理论物理的数学中，发现希格斯场公式的：E=M2h2+Ah4（1），E为能量密度，实际是局部宇宙总能量密度，h为希格斯场，其实类似影响速度“阻力”的加速度、速度或重力加速度.A为一未知的正值常数，实际是联系类似质量时空全息的度规格子或量杆.M2为希格斯场量子的质量平方，其实就是映射二维时空全息的度规格子的面积.M为这种正方形格子的边长，是一种与时间分离的质量的量杆；且只在量杆的两端，有时间的信息需要时发出信号.
希格斯假设，整个宇宙空间充满了一种标量场，它的真空平均值不为零，从而导致真空自发对称破缺.这种破缺会导致质量为零的非真实的Goldstone粒子的存在，然而，如果标量场满足规范不变原理（即标量场与规范粒子耦合），当采取适当的规范（即幺正规范）后，Goldstone粒子将不再存在，而规范粒子将获得质量.这一质量获得机制今天被称为希格斯机制，而对应于标量场的粒子被称为希格斯粒子.从现在的基本粒子理论的角度看，对称性的主要破坏是一种“自发破坏”或者说是一种表观上的破坏，即所有基本粒子原始都无质量，它们之间的相互作用有拉格朗日量描述，该量具有完全的对称性，但相互作用的结果得出的总体的基态是简并的，其中有某中场的凝聚.实际的“宇宙”的基态是这些简并基态中某一个，而所有的激发态都是在此“特定基态”上的局部扰动，从而原来拉格朗日函数的对称性就不显示出来了/我们所观察的物理过程都是发生在某个特定背景上的，使原有的对称性不能显示出来.有些粒子的质量是由于它与空间凝聚场作用的结果.量子电动力学的微扰论计算可以给出与实验精密符合的结果，然而这个微扰展开都是不合理的.粒子物理的标准模型引进了一个两分量的复标量场，即希格斯场，它共有四个自由度.在弱电<math>SU(2)\times U(1)</math>对称群被希格斯场的势能所自发破坏后，希格斯场中的三个自由度被<math>SU(2)</math>的规范粒子所吸收而成为它们的纵向分量.这些规范粒子就是<math>W^\pm</math>和<math>Z^0</math>玻色子（确切地说，<math>Z^0</math>是<math>SU(2)</math>和<math>U(1)</math>规范粒子的一个线性组合，它的正交组合是光子）.希格斯场的剩余自由度被称为希格斯玻色子.它还没有被高能实验所证实.
在现代物理主流的标准模型中，所有基本粒子质量都源于黑格斯机制.这种机制虽然从唯象方面讲非常有效，但并不能给出其数量上的具体结果.因为在黑格斯场的汤川耦合中，耦合常数对于每一种费米子都有一个独立取值，至使标准模型的拉格朗日量所包含的、与质量直接有关的自由参数数目、比原先需要解释的质量参数数目还多. 实际上，在粒子质量起源问题上，黑格斯机制只不过把在粒子领域不能解决的问题，转稼到了完全未知的真空领域.
1964年希格斯找到了使规范粒子获得质量的途径，描述规范场与其他场相互作用的方程式具有杨一米尔斯对称性，但其解描述真实世界表现出不对称性，这种对称性方程的不对称解称为“自发破缺的对称性”，对称性自发破缺使规范粒子获得质量.1967年温柏格了萨拉姆各自独立地抓住对称性自发破缺的思想，在格拉肖电弱统一模型的基础上构思了统一电磁作用和弱作用的规范场理论，其基本思想是电磁作用和弱作用本来属于具有有一种对称性的统一的相互作用，这种相互作用通过交换四种规范粒子来传递，它们的质量均为零，在能量较低的范围，对称性自发破缺了，其中一种规范粒子仍然是无质量的，它就是传递电磁作用的光子，另外三种都获得较大的质量，质量大约是质子的100倍，它们是传递弱作用的W± 和Z0粒子.1983年电弱统一理论预言的结果被实验证实.格拉肖、温伯格了萨拉姆的电弱统一理论获得极大的成功.
U(1)希格斯机制
U(1)希格斯机制是一种很简单的赋予质量的机制，适用于U(1)规范场论.U(1)规范场论的规范变换是相位变换：  ；其中，  是复值希格斯场，  是相位.这种变换是U(1)变换，所涉及的是阿贝尔群，因此是一种“阿贝尔希格斯机制”.
假定遍布于宇宙的希格斯场是由两个实函数  、  组成的复值标量场  ： ；其中，  是四维坐标.
对于这自旋为零、质量为  、势能为  的标量场，克莱因-戈尔登拉格朗日量  
.
假设质量  ，则克莱因-戈尔登拉格朗日量的形式变为 ；其中，  是四维导数算子.从这方程，找不到任何质量的蛛丝马迹.但是，将势能泰勒展开于  ：
.
注意到  、  、  都是常数.在这展开式里，可以隐隐约约的观察到质量项目的形式  .
局域规范不变性
对于全域相位变换  ，由于相位  是常数，拉格朗日量  具有全域规范不变性：
.
但是，假设  是变量，随着时空坐标不同而改变： ；其中，  是电荷.
则为了要满足局域规范不变性，必须将  的偏导数  改换为协变导数  [2]:691
；其中，  是规范矢量场.
当做局域相位变换时，规范矢量场  变换为 .
这样，对于局域相位变换，拉格朗日量  具有不变性：

为了要满足规范场论的局域规范不变性，必须添加规范矢量场  ，连带地也要添加规范矢量场自由传播时的普罗卡拉格朗日量（Proca Lagrangian）：
；
其中，  .注意到  满足局域规范不变性，但是  无法满足局域规范不变性，因此必须设定质量  .一般而言，为了满足局域规范不变性，所有规范玻色子的质量都必须设定为零.对于传递电磁相互作用的光子与传递强相互作用的胶子，它们都是零质量规范玻色子，所以这理论结果与它们的性质相符合.但是对于传递弱相互作用的W玻色子与Z玻色子，这两种规范玻色子的质量分别为80Gev、91Gev！这理论结果与实验结果有天壤之别.这显露出规范理论对于这论题的严重不足，希格斯机制可以弥补这不足.
总结，表达为以下形式的拉格朗日量  满足局域规范不变性：
.
自发对称性破缺
量子力学的真空与一般认知的真空不同.在量子力学里，真空并不是全无一物的空间，虚粒子会持续地随机生成与湮灭于空间的任意位置，这会造成奥妙的量子效应.将这些量子效应纳入考量之后，空间的最低能量态，是在所有能量态之中，能量最低的能量态，不具有额外能量来制造粒子，又称为基态或“真空态”.最低能量态的空间才是量子力学的真空.
设想某种对称群变换，只能将最低能量态变换为自己，称最低能量态对于这种变换具有不变性.假设一个物理系统的拉格朗日量对于某种对称群变换G具有不变性，这并不意味着它的最低能量态对于变换G也具有不变性.假若拉格朗日量与最低能量态都具有同样的不变性，则称这物理系统具有“正合对称性”；假若只有拉格朗日量具有不变性，而最低能量态不具有不变性，则称这物理系统的对称性被自发打破，或者称这物理系统的对称性被隐藏，这现象称为“自发对称性破缺”.
电弱统一理论是对称性在物理基础研究中的一次伟大胜利，它鼓舞物理学家们进而研究包括强作用的大统一理论，以及把四种相互作用都统一起来的超对称大统一理论.对称性概念将近一步发展，并将进一步扩大其胜利成果.
时空对称性（即洛伦兹对称性）和内部对称性（即规范对称性）.但是规范对称性在弱力中必须被破坏，而且必须被自发破缺(1999年和2008年诺贝尔物理奖)，弱规范对称性自发破缺的尺度由著名的费米常数GF决定，它带有质量量纲为-2，从其实验测定值就可直接推断出相应的能量尺度为100GeV—1000GeV范围(1GeV等于1千兆电子伏特)，因此导致弱规范对称性自发破缺的新粒子——希格斯粒子（或称“上帝粒子”）的质量必须位于此范围.目前正在欧洲核子中心运行的大型强子对撞机（LHC）的能量尺度完全覆盖100GeV—1000GeV范围，它预期将发现或排除这个“上帝粒子”.若此粒子被排除，标准模型将被一个新的革命性理论所修改.
                   3、现代物理学对于希格斯粒子的实验探究
  格林在他的《宇宙的结构》一书所说：当代理论已进入实验技术无法触及的领域；从古代用土、空气、火和水（我国是用金木水火土）解释宇宙到今天，人类所取得的很多成绩，如从牛顿理论到20世纪的革命性发现，都是由理论预言到实验结果的精确符合而得以验证，但时间推移到了20世纪80年代中期，我们似乎成了过去辉煌的受害者.例如什么都没有这种说法，是非常微妙的；现代理论中的希格斯海就存在于整个空间.在量子力学以及希格斯物理学诞生之前的物理学中，如果某一空间区域中没有粒子且每种场的场强值都为0，就是完全空的.这里希格斯海，是希格斯物理学中假想的一种场.希格斯粒子就是希格斯场所形成的希格斯海能赋予其他种类的基本粒子以质量----的最小组成.由此格林也说，希格斯粒子的发现将是一个里程碑式的成就，因为它是理论粒子物理学家和宇宙学家在没有任何实验证据的情况下提出了几十年的粒子存在.1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在其与和泰雷西合著的《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》的结尾充分流露出了物理学家们对终极前景的渴望，他这样写道：“天空中出现了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我们这位沙滩主人.在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下，也可能是在斯特拉温斯基的短笛独奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地变成了上帝的脸，微笑着，但带着极度甜蜜的悲伤表情.”
２０００年９月，欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机（ＬＥＰ）研究项目的科学家介绍说，他们在实验中发现了一些表明希格斯玻色子存在的迹象.天使似乎终于露出了她的微笑，然而可惜的是，天使的笑容并非如同蒙娜丽莎般永恒.当人们为欧洲核子研究中心的科学家们更确切的证据翘首期待一年之后，等来的却是相反的结果：科学家们没有发现希格斯玻色子存在的证据.如果说有发现的话，那只是去年“发现希格斯玻色子存在迹象”的实验数据分析错误.２００１年１２月，欧洲核子研究中心的科学家在进行了为期一年的数据分析后，公布了对该中心大型正负电子对撞机关闭前最后５年为寻找希格斯玻色子而进行的大量实验的结果：没有发现希格斯玻色子存在的证据.由于现有理论估计希格斯玻色子的质量可能为８０吉电子伏，
但欧洲核子中心利用ＬＥＰ在１１５吉电子伏的能量水平上依然没有找到希格斯玻色子，因此许多科学家对这一结果感到十分失望.在这一结论的基础上，科学家们预计希格斯玻色子存在的可能性仅剩下３０％，如同欧洲核子中心的科学家尼尔•卡德所说：“我们失去了大部分的狩猎场”.
(一)日本向解开质量起源之谜迈进一步
作者：钱铮 来源：科学时报 发布时间：2007-4-26 23:42:29
新华社电 日本高能加速器研究机构和京都大学4月２４日宣布，两家机构组成的研究小组依靠严密的计算机模拟，在世界上首次验证了量子色动力学中的手征对称性自发破缺现象，向解答“为什么物质会有质量”这样的问题又迈进了一步.科学界认为，构成物质基本粒子之一的夸克虽然现在有质量，但在宇宙诞生的大爆炸之后的很短时间内并没有质量，那时的夸克以光速在宇宙空间自由飞行.研究夸克获得质量的过程，对解开物质具有质量之谜至关重要.两家机构联合发布的新闻公报解释说，以光速运动的粒子具备的固有性质称为手征对称性，因为只有质量等于零的粒子才能够以光速飞行，所以只有像１３７亿年前宇宙刚刚诞生时的夸克这样没有质量的粒子，才具备手征对称性.按照现在的基本粒子理论，夸克获得质量的过程分成两个步骤，其一是与希格斯玻色子相关的希格斯机制，其二是手征对称性自发破缺现象，夸克通过前者获得其质量的２％，而后者则赋予夸克９８％的质量.高能加速器研究机构和京都大学的研究人员依靠称为“格子量子色动力学”的计算机模拟，验证了手征对称性自发破缺现象.新闻公报说，这种计算机模拟采用的理论，是一种在格子量子色动力学中能严密保持手征对称性的理想的格子理论，但其运算量是以往方法的１００倍以上.本次模拟采用最新型超级计算机，并改进了算法，验证了手征对称性自发破缺现象的存在，证实了夸克获得质量的第二个步骤.自牛顿力学问世以来，物质有质量看起来是天经地义的事情，但最近１００多年来这个问题却困扰着物理学家们，各种假说纷纷问世，至今它仍是物理研究的一个前沿课题.根据目前公认的理论，解开质量起源之谜的关键是找到自旋为零的希格斯玻色子.目前科学家已找到粒子物理学标准模型预言的各种其他粒子，但唯独没有找到自旋为零的希格斯玻色子.这一理论认为，质量产生后，在宇宙中会留下这种特殊的希格斯玻色子.如果这种粒子被找到，那么物质质量之谜方能得到破解.由于这种粒子的重要性和神秘性，科学家形象地称它为“上帝的粒子”.
（二）、华尔街日报：粒子对撞揭开宇宙秘密http://www.guandian.cn/ 2008-09-12 00:13:46 来源: [ 华尔街日报 ]
　　粒子物理学是一门高深莫测的科学，而且将变得更令人胆战心惊.
　　　欧洲核研究组织(CERN)于2008年9月10日启动了全世界最强大的粒子加速器，将第一束粒子流射入位于地下330英尺深、17英里长的一个加速轨道，从而标志着近期最雄心勃勃同时备受争议的粒子物理实验正式开始.一些批评人士担心，这项实验可能会引发黑洞，从而吞噬整个地球.
　　但科学家们相信，这个“不成功则成仁”的尝试将有助于解决长期以来人类对宇宙的很多疑问.相对论和量子力学这类的宏伟理论可以解释宇宙中的一些运行规律，但彼此无法相容.Einstein的理论在解释恒星这类大型物体时很有效，但在解释粒子极微小运动时却束手无策.科学家希望借助这项实验找到一些线索，将这些零散的理论融会贯通起来.
　　这台“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider，简称LHC) 位于瑞士日内瓦，设计目的是让质子在接近光速的速度下发生碰撞，释放出130亿年前宇宙大爆炸(Big Bang)以来从未出现过的庞大能量.第一次粒子撞击计划于2008年10月进行，CERN的科学家将仔细观察粒子碰撞后的残余，找到以前未曾发现过的粒子、其他维度的空间、暗物质存在的证据，以及希格斯玻色子(Higgs boson)──一种物理学家认为是其他粒子构成基础的神秘物质.
　　物理学家们从事的这个项目事关重大，已经筹备了14年，投入90亿美元.如果研究人员未能在实验中找到游离的希格斯玻色子，那可能意味着他们在错误的道路上浪费了数十年的大好时光.
　　除了可能出现吞噬地球的黑洞──当然，CERN的科学家认为这是不可能的，让物理学家更抓狂的实验结果也许是找到了希格斯玻色子，但除此之外别无它物.这个结果将确认一些物理学家早已提出的理论，但无助于解释其他许多宇宙谜题.
　　比如说，科学家无法解释为什么重力会比其他的基本物理力弱得多，以及为什么只有5%的宇宙是可见的.此外，他们也面临尴尬局面，无法消除Einstein的相对论与解释微观物理规律的量子力学之间的矛盾之处.
　　虽然投入数十亿美元，但宇宙的奥秘有很大可能依然无法解开.“如果LHC只找到希格斯玻色子而没有其他物质，那科学家就很难说服大众再建造另一台大型粒子加速器.” 美国普林斯顿高等研究所(Institute for Advanced Study in Princeton)的理论物理学家尼玛？阿卡尼哈迈德(Nima Arkani-Hamed)说道.
　　现在，物理学家将所有的希望都寄托于这台埋在法瑞边境地下的超大型粒子冲撞机上.这台机器将反向射出两束质子流，质子流通过由超导磁体包围的两根钢管，以每秒11，245圈的近光速运行，最终在四个交点会合，预计每秒将产生6亿个粒子碰撞，从而再现宇宙大爆炸时猛烈无比的粒子浓汤.
　　为研究这项实验的结果──仿佛就像是粒子层面的火车大碰撞──CERN的科学家建造了四个地下观测器，能记录撞击时产生的能量以及粒子碰撞后内部物质喷出的速度.其中有个名为Atlas的观测器，是一个七层楼高的圆柱体，由钢铁、充气铝管、液态氩和光纤制成，重量为7，000吨，和艾菲尔铁塔一样重.Atlas和其他三个观测器把数据传输到CERN的3万台电脑上，由电脑对数据进行筛选，从而发现超出传统物理学范畴的异常现象.
　　那么，CERN的物理学家将寻找哪一类奇怪的量子事件呢？他们的主要任务是找到希格斯玻色子，也叫“上帝粒子”.如果他们的计算正确，希格斯玻色子能产生一个弥漫的域场，对穿过其中的粒子施加一个拉力.物理学家相信正是通过这一名为“希格斯力”的过程，电子和其他粒子才得以产生.
　　“这是解开宇宙构成秘密的一个关键所在.” 位于美国伊利诺斯州Batavia的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的理论物理学家约瑟夫？里肯(Joseph Lykken)说道.
　　其他粒子对撞机都未能幸运地找到希格斯玻色子，但物理学家认为，LHC对撞实验所爆发的能量──约为14万亿电子伏──应该足以使其产生.问题在于，没人知道希格斯玻色子长成什么样子，因此很难发现它，而且它也可能很快衰变为其他已知粒子，如介子和光子等.因此，CERN的科学家将通过各种形式寻找它的存在.举例而言，有一个名为“微型介子螺线管”(Compact Muon Solenoid)的探测器，配备有80，000块富铅玻璃用于追踪光子，负责操作的科学家将寻找“希格斯跳跃”(Higgs bump)──即光子在对撞发生四散飞出时一种异于平滑运动轨迹的跃动.
　　物理学家还希望从中找到支持新一代物理理论的证据，比如超对称性原理(supersymmetry)──这种理论认为，每个粒子都有一个未被发现的“超级伙伴”.假使对称性理论得到证实，将使已知粒子的数量增加一倍，并帮助物理学家实现一个长久以来的追求目标，也就是把几种控制物质运动的力──重力、电磁力、强核力和弱核力──在理论上融为一种单一的基本力.
　　这台粒子对撞机还可能让我们发现已知四维空间以外的空间维度.当质子撞击开始时，物理学家将寻找撞击前蕴含能量与撞击后产生能量之间是否存在不平衡.根据物理学基本原理，撞击前后的能量应该是守恒的.如果能量经常性地出现流失现象，那可能意味着能量消失在另一个空间维度中.这个发现将给玄理论(string theory)提供有力支持.这个被广泛接受但无法验证的假设认为，物质是由微小颤动的玄(string)构成，并处于11或12个维度的空间中.
　　研究人员说，最令人震惊的结果可能是，实验结果毫无出奇之处.这将意味着物理学家用于解释宇宙运行规律的最佳方法、已有35年历史的所谓“标准模型”其实是一条歪路.“我们知道，希格斯玻色子一定存在.”加拿大安大略省普里美特理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的物理学家李？斯莫林(Lee Smolin)说，“否则的话，我们就一直在错误的理论根基上原地踏步.”
　　虽然实验可能一无所获将令很多人大失所望，但另一些人认为，这个结果将最具革命性，因为理论物理学家将不得不重新思考几十年来被视为天经地义的各种问题.“在我看来，这是一件好事.”里肯教授说道.
　　和之前的大型物理实验一样，LHC引发了一系列世界末日来临的言论.2008年初，一位科学普及作家和一位辐射安全专家向法院提起诉讼，要求制止科学家启动LHC对撞机，认为它可能引发一个灾难性的黑洞或制造出“奇异物质”(strangelets)，这是一种理论假设中的致密物质，一旦形成，有可能引发连锁反应，把地球变成一块无生命的大石头.
CERN的科学家认为，黑洞这类恐怖量子事件的发生概率与重力突然消失的概率差不多.“根据量子物理学理论，如果我让一支笔掉在桌上，它甚至有一定的可能性会直接穿过桌子.”Atlas探测项目的发言人彼得？杰尼(Peter Jenni)说，“我们通过LHC模拟的是137亿年来整个宇宙每时每刻都在发生的粒子碰撞，但我们不是还活得好好的吗？”
  （三）寻找“上帝粒子”——欧洲核子研究中心行记   新华社记者 刘洋 杨京德
从瑞士日内瓦驱车进入法国，沿途宁静的田园风光令人沉醉.这是一片位于阿尔卑斯山与汝拉山雪峰间的平原，镶嵌着一座座牧场、葡萄园、古朴村镇，而就在平原地表之下１００多米深处，无数粒子或许正围绕着一个周长２７公里的巨大环形设备，以接近光速运行，并剧烈碰撞.这不是科幻小说的虚构，而是欧洲核子研究中心最重要的设备——大型强子对撞机运转的情景.经过近两个月的技术维护后，按计划，对撞机2月２１日再次开始运行.记者有幸在此之前，由研究中心的中方研究员、粒子物理学家任忠良博士带领，进入研究中心并探访这神秘的地下“粒子物理王国”.
科研“地球村”
欧洲核子研究中心建于１９５４年，是二战后欧洲合作的产物，但今天的研究中心早已不再局限于欧洲，而更像一个“地球村”，会聚了来自世界上８０多个国家和地区、５８０余所大学与科研机构的近８０００名科研人员，其中包括来自中国科学院高能物理研究所和山东大学等中国科研院所的近百名师生.漫步在研究中心园区里，可以看到宽阔的草坪上和露天咖啡座上，不同肤色、不同装束的学者三五成群地坐在一起，操各种口音的英语或法语讨论问题.除进行前沿物理试验外，研究中心还承担了为世界各国大学培养物理学人才的任务，许多物理学家的硕士或博士论文都在这里完成.研究中心洋溢着尊重科学的气氛，就连园区的各条道路都以在科学领域有重大贡献的人士名字命名.从第一个设想物质是由原子组成的古希腊哲学家德谟克利特，到发现镭和钋等放射性元素的居里夫人，他们对人类认知的贡献，以这样的方式被铭记.
地下“粒子物理王国”
大型强子对撞机位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下的环形隧道内.为探测质子撞击试验产生的结果，研究中心在大型强子对撞机上安装了４个探测器同时进行试验，其中最大的就是位于瑞士一侧的超环面仪器.经过两道严格安检后，记者跟随任忠良博士深入地下１００多米的超环面仪器试验现场.站在坑道内高耸的钢结构探测器旁，如同站在希腊神话里的擎天巨神脚下，深感一己之渺小.这个圆柱形庞然大物高２５米，长４５米，重７０００吨，相当于埃菲尔铁塔或１００架波音７４７客机的重量.任忠良博士说，超环面仪器就像一架高精度巨型数字照相机.对撞机发射的粒子束经过这个探测器时发生碰撞，产生的粒子沿着碰撞半径方向向外发散，这些肉眼难以察觉的物理现象都会在这一高性能探测器上留下影像.超环面仪器抓取碰撞影像的速度可达每秒４０００万次，从而在粒子级别上记录任何细微的变化.为处理由此产生的海量数据，３０００台计算机会同时运转，从大量无效碰撞数据中选取符合研究需要的少数粒子高能对头碰撞记录并加以分析.即便如此，筛选出的有用数据量仍大得惊人.这一探测器运行一年产生的数据如用ＤＶＤ光盘刻录，所有光盘铺排起来将长达７公里.
人造宇宙大爆炸
为从微观世界揭开宇宙起源的奥秘，研究宇宙产生初期的环境，物理学家设计了通过粒子对撞，模拟宇宙大爆炸的试验，大型强子对撞机就是进行这一模拟过程的“利器”.可想而知，实现高能粒子对撞并非易事.据任忠良博士介绍，大型强子对撞机使用了超低温、超导等超越人类现有工业水平的尖端技术.为产生偏转粒子所需要的强磁场，对撞机采用液态氦将管道温度降至零下２７１摄氏度的超低温，用低温超导技术产生零电阻以保障磁场强度.此外，为维持低温，减少管道内外热量交换，还使用了真空技术，对撞机周长２７公里的环形管道内的真空空间相当于巴黎圣母院的大小.低温还带来金属等材料热胀冷缩的问题，这就要求在管道连接处使用可滑动的接点，但可滑动连接点同时也带来另一个问题：上万个连接点中，任何一个点如因接触不良出现微小电阻，强大的电流通过时就会瞬时释放大量热能，毁掉超导状态.热量还会气化冷却管道用的液态氦，导致大爆炸.２００８年，对撞机调试过程中就发生了一次类似事故，使整个试验的进度延后一年.研究中心花了整整一年，投入超过５０００万瑞士法郎（约合５３００万美元）才将设备修复.
寻找“上帝粒子”
大型强子对撞机目前的主要工作就是寻找希格斯玻色子.它是由英国人彼得•希格斯等物理学家在上世纪６０年代提出的一种基本粒子，被认为是物质的质量之源，因此被称为“上帝粒子”.这种粒子就像神话中的独角兽一样难觅影踪.在粒子物理学的标准模型中，总共预言了６２种基本粒子，其中的６１种都已被验证，唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外.找到这种粒子，就找到建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石，如证明它不存在，整座大厦就要被推倒重建.此前，许多顶级物理研究机构曾试图通过对撞试验寻找希格斯玻色子，但都没有成功.如今，有了世界上能量级别最高的大型强子对撞机，欧洲核子研究中心的科学家对捕获这头“独角兽”充满信心.研究中心主任、德国粒子物理学家罗尔夫•霍伊尔说，对撞机在过去一年表现非常出色，因此大家普遍对试验充满信心.霍伊尔风趣地化用莎士比亚的名言说，希格斯玻色子存在还是不存在，这是一个问题，而这个问题的答案很可能在未来两年内揭晓.
《科学时报》 (2011-2-23 A4 国际)
（四）、欧洲核子研究中心称“上帝粒子”可能并不存在
2011-08-24 10:25:31　来源: 新华网(广州)
     希格斯玻色子是由英国人希格斯等物理学家在上世纪60年代提出的一种基本粒子，被认为是物质的质量之源，因此被称为“上帝粒子”.但这种粒子就像神话中的独角兽一样难觅影踪.尽管科学家们仍在努力寻找其踪迹，但致力于此项研究的欧洲核子研究中心近日表示，一些迹象表明，这种粒子也许真不存在，只是人们的“幻想”.
     该机构日前已经向在印度孟买召开的相关研讨会提交了报告，称近来通过其大型强子对撞机找到的实验数据都对找到希格斯玻色子的踪迹“意义不大”.与此同时，该中心许多科学家也认为“希格斯玻色子不存在”的可能性越来越大
    在粒子物理学的标准模型中，总共预言了62种基本粒子，其中61种都已被验证，唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外.找到这种粒子，就找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石，如证明它不存在，整座大厦就要被推倒重建.
     欧洲核子研究中心研究主任塞尔希奥•贝托卢奇说：“如果希格斯玻色子真的不存在，那么它的缺位将使人们的目光转向‘新物理学’.”此前，许多世界顶级物理研究机构曾试图通过对撞试验寻找希格斯玻色子，但都没有成功.美国费米国家实验室的物理学家今年7月底发表报告说，他们已大幅度缩小了希格斯玻色子的搜寻范围.
              （五）中国科技网讯据《新科学家》杂志网站12月14日（北京时间）报道，欧洲核子研究中心7月4日曾宣布发现了高度疑似希格斯玻色子（“上帝粒子”）的消息令整个物理学界为之欢呼，不过研究人员仍反复强调只是发现了一种新粒子，至于其是否为希格斯玻色子，还有待更深入的数据分析加以确认.现在，来自ATLAS（超环面仪器）项目组的最新结果发现，新粒子在质量以及衰变为双光子的速率等属性上与粒子物理学标准模型的预测有一定偏差，这使得新粒子为“上帝粒子”的身份依旧存疑.
    欧核中心有两个寻找希格斯玻色子的实验在同时进行，一个是ATLAS项目，另一个是CMS（紧凑缪子线圈）项目.研究人员并没有直接探测到希格斯玻色子，而是利用最后观测到的光子等其他粒子来反推它们是否是由大型强子对撞机中粒子碰撞产生的希格斯玻色子衰变而成的.ATLAS项目组在分析衰变而成的两个光子时发现，新粒子的质量比以其衰变为Z玻色子来计算要多大约3GeV（1GeV=10亿电子伏特）.
    CMS项目组主要成员阿尔伯特•勒克认为这个不一致的结果令人费解.但他说，之所以出现不一致，几乎可以肯定是在测量方面出了问题.
    “有可能是由于大的统计涨落，才导致数据异常.”美国罗格斯大学的马特•斯特拉斯勒说.他表示，这个问题可能会影响到其他的分析结果.
    此外，ATLAS项目组还发现，希格斯玻色子衰变为双光子的速率比粒子物理学标准模型预言的要快.其实早在7月，研究人员就已经发现了这一现象，但当时还缺乏足够的数据.如果希格斯粒子衰变为光子的速率过快，或将为新物理的研究方向提供一些线索，解释长久以来困扰人们的一些谜团，比如暗物质、引力和宇宙中反物质的缺失等.
    斯特拉斯勒称，新的研究结果“非常有趣，吊人胃口”，但他补充说，这仍不足以确定地说明什么.在斯特拉斯勒看来，新粒子的质量大于标准模型预测的问题可能传递了一个信号，他们不应该相信测量到的高得不同寻常的衰变速率.“随着处理的数据越来越多，我对于通过光子信号测算出多余的质量越来越信心不足.”需要进一步研究该粒子的性质与希格斯玻色子的一致性，包括与费米子和玻色子相互作用的强度、自旋宇称、衰变宽度等，有可能还需要新建一个直线正负电子对撞机来开展进一步的研究.
    “我猜（大家）现在非常期待CMS的结果.”勒克说.CMS项目组还没有公布他们的关于新粒子衰变成双光子的数据，理由是他们需要更多的时间去做分析.
    下周，大型强子对撞机将再次提升能级，然后准备在2013年年初关闭，进行设备升级.   （记者陈丹）
附录：上帝粒子获新的证据支持 是物质的质量之源
    欧洲核子研究中心（CERN）2013年3月14日发布公告称，对更多数据的分析显示，该中心去年宣布发现的一种新粒子“看起来越来越像”希格斯玻色子. CERN去年7月4日宣布，该中心的两个强子对撞实验项目ATLAS和CMS发现了同一种新粒子，它的许多特征与科学家寻找多年的希格斯玻色子一致.物理学标准模型预言了62种基本粒子的存在，其他粒子都已被实验所证实，只有希格斯玻色子未得到确认.由于它极其重要又难以找到，故被称为“上帝粒子”.根据最新公告，科学家分析了比去年的研究多两倍半的数据，计算新粒子的量子特性以及它与其他粒子之间的相互作用，结果“强有力地表明它就是希格斯玻色子”.但CERN表示，目前还无法判断它到底是标准模型中的希格斯玻色子，还是其他理论预测的好几个最轻的玻色子的组合.要弄清这个问题，还需要大型强子对撞机搜集更多数据，对各种衰变模式进行分析，“找到这个答案需要时间.”　　希格斯玻色子得名于英国爱丁堡大学物理学家彼得•希格斯，他预言了这种粒子的存在.假设中的希格斯玻色子是物质的质量之源，其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量.
                                4、希格斯机制的局限性
《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：７０．Higgs粒子是否存在？ ７１．质量的起源是什么？７２．真正的对称自发破损的机理是什么？
《自然》展望2012年值得关注的科学进展和事件
2012年1月3日，《自然》网站发表了题为《新年，新科学》（New year, new science）的文章，展望2012科学界将发生的科学事件和可能取得的重大发现.
1. 今年6月，联合国第四届地球峰会将在巴西里约热内卢举行，此次会议主题是“可持续发展和绿色经济”，这无疑将是2012年最重要的环境会议.
2. 美国“好奇号”火星车8月份将登陆火星，取样火星岩石层和检测火星大气层中的甲烷.
3. 六个“大胆”的研究计划将获得欧盟未来和新兴技术旗舰计划的巨额资助，包括石墨烯、行星尺度的人类活动及其对环境影响模型、能量自动摄取传感器、单身人士的机器人伴侣等的研究.
4. 欧洲核子研究组织（CERN）今年将收集足够的数据来证明或排除“希格斯波色子”的存在.
5. 美国国立卫生研究院（NIH）的“DNA元素百科全书”工程今年将取得重大进展，人类基因组序列各部分功能将进一步明确.
6. 两种治疗“老年痴呆症”的单克隆抗体药物今年进入三期临床试验，有望获得成功.此外治疗肥胖、囊胞性纤维症药物也有望获得生产许可.
7. 俄罗斯四月将钻取更多南极冰层进行科学研究.
8. 三月，全球最大的电波望远镜——平方千米矩阵（SKA）项目的主持者将在南非和澳大利亚之间产生.
9. 美国加州SpaceX of Hawthorne公司二月将向国际空间站发射首个商用无人航天飞机.
10. 2012年，首个真正的人工合成基因组有望问世.
1993年，花费20多亿美元在德克萨斯州开凿了几十公里长的地下隧道后，美国国会参议院决定停止对超导超级对撞机计划(SSC)的拨款.寻找希格斯粒子，对粒子物理学标准模型进行最终检验的实验搁浅.几千物理学家失去工作，世界高能物理学界感到了空前的失落和沮丧.但物理学家的雄心并因此未受挫，之后由欧洲核子研究中心接手，通过了LHC计划，继续寻找希格斯粒子——标准理论失落的最后一环.该计划由世界多国协作，目前正在实施，估计2007年建成大型强子对撞机，2010年前出数据.所谓 “希格斯机制”和其中甚至被认为是一切粒子质量来源的“希格斯粒子”就成为迄今拯救所谓标准模型的唯一重要因素.但是，迄今，虽然已有足够能量的实验，已经多次努力，仍然尚未实际找到牵涉有关理论成立基础的，所谓“希格斯粒子”.希格斯场独立于希格斯机制，是标准模型中的一个方便假设.它并不是理论所必需的组成部分.在动力学对称破缺模型如工作色模型（<noinclude>)中，希格斯场为凝聚的费米子对（类似超导理论中的库柏对）所取代.只有在超对称标准模型中希格斯场才是真正基本的角色.在现代物理主流的标准模型中，所有基本粒子质量都源于黑格斯机制.这种机制虽然从唯象方面讲非常有效，但并不能给出其数量上的具体结果.因为在黑格斯场的汤川耦合中，耦合常数对于每一种费米子都有一个独立取值，至使标准模型的拉格朗日量所包含的、与质量直接有关的自由参数数目、比原先需要解释的质量参数数目还多.
实际上，在粒子质量起源问题上，黑格斯机制只不过把在粒子领域不能解决的问题，转嫁到了完全未知的真空领域.显然，这种用未知去解决未知，完全是逻辑学的不幸.美国科学家格林在《宇宙的结构》一书中就说：如果是类似希格斯海通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量，那么情况又有所不同，质量还有另外的来源.
对于希格斯粒子是否存在，霍金曾与人打赌.作为一个悲观主义者，他赌无.非阿贝尔规范场运动方程必须满足规范不变条件，物理学家们怎么可以把这一点给忘了呢？稍加改造后，杨—米尔斯规范场理论就能自足，再也无需希格斯机制这个赘物.只可怜欧洲核子研究中心的机器要空转一场，看来是停不下来了.
在量子电动力学（QED）中，电子也一样具有电磁自能，但把电子质量完全约化为电磁概念的梦想根本无法实现：（1）由于超精的常数1/137 是一个很小的数目， 因此由电磁自能产生的质量修正μ与裸质量 m 0相比只占一个很小的比例；（2）即使我们把QED的适用范围延伸到比普朗克能标还高的能区，使μ变得很大，但由于理论中是μ∝m0，这表明如果电子裸质量为零，它的电磁自能也将为零.而裸质量是QED中拉格朗日量的参数，它在理论适用范围是无法约化的.对称性破缺的机制使传递弱相互作用的中间玻色子获得质量，然而黑格斯场的真空期望值或真空零点能在一定意义上相当于宇宙常数，其数值却比天文观测的宇宙常数大了几十到一百多个数量级.所有的 和 称之为绝对运动的加速度运动都纳入广义相对论是不可能的，除了引力论以外，其余的（例如量子电动力学、量子色动力学、量子味动力学、弱电统一理论）加速度运动理论仍游离于广义相对论之外与 晚年试图将引力与电磁力在广义相对论框架内统一起来终遭失败这两个事实就是两个明显的证据.
    1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”.但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难.“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算，这与德布罗意波在υ=0时的异性.其基本思想便是把那样一些发散项吸收到一些基本“常”量中去，而那样一些无穷大的常量却是我们永远观测不到的.所能观测的只是那样一些经过重整化了的有限大小的量.但是这样的一种方法并不是对任何一种理论都适用，如果一个理论中的基本发散项随着微扰的展开越来越多的话，那么我们就无法将所有的发散项，全部吸收到那样有限的几个基本常量中去.我们称这样的一种理论是无法重整化的.量子电动力学(QED)很早就被认识到是一个可重整化的规范理论，而严格证明其它理论是否能被重整化，很长一段时间内，是一个没有解决的问题.直到七十年代初，这样的一个难题方被当时还是研究生的特.霍夫特(t'Hooft)和他的导师攻克.他们证明了当时基于规范理论的其它统一模型，都是可重整化的.这样的一个工作，给YANG-MILLS理论带来了第二次青春，同时也使得他们荣获了1999年的诺贝尔物理学奖.2007年台湾大学何小刚教授等按超对称最小扩展，提出的有7个希格斯粒子模型； 2010年美国费米实验室物理学家马丁等提出的可能存在相似质量的5个希格斯粒子的双希格斯二重态模型.至今，人们相信，描述强，电弱三种相互作用的量子场论，都是可以重整化的.但是，描述引力相互作用的量子引力，却是无法重整化.这是当今理论物理界，面临的一个主要困难.
1954年杨振宁和Mills提出了非Abel规范场的理论，局域对称性就成了相互作用力和基本粒子结构的本原.1964年Higgs借鉴凝聚态相变的观念，引进了真空相变和对称性自发破缺的概念，真空并不是空的，这样使得统一性和多样性就得以结合，对称性原本相同的粒子在对称性自发破缺以后可以获得不同的质量，造就了今天千姿百态的世界.在这个基础之上，Glashou  Weieberg 和Salam用SU（2）XU（1）群的对称性和规范场统一了弱相互作用和电磁相互作用，形成了由三代夸克和轻子，三种相互作用力的携带者胶子、光子，W和Z粒子组成的标准模型.标准模型和实验符合得很好，遗憾的是引发对称性自发破缺的Higgs粒子可能质量太大.在目前的加速器实验中间还没有观察到.这个弱电统一的理论成功，为进一步统一四种相互作用力提供了希望和动力.光量子虽无静止质量,却仍有运动质量、动量,根本不存在与其动量标的目的铅直的两个所说的"横极化".只是大量光量子计数表现的电磁波才有两个所说的"横极化",实际上,根本不可能由这样的希格斯机制使光量子产生静止质量.也不会有这样的希格斯粒子.更不克不及说它是一切粒子质量的来历.
希格斯机标准模型是一套描写强作用力、弱作用力、电磁力这3种基本力以及构成所有物质的基本粒子的定见.但是,仍存在一些未能处理完成的根本缺陷.
cdf探量观测器和d0探量观测器,多年来,一直在搜集数值,并且已经由大变小了希格斯玻色子出现时的可能能量和质量探量观测边界.据多里戈介绍,去年11月时,两项试验配合发布了1个改进的希格斯玻色子边界.自此以后,研究职员已经搜集了更多的数值,多里戈预计,数值已增加了50%.是以,科学家们进一步由大变小了探量观测边界.2009年,费米试验室物理学家甚或者预测到当年末有50%的可能发明希格斯玻色子.
所说的"三倍标准差效应"、"五倍标准差效应",到底是如何的"标准差效应"?它们到底是如何能证实根本不存在的所说的"希格斯机制"和"希格斯粒子"存在的几率呢?！
所说的"三倍标准差效应"是指：从计数学上讲,该试验结果是希格斯玻色子的可能性有99.7%.
为修补认为是标准模型定见的唯一关键缺陷,英国科学家彼得?希格斯提出了,存在所说的"希格斯机制"、"希格斯场"、"希格斯玻色子".这类假定的希格斯玻色子是物质的质量之源,而其他粒子是在希格斯玻色子构成的"海洋"中巡逻,受其作用而产生惯性,最终才有了质量.
通常认为确定性的程度到达"五倍标准差效应"(不错的可能性达99.9999%),才完全可以证实一是个纯粹合理的新发明.而"三倍标准差效应"还不克不及够证实结果的确定性,不过,"三倍标准差效应"仍然象征着可能存在希格斯玻色子的有力证据.
大型强子对于撞机的重要任务之一是帮助科学家寻觅标准模型中最后一种尚未被发明的基本粒子--希格斯玻色子.
近日,意大利帕多瓦大学物理学家托马索-多里戈在他的博客《量子日记活着回来者》中声称："我从两个不同的,多是独立的动静来历打听到,万亿电子伏特增速器的一次试验发了然希格斯玻色子微弱旌旗灯号存在的证据.1个动静来历说是观察到了'三倍标准差效应'；而另外1个动静来历没有具体诠释,发语辞起了试验得到了1个意外的结果(美国费米试验室万亿电子伏特增速器(tevatron)容或者已经发了然所说的的"天主粒子"希格斯玻色子).这一结果肯定来自万亿电子伏特增速器.目前,大型强子对于撞机试验尚无足够的数值来证实这类难以捉摸的神秘粒子,而世界上其他物理学试验更没有足够的能量发明它.不过,我现在还不太清楚这一传说风闻到底是来自费米试验室两个粒子探量观测器(多是cdf探量观测器或者是d0探量观测器)中的哪1个,.
多里戈其实不是发明希格斯玻色子研究团队的成员,而且他承认这一传说风闻的靠得住性另有待证实.他彷佛是希望将自己所听到的这个奋发人心的动静及时与各人分享.多里戈补充道,物理学家或者将于本月底在巴黎举行的国际高能物理会议上发布关于这一试验结果的更多动静.美国科学家格林在《宇宙的结构》一书中就说：如果是类似希格斯海通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量，那么情况又有所不同，质量还有另外的来源.
陈和生先生是中科院高能物理研究所院士、欧洲核子中心大型强子对撞机实验CMS和ATLAS物理研究的中方首席科学家，一直致力于相关科研实验和组织协调工作.他说：“这个粒子是否就是希格斯教授提出来的那种，还需要大量的验证.现在有一种模型是‘超对称模型’，该模型中也有一种希格斯玻色子，但其性质与‘标准模型’中的希格斯玻色子的性质并不相同.这两种粒子的性质不同，衰变也不同.因此，对这次发现的新粒子究竟是哪一种粒子还需要多年的验证.”“目前需要增加统计性，看到更多的粒子.预计在今年年底，这一结果可以出来.至于究竟是什么粒子，还需要更长时间，甚至于还要再造一个加速器.” 陈国明先生是中科院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员及负责人，他说：虽然这次发现新粒子的一些特征，比如产率（出现几率）、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合，但现在统计性太少，还不能确定这个新粒子的各种特性，因此这次也可能发现的是另一种新粒子.以目前取得的数据，要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够，仍然需要更多的实验数据积累.可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机，才能更仔细、准确地验证这个结果.
标准模型确实非常强大而且形式简洁优美.科学家们发现希格斯玻色子更是锦上添花.2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们宣称，他们发现了一种新的亚原子粒子，这个粒子是希格斯玻色子（即传说中的“上帝粒子”）的可信度高达99.99994%.1964年，科学家首次提出希格斯玻色子是物理学粒子标准模型中最后缺失的一部分，标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论.根据该理论模型，希格斯玻色子必须存在从而赋予其他基本粒子质量.希格斯玻色子的“现身”证实了标准模型的完整性.更为重要的是，这是科学家们几十年科研探索的集大成者.就像在大海中捞针一样，我们首先必须完全理解大海和针，为了发现大型强子对撞机（LHC）制造的“迷你宇宙大爆炸”中的希格斯玻色子的罕见踪迹，我们必须了解基础物理学.标准模型几乎是大自然给予人类的最美妙的果实.然而，标准模型是作用力和粒子的大杂烩，没有获得完整的统一性和一致性.在标准模型中，标准模型最早部分——麦克斯韦方程组统治了电磁学，公正地来说，麦克斯韦方程组以平衡和优美著称.标准模型最新部分的方程式描述了强核力，这部分也具有令人愉悦的对称性，但是，强核力并不需要电荷和载力子（光量子），它们需要3个“色”电荷和8个胶子.而弱核力则引入了另外3个载力子.上述所有这些使标准模型看起来有点别别扭扭的.鉴于此，我们希望能够获得更大更好的方程组，其具有更好的对称性和平衡性.从逻辑上而言，超对称就是这些想法的集大成者.它假定存在着一种基本的对称性，使力能够变成物质，物质也能变成力，同时，这些方程式作为整体具有同样的内容.通过让自然界的粒子博物馆里粒子的数量加倍——为每个组成物质的费米子制造出一种携带力的玻色子以及相反，可以做到这一点. 朝着这条道路一直追寻下去，我们会获得比较大的成功.经过扩展后的新理论可以精确地预测强核力、弱核力、电磁力的强度之间的比率，标准模型听任这些参数摆布.
  我相信这个成功绝非偶然.但是，在科学上，相信只是一种手段，而不是最终目的.超对称性预测了具有独特属性的新粒子，随着大型强子对撞机以更高的能量和密度强度操作，这些粒子会逐一进入我们的视野中.这一理论很快将经受严格的考验，它或者会给我们提供我们所需要的，甚至给我们惊喜，或者一切只是竹篮打水一场空.
  丽莎•蓝道尔：哈佛大学理论物理学家，粒子物理学和宇宙学领域的权威.她有点担忧地表示：“我们或许无法获得超越标准模型的答案.”
                               5、电子的电量与电荷运动速度之间的关系
     按照近代基本粒子理论，电磁质量主要来自粒子与真空中凝聚场之间的相互作用，这种真空凝聚场并造成某些对称性的自发破坏，并影响基本粒子间的配对，自发破缺是产生质量和电荷的原因，惯性质量并不由这类因素决定.电磁质量的认识现在尚未彻底解决！现代物理学认为电磁质量由电荷附近的电磁场分布结构决定，与电荷没有多大的直接关系，只是间接关系.电荷附近的电磁场的源是电荷.但当电荷运动的时候，电荷附近的电磁场分布结构会发生变化，如发生压缩畸变，其分布结构是速度的函数，这可见一般教材.于是，电磁质量也是速度的函数.现代物理学认为电荷影响着物质的质量，不仅核物理有论述，张一方教授在他的著作《粒子物理和相对论的新探索》的“SU(3)理论的质量、寿命公式和它们的统一性”一节中给出的公式：M(2)=M(1)+Q{d1(Y+Q/2)-d0}显示了电荷电量Q对于惯性质量的贡献.电荷电量随运动速度而改变也是客观事实，有些人就给出了：Q=Q0(1-v2/C2)1/2.当电荷速度愈来愈高时，它的电磁辐射愈来愈强，外场对它的加速愈来愈弱，当达到光速时就会转化为无电荷、无静止质量的光子——场物质！
1、测量电子速度的实验
用上海应用物理研究所的飞秒直线加速器初始段的均匀静电场加速电子，加速器的五级能量使电子得到近光速的五种速度和相应的动能.按照Einstein的质速公式和动能公式，电子速度增加导致它的动质量和动能急剧增加，以致于超过了加速器提供的能量，加速器效率竟大于100%！电子的动质量不但不增加，反而随其速度增加而下降，加速器效率不仅没有达到100%，反而随着电子速度的增加而降低.电磁作用力的传递速度是光速，随着电子速度趋近光速，电磁场的有效作用力下降使加速器效率下降，加速器提供的能量被浪费.
0.121T电子能量——圆半径实测值关系
能量E(MeV)        20        16        12        9        6        4
半径R（cm）        18        18        18        18        18        18
2. 电子束流轰击铅靶的量热法实验
    季灏的这个实验是在美国瓦里安公司的2300C/D型直线加速器上进行的.按相对论公式，静止质量为 ，带电量为 的粒子以速度 在电磁场中运动时，满足的洛伦兹力运动方程是：
                           （1）
采用柱坐标系，设电子在 平面运动.在均匀磁场中，令 是粒子圆形轨道半径， 是粒子的相对论动量，加速器理论中常用的基本公式是：                                                                 （2）
季灏实验用的2300C/D型直线加速器产生六种能量分别为4MeV，6MeV，9MeV，12MeV，16MeV和20MeV的电子束.按相对论质能关系，速度分别为0.9918c，0.9969c，0.9986c，0.9992c，0.9995c，0.9997c.通过铅铁准直器垂直射入0.1210T的均匀磁场，按（2）式计算，电子的圆周运动轨道半径运动应当为10.94cm，16.41cm，24.62cm，32.82cm，43.76cm，54.70cm.然而季灏实验表明，所有的六种电子都落在感光胶片半径大约为18cm的上，意味着这些理论上具有不同能量的电子的运动轨迹几乎落在同一个圆上.也就是说这些电子的能量实际上相差无几，可以说基本上是一样的！







                      图1. 不同能量电子在均匀磁场中运动轨迹的实验
从相对论质能关系的角度，这个结果看起来匪夷所思，如果不是瓦里安公司加速器有问题的话.尽管考虑到接近光速时，带电粒子的辐射较大，能量越大的粒子辐射越大，但不同能量的粒子会通过辐射达到完全相同的能量，落到磁场中的相同点上，这几乎是完全不可能的.然而这个结果却与季灏第一个的实验结果一致，如果进行量热实验，理论能量不同的粒子在靶上引起的温度升高是一样的.由于以上六种电子的速度都与光速相差无几，若按经典动能公式（2）式，它们的动能应当是几乎一样的.因此季灏和许多网友倾都向于认为，狭义相对论的质速关系可能不成立.这个实验与第一个实验揭示了一个相同的现象，即用直线加速器加速带电粒子速度接近光速后，粒子的能量可能难以继续增加.用季灏的话说，粒子的运动速度接近光速时，现有理论的能标偏高了.能量和温度的理论值和实验值
能量
温度        1.6Mev        6Mev        8Mev        10Mev        12Mev        15Mev
理论值        0.67        2.52        3.36        4.20        5.03        6.29
实测值        0.97        1.0        1.03        1.03        1.03        1.03
     用上述飞秒直线加速器输出的电子束流轰击铅靶.电子的动能使铅靶的温度升高.实验使用了加速器的五级能量.按照Einstein相对论的质速公式和动能公式，近光速电子的动质量和动能很大，因此铅靶的温升应该很高，而且温升应该与加速器能量成正比.但是，实测的温升值却很小，而且加速器能量成倍地增大只导致铅靶的微量温升，Einstein的相对论与实验结果矛盾.
3. 高速电子在均匀磁场中偏转的实验
    该实验是在上海复旦大学近代物理学实验室中进行的.采用 厚铝窗NaI（TI）闪烁探头，配合微机多道系统，组成 能谱仪来测量 粒子（电子）的能量.实验中使用 作为放射源提供能量为2.274MeV的 粒子.测量 粒子在均匀磁场中运动的圆形轨道半径，用（4）式来确定粒子的相对论动量，从而确定 粒子的能量动量是否满足相对论关系 .实验考虑到闪烁体探头位置对能量测量的影响等因素，但没有考虑带电粒子在磁场中加速运动的辐射.季灏认为辐射很小，可以忽略不计，但他使用的是非相对论的辐射公式.当粒子运动速度较大时，辐射还与因子 有关，应当予以注意.
      实验结果表明1.不同的磁场对动量值的测量有影响，2. 相同能量的 粒子在不同强度的磁场中受力不同，磁场较弱时实际受力小于洛伦兹力的理论值，磁场较强时实际受力大于洛伦兹力的理论值.3. 按照现有理论（4）式， ，动量与磁场强度成正比.实际测量表明，动量与磁场强度不成正比.季灏认为现有洛伦兹力不正确，相对论的能量动量关系与实际不符.电子在磁场中运动时，洛伦兹力应当乘上一个有效因子 ，就可以使经典力学的动能与动量关系得到满足.实验还表明在同一个磁场中，电子的运动速度与越大，所受到的洛伦兹力越小.用上述飞秒直线加速器输出的电子束流垂直射入由永磁铁产生的均匀磁场，电子受洛伦兹力偏转而作圆周运动.实验使用了加速器的六级能量.按照Einstein的质速公式，电子的动质量随其速度趋近于光速而急剧增大，但洛仑兹力难以偏转大质量的近光速电子，因此电子圆周运动的半径应该随着加速器能量的增加而成正比地急剧变大.令人惊讶的是，对于加速器的六级能量，屏幕上显示的斑点位置变化极小，六个小斑点聚成一个大斑点；也就是说，圆半径几乎不变.
布雪勒的原始数据及整理
　        布雪勒原始数据        按荷比维持不变的原则依据布雪勒实验而整理
        β=v/c        e/m0
（1011C/kg)        RB=.121T
(cm)        eR
(10-19C)        mR
(10-31kg)        eR/mR（1011C/kg)
1        0.6870         1.7670         1.331806         1.598451         9.08820553         1.75882
2        0.5154         1.7630         0.847233         1.600273         9.09856406         1.75882
3        0.4281         1.7600         0.667298         1.601640         9.10633295         1.75882
4        0.3787         1.7610         0.576400         1.601184         9.10374332         1.75882
5        0.3173         1.7520         0.471332         1.605283         9.12705000         1.75882
    笔者认为，上面的实验是根据荷质比得到的，只是由于电子在电磁场中加速运动时辐射电磁波，减少了电磁质量，因此电子的电量在加速过程减少，表现为动质量的增加，因此随着电子速度趋近光速，电磁场的有效作用力下降使加速器效率下降，加速器提供的能量被浪费, 电子速度未能与加速器能量成正比地增加，所以加速器能量大幅增加而铅靶温升微小,电量、动质量、速度都比原来计算的数值减少，两者相抵使圆半径几乎不变.
                                  6、电的本质的思考
电荷究竟是什么（实体？属性？运动效应？振荡模式？）？
电荷很神秘，公元前600年左右，希腊人发现了摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象.16世纪，英国御医吉尔伯特提出了电荷的概念，美国科学家富兰克林提出了正负电荷的概念.且电荷有两种：用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电；两种电荷间的相互作用同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引.这样，人们是为了解释摩擦过的物体为什么会吸引轻小物体以及摩擦物体的吸引排斥现象，故而提出了电荷并认为有正负电荷这两个概念，也就是说电荷只属于对自然现象进行解释提出的一个概念，并不是事实本身，这一点和早期人们认为自然界存在‘热质’一样，都是为了解释生活中我们所遇到的一些常识现象，不过到现在热质说早已经被否定.
现代物理学家，诺贝尔奖的获得者杨振宁教授的一段话：在19世纪末20世纪初，物理学明显地正在进入一个新时代的黎明时期.不仅经典力学和法拉弟-麦克斯韦电磁理论的辉煌成就已经使宏观物理学时代胜利结束.而且各方面都已经出现新的疑难、新的发现、新的激动和新的预见.阴极射线、光电效应、放射性、塞曼效应、X-射线以及里德伯的光谱线定律都是当时新的发现.当然那个时候还很难预测这个新时代究竟将包含什么内容.在其他一些问题中，人们对于电可能具有的原子结果曾经进行过很多讨论.但是要知道，虽然在很久以前就已经有人设想关于物质原子结构的概念，但是这种设想不能被载入到科学著作中去，因为除非有定量的实验证据，没有任何一种哲学性的讨论能够作为科学的真理来加以接受.例如晚至1897年，十九世纪后也物理学界的一位大使凯耳芬勋爵仍然写道：“电是一种连续的、均匀的液体”(而不认为它具有原子结构)的意见还值得加以谨慎的考虑.【1】
1890年，声名卓著的开尔芬提出电效应是由以太的平动引起的，磁现象是由以太的转动引起的，而光是却是由以太波动式的振动引起的.
因为电磁场在这里不再以某些物质的状态的身份出现，它本身就是存在物，它和有重物质是同一类东西，而且它也带有惯性的特征.这样一个理论允许一下子预言到迈克耳孙和莫雷的否定结论.【2】
法拉第、玻尔、爱因斯坦、费恩曼等科学巨匠都善于通过物理现象来探求物理本质和解释，并从哲学层面加以把握，而认为数学运算是第二位的，因为在新的未知科学领域，很可能还没有相应的数学工具.玻尔一向认为，对于物理学观念的讨论来说，数学是不重要的，我们已经见识过，在BKS那篇洋洋万言的论文里，只有一道简单的数学公式.Einstein曾经说过：“力是简单的，无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的方法来表述.但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代价也很高：引人了许多新的、没有重力的物质.它们都是颇为牵强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关.” 德国科学家考夫曼，发现β射线的质量随速度的增加而增加，试图据此区分电子的固有质量和速度改变的电磁质量.对于电和磁的理论概念，人们又引入了一种特殊的质量（电磁质量）.并假定在此类物质间存在着类似于Newton的万有引力的超距作用.然而这种特殊物质又似乎缺乏惯性的基本性质，而且作用于这类物质和有重物质之间的力依然很含糊.在这些困难上，又不得不加上此类物质的极性特征——而这又不适合经典力学的纲领.当电动力学现象为人们所熟知时，这个理论的基础仍是不令人满意的.尽管这些现象使得物理学家可以借助电动力学现象解释电磁现象，并从而使电磁质量的假设成为多余.这个进步是由增加相互作用力的复杂性而换来的，在运动着的带电物体之间必须假设存在着这些力.物质参与电磁现象的根本原因在于其基本粒子带有恒定 electric  charge（电量）【3】，从Einstein的论述中可以看出当时他已经认识到引力质量与电磁质量之间的区别与联系.
  广义相对论需要被用来解释space-time基本结构，研究引力质量的变化规律；量子力学用来解释亚原子粒子运动，是关于电磁质量的变化规律的科学.对于这种数学综合的第一步尝试是量子场理论，它试图通过结合量子力学同狭义相对论来解释电子运动.这个理论取得了某些重大成功，但它的创立者Dirac承认：“要将这个理论建立在坚实的数学基础上似乎是不可能的.”第二步把广义相对论与量子力学结合起来，至今没有任何思路，温伯格认为也许需要一至两个世纪才能完成理论数学化的工作.电荷和质量作为万有引力和电磁力之源，它们是我们无法统一该两类力的症结所在.对于电磁质量，现代理论物理并没有一个很好的说明，是否存在电磁质量还是一个问题，通常在处理电磁场的问题时，一般是不考虑电磁质量的.
现代物理学认为电子的电磁质量是电子静止质量的一部分，Einstein曾经试图证明电子的电磁质量是电子质量的3/4，即宇宙的能量 起源于电磁， 起源于引力.但是没有成功，现代物理学中相对论和量子力学对于电子的电磁质量的计算是矛盾的，彭桓武认为这个问题可能需要未来的高等数学来解决.Einstein晚年已经认识到 electric  charge没有引力质量的问题，指明引力场和lectriec  field是逻辑上毫无联系的两部分.
科学家因“经加速器加速的两个高速运动电子对心碰撞，反应产物中找不到电子碎片”的实验结果，得出电子是一个整体、不可粉碎的结论.根据实验结果的另一细节：当电子的能量足够大时，“反应的产物中可能找到三个电子和一个正电子”.指出这三个电子和一个正电子是二个高速运动电子碰撞后的碎片.三个电子和一个正电子的静止质量和为 ，它的母体的静止质量至少也应是 ，而在加速前二个电子的静止质量和才 ，可见电子加速后静止质量增加了.这一方面说明电子的引力质量中的运动质量与静止质量本质是统一的，另一方面说明电磁质量与引力质量各自守恒.
Einstein晚年探索统一场论始终是以时空问题的探索为主线的.在认识时空问题上，他那敏锐的判断力和直觉与早年一脉相承，仍然无人可以企及，统一场论未获结果只能属于时代的局限；在纪念相对论百年的今天，统一场研究不是依旧未能取得任何可确认的进展么？至于Einstein晚年对量子力学采取排斥态度，那也只是基于科学信念的对立，即他坚信“上帝不会掷骰子”，并非意味着晚年的Einstein削弱了对于科学事物的判断能力.国际物理年给世人提供了一个重新认识和发现Einstein的机会.我们只有把Einstein晚年时空观点从其尚未成功的统一场论（亦即纯引力场论）中提取出来加以研究，才能保证完整、准确地认识和理解Einstein和他的相对论.譬如，Einstein生前即已提出时空既是弯曲的也是运动的，可是这么多年过去了，仅就时空弯曲这一个观点而言就远未能被公众所理解和接受，更甭说其他诸多观点了.这种现实客观地表明，Einstein的科学观念不但远远超越他所处的时代，而且也远远超越他身后的未来.总之，如何对待Einstein晚年关于时空问题的探索与研究，克服某些偏见是相当重要的.人们毕竟已习惯于认为Einstein晚年没有留下有研究价值的理论成果，因而很可能会对Einstein晚年的时空观点采取不屑一顾的态度.如果真是如此的话，那么遭受损失的只能是已经属于21世纪的科学和我们人类自己.17世纪牛顿的引力论和19世纪麦克斯韦的电磁理论，“在本质上是相互矛盾的”.【4】
物理学有实验科学的本质特征，其表述都具有实在性本质，理论的一切成果都只能构成于与被描述客体存在的一致性，而决不是抽象的逻辑思维.这就要求我们在实现现代物理理论的突破性发展时，其出发点决不应该是数学分析等抽象的逻辑思维，而只能是被描述客体的实在性存在.被描述客体的实在性存在又只能通过由它构成的现象事实来认识.因此，要实现现代物理理论突破性发展，就是要坚持物理理论表述的实在性本质，要在对相关现象事实的分析归纳中另辟蹊径.
参考文献
【1】        杨振宁，基本粒子发现简史，上海，上海科学出版社，1963.
【2】         A.Einstein.关于相对性原理和由此得出的结论[G]//Einstein文集（第二卷）.北京：商务印书馆，1977:151.
【3】        Einstein  著    方在庆 韩文博  何维国  译.《Einstein晚年文集》海南出版社    2000年3月第1版
【4】        霍金著   霍金讲演录    湖南科技出版社   1995年   P39
            7、美首次证明能量均分定理适用于布朗粒子（100年前Einstein曾预言这是一件不可能完成的任务）
据英国《新科学家》杂志网站5月21日报道，美国得克萨斯大学的研究人员称，他们首次通过实验方法观测到了布朗运动中单个粒子运动的瞬时速度，从而证明了能量均分定理适用于布朗粒子.而100年前Einstein曾预言这是一件不可能完成的任务.相关论文在线发表于《科学》杂志.
布朗运动是气体或液体中的微观粒子不停进行无规则曲线运动的一种状态，于1827年由英国植物学家布朗发现.1907年，Einstein提出了能量均分定理.这一统计力学的基本理论认为，一个微观粒子的动能只取决于其温度，而与其大小和质量无关.但他预言，由于布朗运动中粒子间的高速碰撞会导致其运动方向和速度不断发生变化，布朗运动中单个粒子的瞬时速度将无法测定，直接证明能量均分定理适用于布朗粒子难以实现.
得克萨斯大学的研究人员找到了一种在空气中测定布朗粒子瞬时速度的方法.研究人员称，由于空气的密度远低于水，所以粒子碰撞的频率也要比液体中低得多，两次碰撞的间隔时间相应的也要长一些.借助光镊技术，该研究小组用两束激光将一个直径为3微米的玻璃珠捕获，并让其悬浮在空中.通过测量激光束偏移的距离，就可以计算出玻璃珠移动的距离.根据这些测量数据，研究人员每隔5微秒就可获得一次玻璃珠的速度值，并直接证实了能量均分定理对于布朗粒子而言是站得住脚的.这项实验成果也朝着将玻璃珠冷却至较低能态以用作振荡器或传感器迈进了一步.
负责该研究的得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家马克•雷曾说，100年前的人们无法设想用激光将布朗粒子悬浮在空中，也无法想象用超声震动的方式来减缓布朗粒子的能量.下一步，他们计划用激光进一步减缓布朗粒子的运动，以使之呈现其最低能态，从而展现通常只在亚原子身上才能看到的量子力学特性.
德国哥廷根大学的克里斯托夫•施密特说，从技术上看，虽然现在已经能够在空间分辨率（通过仪器可识别物体的临界几何尺寸）上对多种粒子进行追踪和定位，但能够在如此短的时间内对布朗微粒的运动速度进行测量仍是一项重要的进展.
雷曾说：“这次我们观测到了一个布朗粒子的瞬时速度.从某种意义上说，我们解决了普通物理学中布朗粒子瞬时速度测定的问题，但在量子物理学中，我们还将面临着更多的挑战.”他认为，在量子水平上，能量均分定理将不适用，因为受量子力学支配的物体即使温度为零，也同样具有一定的动能.
复旦大学数学学院辜英求认为：探索规律有两种方式：第一种方式是直接寻找真理，例如库伦定律的发现，很多实验定律的获得都属于这种类型.在某个领域的发展初期，这种方式几乎是唯一的选择.第二种方式则是通过排除谬误来收集真理.当一个领域积累一定的知识后，就要用这种方式研究了，这就是公理化方法，也是Einstein统一场论的实质所在.只要科学的基本信念成立，则后一种思路就一定是对的.逻辑理由也很简单：因为没有一条假设（也就是没有限制）的理论包含所有真理，但它没有用处，因为它也包含所有的谬误，不能告诉我们任何明确的东西.因此我们要做的就是从零开始不断引入那些普适的基本概念和必然成立的原理，排除明显的谬误，把真理浓缩到一个很小的范围内，再用实验来确认最后的真理.基础物理进步的原则是，用较少的更深刻的原理去概括和解释更多的较低层次的理论和现象.
美国物理学家L•斯莫林在认真梳理物理学发展史后，在《物理学的困惑》一书中总结道，“从18世纪80年代到20世纪70年代，我们关于物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步.但自20世纪70年代以来，我们对基本粒子物理学的认识还没有一个真正的突破.弦理论、圈量子引力以及其他试图统一物理学的各种方法，它们都还没有到达那个前沿.通常的借口是说，那个尺度的实验还无法实现----但我们已经看到，事情不是这样的.因此一定还有其他原因.我相信我们还缺失某个基本的东西，我们还在做着错误的假定.那样的话，我们需要将错误的假定找出来，用新的思想来取代它.那个错误的假定会是什么呢？我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质.…… 我越来越觉到量子理论和广义相对论在深层次上都把时间的本质弄错了.但只结合它们是不够的，还有一个更深层次的问题，也许要追溯到物理学的起源.”
                                   8、Einstein科学美学观
     １９７９年２月，当代著名的物理学大师狄拉克在美国普林斯顿纪念Einstein大会上发表了题为《我们为什么信仰Einstein理论》的长篇演说.狄拉克说：“Einstein推崇这种思想：凡是在数学上是美的，在描述基本物理学方面就很可能是有价值的.这实在是比以前任何思想都要更加根本的思想.描述基本物理理论的数学方程中必须有美，我认为这首先应当归功于Einstein而不是别人.”在谈到狭义相对论时，狄拉克说：“我们为什么相信狭义相对论，理由是因为它显出这些在数学上是美的洛伦兹变换之重要意义.对此当然没有任何一般的哲学根据，而且我们也不能说它得到实验的支持.”在谈到广义相对论时，狄拉克说：“自从Einstein第一次提出广义相对论以来，我们已经做了这么多的观测.每次观察结果都确证了Einstein理论，它一直是顺利地通过了所有的检验.”
   在十九世纪就要结束之前，至少在物理学，似乎对和谐的追求已经达到极至.英国一位杰出的大科学家开尔文勋爵认为当时在物理学的天空上除了两朵小小的乌云之外是一片晴空，所有已知的物理现象都可以归纳到力学、电磁理论、热力学等高度完美的理论框架里，也许留给后代人解决的物理问题已经不多了.然而正是这小小的两朵乌云引来二十世纪物理学的巨大变革，导致《相对论》和《量子论》两大理论的建立.然而新的观念与传统的观念难以调和，新的理论并不具有传统意义下的完美.传统的完美起码要符合完整、清晰的概念，但是在新的物理学里情况却不是这样：传统的清晰性被新理论内禀的一种不确定性所代替，而完整性只有在统计和几率的意义上才能谈到.这使得科学上的巨人Einstein--二十世纪一个新生理论《相对论》的创立者--在最高的层次上对另一新生的理论《量子力学》进行毕生的质疑，留下名言："上帝是不掷骰子的."
　　“我深信，这个理论的基础比起我们仅仅从实验数据所能得到的支持更要有力得多.真实的基础来自这个理论伟大的美.这些基础起源于这个事实，即Einstein引进的新的空间思想是非常激动人心的，非常优美的，不论将来我们会面临什么情况，这些思想一定会永垂不朽.”狄拉克甚至说：“我认为，信仰这个理论的真正理由就在于这个理论本质上的美.这个美必定统治着物理学的整个未来.即使将来出现了与实验不一致的地方，它也是破坏不了的.”日本的粒子物理学家汤川秀树（Hicliki Yukawa，1907~1981）评价Einstein时说：“Einstein拥有一份只有少数物理学家才拥有的美感.” Einstein也曾经说：“我坦白地承认我被自然界向我们显示的数学体系的简洁性和优美性强烈的吸引住了……照亮我的道路，并不断给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、是美和真.”
     1、理论物理学的目的，是要以数量上尽可能少的、逻辑上互不相关的假设为基础，来建立起概念体系，如果有了这种概念体系，就有可能确立整个物理过程总体的因果关系.这里的问题不单是一种列举逻辑上独立的前提问题(如果这种列举竟是毫不含糊地可能的话)，而是一种在不能通约的性质间作相互权衡的问题.指这样一种努力，它要把一切概念和一切相互关系，都归结为尽可能少的一些逻辑上独立的基本概念和公理.只要数学上暂时还存在难以克服的困难而不能确立这个理论的经验内涵，逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的惟一准则，即使是一个当然还不充分的准则.
2、“物理学的概念必须尽可能简单，但又必需能推导出与事实经验相符合的结论.通过纯粹的数学推论方法和那些把他们结合在一起的规律，我们有理由相信，‘自然’是能以最简单的数学概念作具体的描述.人类思想的力量，最终将从复杂纷繁的现象中发现主宰宇宙基本定律的单纯，简洁和壮丽.” 我们的经验已经使我们有理由相信，自然界是可能想像到的最简单的数学观念的实际体现.我坚信，我们可以用纯粹数学的构造来发现这些概念以及把这些概念联系起来的定律，这些概念和定律是理解自然现象的钥匙.经验可以提示合适的数学概念，但数学概念无论如何却不能从经验中推导出来.当然，经验始终是数学构造的物理效用的惟一判据.但是这种创造的原理却存在于数学之中.因此，在某种意义上，我认为，像古人所梦想的，纯粹思维能够把握实在，这种看法是正确的.
3、自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平衡.逻辑简单的东西，当然不一定就是物理上真实的东西.但是，物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性.如果自然界把我们引向极其简单而美丽的数学形式，即假设、公理等等的贯彻一致的体系，我们就不得不承认这些形式是"真"的，它们显示出自然界的真正特征.
当基本概念和公理距离直接可观察的东西愈来愈远，以致用事实来验证理论的含义变得愈来愈困难和更费时日的时候，“内部的完美”对于理论的选择和评价就一定会起更大的作用.我们所谓的简单性，并不是指学生在精通这种体系时产生的困难最小，而是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少.惟一事关紧要的是基础的逻辑的简单性.一个理论的前提的简单性越大，它所涉及的事物的种类越多，它给人们的印象也就越深.
科学的目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的.
4、科学家的目的是要得到关于自然界的一个逻辑上前后一贯的摹写.逻辑之对于他，有如比例和透视规律之对于画家一样；而且我同意昂利——彭加勒，相信科学是值得追求的，因为它揭示了自然界的美.
5、虽然概念体系本身在逻辑上完全是任意的，可是它们受到这样一个目标的限制，就是要尽可能做到同感觉经验的总和有可靠的(直觉的)和完备的对应关系；其次，它们应当使逻辑上独立的元素(基本概念和公理)，即不下定义的概念和推导不出的命题，要尽可能地少.
6、即使观念世界是不能用逻辑的工具从经验推导出来的，而在某种意义上是思维的自由创造，但这个观念世界还是一点也离不开我们的经验本性而独立，正像衣服不能离开人体的形状而独立一样.他强烈反对那些先验论哲学家，他们把基本概念从经验领域里排除出去，而放到虚无缥缈的先验的顶峰上去.他并不认为思辨比经验高超，并明确指出：“一个希望受到应有的信任的理论，必须建立在有普遍意义的事实之上.
7、音乐和物理学领域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目标联系着，这就是对表达未知的东西的企求.它们的反应是不同的，可是它们互相补充着.至于艺术上和科学上的创造，那么，在这里我完全同意叔本华的意见，认为摆脱日常生活的单调乏味，和在这个充满着由我们创造的形象的世界中寻找避难所的愿望，才是它们的最强有力的动机.这个世界可以由音乐的音符组成，也可以由数据的公式组成.我们试图创造合理的世界图像，使我们在那里面就像感到在家里一样，并且可以获得我们在日常生活中不能达到的安定.
8、在科学领域，时代的创造性的冲动有力地迸发出来，在这里，对美的感觉和热爱找到了比门外汉所能想像的更多的表现机会.
9、音乐和物理学领域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目标联系着，这就是对表达未知的东西的企求.它们的反应是不同的，可是它们互相补充着.至于艺术上和科学上的创造，那么，在这里我完全同意叔本华的意见，认为摆脱日常生活的单调乏味，和在这个充满着由我们创造的形象的世界中寻找避难所的愿望，才是它们的最强有力的动机.这个世界可以由音乐的音符组成，也可以由数据的公式组成.我们试图创造合理的世界图像，使我们在那里面就像感到在家里一样，并且可以获得我们在日常生活中不能达到的安定.
     10、 Einstein推崇这种思想：凡是在数学上是美的，在描述基本物理学方面就很可能是有价值的.这实在是比以前任何思想都要更加根本的思想.描述基本物理理论的数学方程中必须有美，我认为这首先应当归功于Einstein而不是别人.我们为什么相信狭义相对论，理由是因为它显出这些在数学上是美的洛伦兹变换之重要意义.对此当然没有任何一般的哲学根据，而且我们也不能说它得到实验的支持.自从Einstein第一次提出广义相对论以来，我们已经做了这么多的观测.每次观察结果都确证了Einstein理论，它一直是顺利地通过了所有的检验.我深信，这个理论的基础比起我们仅仅从实验数据所能得到的支持更要有力得多.真实的基础来自这个理论伟大的美.这些基础起源于这个事实，即Einstein引进的新的空间思想是非常激动人心的，非常优美的，不论将来我们会面临什么情况，这些思想一定会永垂不朽.我认为，信仰这个理论的真正理由就在于这个理论本质上的美.这个美必定统治着物理学的整个未来.即使将来出现了与实验不一致的地方，它也是破坏不了的.——————狄拉克
      11、逻辑简单性同样是Einstein统一性思想的重要特征.Einstein认为尽管现象的世界是千姿百态、错综复杂的，但在它的深处却隐藏着数学简单性和逻辑简单性，逻辑简单性是深深地扎根在客观实在的世界中的.Einstein总是想用统一性思想把纷繁的自然现象尽可能地统一到较少的、简单的、经济的基本原理和基本规律上.其中“所谓‘简单的’和‘经济的’不是指‘心理学上的经济’，而是指‘逻辑上的经济’.可观察到的性质应当由尽可能少的假设推出来，即使这些假设看起来好像是‘任意的’，而且这些结果的演算可能很困难."也就是说，逻辑简单性是指一个科学理论具有尽可能少的逻辑上互相独立的基本概念和基本公设.Einstein头脑中的逻辑简单性正是把一切概念和一切相互关系，都归结为尽可能少的一些逻辑上独立的基本概念和公理.
     如果说开普勒地相信世界的简单性和统一性是直觉使然，那么，Einstein对世界的简单性则是具有一种深刻的哲学认识，也就是说他对世界简单性的认识具有逻辑简单性思想特征的.
12、1946 年, 他在《自述》中写道: “自然定律应该表述为在连续坐标变换群下协变的方程.这个群替代了狭义相对论中的洛伦兹变换群, 后者形成前者的一个子群.”“当然, 这一要求自身作为导出物理的基本观念的出发点并不充分.⋯⋯广义相对性原理突出的启发式的意义在于它导致我们去寻求在广义协变形式下尽可能简单的方程组”.于是,他又提出了在广义协变形式下的“简单性”要求.著名相对论学者迈斯勒、索恩和惠勒在他们的名著《引力》一书中, 这样来表述广义相对性原理和简单性要求: “‘物理量必需表述为( 与坐标无关的)几何量, 物理定律必需表述为这些几何量之间的几何关系.’这一物理观点, 有时称为‘广义协变性原理’, 遍及20 世纪物理思维.
13、逻辑简单的东西，当然不一定就是物理上真实的东西.但是，物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性.
14、我们在寻求一个能把观察到的事实联结在一起的理论体系，它将具有最大可能的简单性.我们所说的简单性，并不是指学生在精通这种体系时产生的困难最小，而是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少.
15.科学的美和艺术的美是相通的，是世界最高最美的两个侧面.
16.一种理论前提的简单性越大，它所涉及的事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的印象也就越深.而且，当基本概念和公理距离直接可观察的东西愈来愈远，以致用事实来验证理论变得愈来愈困难和更费时日的时候，内在的完美标准对于理论的选择就一定会起更大的作用.尤其是在数学上暂时还存在难以克服的困难而不能确立理论的经验内涵的情况下，逻辑简单性就是衡量理论的价值的唯一准则，即使是一个并不充分的准则.
17.1933年，《关于理论物理学的方法》：“一切理论的崇高目标，就在于使这些不能简化的元素尽可能简单，并且在数目上尽可能少，同时又不至于放弃对任何经验内容的适当表示.”1936年，《物理学和实在》：“科学的目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的.（在世界图像中尽可能地寻求逻辑的统一，即逻辑元素最少.）。。
                         9、电子的电磁质量不是电子静止质量的一部分
1916年Einstein完成广义相对论以后，基于物质世界的统一性和内在和谐性信念，认为广义相对论只能描述引力场是不够的，应该将广义相对论加以推广，使它不仅能够描述引力场，同时也能够描述电磁场.在Einstein看来“还不能断言，广义相对论中今天可以看作是定论的那些部分已为物理学提供了一个完整的和令人满意的基础.首先，出现在它里面的总场是由逻辑上毫无关系的两部分，即引力部分和电磁部分所组成的.其次，象以前的场论一样，这理论直到现在还未提出一个关于物质的原子论性结构的解释.这种失败，也许同它对理解量子现象至今尚无贡献这一事实多少有点关系. Einstein在《论动体的电动力学》中的原始公式如下： ，式中W为电子的动能；μ为电子质量；V为光速；v为电子的运动速度.Einstein在论文中谈到：“在比较电子运动的不同理论时，我们必须非常谨慎.这些关于质量的结果也适用于有质的质点上，因为一个有质的质点加上一个任意小的电荷，就能成为一个（我们所讲的）电子.”Einstein说：“既然依据我们今天的见解，物质的基本粒子按其本质来说，不过是电磁场的凝聚，而决非别的什么，那末我们今天的世界图像，就得承认有两种在概念上彼此完全独立的（尽管在因果关系上是相互联系的）实在，即引力场和电磁场，或者——人们还可以把它们叫做——空间和物质.”爱因斯坦1905年3月曾经指出：“在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深刻的形式上的分歧.”
诺贝尔奖的生物学家彼得-梅达瓦说，科学家思维缜密、不会犯错的形象，“只是帘子打开，公众看到我们的时候，我们更愿意展现的一种姿态.”梅达瓦指出，科学家不是圣人，偶尔也会犯错.
笔者通过认真地思考后认为电子的电磁质量不可能是引力质量的一部分，原因有十九个方面：1、根据广义相对论，物理定律对于任何物理定律具有相同的形式.当电子在引力场中加速运动的时候，其电量是不变，不满足Lorentz  transformation，所以其电磁质量也应该不变(电磁质量应该是电量的单值函数，与运动状态无关，否则下面的理想实验无法解释——假设在一个封闭系统中有两个物体，一个不带电荷也没有磁矩，另一个带有电荷，它们的引力质量相等，分别位于A、B两点，观察者处于线段AB的中点，两个物体同时由静止出发相向运动，它们所受的力大小相等.按照狭义相对论，它们的引力质量在任何时刻都相等，引力能量相等，可是根据经典电动力学由带电的物体将不断地辐射电磁波，那么能量从何而来？如果能量守恒把物体辐射的电磁波考虑在内，由于电磁力满足宇称守恒, 因此辐射电磁波的总动量应当为0，由带电的物体速率应当大，能量仍然不守恒.)，根据经典电动力学如果把电子看做球体的话电子的静电能与电量的平方成正比.如果电子的电磁质量与运动速度有关，满足 ，那么电子的电荷具有的能量也满足Lorentz  transformation，不符合广义相对论的要求.
根据经典电动力学电子的电磁质量m∝Q2/r，如果将来通过某种手段把电子的半径变为原来的2倍，电磁质量变为原来的1/2,可是根据洛伦兹变换电子的静止质量没有变化，可以得出电子的电磁质量不是定值.假设一个带电球体电量为Q,电磁质量为m,然后使其电量增加一倍，电磁质量是否为4m？根据经典电动力学质子与正电子的电磁质量不相等，因为半径不相同.现代物理学认为电磁质量由电荷附近的电磁场分布结构决定，与电荷没有多大的直接关系，只是间接关系.因此质子与正电子的电磁质量应该相等.电荷附近的电磁场的源是电荷，但当电荷运动的时候，电荷附近的电磁场分布结构会发生变化，如发生压缩畸变，其分布结构是速度的函数，这可见一般教材,因此电磁质量也是速度的函数，满足 .当运动速度为0时，电子和质子的电磁质量是否相等？当一个质子与电子组成11H时，总体看不带电，电磁质量为0，可是两个微观粒子均具有电磁质量，如何理解？
2、物体的静止质量是内禀的，是个常数，有人认为电磁质量是应该与静止质量有关的，电磁场的能量由电荷决定，电量与带电体的运动状态无关，引力质量与运动状态有关.假设电子的静止引力质量是m,电子的电磁质量是m1,电子的引力质量另外的部分为m- m1.当电子以 c运动时，根据洛伦兹变换此时电子的引力质量为2m，电子的引力质量另外的部分为2m-2m1，电子的电磁质量应当为2 m1,可是电子的电量没有变化，显然存在着不和谐.电量不满足Lorentz  transformation，因此把电磁质量作为引力质量的一部分存在着不协调性——只要维持电子电荷值不变的观念，这个问题不管怎么也解释不通.这中间，要么质速关系式错了，要么就是电子电荷值不变的信念错了，然而这与实验事实又高度一致.由于公式E＝mc2，物体的引力结合能具有(负)质量，因而系统总质量不等于各部分质量之和．而在麦克斯韦理论中，作为线性理论的直接结果，电荷(类比于质量)是严格可加的.
3、电磁力存在吸引与排斥两种状态，只有物体带电时才有，而引力是永远存在的；如果电磁质量是引力质量的一部分，那么库仑力也应当是万有引力的一部分，电子、质子等带电粒子之间的电磁力远大于万有引力，电磁质量远大于引力质量，电磁质量不可能是引力质量的一部分；电子激发的电磁场的能量小于电子的电磁质量，正如物体激发的引力场能量小于引力质量的能量一样.通过将1个氢原子作为模型和对比，可求出氢原子上正电子对壳上负电子的电磁力Fe与原子核质量与壳上电子质量的引力Fg之比，即Fe/Fg = Ln =2.27´1039 = 狄拉克大数，这是因为静电力和引力都同时作用在电子和原子核上,而有着同一个距离R.
4、根据质速关系引力质量可以连续变化，而电荷和电磁场呈量子化分布，现代物理学未让量子力学进入的唯一领域是引力和宇宙的大尺度结构，将引力场量子化遇到无穷大的困难.重整化可以消除无限大的问题，但是由于重整化意味着引力质量作用力的强度的实际值不能从理论上得到预言，必须被选择以去适合观测，因此重整化有一严重缺陷.目前要取得进展，能够建议采用的最有力的方法，就是在企图完成和推广组成理论物理现有基础的数学形式时，利用纯数学的所有源泉，并在这个方面取得每次成功之后，试着用物理的实体来解释新的数学特色.  如何把量子论和弯曲时空（即广义相对论）结合起来却是十分困难的事情.到现在为止，虽然学术界在电磁场、电子场等各种物质场的量子化中取得了极其成功的进展，但引力场量子化的工作却遇到了意想不到的巨大困难.到目前为止，所有试图把引力场量子化的理论（包括超弦和圈量子引力理论）都存在问题.在物理学发展过程中，量子论引起的疑义始终多于相对论.量子论留给了人们太多的争议.Einstein曾经说过，我思考量子论的时间几乎是思考相对论的100倍，但是我还是不清楚什么是光量子.
5、电荷具有正负，电磁质量应当相反，而物体的引力质量无此区别.现代物理学认为中子有一个上夸克和两个下夸克组成，外观上看电量为0，由于每个夸克均激发电磁场，因此电磁质量不等于0，显然存在不协调性.电荷分为正负，但电场的能量密度却总是正的，所以积分得到的电磁能量总是正的，因而电磁质量也总是一个正值.根据牛顿第二定律，惯性质量是表征当物体受到外力作用的时候，物体运动状态改变的难易程度 ，即物体保持原来运动状态的本领大小的物理量.这个和电荷的正负无关，所以正负电子可以具有相同的惯性质量.当正负电荷中和的时候，电磁质量减少，引力质量没增加，但正负电荷中和会释放原来具有的电势能，即原来的电磁质量会转化为别的能量，如正负电荷中和释放两个光子，则原来的电磁质量就转化到了光子中.那么转化的机制是什么？同种电荷的电磁力相互排斥，异种电荷的电磁力相互吸引，电荷之间的作用力依靠电磁场来传递，为什么电磁场的能量都是正值？一个中性原子的电磁场的能量为0，说明正负电荷激发的电磁场的能量相反.
6、Einstein的广义相对论是引力理论，把引力场量子化给出引力场的量子成为引力子，它应具有自旋为2，和lectriec  field 的量子——光子性质很不相同.近年来理论上对超对称性的探讨提供了新的可能性，超对称性在自旋不同的粒子间建立了联系，因此就有可能把引力相互作用和其它相互作用联系起来，通过超对称性建立的四种相互作用的统一理论称为超大统一理论.但是根据对称的相对性与绝对性原理，超对称的工作是没有止境的.超对称要求除引力子外，还应当有自旋3/2的引力微子存在，但是实验上并没有发现它的存在.
7、引力质量都占有一定的空间，也就是具有体积，而电磁质量没有体积，因此量子电动力学的点模型观点是正确的.
8、电磁质量和引力质量可以分离，存在Maxwell理论中脱离物体携带能量的场.最近，法国里昂的科学家发现了有四个中子组成的粒子，又称为“零号元素”.最新的实验表明，中微子具有引力质量，大约为电子引力质量的50000分之一.中微子具有引力质量但是不带有 electric  charge——电磁质量.现代物理学认为除了带电介子外，还存在中性介子，其（引力）质量恰好等于或者近似等于（其实相等）带电介子的（引力）质量，性质相似.Einstein指出了波函数坍缩过程与相对论之间的不相容性，Einstein的这一分析是关于量子力学与相对论的不相容性的最早认识.或许有人会说电磁质量与引力质量是毫无关系的两部分，那么有何作用力把它们联系在一起，笔者认为靠作用力联系在一起，是引力质量、电磁质量各自联系的思想，没有任何作用力也可以联系在一起.
9、布朗粒子满足能量均分定理，在绝对温度为0时，动能为0，可是受量子力学支配的物体即使温度为零，也同样具有一定的动能.布朗粒子的能量均分定理研究的是引力质量问题，量子力学研究的是电磁质量，绝对温度为0时，引力质量能量为0，可是电磁质量的能量仍然不为0.
10、 如果两个电荷都具有引力质量,那么它们之间除了具有电磁相互作用之外还具有万有引力作用，两种作用显然不一致，不满足简单性原则.
11、在牛顿动力学中，暗含着将以下一点视为当然的事，即同时测量（即知道）一个粒子（一个质点）的位置和动量在原则上是可能的.这种可能性隐含在运动定律本身中：运动的二阶微分方程的解要求知道x和px的某个同一时刻的初始值，但是这种可能性在量子力学中从根本上被否定.牛顿动力学中运动方程是决定论的和因果律的，即从一个由系统的粒子之坐标和动量所规定的已知初态出发，运动方程以一种决定论的方式导致一切其后时刻的确定状态.这导致拉普拉斯（1749－1827）宣称：一旦给出了某一瞬间宇宙中所有星星的位置和动量，那么，宇宙过去和未来的状态都将完全被决定，但这种决定论和因果律在量子力学中基本上被否定.
12、Einstein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，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.
13、对于一个宏观物体来说，P=h/λ， E=mc2=hν=hc/λ,所以λ=h/mc≠0. 假设P=MV= h/λ=h/(V/ν)=hν/V,则hν=MV2.这与E=mc2是矛盾的.
14、现代物理学认为微观粒子包括玻色子和费马子，前者不满足泡利不相容原理，后者满足泡利不相容原理.笔者认为前者无静止质量，应该为只有电磁质量组成的粒子；后者具有静止质量，是有引力质量组成的粒子或者是电磁质量和引力质量共同组成的粒子.
15、设原来静止的氯离子与光子碰撞后吸收了光子而以 的速度运动,则由能量守恒定律有：    （1），式中 和 分别是氯离子的静止质量和运动质量, 为入射光子的频率.又由动量守恒定律有：    （2），由（1）式得：  ，由（2）式得： .显然,分别由能量守恒定律和动量守恒定律决定的氯离子运动速度不相同.假设碰撞前氯离子的运动速度与入射光子的速度相互垂直,光子与处于运动状态的氯离子碰撞后被吸收,则由能量守恒定律应有：    （3），式中 为氯离子的静止质量, 为氯离子碰撞前的动质量, 为氯离子碰撞后的动质量.又由动量守恒定律有：X方向： ；Y方向： ；将两式取平方并相加,得：        （4），由式(3)得： ，由式(4)得： ，可见,由式(3)和式(4)决定的速度不同.
16、麦克斯韦方程组描述了电磁场与带电粒子之间的相互作用关系.在真空中的表达式为：
                (1)
          (2)
                  (3)
                  (4)
对(2)式取旋度，并利用(1)式及(4)式，用矢量分析公式化简后可得：
　　　　(5)
对(1)式取旋度，并利用(2)式及(3)式，用矢量分析公式化简后可得：
　　(6)
经过上述数学处理，电磁场与带电粒子之间的相互作用关系就变得非常清晰了：在仅考虑电磁相互作用的情形下，(5)式和(6)式就是描述带电粒子的动力学方程. 与力学定律相比，带电粒子满足的规律是完全不同的.
17、位移电流的存在说明了电磁质量可以与引力质量分离.
质量与电荷这两个物理属性，应该是平权地相互依存于一个统一体——有质（指静止质量）粒子中的（这就象一枚硬币的两个面），即有质粒子的质量与电荷具有对偶特性.由此对偶特性可以得出一个重要的推论：即有静质的中性粒子一定是有结构的.由于这个对偶特性，决定了引力场与电磁场之间存在着惊人的类比：两者都是远程相互作用场；都服从平方反比定律；都是有源场且场量子静质为零等.其次，从Colemann-Mandula定理的描述来看，该定理也许就是质量-电荷对偶特性的内核.质量-电荷的对偶特性也许还可以为我们找到另一个重要问题的答案：在目前的自然界中，相互作用力为何是四种，并且正好是两种远程和两种短程的相互作用力.
18、所有的基本粒子间电荷同质量间找不出一个固定的关系：不同静止质量的基本粒子可以具有相同的基本单位电荷，在所有的基本粒子的静止质量和所带的电荷间也没有一个共同的质量与电荷的关系.
19. 电磁场具有能量和质量，电磁场以光速运动，静止质量应当为0，所以电磁质量不是静止质量的一部分.
在宏观条件下，检验电磁质量对引力质量的影响是很有必要的.一是将物体（不是微观粒子！）加以强电场（充至高电压）或强磁场（超强磁化），然后在屏蔽状态下用精密天平（防止天平被磁化或带电）测定其质量是否与未充电和磁化时相同？现代技术应能做这样的测定.其二，在真空室中，对充至高电压的物体加以电场，对超强磁化的物体加以磁场（去屏蔽！），与引力平衡，以判别其电磁质量是否改变引力质量？再在强电场或强磁场的架空（悬浮）下，给予横向电场或磁场，使之作无磨擦运动，以测定其惯性质量，与天平测量值比较.
Einstein在相对论导论里指出：“所有思想，特别是科学思想，本质上都是构建性、推断性的.” 例如，麦克斯韦认为“整个宇宙是一个电磁场”，这是他将其电磁理论进一步泛化，推论出的一个思想；Einstein认为“整个宇宙是一个引力场”，这是他将广义相对论进一步泛化，推出的又一个思想.
由于电磁质量不是引力质量（惯性质量）的一部分，电子的电磁质量问题便彻底解决了，广义相对论和牛顿力学是研究引力质量（惯性质量），满足因果律；量子力学是研究电磁质量的，不满足经典的因果律，二者的运动规律不相同，因此Einstein与波尔关于量子力学基础的争论就可以暂时宣告结束了，Einstein晚年认为量子力学背后存在更本质内涵的想法是正确的.笔者认为当年物理学提出的横向质量即引力质量（惯性质量），纵向质量即电磁质量，现代物理学经过多年的整理发展，实际已经背离了当年的思路.正如恩格斯:《自然辩证法》中写到“卡诺差不多已经探究到问题的底蕴. 阻碍他完全解决这个问题的并不是事实材料的不足, 而只是一个先入为主的错误理论”.
1926年，埃尔温•薛定谔写下了他的量子波等式，在此后的几十年间，人们认为这个等式仅仅与分子、原子和亚原子粒子等一些微小的领域相关.但是，1957年，普林斯顿大学的休•艾福雷特博士对Einstein在半个世纪之前的建议——要严肃对待数学作出了回应.艾福雷特认为，薛定谔的等式应该可以适用于任何方面，因为所有的物质，无论大小，都由原子、分子和亚原子粒子组成，而这些粒子全部遵循薛定谔提出的概率法则.笔者认为应该对于所有的电磁质量.科学家因“经加速器加速的两个高速运动电子对心碰撞，反应产物中找不到电子碎片”的实验结果，得出电子是一个整体、不可粉碎的结论.当电子的能量足够大时，“反应的产物中可能找到三个电子和一个正电子”.说明时空参与了引力质量能量的交换，电磁质量没有改变.
附录：电子可分裂为自旋子和轨道子

据物理学家组织网、《自然》网站等媒体4月18日报道，最近，一个由瑞士保罗•谢尔研究所实验物理学家和德国德累斯顿固体和材料研究所理论物理学家领导的国际研究小组通过实验发现，一个电子分裂成两个独立的准粒子：自旋子（spinon）和轨道子（orbiton）.这一结果发表在近日的《自然》杂志上.
以往人们认为电子是一种基本粒子，无法分裂为更小部分.上世纪80年代，物理学家预言，电子以原子的一维链形式存在，可以分裂成3个准粒子：空穴子携带电子电荷，自旋子携带旋转属性（一种与磁性有关的内在量子性质），轨道子携带轨道位.1996年，物理学家将电子空穴和自旋子分开，自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子.
然而，新实验观察到这两种性质分开了——电子衰变为两个不同部分，各自携带电子的部分属性：一个是自旋子，具有电子的旋转属性；另一个是轨道子，具有电子绕核运动的属性，但这些新粒子都无法离开它们的物质材料.
研究人员用瑞士光源（Swiss Light Source）的X射线对一种叫做Sr2CuO3的锶铜氧化物进行照射，让其中铜原子的电子跃迁到高能轨道，相应电子绕核运动的速度也就越高.他们发现，电子被X射线激发后分裂为两部分：一个是轨道子，产生轨道能量；另一个是自旋子，携带电子的自旋性及其他性质.Sr2CuO3有着特殊性质，材料中的粒子会被限制只能以一个方向运动，向前或向后.通过比较X射线照射材料前后的能量与动量的变换，可以追踪分析新生粒子的性质.
实验小组领导托斯登•施密特说：“这些实验不仅需要很强的X射线，把能量收缩在极狭窄范围，才能对铜原子的电子产生影响，还要有极高精度的X射线探测仪.”
“这是首次观察到电子分成了独立的自旋子和轨道子.现在我们知道了怎样找到它们.下一步是同时产生出空穴子、自旋子和轨道子来.”理论小组领导杰罗恩•范德•布林克说，“在材料中，这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动.这是因为它们被限制在材料中时，性质就像波.当被激发时，波分裂为多个，每个携带电子的不同特征，但它们不能在材料以外独立存在.”
观察到电子分裂将对一些前沿领域产生重要影响，如高温超导和量子计算机.Sr2CuO3中的电子和铜基超导材料中的电子有着相似的性质，该研究为高温超导研究提供了一条新途径.此外，研究轨道子有助于开发量子计算机.“同时用自旋子和轨道子来编码和操控信息，这可能是未来发展的方向.”英国牛津大学物理学家安德鲁•波斯罗伊德说，“量子计算机的一个主要障碍是量子效应会在完成计算之前被破坏.而轨道子的跃迁速度只要几飞秒（1飞秒=10的负15次方秒），这样的速度为制造现实量子计算机带来了更多机会.”（来源：科技日报 常丽君）
笔者注：以上实验说明电子的引力质量和电子质量在一定条件下可以分离.
                        10、规范场的新认识
    现代规范场论始于杨振宁和米尔斯提出的关于强相互作用的同位旋规范不变性理论.杨-米尔斯理论这种非阿贝尔规范理论，总体上是在量子场纲领的框架内提出的，其中相互作用由场量子传递并通过场量子之间的局域耦合实现.从方法论上讲，它受到想拥有一个普适原理，以在众多可能性中确定唯一的耦合形式这样一种愿望的驱动.从物理学上讲，该理论受到强核力的电荷无关性的推动，与此同时又为这种力的短程特征所限制.
这个短程困难被如下发现所克服：首先是20世纪60年代初自发对称性破缺的发现，然后是20世纪70年代初渐进自由的发现.随着韦尔特曼和特霍夫特关于非阿贝尔规范理论可重整化性的证明，粒子物理学共同体获得了一种似乎自洽的概念框架.从概念上讲，这个框架在描述自然界中各种基本相互作用、以及探索曾被认为是定域场论的新的整体性特征方面都是强有力的，而这些特征与我们对真空结构和电荷量子化的理解有直接关系，从而开创了一种新的基础物理学研究纲领：规范场纲领.
规范场论是以规范变换群下的不变性为基础建立的理论，它对描述各种基本的相互作用提供了一个适当的确定的框架.物理学中遇到的连续变换对称性可以分为两种：一种是整体对称性，即空间各点作相同变换的对称性；一种是定域对称性，即空间各点变换可以有不同的对称性.当场论的规律要在定域对称变换下保持不变时，必须引入新的场，即规范场.规范场的量子是一种新粒子，该粒子的交换将引起新的相互作用，就是规范相互作用.因此一定的定域对称性自然给出一类相互作用，并且其相互作用规律相当确定，这就为基本相互作用提供一定的可能的来源.最早的规范场论是电磁场论， 1954年杨振宁（C.N.Yang）和Mills把它推广到普遍的规范场论，弱电统一理论和量子色动力学的发展都是以此为基础的对称和不变元的关系，晶体的许多性质，只决定于它的不变元的结构.我们了解的理论，如量子色动力学、Einstein的广义相对论，所有这些理论有17个参数，都是对称出来的.
韦尔规范不变性保持电荷守恒的不变性：杨振宁教授说，把韦尔的不可积相性因子等同于电磁学本质的关系，是由于量子力学建立的考虑，在原先韦尔的不可积标量因子式的算度因子中嵌入了一个-i，而使标量因子变为相因子，韦尔的理论就是量子力学中电磁理论.由于嵌入的因子-i，让两个钟分别沿两条不同回路的电流路径回到出发点的实验，这不会影响到钟的快慢，因为它们有不同的相位，但不会有不同的标度，Einstein的异议不复存在.即规范不变性保持了电荷守恒，就像坐标不变性保持能动量守恒那样.杨振宁规范不变性保持引力与电磁等物理规律在某种变换下的不变性：岳东晓教授说，在杨振宁之前人类真正能够写下方程的物理作用只有引力与电磁相互作用.所以杨振宁规范不变性无疑是开创现代世界科学工厂、工业化的一场华人的先驱的深刻革命.所谓世界科学工厂、工业，从牛顿开始，其实就是根据简单的不变性原理，推导物理规律.Einstein从自由下落的电梯里感觉不到地球引力，由此不变性原理导出了引力理论广义相对论，再后发现光线会在引力作用下拐弯，继后推出恒星可能坍缩成黑洞，宇宙会爆炸、膨胀.引力与电磁作用的共同特点是作用距离是无限远，根据Einstein的广义相对论方程以及相应的天文观测，整个宇宙都是充斥着巨高能量的粒子.
1954年杨-米尔斯规范场的论文里，杨振宁博士给出了所有相互作用的原理，以及对应的精确的数学方程，即规范场理论.规范场理论也是基于物理规律的不变性，就是物理规律应该在某种变换下保持不变.如不变性原理推出了相对论以及动量能量守恒等基本规律，当杨振宁把这种不变性扩展到基本粒子的量子理论，要使理论保持不变，就必须存在对应的相互作用.这就是所谓规范场.例如有两种粒子，那么它们之间的变化可以用一个2x2的复数矩阵描述：如果物理规律要在这种类型的局域变换下保持一致，则不能光有这两个粒子，还必须加一个相互作用.
规范理论的结构来自于描述某种力的自然定律在对称性上保持不变的特性，而对称性是由该力所支配的粒子性质所产生的.韦耳对后世的影响不在于他的理论结果，而在于他的理论的规范场方法.规范场理论的基本思想是，如果一组物理定律在某个整体对称变换下不变，将它推广到局部对称变换下，还要保持不变就得引入新场，这新场就叫规范场.规范场的量子就是一种新粒子，该粒子的交换引起新的力.可以设想，通过这种从整体对称到局部对称的过渡，便可描述各种力的起源.
从本来没有考虑相互作用的自由粒子方程开始，一旦考虑规范不变原理，就必须要求粒子之间有相互作用.杨振宁的2x2矩阵方程导致的理论称为SU(2)规范场.强相互作用的理论是杨振宁理论的简单与直接推广，夸克之间的强相互作用，是一种SU（3）的、精确的杨-米尔斯规范场（SU（3）对应3x3的复数矩阵.这里的3代表的是一类夸克的三种颜色，强相互作用由夸克之间交换所谓的胶子来完成.人们研究发现，这四种相互作用所遵从的守恒定律不同，强作用具有的守恒量最多，电磁作用次之，弱作用更次，这表明它们具有的对称性是不同的.对称性概念似乎不是严格的，因此有人怀疑对称性概念是否普遍有效.1954年，杨振宁和米尔斯以一种并非象历史上的情况那样受到实验观察的启示，而是以统一的美学原则为基础，提出各种作用都可以适用的新的对称性，称为阿贝尔群规范对称，它是一种精确的定域规范变换对称性.它要求存在一个场，称为规范场.对于电磁作用，这一规范场就是电磁场，相应的量子（称为规范玻色子）就是无静质量的光子.规范场可以是多自由度的，对每个自由度有相应的规范场.这样，这种精确对称性的存在就意味着存在许多组特性完全相同的、质量均为零的粒子.然而在现实世界里，除了电磁作用的光子之外，人们没有见到其他质量为零的规范玻色子.因此，杨一米尔斯理论尽管很优美，但它似乎毫无用处.
    量子力学中系统状态由波函数描写.波函数通常为复数，复数的幅角称为位相因子.另一方面，一切实验观测量必须为实数，让所有波函数共同变化一个位相因子，在实验中是无法观测的.公共位相因子的不可观测性，表现为量子理论的运动方程式对波函数共同的位相变换保持不变，这称为第一类规范不变性.这种规范变换的不变性是与电荷守恒相联系的.
    根据狭义相对论的观点，一切能量的传播速度存在上限，即不能大于光速.让所有空间点的波函数同时作相同的相因子变换，就涉及信号的无穷大传递速度问题.为了协调这种矛盾，引入波函数的局域相因子变换，即变化的相因子与时空坐标有关，这样的变换称为第二类规范变换.为了使动力学方程对第二类规范变换保持不变，必须相应地引入静止质量为零的规范场，称为电磁场.第二类规范变换不变性严格地规定了各类物质场与电磁场的相互作用形式.描写电子场的电磁作用的理论即量子电动力学，正是建立在这种第二类规范变换不变性的基础上，称为U(1)规范作用.量子电动力学取得惊人的成功，使规范不变性成为探索新的运动规律的一种重要方法.对于人类尚未充分了解的新的相互作用，例如强相互作用和弱相互作用，规范不变性可以作为探索相互相作用具体耦合形式的依据.
最早的规范理论是电磁理论,1954年杨振宁和密耳斯将其推广，建立了一般化的规范对称性的数学理论，迈出统一基本相互作用的决定性一步. 1954 年杨振宁和米尔斯(Yang-Mills)提出了对同位旋场规范化的SU(2)规范理论，称为非阿贝尔规范理论.这是规范理论向前发展的决定性步骤，SU(2)规范理论很容易被推广到各种复杂形式的规范理论中去.当时SU(2)规范理论中遇到的一个重大困难是，严格的规范不变性要求规范场的量子是零质量的矢量粒子.作为U(1)规范场的电磁场，它的量子是光量子，静止质量为零.但是，这种一般化的规范理论是非阿贝尔的，而在非阿贝尔规范理论中，规范场量子的零质量成为电磁场以外的其他三种基本相互作用描述的主要困难.但是，实验上再没有发现其他零质量的矢量粒子，这是非阿贝尔规范理论（non-Abeliangaugetheory）提出以后没有迅速得到应用的根本原因.但是，凡是符合客观实际的理论一定会有顽强的生命力，会经得起时间的考验.
      引力场几何化纲领与量子场纲领之间存在着联系提供了真正的可能性.关键在于，一方面，规范场论与引力场论之间在数学结构上存在惊人的相似性，通过细致类比，可以为规范场理论找到合理的几何化解释.另一方面，规范场理论和一般量子场理论之间又存在着密切的关系.由于量子场理论唯有符合规范对称性才是可以重整化的，因此有了对规范理论的真正理解，回过头来也就可能对量子场论有更深刻的理解.
按照规范场纲领，各种相互作用都能用规范势描述.这个纲领在所谓的标准模型中焕然一新，标准模型的成功鼓舞了对这一纲领的进一步扩展.人们付出了巨大的努力，但不论是在弱电作用力和强作用力的统一上，还是在引力的规范上，都没有成功.因此，关于规范原理的普适性问题仍争论不休.
在规范理论中规范势扮演的角色与广义相对论中引力势扮演的角色是相当的.基本物理学的新近发展（超引力与现代卡卢察-克莱因理论）已经打开了联系规范势与时空额外维上几何结构的大门，如果把规范场纲领表达为这样的形式：相互作用是通过与要么存在于内部空间、要么存在于时空的额外维的与一种几何结构不可分离地相互关联的量子化规范场实现的，那么就可以把规范场纲领看作几何纲领与量子场纲领的综合.
从20世纪70年代以来，规范场纲领没能取得进一步的进展，不论在其解释或预见基本粒子的新性质方面，还是在解决它所面临的概念困难方面.部分原因是它的停止不前，部分原因是20世纪场论的概念已经指向新的方向：有效场论.
量子场论在经历20世纪70年代后期至80年代初期的一小段乐观主义时期后，量子场论的困难，甚至在其标准模型的最复杂形式中，从20世纪80年代中期开始就变得越来越明显：量子色动力学对低能π介子—核子相互作用的解释看来几乎难以做到.由于与如下一些问题相关的困难，如夸克禁闭问题、希格斯粒子的存在问题、代的问题等等，甚至是弱电理论的自洽性也受到怀疑.不仅如此，弱电与强相互作用的统一也遭受攻击，更不用说引力的量子化及其与其他相互作用的统一.
大多数象温伯格那样目光锐利的理论学家更清楚地认识到，从20世纪70年代后期开始，在过去的40年中，量子场论的概念基础已经发生了一些根本性的转变，在澄清原有概念的基础上发展出诸如对称性破缺、重整化群、退耦、不可重整化理论、渐进安全、有效场论等一些新概念.有效场论纲领是温伯格首创的，一开始有效场论还把可重整化性作为指导原理，最终却导致了对重整化的新理解，并对可重整化性的基础性提出极大挑战.
如果把有效场论看作提出了一幅新的世界图景、一个关于量子场论基础的新概念，那么所面临的一些概念困难，就不可能是能用已经建立起来的方法论来解决的常规困难.在处理这些概念问题时所要求的，是我们关于基础物理学自身概念的巨大改变，即从关注基础理论（作为物理学的基础），变为关注拥有在各种能量标度上都能发挥作用的有效理论.格罗斯和温伯格反对这种解释，他们认为有效场论只是更深层次理论的低能近似，但是他们两人对作为物理学基础的量子场论都失去了信心，并认为更深层次理论或终极理论并不是场论而是弦论.
     根据笔者的理论，电磁场的本质是电磁质量，没有静止质量的问题，因此规范场的主要结论是正确的，希格斯粒子没有存在的必要.
     
第二章        电磁质量的能量
                       1、库仑定律的发现
现在物理学思想,与传统物理学思想的最大不同是：前者是解释和预测宇宙的现象，后者是揭示宇宙的“本质”.解释和预测宇宙的现象就是：按人类业已形成的数理逻辑体系，解释和预测宇宙.在现代物理学基础理论中，一般所使用的物理学基本原理，不可能在实验中得到验证，只能验证由这些物理学基本原理，产生的物理学理论所带来的实际效应（在经典物理学中叫物理“现象”）. 因此，我们可以用这样或那样的基本原理，建立这样或那样的理论.在“众多”的“正确”理论中，我们可能淘汰一部分，只留下少数几种，甚至只保留一种.淘汰的标准就是理论的扩展性，或叫理论的普适性、广泛性，因为我们力求用尽量少的基本原理，解释尽量多的宇宙现象，这是一个涉及物理学中美学范畴的问题.  这种思想看起来带有浓重的人性化色彩（即主观性），带有强烈的“强人择原理”味道.这不仅有人会问：宇宙为什么要符合我们建立的数理逻辑？这又变成一个哲学问题了，回答只能是：因为他是我们是我们的宇宙，既然她孕育了我们，就应该让我们以自己的方式来了解她.恩格斯说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假设.” 【1】
假设电荷是虚数的 .因为电荷无法直接测量，粒子携带电荷的大小，只能从作用力来推算，所以不必拒绝虚数单位.
设两个粒子各带电荷 ，两个粒子之间电力满足库仑公式：
,此时应该把库仑定律微调，就是电荷带上虚数符号i.
当 与 都为正电荷，则： ，此时电力为负，相斥.
当 与 都为负电荷，则： ，此时电力为负，相斥.
当 与 一正一负，则： ，或者：
此时电力F为总为正，相吸.
电力总体规律表现为：同性相斥，异性相吸.这个明显的规律性现代物理并没有给出合理的解释，而一旦把电荷看作是虚数物理量，电作用规律再显然不过.
最早提出电力平方反比定律的是Priestley . Priestley的好友富兰克林曾观察到放在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上电荷的影响, 他把这现象告诉了Priestley, 希望他重做此实验. 1766年, Priestley做了富兰克林提出的实验, 他使空腔金属容器带电, 发现其内表面没有电荷, 而且金属容器对放于其内部的电荷明显地没有作用力.他立刻想到这一现象与万有引力的情况非常相似.因此他猜想电力与万有引力有相同的规律, 即两个电荷间的作用力应与他们之间距离的平方成反比.在1767年Priestley写了一本《电的历史和现状》. 1769年, 爱丁堡的John Robison 首先用直接测量方法确定电力的定律, 他得到两个同号电荷的排斥力与其距离的2.06次方成反比.他推断正确的电力定律是平方反比律, 他的研究结果是多年之后(1801年)发表才为人所知.
1772年英国物理学家 Cavendish 遵循Priestley的思想以实验验证了电力平方反比定律.他将一个金属球形容器固定在一绝缘支柱上.用玻璃棒将两个金属半球固定在铰链于同一轴的两个木制框架, 使这两个半球构成与球形容器同心的绝缘导体球壳.用一根短导线连接球形容器和两个半球, 利用一根系于短导线上的丝线来移动导线.Cavendish先用短导线使球形容器与两半球相连.用莱顿瓶使两半球带电, 莱顿瓶的电位可事先测定, 随后通过丝线将短导线抽去.再将两半球移开, 并使之放电.然后用当时最准确的木髓球静电计检测球形容器上的带电状态.静电计并未检测到球形容器上有任何带电的迹象.他用实验和计算的方法得出电力与距离成反比的方次与2的差值不大于0.02.Cavendish的实验得出的定量结果与十三年后(1785年) Coulomb用扭秤直接测量所得的结果的准确度相当，但他的研究成果都没有发表.是一百年后Maxwell整理 Cavendish的大量手稿时才将上述结果公诸于世的.
最为著名的是法国物理学家Coulomb的研究工作. Coulomb曾从事毛发和金属丝扭转弹性的研究, 这导致他在1777年发明了后来被称为Coulomb秤的扭转天平或扭秤. 1784年Coulomb发表论文, 介绍他发现的扭转力与线材直径、长度、扭转角度以及与线材物理特性有关的常数之间的关系，还介绍了用扭秤测量各种弱力的方法.同年， Coulomb响应法国科学院有赏征集研究船用罗盘，他的科学生涯开始从工程、建筑转向电、磁的研究.1785年Coulomb设计制作了一台精确的扭秤, 用扭秤实验证明了同号电荷的斥力遵从平方反比律,用振荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比定律.他的实验误差偏离平方为 4×10－2 . Coulomb的研究工作得到了普遍的承认, 而平方反比定律也就以Coulomb的名字（ Coulomb`s law）来命名了.
经典的引力公式和电力公式是： F引 = Gm2/r2  （1）  F电 = Kq2/r2（2），其中，引力常数G = 6.673×10-8达因厘米2/克2，电力常数K = 8.988×1018达因厘米2/库仑2.G和K都是实验值，它们各自有着复杂的量纲和远离1的系数，在两者之间看不出有什么内在的联系.我们期待，如果用最基本的自然常数组合取代经典的引力公式和电力公式中的系数，那么这两个物理公式之间的联系就会自然地浮现在我们面前.
引力场依赖于两次微分.但是电磁场在特殊的情形下也满足两次微分的形式.此时，∑A μdxμ=0；同时还有许多性质，如旋度为零，散度等于电荷的平均密度.这正是静电场的形式，而所谓的电磁场则是这类特殊形式破缺的结果.引力场也是conservative  force  field，引力线也不是闭合线，circulation  theorem依然成立.由于Gauss， theorem与Coulomb,s  law的实质都是电力与距离的平方成反比，两者是完全等价的，正如《费曼物理学讲义》卷2中指出：“Gauss， theorem只不过是用一种不同的形式来表述两电荷间的Coulomb,s  law.它们是完全等价的，只要我们记住电荷之间的作用力是径向的.”这里“电荷之间的作用力是径向的”是空间旋转对称性的必然结果.
由电磁理论知，静电荷周围存在静电场        E，当电荷以速度v ( v << c ) 运动时，其周围除存在电场外，还存在与电荷运动有关的磁场B，电场场强与磁感应强度的数学表达式为：
电场               （ ）      ①
磁场                   ②
                     (  )   
库仑定律仅仅适用于真空中两个相对静止的点电荷之间的相互作用.
历史上对库仑定律的检验是用ε表征的，它的定义是：F＝kq1q2r2+ε ，其中ε表征了电的相互作用力对反平方定律的偏离程度.到目前为止，检验库仑定律的实验所确立的最好上限是；ε≤6×10-16.
   表1 历史上各次实验的结果
作者        实验年份        ε
Robison（罗比逊）        1769        ≤6×10-2
Cavendish（卡文迪许）        1773        ≤2×10-2
Coulomb（库仑）        1785        ≤4×10-2
Maxwell（麦克斯韦）        1873        ≤4.9×10-5
Plimpton（普里斯顿）和       Lawton（洛顿）        1936        ≤2×10-9
Cochran（坷却任）和
Franken（弗兰肯）        1967
1968        ≤9.2×10-12
Bartlett（罢脱力）和
Goldhagen（戈尔德哈呈）        1969
1970        ≤1.3×10-13
Williams、Faller（威利斯）、福勒）和Hill（希尔）        1970
1971        ≤6×10-16
     参考文献：
【1】恩格斯 《自然辩证法》 于光远  等编译 ，第24页
2 、引力质量与电磁质量的等价关系
       在Einstein看来，理论物理学的完整体系是由概念，被认为对这些概念是有效的基本原理(亦称基本假设、基本公设、基本定律等)，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的.因此，理论物理学家所运用的方法，就在于应用那些作为基础的基本原理，从而导出结论;科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可精密公式来表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理.Einstein指出，一旦找到了作为逻辑推理前提的基本理，那么通过逻辑演绎，推理就一个接着一个地涌现出来它们往往显示出一些预料不到的关系，远远超出这些原理依据的实在的范围.
现代物理学的进步表现为相对论和量子论的建立，前者提出了光速不变原理，依托的是光速c；后者则提出了测不准原理，依托的是普朗克常数h.这两个自然常数是描述自然界的两个最重要参数，在许多基本的物理公式中都可以看到它们的身影，所以我们首先考虑应用这两个自然常数.
        根据等式两边量纲一致的原则，周建先生认为可以建立以下的方程组： G = r05 / hτ03   （3），  {  K = hc2 / 2π A2r0τ0     （4），式（4）中的A = 1安培.对于式（4），有两点需要补充说明： 第一，由于（2）式中的电力常数K的定义，通过c2 = 1/(ε × μ)，与导磁率相关，而导磁率是用A的平方定义的，所以在K中隐含着A的平方.于是，在新的电力常数表达式（4）中出现了A 的平方，这样才能保持等号两边的量纲一致.
第二，在新的电力常数中引入了2π.这是因为电力是有方向的矢量，需要用  h/2π 取代h，这是在量子电动力学中普遍采用的做法.      
在上面这个方程组中，除了c、h之外，还有两个待定参数，它们是τ0和r0.前者的量纲是秒，与时间相关；后者的量纲是厘米，与空间相关.我们希望它们也是自然常数，这样就实现了用自然常数的组合取代作用力系数的想法.在下一节，我们将证实，它们确实是自然常数.于是，我们现在有了4个自然常数，并由它们的不同组合来分别取代了引力系数G（即式（3））和电力系数K（即式（4））.      
  由式（3）和式（4），可以解出τ0和r0：τ0 = 〔h4c10/G(2πK)5A10〕1/8 = 3.621×10-12  秒， {  r0 = 〔Gh4c6/(2πK)3A6〕1/8   =  2.913 ×10-14厘米.
按照现代物理学的观点，Newton的万有引力定律是广义相对论的一级近似，Coulomb,s  law被修正为各种非线性Maxwell,s  equation的类型，它们都与广义相对论在形式上不同.在“二级近似”下，广义相对论实际上具有麦克斯韦理论的特征．笔者认为，既然它们在经典物理学中类似，应该有内在的联系.在引力场中也存在高斯定理和环路积分定理，也可以定义引力势、引力势差等概念，在静电场中也存在电势能守恒定律.当A、B两 electric  charge相互吸引时，它们的万有引力与Coulomb力只是大小不同，没有任何区别，因此根据Einstein的局域等价性原理，引力质量与电磁质量具有等价性，等价原理的局域特征对当代物理学的思想具有深远的影响.万有引力定律与Coulomb,s  law在现代物理学中被修正，只能说明上面的数值应该修正，但数量级不会变化.对于相同的自然现象，必须尽可能地寻求相同的原因（10）.在物理学方法论方面，Einstein巨大的、真正具有永恒启发意义的功绩在于，没有根据任何新的实验材料，而仅仅从对于经典力学的基本概念的方法论分析出发就指出，那些“放置着”我们感兴趣的一切客体的空间度量本身的变化，也就是甚至最简单的匀速直线运动的必然结果.对看来是十分“明显的”同时性概念的实质内容所作的非常深刻的操作分析，至今仍是建立一种全新的从前甚至无法想象的联系，即最简单的物理过程同建立物理理论时所使用的抽象数学空间的最深刻的度量特征的变分、变化之联系的榜样.引力质量与惯性质量的相等使Einstein坚信，这是一个精确的自然规律，它应当在理论物理学中找到它自身的反映，同样Coulomb,s  law与万有引力定律的相似也应当在理论物理的原理中找到它自身的反映 .
电磁场方程组是麦克斯韦尔约一个世纪前用流体力学三个方程,加一个假设方程而建立的. 鉴于量子力学，电动力学，以及相对论理论的统治地位，有人尝试电磁方程反推流体方程，从规范场论推导NS方程.使用电动力学的推迟势算法加相对论来计算力学问题，倒是可以算出激波的斜角等简单问题，但是由于介质力学方程远要比电动力学与量子力学方程推出的方程复杂.对实际介质力学问题基本没有意义.洛仑兹于是给电磁场方程的位移电流里面加上一些项，以便使电磁方程有物质方程的性质，却未得到主流学者认可.把问题翻过来做却不一样.1998 年美国的Dr. Haralambos Marmanis 精彩地从欧拉方程, NS方程及湍流方程推导出 Maxwell方程.俄罗斯罗蒙洛索夫大学的Dmitrieyv教授也作了类似工作.（甚至还用流体力学推导了非线性薛定谔方程.和我国学者在孤波方面的研究相似）从不可压流体力学推导新的电动力学方程比原来多出许多高阶小项，这些项到底有什么物理意义？和试验相容程度如何？引起多方关心，也关心把它延拓到可压缩流动里面去.哪怕这种延拓是近似的，只要它与试验相容即可.理论上矛盾焦点在于电动力学方程是协变不变的，属于洛仑兹时空，它满足真空光速不变假设，而连续介质方程是守恒型的，属于伽利略时空，声速度不但可变，而且可以超越，如此大的差异，所以一般的物理学家就认为这两种方程相似是貌似而神离.本质差异，不能混为一谈.为了解决这个矛盾，本课题将设法探求洛仑兹变换加上非常微小的高阶修正以后，可以变成可压缩流方程简化时的某一种小扰动可压缩变换.这种变换在空间上和洛仑兹变换完全相同，在时间只相差高阶小量.通过分析说明这种差别与现有实验精度测量结果相容.从而把相对论的时空变换与可压缩修正的某种辅助函数近似等同起来.进而研究与电磁场和其他的物质场理论平行的可压缩性介质表达形式.这种理论上的延拓有着他的实验基础.物理所的张元仲教授著书说,历史上曾经提出过几种和相对论平行的假设，唯一剩下来还不能够被实验所否定掉就是物质相互流动和运动的假设.物质世界本身是复杂和多样的，别的力学性质暂时无需多加涉猎，流体可压缩性的描述可以和不可压缩场的协变不变原理相容就值得分析.如果二者都与现有的实验结果相容，那么谁更正确，就有待于进一步的实验.选择更复杂的介质力学性质，谁更与实验结果相容就会有分晓.从力学的角度来看，这种描述不仅给对微观物质世界认识提供新的武器.同时也是力学学科一个新的生长点. 我国数学物理科学有许多积累可资借鉴.除了冯康，刘高联等一批力学家的介质方程哈密尔顿描述之外，在相对论方面，秦元勋教授指出罗伦兹变换的奇点, 意味着方程越过光速以后从椭圆型转变成双曲型,此时粒子随速度增高而减小质量和能量.这正是可压缩流动的特点.杨文熊教授得出一个结论，相对论的质能关系只不过描述了介质方程守恒性和随体导数性质.卢鹤跋院士1996年从连续介质角度出发, 突破真空均匀构造的局限,提出对于相对论的质疑,并对麦克尔荪-莫雷的经典试验给出新的解释.黄志洵教授进行超光速的研究,借鉴Sommerfeld提出的理论,提出利用量子隧道效应来产生光波越过光速时的非线性效应, 并提出利用介质孤波方程代替量子力学方程计算光纤特性的看法.这些都和国际上的研究同步. 所以,进一步把前述的电磁场和流体场方程之间的相同结构的规律延拓到可压缩流体和非牛顿粘性中去.研究电磁场方程加洛仑兹变换着一套数学描述改写成空气动力学方程的描述形式以后误差到底有多大，尤其是粘性和压缩性在“误差里面”影响有多大，加上这些强非线性项以后的新数学描述是否能够满足迄今为止的实验结果.从而建立起介质力学和电动力学（甚至引力场论及量子力学），描述微观世界的数学方法的平等地位.并通过进一步实验来进行新一轮的验证.
现代物理告诉我们，夸克u、d的静止质量都约330MeV/C2 .质子由uud组成，可它的静止质量不是990 MeV/C2，而是938.27231 MeV/C2.因为，uud结合时，释放出了结合能.中子由ddu组成，可它的静止质量是939.56563 MeV/C2，比质子重些.这表明，中子释放出的结合能要比质子少些，它实际处于比质子能量稍高的亚稳态，而质子则处于基态.从而，自由质子是稳定的，而自由中子则会通过β衰变（弱相互作用）转变为质子，其平均寿命约887秒.中子、质子释放出的结合能主要是由强相互作用贡献的，其次才是电磁相互作用的贡献，引力相互作用和弱相互作用的贡献则更小.原子核除了氢外，都是由质子和中子结合而成的，这种结合主要是强相互作用，它克服了核内质子间的电磁斥力，故放出的结合能主要是由强相互作用贡献的，它是相当大的.例如，氘核是由一个质子和一个中子结合而成的，它释放出的结合能约：2.2244 MeV；所以，它的核质量较一个质子和一个中子的静止质量之和小了2.2244 MeV/C2.氦核由二个质子和二个中子结合而成的，它释放出的结合能约：26.73 MeV；所以，它的核质量较二个质子和二个中子的静止质量之和小了26.73 MeV/C2.它比二个氘核释放出的结合能大得多,所以, 氦是远比氘稳定的元素.原子核与电子结合成原子，那主要靠的是电磁相互作用.所以，它释放出的结合能小得多.例如，氢核是质子，它与一个核外电子结合成原子仅释放出13.59eV的结合能.所以，氢原子的静止质量仅比一个质子与一个电子的静止质量之和小了13.59eV/C2.所以，使氢原子电离（使质子和电子分离）需要的电离能仅需13.59eV/个.但要将氘核分离为一个质子和一个中子就需要2.2244 MeV/个，要困难十万多倍！二个氢原子结合而成一个氢分子，释放出的结合能约：4.5eV.分子中单键的化学能大致也就这么多，这表明靠化学反应获得的化学能要比核能小得多，这是电磁相互作用远小于强相互作用之故.物质从气态凝结成液体，放出凝结能；反之，则要给予气化能，气化能等于凝结能.物质从液态凝结成固体，放出凝固能；反之，则要给予熔化能，熔化能等于凝固能.这些也都是电磁质量与惯性质量的转化，都是有形物质与无形物质的转化问题.
下面是杨新铁先生对于电磁场方程（研究电磁质量）和不可压流体介质方程（研究引力质量）的等价关系的推导：
（一）无粘情况下,不可压流体介质方程和电磁场方程的等价关系推导
欧拉方程的动量方程表达如下V/t= -V -▽(P/ρ+ V•V/2)                     <1>                                                                  
F1称作兰姆矢量,如果流动是沿着同心园的环流,那么兰姆矢量表示的力就是离心力.下面我们就来设法证明兰姆矢量和涡矢量构成四个和电磁场完全对等的方程组.为简单起见,用F1代表兰姆矢量,用代表压力和速度的势函数这里F1和都是x和t的函数,其中  F1=V,   ▽P/ρ+ V•V/2
于是有: V/t= F1 -▽ <2> ，对方程1求旋度,得到涡强的方程:  /t=▽ F1  <3>，另一方面,由连续方程得到: ▽ V= 0   <4>
再对连续方程再求旋度,就有:       ▽ = 0  <5>
方程2又可以写成:              F1 =- V/t -▽<6>
对上式两边取散度           ▽•F1 =-▽• V/t -▽•▽
进一步可以写成:            ▽•F1 = -▽2
所以,兰姆矢量的散度就表示了伯努里能量方程的一种起伏,如果把 -▽2 这样的量定义成类似电荷一样的量n的话,从5和7式就得到了兰姆矢量和涡矢量的散度都类似于磁场和电场的散度的等价方程:
   ▽•F1 = n                                               <7>
前面还有从方程3得到了涡的时间变化等于兰姆矢量的环量的类似于电场变化等于磁场环量的类似表达式.这样我们就已经有了电磁场和介质场的三个等价表达式,略去繁杂的证明还可以求的最后一个表达式即兰姆矢量对时间的导数的表达式:
定义介质流动矢量j:
         j = ▽V•V-V▽2) F1•▽)V+ ▽(V2)                 <8>
这样,可以写出第四个方程:
                              F1/t = V2▽j                         <9>
于是欧拉方程就和电磁场方程一一就如下所列,完全对应了起来.
微观Maxwell方程组                     连续介质力学方程组
▽ E  =  4ρ               　　   　   ▽F1= -▽2n
E/t = C2▽╳ B - 4         　　    F1/t = V2▽╳j
B/t = -▽╳ E     8                    /t = -▽╳ F1
▽ B = 0                                ▽= 0
在微观Maxwell方程组中, E, B,C, ρ,I,分别表示微观电场强度,磁场强度,光速,和位移电流.从上两方程组的数学描述中可以很明显的看出,电场和涡场等价,而磁场和拉姆矢量的力场等价.
           （二）康普顿效应的分析
远在康普顿以前，观察已经指出，当伦琴射线尤其是γ射线散射时，波长有改变，在散射的辐射中除原有波长外，还出现了较长的波.关于散射时频率的改变，可以赋予伦琴射线以粒子的本性得到解释.对于散射辐射出现较长波的现象，在1922-1923年康普顿利用伦琴摄谱仪仔细地研究，认为它不可以归结为附属因素的影响，而且直接地和散射的机构本身相联系.在实验中，用的是一组银的Ka线（λ=0.5267Ǻ）在同一散射角被不同物质散射时，得出的实验结果是：1）新谱线位置的移动与散射物性质无关；2）当散射物的原子序数增加时，不移动的谱线的强度升高，而移动的谱线的强度降低.发现锂所散射的辐射实际上几乎全部是移动的谱线，而铜的移动谱线的强度与不移动谱线的强度比较并不大.本来这些完全可以用波动理论的多普勒原理得到简单说明.而相对论的理论家为了用粒子理论说明这一现象，把辐射看成是一群光子流，认为每个电子散射一个完全的光子.下面看看在“康普顿效应”中的数学证明.
由于根据相对论的质速关系公式m=m0/√1-B2（此处B=V/C），“光子”的静止质量一定等于零.并又独立的提出一个所谓适用于以速度C运动着的粒子的另一个动量公式，即
P = vE / C²                           （1）
假定此处的v=C，得到P = E/C                             （1a）
又用“光子”的能量E=hν ，那么，P = hν/C                             （1b）
上面就是所谓“光子”的动量公式.注意：在上述(1)及(1a)式的关系中，表示能量的E就已蕴涵着具质量函数的mC2 .在解释散射辐射波长只与散射角有关的现象，根据如图所示作用力关系，解释“光子”对电子传递能量过程.
                                    
A
                           hν /c                  
                  hν0 /c  O     φ    hν0 /c         B
φ                           
mv
                                 C      
图3

在“光子”和电子碰撞之前，电子的动量等于零，“光子”的起始动量等于hν0/C.碰
撞之后电子获得动量mv，此处的m=m0/√1-B2 ，而“光子”的动量变为hν/C.
应用能量和动量守恒定律，列出
hν0 + m0C2 = hν + m0 C2  /√1–B2             （2）
此处m0C2是电子的“静能”，以m表示电子的“运动质量”，重写上式为
hν0 + m0C2 = hν + mC2                     （2a）
用动量守恒定律给出
hν0/C = hν/C + mv                         （3）
由上述矢量方程及图示的三角形关系有
m2v2 = h2ν02/C2 + h2ν2/C2 – 2h2 (ν0ν/C2) cosφ
或                   m2v2 C2 = h2ν02 + h2ν2 – 2h2 ν0ν cosφ            3a）
又将（2a）式重写为 mC2 = h ( ν0 – ν ) + m0C2                     (2b)
并取其平方：m2C4 = h2ν02 + h2ν2 – 2h2 ν0ν + 2hm0C2 (ν0 – ν)    (2c)
从（2c）中减去（3a），并经简单变换后，得到C/ν – C/ν0 = ( h/m0C ) ( 1 – cosφ )             （4）
因C/ν=λ 及C/ν0=λ0，得出波长的改变公式为λ – λ0 ≡ Δλ = ( h/m0C ) ( 1 – cosφ )            (4a)
上式中，量纲为长度的数量h/m0C 是三个常数的组合，它并称为康普顿波长，并用Λ标记：Λ = h/m0C = 6.624×10-27 / ( 9×10-28×2.99×1010 ) = 0.242Ǻ
上述结论是：当散射角给定时，谱线的位移与任何散射物和任何能量或动量的入射“光子”无关.
上面的推导也说明了电磁质量与引力质量的等价性，这是光子与电子的一种动量交换.

附录1：以前，科学家只是从理论上推测，在太阳风暴、核反应中，“应该存在”一个非常重要而奇特的“点”——磁零点.而最近，我国天文学家通过卫星观测数据，真实地“捕捉”到了宇宙中的磁零点.最新成果发表在近期出版的《自然•物理学》杂志上.磁零点是什么？它就像地球上的台风眼——别看台风呼啸横扫数百公里，小小的台风眼里却风平浪静.我国天文学家发现，来自太阳的电磁风暴同样也有台风眼——尽 管“太阳风暴”袭击地球磁场时，甚至可以引起无线通讯中断，但在台风眼之中，却有个磁场为零的地方.多年来，为寻找磁零点，欧洲宇航局启动了“星簇”计划，连续发射了四颗卫星，中国也实施了“双星”计划.日前，卫星在离地球约12.6万公里的太空中，观测到一次“太阳风暴”侵袭下的地球磁场.根据观测数据，国家天文台肖池阶副研究员、大连理工大学王晓钢教授、北京大学濮祖荫教授等为主的研究小组，首次发现了自然界中存在的磁零点.当期杂志配发评论，认为这是磁重联研究领域中“极其重要的”进展.在神奇的磁零点上，发生着太空中十分常见的物理过程——磁重联.在太阳风暴的“劲吹”下，“背风”处的地球磁场从原先的圆球形，被“吹”得好像飘扬的长发.长发般的磁力线在太阳风的“逼迫”下，不断逼近磁零点.当两条磁极方向相反的磁力线与磁零点无限接近的那一瞬间，两条磁力线开始“重新联结”：同时从中断开，并连接成两条新的磁力线——一条带着太阳风暴的等离子体飞向浩淼的太空，另一条则如同拉满的橡皮筋，缩向地球，它所携带的高能粒子“撞”进地球南北两极的大气层，形成美丽的极光. 据国家天文台汪景琇研究员介绍，以前人们只是在理论上推测磁零点的存在，但这次他们利用该台赵辉博士发展的微分拓扑学方法，通过实际观测数据分析，发现了磁重联的中心区域存在磁零点，并计算出磁零点周围的磁力线存在螺旋结构.由于磁重联存在于太阳耀斑、磁约束核聚变等重要物理过程中，是能量转换和加速带电粒子的基本机制之一，因此，这一发现有助于彻底解决磁重联理论中一些长期悬而未决的难题.
                            3、四个基本假设
我认为是科学的想象力需要严谨的实验证据支持.提出科学问题很重要，要勇于挑战已有的科学理论，勇敢的提出质疑，但是这种质疑绝不是胡思乱想，绝不是毫无根据的，狂妄的去挑战已有的真理，而是需要严谨的实验作为依据.”“伽利略身上闪耀着渴望认识和驾驭客观世界的科学精神，宇宙的探索是永无止境的科学前沿，需要有志者像伽利略那样，不畏艰险，不断探索、开拓新的科学领域，深化人类对宇宙的认识. ---------路甬祥
恩格斯说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假设.”————————————————————————恩格斯
方程式之美, 远比符合实验结果更重要   -狄拉克
世界著名物理学家费恩曼：“重要的是要认识到，在今天的物理学中，我们不知道能量究竟是什么” （《费恩曼物理学讲义》第1卷P34）.美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、"类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的1015倍"、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题.
Einstein说：“适用于科学幼年时代以归纳为主的方法，正让位于探索性的演绎法.由经验材料作为引导，……提出一种思想体系，它一般是在逻辑上从少数几个所谓公理的基本假定建立起来的.” 亚里斯多德学派指出:需要有未加定义的名词-原始概念(如:点,线,面,体).定义了公理,公设,创立了独立的逻辑学,其中的基本逻辑规律:矛盾律和排中律,成为数学中间接证明的核心.亚里斯多德的形式逻辑为欧几里德演绎几何体系的形成奠定了方法论基础.
基本假设:1、电磁质量间不存在万有引力，数值在实数集上呈量子分布，具有波粒二象性；引力质量间不存在Coulom力，数值在实数集上呈连续分布,单个物体或基本粒子的引力质量可以被任意分割，相互之间存在万有引力和弱相互作用，不具有波粒二象性.
              2、电磁质量与引力质量可以互相转化，在转化过程中作用力大小不变.
              3、引力质量与电磁质量之间没有相互作用，当电磁质量与引力质量结合在一起时，电磁质量之间具有库仑力和强相互作用.
              4.只具有电磁质量的粒子为波色子，遵循波色——Einstein统计；同时具有引力质量和电磁质量的粒子为费米子，遵循泡利不相容原理.
由于电磁质量与引力质量之间没有相互作用力，光子（电磁质量----后面分析）与真空（引力质量）没有作用力，在真空中光速不变，否则由于万有引力作用光子的速度会发生改变，电磁以太是不存在的，狭义相对论的观点是正确的.狄拉克光子真空与电子真空的观点是错误的，虚光子也是不存在的.
自旋为半整数（1/2，3/2…）的粒子统称为费米子，服从费米-狄拉克统计.费米子满足泡利不相容原理，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中. 轻子，核子和超子的自旋都是1/2，因而都是费米子.自旋为3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是费米子.费米子(fermion)：费米子是依随费米-狄拉克统计、角动量的自旋量子数为半奇数整数倍的粒子.费米子遵从泡利不相容原理，得名于意大利物理学家费米.根据标准理论，费米子均是由一批基本费米子，而基本费米子则不可能分解为更细小的粒.基本费米子分为 2 类：夸克和轻子.而这 2 类基本费米子，又分为合共 24 种味道 (flavour)：12 种夸克：包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、魅夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t)，及它们对应的 6 种反粒子. 12 种轻子：包括电子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ，及对应的 6 种反粒子，包括 3 种反中微子.中子、质子：都是由三种夸克组成，自旋为1/2.奇数个核子组成的原子核.(因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数.)   由全同费米子组成的孤立系统，处于热平衡时，分布在能级εi的粒子数为，Ni＝gi/（e^(α+βεi）+1）.α为拉格朗日乘子、β＝1/（kT），有体系温度，粒子密度和粒子质量决定.εi为能级i的能量，gi为能级的简并度.根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类.费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2 等).这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性.没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性.   基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子.费米子(fermion)：自旋为半整数的粒子.比如电子、质子、中子等以及其反粒子.它们符合泡利不相容原理，以及费米－狄拉克统计：由全同费米子组成的孤立系统，处于热平衡时，分布在能级εi的粒子数为，ni＝gi/（e^(α+βεi）+1）.α为拉格朗日乘子、β＝1/（kt），有体系温度，粒子密度和粒子质量决定.εi为能级i的能量，gi为能级的简并度.
  在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态(即由一套量子数所确定的微观状态)上只容许容纳一个粒子，这种粒子称为费米子.费米子所遵循的统计法称为费米统计法.费米统计法的分布函数为式中n(ε)为体系在温度T达热平衡时处于能态ε的粒子数；α为温度和粒子总数的函数.
  费米子，得名于意大利物理学家费米.玻色子是依随玻色-Einstein统计，自旋为整数的粒子.玻色子不遵守泡利不相容原理，在低温时可以发生玻色-Einstein凝聚.玻色子包括：.胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种;光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、w和z玻色子).在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋.   这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大.粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的.根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类.费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等).   这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性.没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性.   基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、w和z玻色子)都是玻色子.由于同向电流相互吸引，因此费米子的自旋方向必须相反.
　　 在1954年致玻姆(D．Bohm)的信中，Einstein陈述了自己对非空时的看法：“用像场这样的基本概念如果不可能作客观描述的话，那么人们就不得不寻找完全避免连续区(连同空间和时间)的可能性.但是对于哪一类基本概念能够用于这样的理论，我却一无所知.”在1949年对门格尔(K．Menger)的答复中，Einstein表明：“所以要坚持连续区，并不是由于偏见，而是由于我已经不能想出任何有系统的东西来代替它.”把这两段话联系起来，我们不难看出，相对于他所宠爱的连续场论，非空时的实在论思想对Einstein来说是可以接受的选择物.由于广义相对论只研究引力场-----引力质量，因此在实数集上是连续的，Einstein在一定程度上是正确的.
由基本假设可知万有引力定律与Coulomb,s  law本质是一样的，即可以将万有引力定律从引力质量推广至电磁质量，它们是一个问题的两个方面，从而解决了困绕物理学界多年的难题——Coulomb,s  law与万有引力定律相似性的本质.
间隔性原理依赖于实在论的描述（实在的状况或状态）和因果联系，这必然不容许远隔的实在事物相互有直接的因果影响.如果我们要在空时背景中追求实在论的描述，Einstein就要求该背景遵循他的间隔性原理.间隔性是Einstein空时理论的必要部分，虽然空时描述和间隔性在实在论纲领内是次要的.由于引力质量与电磁质量之间没有相互作用力，因此Einstein对于量子力学的批判具有一定的局限性.笔者认为既然引力质量在实数集上连续分布，那么引力波是不存在的，光电效应就是电磁质量转化为引力质量的一个实例.
4、电磁质量的能量
能量实际上构成所有基本粒子、所有原子，从而也是万物的实质.在人类思想发展史中，最确定成果的发展几乎总是发生在两种不同思维方法的交会点上.它们可能起源于人类文化中十分不同的部分，不同的时间，不同的文化环境或不同的宗教传统.因此，如果它们真正地汇总，也就是说，如果它们之间至少关联到这样的程度，以致于发生真正的相互作用，那么我们就可以预期将继之以新颖有趣的发展.
——海森堡
根据场的space-time本质的观点，能量是物质与space-time的相互作用，如果认为引力质量具有正的能量，那么必须认为引力场具有负能量，自然界不存在负引力质量的物体，物理学家预言宇宙中存在负引力质量，但是没有发现由负引力质量形成的物质原因在于此.引力定律确保了宇宙中所有质量之间的（负的）引力位能，必定永远和每个质量m相关联的（正的）能量mc2的总和大小相等、符号相反.因此总的结果准确的等于0.现代物理学认为物质的引力场的质量是静止质量的10-37倍，原因在于它只是计算的其相对时空部分.
引力质量与电磁质量具有等价关系.由于电磁质量与引力质量在转化过程中作用力不变.在万有引力定律中，令两物体引力质量均为1kg，转化后的电磁质量 为Q，R不变，得G /R2 =KQ2 /R2 ,∴Q=（G/K）0.5 ≈8.61×10-11C.∴1kg≈8.61×10-11C.1C≈1.16×1010 kg , 1A≈1.16×1010 kg/s.，1V≈8.61×10-11m2/s2,1Ω≈7.422×1022m2/kg.s,把国际基本物理量可以进一步变为5个.Maxwell的微分方程是联系起electric  field及磁场的空间和时间的微分系数.带电体质量（电磁质量）是electric  field 中散度不为零的地方.光波显现为空间中electric  field的波动过程.这说明electric  field与引力场具有等价性的一面.电磁质量与引力质量的等价关系是对称的绝对性的表现形式.electric  charge是物质存在的一种状态，电磁质量本质就是quantity  of  electricity.引力场中的质量就是引力质量（惯性质量），因此广义相对论的假设是正确的.1个电子的电磁质量为1.856×10-9kg ，远大于其引力静止质量9.10956×10-31kg ，电磁质量间作用力远大于引力质量间作用力，e/m≈2.04×1022 (注：无单位)，因此在化学变化中物质的化学性质主要决定于电磁力.由于牛顿力学只适用于引力质量，因此牛顿力学不适用于微观世界.
由于引力质量与电磁质量之间可以互相转化，引力质量与能量之间满足质能方程：E=m惯性c2，因此电磁质量与能量之间应满足电能方程：E=kQc2,令Q=1C，则E=kc2(J),k≈1.16×1010kg/C.这样可将 Einstein质能方程从引力质量推广至电磁质量.由引力质量产生的能量为引力能，机械能是引力能的一部分.由电磁质量产生的能量为 电磁能量，二者可以相互转化，在转化过程中能量守恒.1C quantity  of  electricity具有能量1.044×1027J，1个电子的电磁能量为1.673×108J.我们可以发现电磁能是相当大的.1900年，彭加勒也明确提出电磁场具有质量（笔者注：此时应当为电磁质量），电磁场的质量等于其能量除以光速的平方m=E/c2.
     经典电磁理论只在处理标量偏微分方程组时才呈现出严格性，但Maxwell方程组是矢量偏微分方程组，人们一直缺少解决方法．当由矢量波方程在单色波条件下转为矢量Helmholtz方程，就会发现在一般曲线坐标系时只能得到分量的耦合方程，不能进行分离变数．1935一1937年，W．W．Hansen门在一组研究天线辐射问题的文章中提出了直接求解矢量波方程的建议；他针对矢量波方程构造出独立矢量函数解M、N，因而矢量波函数又被称为Hansen函数；他实际上是用标量Helmholtz方程的本征函数作原基，进一步构造成新的正交基，使之直接满足矢量Helmholtz方程和相应的边界条件；这样的泛函M＼N直接满足矢量波方程，使直接求解的工作有了开端．1941年，J．A．Stratton介绍了Hansen的思路，给出解法，讨论了解的形式，补充引入了矢量函数解I；当时及以后，人们不认为L函数与M、N在性质上有重要的区别． 1971年，C．丁，Tai(戴振铎)，，指出可以用并矢Green函数直接求解Maxwell方程组的边值问题，给出了形式完美对称的表达式；但随即有人指出其公式两边不恒等，解是不完备的；具体讲， Tai所得到的并矢Green函数虽满足坐标对称，但不包含乙函数． 1973年Tai自己作了修改，给出的新表达式多加了一个包含工函数的奇异项(代表源区场)，这引起了争论．
1991年宋文淼在其专著《并矢Green函数和电磁场的算子理论》中给出的推导是没有奇异项的．由于上述工作数学上艰深复杂，又无法用实验来证明何者正确，学术界难以取得共识．这就是争论中的“电磁场完备性问题”．1998年，任晓雨在其博士论文中指出，有关矩形腔电并矢 Green函数的争论源于对乙函数的不同理解——人们—‘直未认识到乙和M、N是物理意义不同的波函数(L满足的方程不是无源时电磁场的解，而另两个是)；他认为L函数只是一种数学工具.同年，任晓雨、宋文淼等在《微波学报》上发表论文，提出不计入L函数也许是正确的——虽然没有L函数的电磁场本征函数系似不完备，但这可能正是电磁场本身的特性，即电磁波场在Euclid空间中本来就不完备?!从物理意义上看，一种观点认为非奇异项 (Tai解答的主体部分)就是所需的物理场，奇异项则代表非物理场或“伪模”．宋文淼则认为电磁场实际上包含了电磁波场(光量子场)和描述带电粒子间相互作用的场(虚光子场)，即不再忽略粒子性——这与笔者近年来的学术观点和研究工作相接近．......总之，人们从不同角度对现有理论表明了看法． 1964年，P．A．M．Dirac在纽约的一次演讲中曾指出，关于Maxwell方程组不精确成立的可能性是存在的．当人们进入到离电荷(它们产生了场)非常近的区域时，经典场论恐怕就要修改，因为在这里需要一种非线性电动力学．实际上Born—Infeld的电动力学正是基于一个不同的作用量积分对Maxwell理论作了修正——该积分在弱场时与Maxwell作用量一致，在强场情况下就不相同． Born—Infeld的理论属于量子场论(或叫量子电动力学)，而在1964年时Dirac认为量子场论的成功还“非常有限、不断陷入困难”，人们必定要考虑电磁场波)的量子化问题．在经典理论中，电磁场矢量的运动方程是Maxwell方程；在量子理论中，场矢量是作为算子来对待并受Maxwell方程支配．物理系统的状况由状态矢量代表．量子化系统描述中，Heisenberg图象是把本征矢量看作描述不随时间变化的状态矢量时形成的基底矢量．Schroedinger图象视状态矢量为时间函数，其运动方程则由Schroedinger方程规定．…虽然电磁波的量子化已不是新问题，量子电动力学也早已确立．但完全的量子化处理在理论上太复杂，故常用半经典法．电子学家们发现，现在常把Schroedinger方程介入到宏观电磁问题(金属壁波导、介质波导、光纤等)中来．工程技术人员对这个不太熟悉.但是就是它是经典(maxwell方程为基础)电磁理论矛盾缓解和解决电子学家工程技术问题理论工具而言.maxwell方程时代已经过去.人们依靠schoedinge,Klein-Gordon,dirac 相对论性波方程处理复杂电磁系统.微波回旋器件是maxwell方程+valasov方程组成动力学理论.
四维时空描述的是物质结构及所对应的能量，即第一变化率的积分形式.它只描述物质结构，因此是精确解，即物质结构状态.即物质的粒子性，正是物质粒子具有稳定的结构才使费米子具有1/2自旋，不可叠加性，不可入性.而第二变化率才描述场，是物质结构的变化形成场，因此场才具有叠加性，才是玻色子，具有波动性.从第二变化率的推论的量纲推导看引力场与电磁场的惯性度量是质量和电荷度量是互换的，也就是在讨论电磁场时是不考虑质量的，这也符合电磁力远大于引力可以忽略不计.
5、类星体问题初探
  类星体是宇宙中最明亮的天体，非比寻常的亮，比正常星系亮1000倍.在可见光及无线电波波段都有此特征.类星体的绝对星等Mv在-25等到-33等之间，用哈勃定律可由红移值推算出距离，再由距离推算出光度.这样算出的类星体光度，在太阳光度的1012 倍到1014倍之间，约1038瓦到1040瓦.能量释放的功率是星系的千倍以上.
迦玛射线是电磁波中能量最强的部分，它通常伴随着极剧烈的物理过程产生.每星期科学家们都可以检测到几次迦玛爆.这种爆发在天空中具有各向同性，但在同一位置上从不重复发生.迦玛爆会放出巨大的能量，我们至今不清楚它的产生原因.一些天文学家认为迦玛爆可能来自于银晕中的中子星，更多的人则认为迦玛爆是由距离我们极遥远的剧烈过程（中子星或黑洞之间的碰撞）产生的.黄克谅：“因此，十几年前，类星体的发现构成了对近代物理学和现代天文学的挑战；今天，这个挑战仍然在继续.可以肯定，战胜这种挑战,更深刻地认识类星体的本质,将意味着人类对自然规律认识的一次巨大飞跃.”《天文学的新进展》1983.李宗伟，肖兴华：“总之，类星体发现以来30年中，红移的原因一直争论不休的问题，解决之日也是颁奖之时，盼望这一天早日到来.”   《普通天体物理学》p569， 高等教育出版社 1992 .卞毓麟：“所以，类星体的本质，迄今仍是个未解之迷.”   《宇宙之迷》p50.周又元：“类星体是60年代四大天文发现之一,因其争论不休的奇特性质,而被号之为谜.”《天体物理、电路分析、脉冲分析》
李政道认为：“关于类星体，类星体的能量是太阳的1015倍，超新星的能量是太阳的1010倍.可是超新星仅有约一年的寿命.而类星体一直还在发光，它如此巨大的能量来自何处，我们不知道.” 李政道(T.D.Lee)把这个问题列为21世纪科技所面临的四大问题之一.《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：６７．类星体的能源是什么？笔者认为迦玛射线爆与类星体的能量其实就是电磁能.在物理学的体系中有各种各样的守恒量，如质量、电荷、自旋、动量和能量等等.在封闭系统中所有的物理量中只有能量是无条件守恒的，无论物体发生怎样的运动、变化和相互作用，它总是保持守恒.与能量的无条件守恒不同，质量、电荷、自旋等等的守恒是有条件的.比如在正反粒子的相互作用后所谓的质量、电荷、自旋等特性都会消失.
    通过上面的分析可知：电磁能与引力能在一定条件下可以相互转化， electric  charge与electric  field 在一定条件下可以相互转化，这也符合唯物辩证法的观点：矛盾着的双方依据一定的条件，各向其相反的方向转化，自然界中的物质都是互相联系着的.质量守恒定律与 electric  charge守恒定律可统称为广义质量守恒定律，通过质能方程与电能方程可将广义质量守恒定律与能量守恒定律联系在一起.Maxwell,s   equation与 electric  charge守恒有密切的关系.
附录：哈勃拍到超新星爆炸残留下的惊人光带
     哈勃望远镜最近拍到了银河系中一颗已经在1006年5月1日爆炸了的超新星残余的特写镜头.此爆炸是历史记载中最明亮的爆炸之一.
据英国《新科学家》杂志报道，尽管中世纪的观天人在1000多年前看到了一颗恒星爆炸的景象，但直到现代天文学爱好者才全面获得了其爆炸残余的惊人画面.因为哈勃望远镜最近已经拍到了银河系中一颗已经在1006年5月1日爆炸了的超新星残余的特写镜头——是一条非常壮观的光带.此爆炸是历史记载中最明亮的爆炸之一，肉眼就能看见.
　　科学家表示，此精巧模样的残余其实是来自此恒星爆炸的部分冲击波.而且，此暴动的残余还在爆炸之中，每小时大约移动1千万公里.此哈勃图像主要是由此残余的氢原子发射出的可见光、蓝光、黄绿光和近红外线光共同生成的合成图像.此扭曲光带的明亮部分是来自此爆炸的冲击波位于我们视线的边缘.
　　此超新星爆炸的残余在可见光下较昏暗，但天文学家用X射线光谱制成了极好的图像.
　　注释：该超新星距离地球1002光年远，我们现在看到的对方就是公元1006年的情景.
                6、电磁质量与引力质量的能量转化问题
根据对称的相对性与绝对性原理，反中子是电中性的,但是它与普通的中子又不完全相同.一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子，而不是一个带正电的质子.粒子和反粒子相遇时不但要发生湮没，而且还会释放出巨大的能量.反质子带负 electric  charge，它的质量与质子相同.一个质子和一个中子发生热核聚变反应形成氘核时大约释放出2Mev的能量，而一个质子和一个反质子湮没时释放出的能量大约是1800Mev.由此可见，湮没释放出的能量大约是核能的一千倍.
现代物理学的实验也证明了电磁质量的能量的转化问题，下面列出了有关实验结果：在2008年8月14日于美国圣路易斯市布什会议中心召开的新闻发布会上，一个由中国物理学家和中国留美学者组成的研究小组宣布他们在7月12日完成了一项革命性的实验，实验结果表明在电磁相互作用中能量是不守恒的，能量可以在电磁相互作用中获得增值.这项发现彻底推翻了物理学理论中一贯默认的能量守恒定律，并为未来能源生产开辟了全新的道路，人类将从能源危机中获得解放.
    参加此项研究的物理学家是来自中国原子能科学研究院的梁祺昌教授和美国华盛顿大学博士后研究员刘晓东.他们发现在环型螺线管和平板电容之间的能量传输是不平衡的，平板电容可以从环型螺线管的感应电场中获取能量，而环型螺线管的输入能量却为零，"这显然违反能量守恒定律"，刘晓东博士解释说，"如果能量是守恒的，那么一方电磁能的增加必然要求从另一方输入能量，但是实验结果却截然不是这样."
    此项研究成果可以追溯到140多年前英国的物理学家麦克斯韦.麦克斯韦是电磁学理论的鼻祖，他的电磁学理论今天被称作麦克斯韦方程组，这个方程组描述了电磁波是如何产生并传播的.在1861年，麦克斯韦根据他的理论预言电磁波可以在真空中以光速传播，这个预言在26年以后，即1887年，被德国物理学家赫兹用实验证实，为了纪念赫兹，他的名字被记作频率的单位.今天我们所用的电视，广播，雷达，无线通讯都离不开麦克斯韦和赫兹的贡献.
    在麦克斯韦的理论中，最神秘和最吸引人的部分就是位移电流，位移电流是空间电场的瞬间变化率，麦克斯韦发现变化的空间电场可以产生磁场，而变化的磁场又可以感生新的电场，由此电磁波可以在空间传播.如果我们考察位移电流与导体中自由电子的相互作用，就会发现，位移电流产生的感生电场可以推动自由电子运动，使电子获得能量，但是反过来，运动的电子产生的感生电场却不能对位移电流有任何影响，原因是位移电流里只有电场而没有电子.在这个相互作用过程中，位移电流既不损失能量，也不获取能量，只有导体中的自由电子获得了能量，这样一来，能量就不守恒了.原理如此简单，可是麦克斯韦本人也没有想到他提出的位移电流理论直接导致能量不守恒.这个秘密不幸被隐藏了140多年.
    从牛顿时代开始，能量守恒一直被当作物理学的基本理论，欧美的科学家在19世纪的时候做了大量研究，希望找到能量不守恒的途径，但是都没有成功，在这种情况下科学家们不得不承认能量守恒定律是“正确“的.有意思的是，吃不到葡萄的狐狸也会提出酸葡萄定律，两个定律听起来很相似.“只要吃到一个甜葡萄，酸葡萄定律就被打破了.“梁祺昌教授介绍说，“19世纪的研究工作集中在机械能和热能的转化上，这条路被证明是走不通的，但是电磁能守恒的问题从未被仔细地研究过.在1901年的时候，有个叫亨利.颇因恺的法国物理学家曾经怀疑过位移电流导致能量不守恒的问题，但是他没能提出可靠的实验证据，结果他的工作就被后人遗忘了.“
刘晓东博士介绍说：“我们的工作没有超越麦克斯韦的理论，我们只是在他的理论中找到了一个隐含的推论.我们在实验中观测到的效应非常显著，甚至超过我们的预料.我们已经与多位中国的及美国的著名物理学家交换意见，请他们检查我们的实验原理和实验结果，均没有发现任何问题.我们准备将论文投给美国著名的学术期刊《科学》.这项研究历时五年，开始的时候我们走了很多弯路，这是一个漫长的历程，我们得到了亲友的资助.现在我们终于知道如何在电磁相互作用中使能量增值，在这个过程中，不需要从外界输入额外的能量，虽然现在的能量增益还很小，但是我们正在设计功率更强大的装置，我相信在这项技术得到应用以后，人类将不再需要石油和煤炭. “
1992年，芬兰一位物理学家制造了一个直径为145厘米、厚度为6厘米的超导盘.他将超导盘温度降到零下233℃，然后将其置于一个交变电流产生的旋转磁场中超导体产生感应电流，感应电流受到电磁力的作用，从而使得超导盘跟着磁场旋转.一切原本都挺正常，但是，当超导盘的转速达到5000转/分钟时，一个奇怪的现象出现了：置于超导盘上的物体丧失了1%的重量，而且旋转速度越快，物体的重量丧失得越多.经研究，这位物理学家认为，这是由于"重力屏蔽"作用减少了地球对物体的引力，从而使得物体重力丧失了.1923年，一位科学家发现，大量充电的电容器，当电容器极板间的电压达到7万至30万伏时，整个电容器就会沿着正极方向移动，电容器的移动速度甚至可达每小时几百千米.这是怎么回事呢？经过一系列研究，科学家才明白，原来高压带电的电容器自身形成了一个人造重力场，这个重力场在抗衡地球重力，从而使电容器在没有动力的情况下移动.1958年，这位科学家利用这个原理，在一个直径为38厘米的碟形模型上，成功地使其带动重物快速移动.这个碟形模型既没有推进器，也没有喷射装置，更没有任何移动装置，只是利用电场在自身周围产生了一个"人造反重力场".碟内的重物在碟做快速运动时不会有任何被移动的感觉，因为它们处于相同的变了形的局部重力场中.这个试验首次使人们感到了"反重力"的妙用.
     众所周知，我们目前正面临着越来越严重的能源危机，按目前的消费速度，地球上的石油只能够使用50年左右，煤炭也只能使用80年到100年，原子能大概能使用60年到70年，也就是说，在最迟100年以后，我们的子孙后代将没有能源.而且，在能源消耗的过程中，能源价格将越来越高，争夺能源的战争将越来越频繁.可能有其他的替代能源吗？有，但是不够用，比如美国目前正在大力发展生物能源，可是即使把全美国的玉米都酿成酒精，也只能满足美国12%的能源消耗.太阳能成本高，效率低，风能不稳定，那么原子能呢？曾经有人设想到月球采集氦3回来做核聚变的燃料.“利用氦3实现核聚变的技术问题本身还没有解决，载人登月的难度也很大“，从50年代即参加中国核物理研究工作的梁祺昌教授对核聚变技术非常了解，“至于在月球开采矿藏，困难更是不可预料.如果不能从根本上解决能源问题，中国的现代化建设将受制于人，甚至会停滞“.另外，由于大量燃烧石油和煤炭，排放二氧化碳，全球气候变暖也成为一个大问题，干旱，沙漠化，冰川融化，海水上升，陆地淹没，热带风暴频发，等等.这些问题使我们不得不担忧我们的未来.现在物理学家为我们提供了全新的原理和技术，人类将从灾难中得到解放.毕业于北京大学物理系的余美祥博士评价此项发现是“一个将得到诺贝尔奖的工作.
      笔者认为，此时只是电磁质量的能量转化为引力质量的能量问题，能量并没有增加，能量守恒定律依然成立.当电磁质量与引力质量结合在一起时，电磁质量才可以转化为引力质量，例如正负电子由于电磁力互相吸引，运动速度增加，质量增加.
在历史上，每一次物理学的重大突破都会改变我们的生活，中国古代四大发明之一的指南针即是人类在电磁学领域的第一个重大发现，这个发现对人类文明的进程产生了重大影响.近代物理学的发展更是为我们提供了日新月异的技术革命，从牛顿.法拉第.麦克斯韦，到特斯拉.Einstein.费米，物理学家前进的脚步从未停止过.
               7、电磁质量与引力质量的转化实例分析
（一）英国发现银河系外“神秘天体” 不同于已知天体
（来源：大洋网-广州日报）

这片极具魅力的星云距太阳有2.2万光年，并以惊人的速度孕育新恒星.
据新华社电英国天文学家14日报告说，他们在以产生新天体而著名的星系“M82”中发现了一个“神秘天体”，它不同于银河系中所知的任何天体，也许会被划入“微类星体”之列.
　　英国皇家天文学会发布公告说，曼彻斯特大学研究人员当天在天文学会年会上报告了这一发现.这个天体属于距离地球约1000光年的“M82”星系，该星系以频繁产生新的恒星而闻名，而这些新恒星通常又会很快死亡，使得该星系中每二三十年就会出现一次在其他星系罕见的超新星爆发现象.
　　据介绍，研究人员去年5月利用射电天文望远镜观测到这一神秘天体，开始他们认为这是一次超新星爆发，但通常超新星爆发的亮度持续几周后就会减弱，而这一天体的亮度在随后几个月中都没有减弱的迹象.
研究人员初步认为，它也许可以被归为“微类星体”，可能与一个大规模黑洞有关.“类星体”因其光谱性质不同于恒星等天体而得名，而“微类星体”则是更少见的小型类星体.不过，这一新天体的亮度和持久度等特征都超过银河系中已知的微类星体，是没有在银河系中见过的类型. (来源：广州日报)  
（二）德科学家在纳米层次上实现光能和机械能转换（ 2002年05月15日09:47　摘自 新华网）
新华网柏林５月１４日电（记者潘治）德国科学家日前发现一种单分子聚合 物，在光照条件下可引起其纳米尺度的链式结构长度发生变化，即在纳米层次上 实现将光能转化为机械能.科学家认为，这一发现使未来纳米机器找到简便可控的动力成为可能.　德国慕尼黑大学与马克斯－普朗克学会的科学家说，他们发现的这种新型纳 米机械是单个的感光聚合分子，呈链式结构，由物质偶氮苯构成.偶氮苯由两个 苯环连接构成，具有顺、反两种异构体形式，两者物理性质差异较大.这种物质已在许多实验中表现出感光性，可以起到如同“光学开关”般的作用.
　　科学家发现，当他们利用紫光对这种单分子聚合物进行多次照射后，其链式结构长度变长，而用波长相对较短的紫外线照射后，其长度也随之变短.实验中，这种聚合物的长度变化可重复实现多次，直到其链式结构断裂为止. 科学家解释说，他们的这一发现具有实际应用价值.如他们在实验中还曾将 一个质量微小的“重物”垂直悬挂在纳米结构末端，组成一个如同弹簧吊起重物的机械，结果成功实现了利用光照将“重物”吊起放下的过程. 他们在发表于新一期《科学》杂志的论文中表示，这是人类首次在纳米层次上将光能转化成动能，这一成果给未来各种纳米机械找到了新的潜在能源.
（三）通古斯之谜
1908年6月30日7时15分俄罗斯西伯利亚现今克拉斯诺亚尔斯克边疆区的通古斯卡河地区伴随着雷鸣声飞来一个巨大的火球，紧接着，爆炸使叶尼塞河、勒拿河与贝加尔湖之间方圆百万平方公里内都感觉到了震动，蘑菇云升起，欧洲许多国家在夜空中看到了白昼般的闪光，甚至远在在洋彼岸的美国，人们也感觉到大地在抖动.陨石坠落地区，总面积约为2200平方公里的森林6千万棵树呈扇面形从中间向四周倒伏，爆炸能量相当于1500-2000万吨TNT炸药.这个爆炸被横跨欧亚大陆的地震站所记录，其所造成的气压不稳定甚至被当时英国刚发明的气压自动记录仪所侦测.接下来几个星期，欧洲和俄国西部的夜空有如白昼，亮到晚上不必开灯读书.在美国，史密松天文物理台(Smithsonian Astrophysical Observatory)和威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)观察到大气的透明度有降低的现象至少数个月.一些科学家认为通古斯陨石的质量不小于百万吨，速度达30-40公里每秒，但在现场却找不到陨石，这就是所谓通古斯之谜.
附录：【科学家新发现年轻脉冲星 宛若“上帝之手”】2013年5月22日讯，这颗年轻的脉冲星被命名为“PSR B1509”，脉冲星是一种高速旋转的中子星，它向太空喷射大量能量形成复杂和壮观的结构，它有时像一个巨大的“上帝之手”.
第三章        电磁质量的量子分布
                1、夸克理论的提出过程回顾
对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是强子世界的最基本组成部分．尽管如此，强子物理还存在一些悬而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等．
一、质子、中子不是点状粒子
1.质子和中子的发现
质子是1919年卢瑟福任卡文迪许实验室主任时，用α粒子轰击氮原子核后射出的粒子，命名为proton，这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的.卢瑟福被公认为质子的发现人.
1918年，卢瑟福在使用α粒子轰击氮气时，他注意到闪烁探测器记录到氢核的迹象.卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核.他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子.在此之前，尤金•戈尔德斯坦就已经注意到阳极射线是由正离子组成的，但他没有能够分析这些离子的成分.卢瑟福发现质子以后，又预言了不带电的中子的存在.
1921～1924年，B.查德威克协助卢瑟福做了大量从硼到钾的粒子轰击试验.当时，人们正在研究金属钾在α粒子轰击下产生的贯穿性极强的次级辐射，以为这是一种硬γ射线.例如约里奥－居里夫妇用次级辐射去轰击石蜡，打出的竟是能量约为5MeV的质子.
按照康普顿散射公式计算，入射的次级辐射流（他们以为是γ光子）能量至少要有50MeV.查德威克打破了前人的思路，根据卢瑟福1920年提出的原子中可能存在中性粒子的假设，轻易地解释了约里奥－居里的实验，即次级辐射是能量为5MeV的中子.他还把实验的轰击对象由石蜡推广到氢、氦、氮、氧等气体，并计算出从这些气体打出的反冲核的能量，与实验数据符合得很好.1932年，查德威克在《皇家学会学报》上发表了以《中子的存在》为题的论文.
对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现，这种探索从来没有停止过．在19世纪，人们逐渐弄清楚物质是由分子原子构成的．1932年查德威克发现了中子，人们认识到原子核应由质子和中子构成．人们对物质结构的研究就如剥笋一样层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化．在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？ 那么质子、中子内的这些点状粒子是什么呢？具有些什么性质？
二、夸克模型
1964年，美国科学家盖尔曼.提出了关于强子结构的夸克模型．强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都属于强子这一类．“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声．盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词．夸克也是一种费米子，即有自旋1/2．因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子．两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如π介子、J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对．凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名．原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的．由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子电荷单位）．现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带+2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷．上、下夸克的质量略微不同．中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点．
质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成．
虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的．泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的．夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的．物理学家给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了．的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念．当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷．这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界．夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学．

                                      2、现代物理学探求夸克的实验
           一、欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）预计年内竣工，这确是2007年世界科技界的一件大事.
物理学家对于它运转后可能获得的一系列重大发现，满怀着美好的憧憬和急切的期盼.因为理论上的突破、建树、延拓，离不开实验实践的步步深入；尤其是一些标志性仪器的创制，对实验探索和理论研究至为关键.凡大型的加速器，往往是粒子物理发展的必要凭借，也是其发展水准的标志之一.LHC当然如此，它预示着：由相对论和量子论之百年辉煌所造就的现代物理学，还会在本世纪迎来其基本理论深层发展的热潮.LHC是世界上迄今最庞大、最高超的加速器.27千米周长的环形隧道中安装两个粒子（质子等强子或重离子）束流管道，又配有四个非常精致、灵敏度极高的探测器（左图即为最大的探测器Atlas），中国科学家也参与其研制.两质子束分别沿两管道反向穿行，加速后对头碰撞；质子-质子相互作用的速率为109个事件/秒，而每个事件又会产生106信息组的数据.筛选、分析如此大量的数据，要求目前已相当发达的电子信息技术“更上一层楼”.再者，那么长的环形管道四周置有能产生甚强磁场的超导电磁铁，须用1.9K的液氦（有70万升之多）冷却，如此大规模的极低温设施实属罕见.建造这台“顶级”加速器，不仅是粒子物理高度发展的标志，也称得上是当今高科技、“大科学”的一个里程碑式宏伟工程.
1、窥探大自然奥秘
众所周知，绝大部分微观粒子是在加速器里发现的.经过加速和碰撞，实现粒子反应，产生新粒子，并探测粒子的性状、结构以及相互作用机制.利用加速器，不仅会发现新粒子，而且可验证，并由此修缮、扩充相关的理论模型.譬如说，CERN的超质子同步加速器（SPS）于1983年发现了传递弱相互作用的中间玻色子W和Z0，这便证实了弱-电统一理论；美国费米实验室的太电子伏（TeV）质子-反质子对撞机（Tevatron）于1995年发现了第六种最重的夸克——顶夸克（t），由以扩充了夸克模型，并确认物质的“基底”粒子层次——夸克-轻子共有三“代”.这两台加速器的能量标度分别高于W、Z玻色子和t夸克的质量.后来，在Tevatron等加速器里，没有产生质量比t更大的夸克和其他特异粒子.LHC里的质子束可加速到极其接近于光速、质子的碰撞能量高达14TeV，此标度比Tevatron提高了约10倍.其束流达到1034个质子/厘米2的甚高亮度，质子-质子相互作用的速率为109个事件/秒，而每个事件又会产生106信息组的数据.筛选、分析如此大量的数据，要求目前已相当发达的电子信息技术“更上一层楼”.再者，27千米长的环形管道四周置有能产生甚强磁场的超导电磁铁，须用1.9K（即约为-271℃）的液氦（有70万升之多）冷却，如此大规模的极低温设施实属罕见.由此可见，建造这台“顶级”加速器，不单是粒子物理高度发展的标志，也算得当今高科技、“大科学”的一个里程碑式的宏伟工程.  LHC即将运转.物理学家对它期望颇高，主要有如下几项.其一，或许会有质量大于t夸克的新夸克产生，那末，已发现的三代夸克-轻子的“代”数就该突破，抑或有四代或更多代？其二，致使W、Z玻色子等粒子获得质量的假设希格斯场的量子——希格斯粒子，其质量预言值正在LHC所达到的能量范围，似当出现.其三，所有已发现粒子的超对称对偶粒子隐蔽很深，不仅质量较大，而且有特异的性状和相互作用机制，LHC能否使其崭露其容、即便只是寻觅到间接地证明其存在的隐约踪影？其四，与以往已实现的粒子碰撞反应相比，LHC对撞反应所产生的物质气泡，其密度会更大、温度会更高，能量达到103TeV以上，可能与大爆炸后一瞬间的早期宇宙状态相仿佛.其五，LHC或许会产生多种新的特异粒子（包括超对称对偶粒子），并披露其特异相互作用机制，则为所谓的暗物质、暗能量乃至真空背景的微观机理提供较为确切的解释.凡此种种，都联系着大自然的深层奥秘，涉及宏观、微观、宇观各个物质层面；LHC乃是窥探这大自然奥秘的新窗口.
2、扩展粒子世界疆域
通过高能粒子反应产生重粒子，其实是量子场论与狭义相对论的质能方程相结合的推理结论.基于此，加速器工程的改进和增建，不断地提高其能量标度，则便使有目的地搜索、扩展粒子世界的宽阔疆域成为可能.仅凭这一点，就足以证明，相对论和量子论有无限深厚的物质基础和真理涵容，尚待进一步探索、更充分地展示.诚然，这两个伟大理论之形式结合的结晶，不限于上述之推理结论，相对论量子力学、量子场论本身、量子统一理论等皆然；的确，现代物理的基本理论研究已趋于深入.然而，所谓“形式结合”者，意指这两个理论的概念基础、基本观念相互抵牾.就量子统一理论而言，从1960年代起，弱-电统一理论和强作用、弱作用、电磁作用的“大统一”理论先后告捷，后者又称为粒子物理标准模型.虽然成功，却有美中不足之处，比如所假设的希格斯粒子等尚未发现.进而，包括引力在内的四种相互作用的“超统一”理论以“超弦-超膜”理论为首选模型，也受到普遍关注.该理论还被有些人称作“万物论”，因为它将所有已知的实物粒子及其相互作用场都囊括无遗，甚至还导出引力场和黑洞的量子性状.那末，本已容纳狭义相对论一些原理的量子场论与广义相对论亦便结合一体.所谓“超”者，假设每种粒子都有其超对称对偶粒子；又假设直观的三维空间扩张成非直观的高维超空间，弦和膜即为其中的量子客体.看来，LHC首先要承担的重任是，搜索希格斯粒子和超对称对偶粒子、尽可能辨认从高维空间紧缩并呈现为三维空间的“蛛丝马迹”.LHC倘若搜索到比t夸克更重的新夸克，因“夸克禁闭”之故，谅必以强子喷注的形式显示.物理学家希望有很多未知的强子露面，希望LHC展现一个品种增添而繁富得多的“粒子动物园”；最期盼出现的是特异粒子和特异相互作用机制，因为这关系到对宇宙早期的具体面貌以及对宏观尺度的真空背景的物质构成这两方面的细致探讨.其实，标准模型和弦-膜模型已预言数量可观的未知粒子和未知相互作用（包括非常规的粒子和相互作用）可能出现.所以，无论从基本原理还是具体理论模型，从理论研究结论还是实验探索成果，从微观层面还是宇观和宏观层面来看，粒子世界的疆域必定不断扩展、越来越宽阔.而唯有了解更宽阔的粒子世界，才能充分揭示大自然的深层奥秘.
3、物理学理论发展趋势
20世纪初叶起始的现代物理学，以相对论和量子论为理论支柱，成就了无与伦比的辉煌功业；无疑，这辉煌会延续到21世纪，现代物理的理论支柱更显稳固.这两个伟大理论依然充满着蓬勃向上的生命活力，表现在两个方面.一是应用：它们对于现代科技的应用非常广泛，新应用的生长点层出不穷，在新生长点上并形成新的学科和科技前沿领域，如量子信息论即是前景看好之一例.二是理论本身，且就此稍作评述.其一，两理论有深厚的真理涵容，有待进一步挖掘和阐发.例如，20世纪末叶由天文观测确定宇宙因暗能量驱使而在加速地膨胀，并测出暗物质、暗能量对于物质总量所占的比例数值，这就促使对广义相对论重作考查，深入研究后已得到满意的理论诠释.而LHC运转后的新发现，也会促成对粒子物理标准模型中尚存疑难深入探讨后予以适当解释.其二，两理论体系在继续拓展.例如已延拓出的相对论宇宙学标准模型、相对论天体物理、黑洞理论、粒子物理标准模型、超统一理论以及与技术应用联系较密切的量子电子论、量子光学等等，都尚待进一步充实、修缮、拓展.其三，两理论的结合体系还会延拓出新的理论领域，例如量子宇宙学、量子黑洞理论、量子真空理论等.其四，量子统一理论探索会取得更大进展，此探索或许会成为新世纪（以至更晚）物理学基本理论深层研究的主流.超弦-超膜理论的缔造者之一威腾说得明白：“弦论是21世纪的物理学，它是出于偶然才闯入20世纪的”.有人以其无实验验证而质疑之.但是优越的实验条件要待21世纪高科技总的水准一再提升以后才可逐步创造；而LHC或许会使近十余年来粒子实验搜索的（相对）冷落景况有所转机.超弦-超膜理论是粒子物理标准模型的逻辑拓展体系，采用优美的对称性数学表述，属于量子规范场论范畴.它虽然没有化解相对论与量子论的观念抵牾，却从原则上实现了引力场的量子化，并推导得出广义相对论的一些结论.而圈量子引力论是另一种超统一模型.它更推崇广义相对论的基本观念，从时空量子化着手实现引力场量子化，以达成其引力理论与量子场论相结合的结果，并可望部分地解除观念抵牾所造成的统一困难.不同的超统一模型都旨在使相对论与量子论进一步结合；这是现代物理基本理论研究最重要、也最棘手的课题，此难题从20世纪遗留到21世纪.解决此难题或许宜以解析真空本质作为切入口.当然，此难题不是短时间所能解决的，因为这归结到对一些最基本概念（诸如时空、量子场等）之认识的革命性转变.然而，本世纪的探索者或许会尽量避开上述观念抵牾的障碍，依然着力于构建一个比现有超统一模型更巧妙、更圆满的高级统一理论体系，把两个理论作为适用于不同场合的特例包容其内；这不失为一种聪明而气度非凡的设想.尚须指出一点，LHC的能量标度与实现大统一、超统一所需的甚高能量尺度相去很远，故而它还只能为弦论等模型提供间接的验证.甚至可能连希格斯粒子和超对称对偶粒子的隐约踪影也搜索不到，则便至少表明这些粒子具有比理论预言值更高的质量下限，抑或就需修改理论模型；即使如此，也算得是一项进展.可见，困难终究不小；但Einstein所倡导之统一场论的壮美建树，毕竟是现代物理基本理论之深层研究的最高目标.所幸者，相对论、量子论及其诸多延拓体系，在21世纪将会显示愈益强大的应用能力；反过来，或可另辟蹊径，亦即为基本理论本身开发多样化的深入探讨和有效验证的途径和手段.因此，以后可能会掀起大统一、超统一研究的新热潮；这研究热潮将会带来基本理论体系的卓越创新和巨大发展，而无数新奇应用更会出乎意料、出神入化.所以说，相对论和量子论还会再创新的百年辉煌，新世纪物理学必定精彩异常、前程似锦.
二、科学家“称”出了三个最轻夸克的质量
2010年05月05日 09:20　来源：科技日报　
据美国物理学家组织网5月4日(北京时间)报道，美国科学家以超细微的误差幅度成功计算出了三个最轻的夸克——上夸克、下夸克和奇异夸克的质量.此项研究将夸克质量的误差幅度从10—20倍降低到了百分之几.相关研究发表在最新一期《物理评论快报》上.有科学家认为，所有的亚原子粒子都由三个夸克组成，夸克是组成质子和中子的基本粒子.质子由两个上夸克和一个下夸克组成；中子由两个下夸克和一个上夸克组成.夸克本身“体态轻盈”，非常难以“捉摸”.100多年前，科学家就知道了质子的质量，但是要获取质子内的单个夸克的质量一直是困扰科学界的一个难题.夸克存在于与其他夸克、反夸克以及胶子(一种理论上假设的无质量的粒子)等粒子组成的“夸克汤”中，经由强作用力混杂在一起，由于它们之间的作用力太过强大，以至于科学家很难将夸克隔离开来单独研究.美国康奈尔大学文理学院院长彼得•勒佩吉解释说，为了确定夸克的质量，首先必须充分了解它们之间的强作用力.研究人员利用大型超级计算机来解决这个问题.超级计算机使科学家得以模拟质子等基本粒子中的夸克和胶子的“言行举止”.勒佩吉表示，夸克之间的质量差异大得惊人.最轻的是上夸克，其质量只有一个质子的1/470；最重的是顶夸克，其质量是质子的180倍，与整个铅原子的质量差不多.勒佩吉研究团队最终成功计算出了三个最轻的也因而最难捉摸的夸克的质量.上夸克的质量约为2兆电子伏(MeV，能量单位)；下夸克的质量约为4.8兆电子伏；奇异夸克的质量约为92兆电子伏.勒佩吉称，它们的质量为什么会有如此大的差别，目前依然是理论物理学面临的巨大难题之一.事实上，连夸克为什么有质量也还是个未解之谜，或许欧洲大型强子对撞机(LHC)可以告诉人们答案.(刘霞)
　　一张五角钱的纸钞等同于十个五分钱的硬币.但它仅仅是一算式呢，还是你真有可能把这张纸钞撕成十份，并且发现每一份都是一个实实在在的五分钱硬币？这道类比夸克和物质结构的难题不仅阿西莫夫答不上来，理论物理学家们也莫衷一是.夸克理论做出的几乎所有预言都已被实验测量证实，仅此一点就足以让我们对勒佩吉团队的成就刮目.
           3、现代物理学对于夸克理论的探究
近20年来不少物理实验说明基本粒子有其内在结构，基本粒子之间存在着某种内在联系.人们曾先后提出多种关于重子和介子内部结构的模型.最早提出强子结构模型的是1949年的费米-杨振宁模型，1956年日本的坂田模型.这些模型能够说明一些情况，但是在系统地解释重子的性质方面遇到了困难.到1964年盖尔曼等人分析了重子和介子的对称性质，在坂田模型的基础上进一步提出了“夸克模型”.按照夸克模型，强子是由夸克组成的，重子由3个夸克组成，介子由一个夸克和一个反夸克组成.夸克的重子数B、电荷Q和超荷Y都是分数.按照盖尔曼的想法，所有已知的强子都由三种更为基本的“积木块”堆积而成，即三种类型的夸克（u、d、s）和反夸克（ū、d、S ）.这一模型能很好地解释重子和介子的性质，预言Ω一超子的存在.1974年发现J／ψ粒子，需要引入第四种粲夸克c；1978年发现γ粒子，需要引入第五种底夸克b.盖尔曼认为：所有的强子都是由这三种具有一定对称性的夸克及它们的反粒子所组成.它们分别称为“上夸克(u)”、“下夸克(d)”和“奇异夸克(s)”.与坂田模型一致的是，新模型也使用三种“积木块”，但是这里的“积木块”是一种理论上的推测，属于更深一层次的基础粒子，而在坂田模型中，身为“积木块”的p、n、L却同时又是“复合粒子”，它们三个同时扮演着两种角色.但利用夸克模型，能够较好地说明许多现象，而且还预言了一些未知粒子，比如夸克模型预言存在着一个新的粒子W-，以后的实验果真找到了这个粒子.
   早在1970年格拉肖等人就提出第4种夸克-粲夸克（c）.1974年，美籍华裔物理学家丁肇中领导的一个小组和斯坦福加速器中心的B•里克特领导的另一个小组同时独立地发现一个新的粒子J／ψ，这个粒子的质量数很大，寿命很长.即丁肇中和里克特发现了第四个夸克——粲夸克(c).J／ψ 粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的.1977年莱德曼发现一种比质子重10倍的中性介子— r粒子.新粒子正是由第5种夸克-底夸克（b）所组成.为了形象和方便，人们又从量子规范理论来描述，把u、d、s、c、b称为5种味夸克，每种味又分红、黄、蓝三“色”.“色”和“味”都代表不同的量子态.这样，正、反夸克的数目就成了30种.已知的几百种强子，都是由这五种夸克构成的.比如，质子是由两个上夸克加一个下夸克组成.从对称性的观点看，似乎存在第六个夸克，虽然当时尚未发现，但已取名为“顶夸克(t)”，使所提出的夸克已有6种18类，它们的性质也显示了类似化学元素周期表的排列，这很可能表示夸克还有内部结构.可是，夸克（或层子）曾长时间没有获得实验上的支持，出现了所谓“夸克禁闭”现象.70年代，丁肇中等科学家在实验室发现了胶子存在的迹象，为夸克层次的存在提供了间接证明.1994年美国费米国家实验室宣布，找到顶夸克存在的证据.找到的“顶夸克”约174GeV，质量是质子的180多倍.c、b、t3种夸克的质量很大，称为重夸克，原有的夸克u、d、s则称为轻夸克.
   为了说明夸克的自旋统计问题，假设夸克具有色自由度，每一种（味）夸克可处于3种不同的色状态.1973年建立描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论，夸克之间的作用力是由于带有色荷的夸克相互交换胶子而产生的.胶子静质量为零，自旋为1，且带有色荷，胶子之间也有强作用.但实验上未观察到自由状态夸克，也未观察到自由胶子 ，一种可能的解释是夸克很重，目前所达到的能区还不足以把它们从强子中打出来；另一种可能的解释是认为夸克由于某种原因被囚禁在强子内部，而不可能以自由状态存在，这就是所谓夸克禁闭.解释夸克禁闭的一种看法是色相互作用犹如弦，近距离时相互作用弱，远距离时相互作用增强；夸克分离越远，弦的能量越大；而弦的断裂则产生一对新的相反色荷，也就是说以很高能量子轰击的结果，要么是不能将强子击开，要么产生出一些强子，因而夸克永远禁闭在强子内部.   
粒子物理学使人类的认识已深入到亚原子（或亚原子核）阶段，了解到物质构成的单元已小到夸克和轻子，其尺度都小于10的-17次方 cm，认识的尺度缩小到原子的十亿分之一.但因在夸克模型中，所有强子都是由夸克和它们的反粒子组成，夸克模型解释粒子静态性质取得很大成功，而对解释粒子的动态性质上则未涉及.因此，与夸克理论的提出差不多同时，1965年我国由中科院原子能所、数学所、中国科技大学近代物理系和北京大学物理系等单位的朱洪元、胡宁、何祚庥、戴元本等共39人组成的北京基本粒子理论组，提出层子模型，来研究强子结构的粒子的动态性质，并于1966年夏在北京召开的国际物理讨论会上以北京基本粒子物理组的名义提出了“强子结构模型理论”.层子模型的主要思想是：（1）物质结构有无限的层次，在粒子层次上的构成组分是层子，但层子并不是物质的始元，它只不过是物质结构无穷层次中的一个层次；（2）要解释强子的动态性质，只考虑对称性是不够的，必须涉及强子的内部结构，在最终建立起层子之间的动力学理论之前，可以通过表达层子在强子内部运动的波函数来着手研究；（3）由于强子是层子和反层子的束缚态，不能当做点粒子处理.因此要发展计算含束缚态的矩阵元的方法，自恰地处理束缚态的内部运动波函数；（4）层子在强子内部的运动，可以作为非相对论近似，但强子作为一个整体运动，必须具有相对论协变的性质；（5）不同的强子的动态性质，通过对称性及内部运动波函数有着一定的关系.
“北京基本粒子理论组”从结构的角度来研究重子和介子的衰变和转化现象，认为重子、介子都是由更为基本的层子、反层子所组成，重子、介子的相互作用归结为它们内部的层子的相互作用，还提出组成重子、介子的层子的波函数，并假定量子场论对层子也适用.这一模型对重子、介子的各种相互作用，特别对弱相互作用和电磁相互作用的衰变，进行了大量的计算，提出了一些预言，其中绝大部分计算和预言同当时实验结果相吻合，同样引起了国际物理学界的关注.1972～1975年间，中科院数学所戴元本等人对层子模型的强相互作用过程又进行了一系列研究；中科院原子能所冼鼎昌发展了用解析延拓和选择特殊坐标的方法，解决从欧氏空间延拓到闵氏空间的问题，从而利用贝特-沙披方程研究介子的波函数及其电磁形状因子；中科院原子能所何祚庥、张肇西和谢怡成应用层子模型研究了深度非弹性散射.
                  4、夸克禁闭问题的由来
科学界经过近百年研究实验，已经确认：所有重子衰变的最终产物除质子外是电子、中微子和光子；所有介子和轻子衰变最终产物也是电子、中微子和光子；中微子伴随着弱相互作用，电子和光子在一定条件下可以互相转化.在所有粒子衰变整个过程中，其能量、动量、角动量、电荷数、重子数均完全守恒，而且是朝着能量降低方向自发进行的.在人类科学实验目前所能达到的最高能量的粒子碰撞反应中，单位电荷始终是最基本的，能自由分离出来，稳定存在的带电单位.在高能粒子加速器中靠粒子碰撞反应寻找比子体能量还大得多，带分数电荷的“夸克”作为最基本粒子的想法是不明智的.经过几十年的努力，最终只找到一些少得可怜的间接证据，至今仍无法将其分离出来，并使之稳定存在.
按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换．一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多．电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色．所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”和“夸克幽禁”了．
现代物理学认为：由于弱相互作用的媒介子质量太大，夸克有幽禁，所以弱相互作用和强相互作用只在微观世界呈现.不过宏观上的现象也有，原子弹爆炸，就是宏观的强相互作用现象.在强相互作用中，红夸克与红夸克也是排斥的，所以在介子中，只有红夸克与反红夸克才束缚在一起.强作用力存在于夸克之间，它是原子核内起维系作用的力量，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起.夸克之间越接近，强作用力越弱.当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以至于它们完全可以作为自由粒子活动.这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性.与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力就越强.有人认为夸克之间越接近，强作用力越弱，是由于进入凝聚态，色电、色磁耦合削弱了强相互作用之故！此时也不是单个夸克的自由活动，而是无色的夸克对或环的自由活动，而且适用玻色统计.色胶子和夸克在极度接近时（此时它们具有极高的能量和色温）发生色电、色磁耦合，表现为吸引，强相互作用极大地削弱！而将色电、色磁耦合的色胶子和夸克分离需要极大的能量，这就是“夸克禁闭”和电子极难粉碎，无法观测到单独的夸克和胶子.没有达到极度接近时（例如大于11倍普朗克尺度——11LPL），要想使粒子能进入11LPL尺度附近或之内，就要给粒子以足够的动能（使之具有极高的能量和色温），这就显示着越接近，强相互作用为强斥力；而更远距离，核力又显示着微弱的吸引力（弱相互作用）美国的三位物理学家因为研究这个问题荣获2004年诺贝尔物理学奖金.笔者认为此时应当是电磁力与强相互作用的合力. 《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：７３．自由夸克能否直接在实验中被发现？
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的．耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效应引起的．真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应．与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）．由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”．渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算．但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难．量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难．
“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去．红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的．一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸．实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验．不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的．夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论．有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸克之间有线性禁闭势存在；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁．关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分．
按照冼鼎昌院士的说法，夸克模型是在当时不知道在强子内部是否有新的力学规律在起作用的情况下，朱洪元院士考虑到在当时已知的最高能量下，物理实验结果表明量子数、本征值、几率波这些概念仍然有效，猜想在强子内部的小尺度范围中，用波函数描述状态、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效，于是朱洪元院士才提出引入强子内部的结构波函数来描述强子内部结构的状态的.朱洪元院士认为，在引入波函数以描述运动着的强子时，应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念；通过对已知实验数据的分析，可提出层子在强子内部的运动速度远小于光速，是非相对论性的；但强子的整体运动，可以是相对论性的，这样，可以在强子的静止坐标系中定出非相对论性的结构波函数，然后通过洛伦兹变换得到作自由运动的强子的波函数.目前科学界提出了夸克理论，指出存在且已验证存在六种夸克，对于每一种夸克，都存在着相应的反夸克，反夸克的质量、自旋同于夸克，而电荷、奇异数和重子数的数值相同、符号相反，在强相互作用中奇异数守恒.夸克带有分数 electric  charge，夸克之间的相互作用随着夸克之间的距离增加而增加，以致巨大的撞击能量未分离开夸克，而产生两个或三个夸克组成的强子，夸克之间存在着强相互作用，靠这种相互作用，每一个介子由一个夸克和一个反夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成.这个理论又称为夸克的禁闭理论.按照这个理论单个夸克是是不能从强子中分离出来的.李政道认为：“现在所知道的基本粒子有6种轻子、6种夸克，但是夸克不能单独存在，是看不见的，这很奇怪.”，把这个问题列为21世纪科技界面临的四个问题之一. 1994年美国物理学家Seiberg和Witten的一系列工作在严格求解量子场论方面取得了突破，第一次从理论上证明了磁单极子的凝聚给出夸克禁闭.
所谓夸克的概念只是量子论的推论出的某个结论！在实验中并没有找到自由的夸克又怎么可以确定自由夸克的静质量呢？夸克模型本质上是建立在变种的量子力学的基础上的.几十年来的实验只是提供了一些非常间接的证据来证明夸克的存在并没有发现自由的夸克存在！而且用夸克处理核物理问题困难重重！更重要的是夸克的概念违背了世界简单和谐统一的美的要求！世界真的有那么多种类的夸克？今天夸克的概念就如同二十世纪初的以太概念一样严重的阻碍和束缚着我们对世界形成统一认识！
5、现代物理学对于量子化的困惑
美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、"类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的1015倍"、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题.日本著名理论物理学家益川敏英说，理论物理学的主要任务，是阐述应用物理学中发现的新现象及其产生的原因、所需具备的条件等.但在很多证明过程中，由于条件不充分，不容易解释现象背后产生的问题，只有经过漫长等待之后，才会发现最终的结果.
费曼断言“没有人理解量子理论”. 量子：泛指这样体系，这个体系在运动、变化和相互作用的过程中，保持其体系的整体结构、大小、和物理性质不变的整体总称为量子.在薛定谔方程中，只有原子中电子具有某些离散的能量值时，方程的解才有意义.由薛定谔方程能得到Bohr氢原子理论.电子与质子的电磁质量相等，当亚核粒子带电时，它所带的 electric  charge总是正好等于一个电子或一个质子的 electric  charge.卢瑟福认为：物理学家们陷入了矩阵力学和波动力学的迷雾，陷入了数学运算之中.他们可以保证结论的正确性，但同时却不理解这些结论后面的物理现实.
普朗克在1920年6月2日为答谢诺贝尔奖的著名演讲中说："对于一个不愿违背事实的评论家来说，除了肯定作用量子之外，没有别的选择.在各种各样的过程中，对于作用量子都得到了相同的结果，即它的量值是6.52× 10-34焦耳秒.这是一个名副其实的物理学普适常数.说起来也是一个巧合，正当广义相对论概念刚刚建立并导致了传奇般结果时，自然界却在最无希望的地方出现了一个'绝对'，即出现了一个不变的单位.事实上，有了这个不变的单位，包含在时空元中的作用量子就可以用一个完全确定的非任意数来表示，因而也就抛弃了它(到现在为止)的相对性.”
提出能级跃迁理论的玻尔讲到：“谁不对量子力学困惑，谁就不懂量子力学”，提出波函数的薛定谔坚决反对状态共存，海森伯认为量子力学不是对自然的真实描述，波恩将电子的干涉和衍射解释为发现粒子的概率，狄拉克认为量子力学的形式不是最终的形式.可见，历史上量子力学的创立者和对量子力学作出过贡献的人们没有一个人对量子力学持肯定态度，对于量子力学的形式只是一种无奈.从这些物理大师们的态度上都表明一切有理性的人们都坚持物理的实在性，他们都没有把量子力学当作真理，Einstein还说：“我坚定地相信，有人会找到一种比我的命运所能找到的一种更加符合实在论的方法，说得妥当点儿，是一种明确的基础”.对于由量子力学演绎出来的被当作最有希望的前沿理论“超弦”，诺贝尔奖获得者温伯格讲到：“所谓超弦（superstring）理论，最终提供了一个数学框架.它能用量子力学的术语描述引力，就像描述其它场一样，但是必须承认的是，所有这些辉煌的纯物理，还不能用精确的数字预言任何新的东西，更谈不上实验的验证，因而也不能让我们确信我们走在正确的路上”（《亚原子粒子的发现》[美]斯蒂芬•温伯格  杨建邺 肖明 译 P209）.
    在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，甚至改变了整个物理世界的基本思想.它的观念是如此地革命，乃至最不保 守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意.现代文明的繁盛是理性的胜利，而量子论无疑是理性的最高成就之一.但是它被赋予的力 量太过强大，以致有史以来第一次，我们的理性在胜利中同时埋下了能够毁灭它自身的种子.以致量子论的奠基人之一玻尔（Niels Bohr）都要说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论.”
“Einstein的脑力实验正是歌德所明确定义的，打开科学大门的钥匙：‘科学上的任何成就取决于对事物现象本质的直觉，而具有这种直觉会有无限收获的.’”【1】怀特海说过：“一个质子甚至一个电子，都可能是这种（振动的）原始体互相叠加的组合.” 恩格斯讲：“在物理学中，我们也不得不承认有某种——对物理学的考察来说——最小的粒子；它们的排列制约着物体的形态和内聚力，它们的振动表现为热等等.”波尔认为：如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论.¬
北京师范大学物理系教授赵峥曾经讲过：“人类探索自然的过程，一般都是这样进行的.开创性的发现大都是在不十分成熟的条件下取得的.对当代自然科学前沿有所了解的哲学家，几乎是凤毛麟角.这一现象肯定会影响哲学的发展，当然现代科学技术发展迅猛，要求每一位哲学家了解其中的精髓也是勉为其难的事情.这个问题需要解决，否则哲学不可能健康发展. 著名的量子论专家也说：有人告诉我他懂得量子论.他错了，我敢说世界上还没有一个人真正懂得了量子论.”
杨振宁院士认为，20世纪物理学真正辉煌的基调是三条主线，即三个主旋律：一个是量子化，一个是对称性，一个是相位因子；这三条到21世纪还要继续有决定性的影响.中国科学院院士、两弹元勋于渌先生，最近在浙江大学召开的2009杭州量子物质研讨会上说：“科学技术的革新，很多都来自物理方面的基础研究，而物理学研究的核心领域之一就是量子物质.” 电子的电磁质量问题，利用经典电动力学的讨论在100年来有很多文章，但电子的电磁质量问题不合适用经典电动力学来讨论，应该用量子场论来讨论，即使是量子场论，也只能用重整化来讨论，也不是很令人满意.这是一个古老而又焕发青春的问题.
我们说“一个粒子惯性质量为m”，是指在无穷远处观察该粒子，粒子携带的质量加上它的场能之和才是它的惯性质量m.电磁质量应该是电量分布的函数，电量分布也决定电磁场分布，所以电磁质量应该与电磁场分布有关.运动电子，按照相对论，会变成椭球体，电量分布发生变化，其电场分布也不再是球状，所以电磁质量与它的运动速度有关.电磁质量也是会变化的.假如一个箱子里面有电磁驻波，那么箱子里面有电磁质量.当箱子运动起来后，电磁质量会增加.运动的电荷与静止的电荷其周围电磁场分布不同，电磁质量也就不同.所以电子的电磁质量是与运动状态有关的.
尽管电子电荷值不变，但是运动的电荷与静止的电荷其周围电磁场分布不同，电磁质量也就不同.所以电子的电磁质量是与运动状态有关的.电磁质量并非由电荷大小唯一决定，而是由电磁场分布决定，电磁场的分布也可能含有 (负)的结合能，所以也会发生“系统总质量不等于各部分质量之和.
从电荷的量子化、Planck的黑体辐射理论到Einstein的光电效应、Bohr量子化轨道理论，反映了对电磁质量的数值在实数集上量子分布的认识过程，但是始终没有指明引力质量与电磁质量的区别.
美国物理学家席夫在假设入射光为单色线偏振光射到原子的K层电子上，得出电子数与入射光频率的定量关系式，其结论是：“在光强P一定时，光电子数N正比于V^-9/2，即随着频率的增加光电子数迅速减少.”也就是说“并不是入射光的频率越高，光电效应越明显”.目前其它相关试验资料证明：频率过高，有些物体的光电效应反而会减弱直至停止.这种事实说明Einstein光电效应方程存在缺陷.笔者认为这一现象符合电磁质量的量子分布，不在某个能级范围内，电磁质量不能吸收.叶荣科先生也认为根据金属原子吸收光谱特性，每一种金属产生光电效应所对应的入射光频率不是连续的，是选择性的.如果入射光的频率不符合金属原子吸收光谱中所对应的频率，则无论入射光的频率多高均不能产生光电效应.
参考文献：
【1】《Einstein传》 49页【美】A•弗尔辛 著  薛春志  遥  遥 译  时代文艺出版社出版，1998年10月第1版
                              6、 电磁质量量子化认识过程简要回顾
物理学的发展与人类社会的发展背景密切相关，也同样充满着新与旧，正确与错误甚至是水火不容的斗争.物理理论的逐步完善符合个别到一般，一般到个别，实验——认识——再实验——再认识的规律.
1、电荷的量子化
关于电荷不是无限可分的，而是以离散的单位存在的第一个实验证据是法拉第得到的.法拉第于1833年发现电解定律，即当电流通过导电的化合物溶液时，在一定时间内电极上释放出来的物质质量，与电量成正比、与物质的化学价成反比.对此法拉第认为，在电解过程中导电溶液的原子或原子团都携带一定的电荷，带电的原子或原子团称为离子；电解时，正离子朝阴极运动，负离子朝阳极运动；在电极上，正负离子转变成中性原子（或根）被释放出来，或参与第二次反应.
电解定律暗示存在电荷的基本单位，正如亥姆霍兹所指出的那样：“如果我们假说化学元素原子是存在的，就不得不得出这样的一个推理，电荷无论正负都是由基本电荷组成的，基本电荷的行为类似于电的原子”.然而，在法拉第试验的年代，电荷以离散的单元而存在的概念，似乎与来自其他的电学现象（如金属导电实验中显示出电流的连续性）不完全符合.因此，法拉第等都只是勉强地接受这个概念.事实上，电荷的“自然单位”存在的假设，只是到1874年才由斯托里提出.
对电荷本质具有决定意义的是关于气体导电的研究.随着“盖斯勒真空管”的发明，于1859年开始真空放电研究，对于阴极管壁上产生的辉光，认为是阴极上所产生的某种射线射到玻璃上引起的，称之为“阴极射线”.对于“阴极射线”的本质，存在“带负电的粒子流”和“电磁波”两种观点，后来的实验不断否定“电磁波”的看法，特别是伦琴于1895年发现了X射线，为揭示阴极射线的粒子性提供了一定的证据.
对电子发现作出重大贡献的是英国物理学家J•J•汤姆孙.他首先通过实验发现了阴极射线不仅可被磁场偏转，也能被电场偏转，从而断定这是一种带负电的粒子；其次，他测定了这种荷电粒子的荷质比，其值比氢离子荷质比大1000多倍；他还发现，阴极射线的荷质比与放电管中的气体和电极材料均无关.由此，汤姆孙于1897年4月在英国皇家学院的一次讨论会上宣布：阴极射线是一种带负电的粒子.后来，人们普遍采用斯托里对阴极射线的称呼“电子”.
在确定电子的荷质比之后，汤姆孙和他的学生试图直接精确测量电子的电荷，结果却失败了.1909年，美国物理学家密立根通过油滴实验，精确测定了电子的电荷.
1913年R.A.密立根从实验中测定带电体的电荷是电子电荷的整数倍，即 q=ne ,n=1,2,3,….电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质叫做电荷的量子化.电子的电荷绝对值e为元电荷，或称电荷的量子.e≈1.602×10-19C.
2、电磁辐射的量子化                                 
引力质量在实数集上连续分布造成space-time弯曲，电磁质量在实数集上量子分布使空间结构表现为不同的能级.电磁质量的速度只有0与光速两种状态，带电体在electric  field中加速运动的本质是电磁质量的能级发生变化，这样可以解释原子核外的电子一般不辐射electromagnetic   field，只有能级降低时才辐射electromagnetic   field，能级增加时吸收electromagnetic   field，例如光电效应. 电子从高能级跃迁至低能级，释放电磁质量（光子），从而保持电磁质量不变.在同一能级内作加速运动的电子，很可能处在电磁“辐射”与“吸收”的动平衡之中.虽然在总体上并没有表现出电磁辐射的存在，但是并不表明根本没有电磁辐射与吸收的过程存在.现代物理学认为经典电动力学中点电荷模型成立的条件是：考察电荷运动的尺度远大于电荷本身的尺度.而在原子尺度内，电子已不能看成点电荷了，所以不能用经典模型，而必须用场分布模型.现在的量子理论主要处理场的本征态，所以是一个代数问题，因此流行的观点认为微观过程是离散化的（量子化）.我的观点是：物质是4维存在，其性质只有用分布场量来描叙才是完整的.只是因为本征态之间的跃迁过程很短，而本征态只涉及代数问题，比连续方程容易求解，所以关于微观粒子主要发展了量子理论. 按照经典电磁辐射理论，如果粒子的加速度与运动速度平行，比如电子在电场中的运动，辐射功率为：
   ,如果加速度与速度垂直，比如电子在磁场中的运动， 辐射功率为：  ,式中 是推迟速度， 是推迟加速度.然而实验上只发现带电粒子做直线周期性振荡运动时，以及在与介质碰撞的减速运动时会产生辐射，并没有发现带电粒子在均匀电场中做匀加速运动时也会产生辐射.
Einstein认为：“凭这一小点既不保险而又互相矛盾的理论基础，居然足以使玻尔这样一位具有独特直觉和洞察力的人发现了光谱线的主要规律，⋯⋯，这对我来说真是一个奇迹.”
量子场论的发展是从电磁场的量子化开始的，它是由狄拉克在1927年首先实现的.他把电磁场分解成无穷多种振动方式的迭加.然后把每一种振动方式仿照海森堡的做法进行量子化，使其能量取一系列分立的数值.频率为ω的振动方式受到激发，跳到高一个能级，就相应于产生了一个频率为ω的光子.激发消失时，该振动方式跳回到原来的能级意味着一个光子的湮灭.1928 年约当和维格纳(E.Wigner)引入了电子场的概念，认为狄拉克提出的电子的相对论量子力学方程，实际上是电子场的运动方程.他们仿照电磁场量子化的方式，建立起了电子场的量子化理论.电子场的激发相应于电子的产生、电子场激发的消失相应于电子的湮灭.电磁场是矢量场，由它经过量子化得到的光子是自旋为1 的粒子.而电子场是旋量场，量子化后得到的电子是自旋为1／2 的粒子.这两种粒子遵从很不相同的统计物理规律.光子是玻色子，而电子是费米子.此外，电子场的量子化还自然地导致两种粒子出现，即除了电子之外，还有它的反粒子-正电子.光子的反粒子就是它自己.1929 年，海森堡和泡利进一步研究了电子与电磁场之间相互作用的量子理论.对应经典电动力学，通常人们把这种理论称之为量子电动力学或QED.在QED 中，电子以电流的形式与电磁场相耦合.电子之间的相互作用过程都可以看成电流之间通过电磁场为媒介发生耦合.
《量子力学》认为两个电荷之间通过交换“虚光子”作用的，即加速运动的电荷向外辐射出“虚光子”（能量为零的光子）——其实根本不辐射任何粒子.这也证明，加速运动的电荷不辐射能量.《电动力学》当然知道其中的困难，并把这称为“自身的局限性”，但又无法抛弃这个观点（即加速运动的电荷向外发射能量），这是因为，如果抛弃这个观点的话，它将面临一个更大的困难—电磁波是如何产生的呢！在“量动”下，“地球观察者认为电子相对于自己有加速运动”并不一定会得出电子一定就发射“光子”的结论，他还要考察这个电子联系的场函数的变化.比喻在量动中，用“虚光子”概念，推导出两个电子的散射公式.其中虽有“电动“概念下的“加速运动”，但却并没有“实光子”的地位，但也和实验符合的很好.
    电子的动量仅指引力质量的动量，此时电磁质量无动量，引力质量的速度为0；因为电磁质量在度量空间中运动，它的能级没有变化，所以一个系统的总电磁质量不因带电体的运动状态改变，电磁质量不满足Lorentz  transformation，电磁质量的动量是数量，等于QC；electric  field的动量是向量，是电磁质量动量在引力场中观察到的space-time量子形式.
      理论物理发展到分析力学的阶段，最小作用量原理和欧拉-拉格朗日方程，哈密顿方程逐渐升起，经过普朗克写出狭义相对论力学的拉氏量，希尔伯特写出广义相对论的拉氏量后，渐渐占据了主要位置.其中，在欧拉-拉格朗日方程中，广义坐标，广义速度是关键变量.在哈密顿方程中，广义动量和广义坐标是关键变量.他们之间差别在一个拉朗德变换.量子场论的出发点，就是把波函数 算符化，其中 作为广义坐标和 作为广义速度，构建拉氏密度.这个是波恩，约当等为了量子化电磁场而开始的.因为电磁场是连续变量.后来对狄拉克方程的研究，特别是兰姆位移的出现，导致了费米子场的量子化.总结发现，拉氏密度主要有以下形式：标量场拉氏密度，旋律场拉氏密度，矢量场的拉氏密度.这些分别是从原有的克莱因-戈登方程，狄拉克方程，麦克斯韦方程反推而来的.最小作用量原理成为主流后，经过多年的发展，对如何构建拉氏密度，逐渐形成了一定的经验.
因为根据未来的统一场论，电力是引力的一个分量，那么电子就如普通质量一样，不应该发射电磁波.但是，这是仅对低级近似而言的.如在广义相对论中，质量粒子的加速，没有考虑它会发射引力波，但在高级效应中，加速的质量应该发射引力波.所以，在高级效应中，电荷在引力场中也应该辐射电磁波（当然要扣除那种导致能量不守恒的自我加速效应）.如果能量守恒把物体辐射的电磁波考虑在内，由于对于电磁力宇称是守恒的，电磁波向空间各个方向辐射是等可能，因此电磁波的动量应当为0.按照经典的电磁理论，带电体每秒辐射的能量为E=2q2a2/（3c）×10-1J.s-1，根据狭义相对论经过时间t，带电体的质量为由质子组成的物体速度应当大，能量仍然不守恒.有人认为引力质量相等是有条件的，在某参照系中A,B两质点的静止质量相等，那么要A,B运动起来质量仍然相等，需要它们在该参照系中运动速率相等.如果由质子组成的物体B做加速运动，向空间辐射电磁波，那么它的运动能量将会减小，即它的速率会减小，向空间辐射的电磁波的能量来源于B的动能，或者如果有某种驱动B运动的机制，那么能量将进而来源于该机制，但总的能量是守恒的.那么这种机制又是什么呢？根据上面的理论，电磁质量在引力场中运动，它的能级没有变化，所以不辐射electromagnetic  field.在地球的表面磁场近似认为均匀，原子在地磁场中运动但是并非连续辐射electromagnetic   field，这一现象证明了上面观点的正确性. 由此可知，在自由落体的升降机内，测不到静止 electric  charge的辐射，进一步验证了广义相对论的正确，因为这一问题是众所周知的广义相对论正确与否的一个悬案.王仁川先生区分了space-time变量和space-time参数，常规可测量和广义量，在此基础上圆满地解决了这个问题，电磁波的波印廷矢量为零，所以不辐射电磁波.【2】，因此它实际上验证了上面的理论的正确性.正如Bohr所讲的：“一切矛盾的消除，是由表述形式的数学一致性来保证的，而这种描述在它自己的范围内的详尽无遗性则由其对于任意可设的实验装置的适用性指示了出来.”
    粉碎电磁波【3】是一种新的电磁波，是由无穷个源以无穷个相位在一个局部范围有限空间内发射的波，它与普通电磁波有完全不同的性质，波动性几乎已消失，而以粒子性为主.当粉碎电磁波谐振子能量小于导体内局部电子浓度起伏能量时，导体就不会接受粉碎电磁波谐振子能量，这样它穿透导体的能力几乎大了一百倍.同时它的传播是以粒子扩散方式进行的，因为粉碎电磁波是一团在空间自我碰撞的电磁波谐振子，使它具有一种保持在地球原来位置的特性，因此它具有与运动载体反方向运动的趋势.粉碎电磁波的存在进一步验证了电磁质量的量子化分布的特性. 以波尔为首的哥本哈根新量子论学派是一群科学界最彻底的思想革命者，他们用科研实证否定了传统的自然哲学思想.实际上，量子力学规律的存在已经强烈暗示了存在一种与经典连续运动完全不同的新的运动形式，甚至是更基本的运动形式，它将为我们提供一幅单独的实在图景，并且它可以自然地表现出在经典框架内看来是互斥的性质.量子力学并没有阻止我们去寻找这种运动形式，阻止我们的只有我们自己，我们的偏见，我们的自傲，还有我们的无知.现在，量子运动及其规律的发现无疑用事实揭示了互补性思想的局限性，同时它让人们不得不痛苦地放弃经典连续运动的唯一性偏见，但这种痛苦是短暂的，它所给我们带来的对实在理解的快乐却是永久的.                       
参考文献：
【1】《Einstein传》 49页【美】A•弗尔辛 著  薛春志  遥  遥 译  时代文艺出版社出版，1998年10月第1版
【2】王仁川  著.《广义相对论引论》中国科学技术大学出版社  1996年版
【3】朱永强等，粉碎电磁波的性质和应用、物理学报，2001年5月，P832—836
【4】赵凯华、陈熙谋.电磁学（第二版）.北京:高等教育出版社,1985年版.
【5】 虞福春，郑春开.电动力学.北京：北京大学出版社，1992.10.
【6】戈鲁（Guru , B.S）赫兹若格鲁( Hiziroglu , H.R）著；周克定等译.电磁场与电磁波.北京：机械工业出版社，2000.8.
                        7、经典电动力学电磁波辐射理论的质疑
      1881年，J.J.Thomson在《哲学杂志》上发表一篇论文《论电体运动产生的电和磁效应》，文中根据Maxwell的电磁理论，提出一个运动的带电物体的（引力）质量随速度的增加而减小，因而第一次提出了电磁质量的概念，但是这一现象与狭义相对论显然矛盾.假设在一个强引力场中有两个物体，一个不带电荷，另一个带有电荷，它们的引力质量相等（较小，它们之间的引力作用可以忽略），分别位于A、B两点，观察者处于强引力场中，两个物体同时由静止出发相向运动，它们所受的力相等.按照狭义相对论，它们的引力质量在任何时刻都相等，引力能量相等，可是由带电的物体将不断地辐射电磁波，那么能量从何而来？如果能量守恒把物体辐射的电磁波考虑在内，由于电磁力满足宇称守恒, 因此辐射电磁波的总动量应当为0，由带电的物体速度应当大，能量仍然不守恒.
       现代物理学认为：同一能级内做加速运动是同一能级的电子交换能量，不能引起辐射电磁波；若跃迁（在加速且不在同一能级）加速运动的电荷能够辐射电磁波….经典电动力学并非总是认为加速运动的电荷能够辐射电磁波，比如电荷在稳恒磁场中受洛伦茨力的作用作加速运动——即匀速圆周运动，此时带电粒子并不向外辐射电磁波.复旦大学博士生导师辜英求教授认为：经典电动力学中点电荷模型成立的条件是：考察电荷运动的尺度远大于电荷本身的尺度.而在原子尺度内，电子已不能看成点电荷了，所以不能用经典模型，而必须用场分布模型.现在的量子理论主要处理场的本征态，所以带有很强的代数特点，因此流行的观点认为微观过程是离散化的（量子化）.物质是4维存在，其性质只有用分布场量来描叙才是完整的.只是因为本征态之间的跃迁过程很短，而本征态只涉及代数问题，比连续方程容易求解，所以关于微观粒子主要发展了量子理论.但这是不彻底的，我们甚至不知道质子和电子是什么东西，也不知道Pauli不相容原理的原因是什么.在物理界大家信奉Feynman的‘少说话，多计算（Shut up  and calculate）’的政策,只会计算，但没有人能解释清楚量子的本质.这多少有点自欺欺人，因为科学的最根本目的是理解大自然的工作原理，而不是搞一个‘知其然而不知其所以然’的理论.
只有当我们改变磁场大小，电荷被迫作径向运动时才做功向外辐射电磁波.这个经典图像可以作为理解原子的核外电子为何只是在能级跃迁时才会发射或者吸收光子.等势面的环路积分为零，是保守力场，无能量损耗，无论是天体的开普勒运动，还是同能级的电子运动，都是这样.但电子在加速器中的回旋运动，是非保守力场的运动，其加速获得的能量和电磁辐射（同步辐射光）的能量都来自于加速器.
定态的量子力学并不明确阐述电子是否在同一能级内做加速运动.其实不要任何其它假设，只需海森堡的一个假设——即测不准关系，也可以很好地诠释氢原子的稳定性.根据 △E△t≥h/2 ，稳定的氢原子能级没有跃迁时有稳定能级，表明△E=0.这就意味：△t=∞.氢原子的稳定性和时间变化无关.这些都说明了经典电动力学的局限性.在同一能级内作加速运动的电子，很可能处在电磁“辐射”与“吸收”的动平衡之中.虽然在总体上并没有表现出电磁辐射的存在.在加速器中运动的电子都要辐射,但辐射频率是连续的,有各种光子.在原子内只能辐射特定的光子.自由态的额电子可以发射各种频率的光. 从电磁辐射这方面来说，电子在做圆周运动的时候，有一个加速度：径向：a=mv²/r,切向：a=mdv/dt，根据麦克斯韦的经典电磁理论，可知电子在运动中将辐射出电磁波，从而损失能量，这种能量的损失叫做辐射损失，当做匀速圆周运动时，辐射的功率等于：p=4.22*10e-24*E^4/R，上式中的p的单位为eV/s,E是电子的能量，单位为eV,R是轨道的半径，单位为米，电子回旋一周的能量损失为:W=8.85e-32*E^4/R，从上面可以看出，电子的辐射损耗随电子能量的增加而迅速增加.1947年4月16日，在美国的通用电气公司的实验室中，当科学家在调试一台能量为70MeV的电子同步加速器的时候，有一个技工从特制的透明真空室（为了方便观察七种装置）中某个反光镜看到了在水泥防护墙内的加速器发出强烈的“蓝色的弧光”. 后来经过科学家的验证，发现这并不是气体的放电，而是有加速运动的电子所产生的.随后的研究表明这种辐射光的颜色可以随电子的能量不同而不同，例如，电子能量为30时为黄光，为40时为红光，再低就什么都看不到了，进入了红外区.因为这种光是在同步电子加速器上发现的，所以它就被命名为了“同步辐射光”.
在一个参照系中，如果电荷是静止的，那么电荷的电场是空间稳定的电场，不会发出辐射，如果电荷在某个参照系中有加速运动，那么电荷将会发出辐射.根据经典电动力学，自由真空中的电子，如果给它一个加速度，它也能发射电磁波，进一步造成自我加速，一边加速，一边产生电磁波，这里能量的确不守恒.这是经典电子论的缺陷.在一些书上有描述.在自由降落的升降机内，虽然相对地球升降机是一个非惯性系，但是根据广义相对论的“所有参照系等价”原理在升降机这个参照系中，电荷是静止的，那么电荷不会发出辐射，这是符合经典电动力学的.而按照狭义相对论，电场和磁场本质是统一的，因此在升降机参照系电荷具有稳定静电场，而在地球参照系中电荷具有辐射.传统的非惯性系电动力学无法证明，在自由落体的升降机内，测不到静止电荷的辐射，说明传统的非惯性系电动力学没有抓住电磁辐射的本质.有人认为在自由降落的升降机内不能观察到静止电荷的电磁辐射，与经典电动力学和广义相对论都不冲突——因为经典电动力学是处理平直空间中的电磁辐射过程的.实际上，静止处于引力场中的荷电粒子并非作测地线运动，严格地将，存在电磁辐射，只不过在弱引力场（如地球）中的表现可忽略而已.可是在原子内的同一能级内为何不存在电磁辐射？科学理论的唯一出路是，物理理论必须处处成立，包括宏观与微观(因为二者没有绝对的界限)，这才能满足对应原理，电磁理论才具有和谐性，著名的理论物理学家Abdus   Salam认为：“我认为我们的理论只是引向内在和谐的阶梯、、、.对内部和谐的信仰过去曾带来过好处.我相信，将来也会是这样.”Newton认为：“科学的终极基础，就是关于大自然将在相同条件下，显示出相同效应的预期.”Bohr认为：“科学解释的本意，就在于 将比较复杂的现象解释为比较简单的现象”.
笔者认为，带电物体在引力场中加速运动并不辐射电磁波，因为引力质量与电磁质量之间没有作用力，所以上面的实验很容易解释，电荷在电磁场中运动只有所在位置的能级不同才辐射电磁波.经典电动力学的观点有一定的局限性，它只是能级不同的一个宏观效应.通过电磁质量的量子化，实际上已经把Maxwell,s  equation与Bohr的原子模型统一在一起，周期性变化的electric  field辐射electromagnetic  field的实质是电磁质量的能级发生变化.现代物理学的能级理论与经典电动力学加速运动的电荷辐射电磁波之间的矛盾并没有真正得到解决，经典电动力学的观点是错误的，电磁质量的量子分布才是问题的本质.
下面的理想实验用现代物理学理论无法解释，而用上面的理论很容易解释：假设一个带电体在引力与电磁力作用下匀速运动，按照Maxwell电磁理论带电体不会辐射electromagnetic  field，但是它的能级发生了变化，应当辐射electromagnetic  field；相反一个带有大量 electric  charge的带电体围绕另一个带有大量相反 electric  charge的带电体做圆周运动，由于能级没有变化，也不会辐射electromagnetic   field，这一现象可以运用实验证明.电磁感应与量子跃迁本质是一致的，一个带电体在匀强电场中垂直于电力线方向作加速运动，由于能级没有变化，也不会辐射电磁波.现代物理学认为同一能级上的电子不辐射电磁波是一种误解，兰姆位移就是电子在同一能级上加速的结果，笔者认为此时并非真正的同一能级，而是几个不同的能级，只是差别太小.
笔者认为，夸克的禁闭与电磁质量的数值在实数集上量子分布有关，当能量达到一定程度时，夸克也会分离出来，例如欧洲粒子物理实验室的科学家在让铅离子相撞时，短暂产生的温度超过太阳中心温度10万倍，能量密度达到一般核物质的20倍.在这极不寻常的情况下，他们发现名叫夸克和胶子的最微小粒子在转瞬间飞快自由转动，然后，这些小粒子便粘在一起.他们相信这就是构成原子的基础物质.对应原理是正确的，但是Bohr对于原子辐射现象的解释是错误的，本质在于电磁质量的数值在实数集上量子分布，electromagnetic  field在发射与传播过程中以光子的形式.
作自由落体运动的带电物体，可以辐射电磁场的现象是一个熟知的事实，这个现象是可以用实验观测的.笔者认为这是因为带电物体在电磁场中运动的结果，如果屏蔽掉地磁场，则不可能观察到.
8、磁单极子的存在性问题
　《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：９３．自然界手征不对称起源的关键是什么？ ６９．磁单极是否存在？
关于科学美的层次和分类，哈奇森认为，科学家感知的美的对象分别处于抽象程度不断增加的三个层次中.位于最低层次上的对象是构成科学题材的那些实体和现象，例如星星在夜空中以高度的多样性中的一致性排列.第二个抽象层次上的对象是自然定律，它在现象中不能直接看到，但是在理论提出的模型或阐明中变为明显的对象.第三个是数学定理和科学理论本身.在这里，他实际上区分了现象美和理论美.杨振宁建议，存在三种美：现象之美，理论描述之美，理论结构之美.当然，像所有这一类讨论一样，它们之间没有截然明确的分界线，它们之间有重叠，还有一些美的发展，人们发现很难把它们归入哪一类.科学美主要体现在实验美、理论美和数学美三个方面.实验美包括实验现象之美、实验设计之美、实验方法之美、实验结果之美.理论美分为描述美、结构美和公式美.数学美包括理论的数学表达的质朴美、和谐美和涵盖美.引用一下迪昂对于结构美的描绘： 秩序无论在那里统治，随之都带来美.理论不仅使它描述的物理学定律更容易把握、更方便、更有用，而且也更美.追随一个伟大的物理学理论行进，看看它宏伟地展现了它从初始假设出发的规则的演绎，看看它的推论描述了众多的实验定律直至最小的细节，人们不能不被这样的结构之美而陶醉，不能不敏锐地感到这样的人的心智的创造物是真正的艺术品.
电磁一元论的历史比较短，H.C.Oersted先生在1820年7月21日发表了《关于磁针上电碰撞效应的实验》，1864年J.C.Maxwell先生发表了《电磁场的动力学理论》，为确立电磁一元论的统治地位奠定了理论基础.1892年H.A.Lorentz先生发表了《Maxwell电磁学理论及其对运动物体的应用》一文，创立了电子论的基础.J.J.Thomson先生在1892 年测定了电子的荷质比，证实了Lorentz先生的电子假说.1927年G.E.Uhlenbeck先生和S.Goudsmit先生发现了电子自旋，随即磁本质被诠释为电子自旋.1928年P.A.M.Dirac先生创立了相对论性量子力学，同年W.Heisenberg先生以1927年Heithler先生和London先生提出的电子波交换作用能为出发点创建局域电子自发磁化理论模型.1936年F.Bloch先生开创了自旋波理论.1951年C.Herring等人提出了无规近似方法,创立了RPA理论.1973年T.Moriga等提出了比RPA理论更进一步的自洽的重整化的SCR理论.至此, 电磁一元论取得了绝对优势的统治地位.
电磁二元论要比电磁一元论源远流长.早在1780年C.A.Coulomb先生就断言电与磁是完全不同的实体，并在1787年的《论电和磁》的论文中发表了静磁作用和静电作用两个形式相同的数学定律. 而电磁二元论关于磁荷模型历来存在两种针锋相对的观点.
第一种是磁单极子（北磁子或南磁子）模型，由Coulomb先生于1787年正式提出来.但是，由于这种模型不能解答为何一个条形磁棒不论碎成多少段，每一段均还能保持南北两极,便被他抛弃了，转而选择了磁偶极子模型.1843年W.E.Weber先生发表《单极感应和磁流体存在假说》一文.1931年Dirac 先生提出了磁单极子的量子假说.1974年以来发展起来的M理论, 再次预言了磁单极子的存在性.1982年5月，Blas Cabrera先生宣布他用20cm直径的超导线圈和超导量子干涉仪组成的磁强针发现了一个可能的磁单极子的事例.这一事件促使IBM实验小组，神户大学实验小组，Tokyo,Bologna和Kamioka等实验小组做了大量相同和相似的观测实验，最终一概否定了Cabrera等人的实验结果.
第二种则是磁偶极子（磁双极子或最小磁针）模型，也是由Coulomb先生于1787年提出.尤其是1961年B.Deaver和W.Fairbank 这两位先生在纯锡管状样品的冻结磁通的实验中发现了量子化的磁通量──即磁通量子Φ0.促使笔者认为Φ0正是磁偶极子模型的基元，我们称它为“磁子”——即最小磁针或最小磁荷，并认为只有建立在这种最小磁偶极子基础上的一切相关的唯象的或量子的理论，才是正确的磁-电学理论.实验上确认的量子化的磁通量Φ0的存在性，宣告了电磁二元论的真实性和正确性的同时，也宣判了磁单极子假想模型的死刑！
Coulomb先生1787年提出的真空中宏观的电相互作用定律和磁相互作用定律分别为                                                                             
                  （1）
                  （2）
对于任何一对各携带一个基本电荷e且相距一定距离 的粒子，根据(1)式，令 ，我们可得电相互作用能为
                     （3）
类似地，对于任何一对各携带一个基本磁荷Φ0且相距一定距离 的粒子，根据(2)式，令 ，我们可得磁相互作用能为          （4）
如果任何一对各携带一个基本电荷e的粒子之间的距离和任何一对各携带一个基本磁荷Φ0粒子之间的距离相等，那么由(1)、(2) ；(3)、(4)式可得
          （5）
这就是说，一对各携带一个基本磁荷Φ0粒子之间的相互作用力约是一对各携带一个基本电荷e的粒子之间的相互力的1174倍，相互作用磁力比相互作用电力大103数量级；静磁能远远大于静电能，相互作用磁能比相互作用电能大103数量级.所以，我们可以说静电力相对静磁力；静电能相对静磁能而言，仅仅是一个微扰力而已.这一结果物理意义极其深远.           
右手坐标系中的经典电动力学中， 波动性的Maxwell方程组：
其中，
粒子性的Lorentz方程：

我们在上述方程中采用下标 和 来表示一个物理量的电性或磁性.在经典电动力学方程中，总是电-磁二元方程组为一个独立整体方程，上述的这样的三个独立二元方程组构成了经典电动力学的核心方程集.
有趣的是，当我们把波动性的Maxwell方程组和粒子性的Lorentz方程结合的时候，表示一个物理量的电性或磁性的下标 或 就自动消失的同时，得到了一个普遍适用的波粒二象性的动力学方程：

左手坐标系中的经典磁动力学中波动性的Maxwell方程组：

其中，
粒子性的Lorentz方程：
同样，在经典磁动力学方程中，也是磁-电二元方程组为一个独立整体方程.
类似地，当我们把波动性的Maxwell方程组和粒子性的Lorentz方程结合，就能得到如下的普遍适用的波粒二象性的动力学方程：

如果选择四维时-空几何模型重新描写上述经典电动力学和经典磁动力学方程就会显得更自然了.波动性的Maxwell方程组和粒子性的Lorentz方程联合起来才能完整阐述电磁理论——表明了经典电磁理论是一种凸现了电荷或磁荷的波粒二象性唯象的理论.经典电磁理论内蕴的Einstein相对论也是一种包含了波粒二象性的理论.相形之下，经典Newton 动力学则是没有波粒二象性的典型的粒子理论.这就是为何经典电磁理论以及相对论可以自然地和量子力学结合，产生出量子电动力学和量子磁动力学等等；而经典Newton 动力学则和量子力学格格不入，除非经过根本改造否则和量子力学在本质上无法相容.
当两个粒子之间的距离和粒子本身的波长在同一个数量级的时候 ，微观的量子力学就取代了宏观的经典电磁力学.任凭何人，只要利用 ，就能巧妙地逃避了量子电动力学和量子磁动力学无穷大发散的恶魔.
这个时候，粒子对携带的的Planck能量为
                （6）
分别把（3）、（4）式和（6）式结合，则可得电相互作用常数 和磁相互作用常数 分别为                                                                              
电（磁）相互作用常数          （7）
磁（电）相互作用常数          （8）                                                                     
由(7)、(8)两式，我们可得 和 的关系为      (9)
由(5)、(9)两式，我们可得      (10)
可见，                (11)
电-磁相互作用常数 和磁-电相互作用常数 并不相等这一事实，充分必要地展现了“电磁的二元独立性”，（11）式从理论上进一步地论证了这种电磁二元论的正确性.
此外， (10)式令人惊异地看到：经典电磁理论和量子理论竟然给出了完全相同的比值——即电相互作用和磁相互作用的比值相同！这无疑说明了经典电磁理论和量子理论在本质上是相容的.
一个携带一个基本电荷e且质量为 的粒子的磁矩为：
              (12)
一个携带一个基本磁荷Φ0且质量为 的粒子的磁矩为：            (13)
一个携带一个基本磁荷Φ0且质量为 的粒子的电矩为：              (14)
一个携带一个基本电荷e且质量为 的粒子的电矩为：             (15)
量子电动力学可以给出(12)式；量子磁动力学可以给出(13)、 (14)、 (15)式.光子是传播电磁相互作用和磁电相互作用的唯一粒子.
从1931年开始，物理学界又面临着新的困惑，当时英国著名物理学家、诺贝尔奖获得者狄拉克根据对称理论，论证有磁单极子（磁荷）存在.虽然当时麦克斯韦电磁方程组已经否定了磁单极子存在，但人们认为：麦克斯韦的理论毕竟是对麦克斯韦时代之前的实验总结，而过去的实验，是否有遗漏而有待于新的发现呢？谁也不敢断定！况且，狄拉克曾预言正电子存在、并在宇宙线中观察到，因而震惊物理学界，而其磁单极子的新预言看来又持之有理.更何况，还有很多知名物理学家对磁单极子存在的理论作了不少的补充和论证，遂使很多科学家深信磁单极子存在的理论无误.
于是从二十世纪三十年代开始，掀起了寻觅“磁单极子”的热潮——到宇宙线中去发现、用太空飞行器到太空去找、钻入极深的矿井中寻、下潜到深海中去觅、又去从古地质中去查、再用对撞机尝试着人造……总之用了各种不同的途径来“捉拿 ”“磁单极子”，努力了近八十个寒暑，但“磁单极子”总是顽固地不显其身！“磁单极子”到底存在还是不存在？除了狄拉克当年的对称理论而外，能不能再以更有说服力的理论来判断，这是当今这个领域亟待解决的问题，也是当今跨世纪的难题.磁单极子问题也是当代物理学一个饶有兴味的课题.1931年狄拉克研究磁场里运动的电子的波函数相位与电磁场量之间的关系时，考虑到量子原理波函数的相位的不确定性，导出了电荷量子化的条件、从而推出任何带电粒子所带电荷都一定是单位电荷的整数倍; 任何带磁荷粒子所带磁荷也必定是单位磁荷的整数倍.因此、如果磁荷确实存在，狄拉克的推理在一定程度上解释了观测上的电荷量子化.研究表明，SV（5）弱电强大统一规范理论存在磁单极解.从该理论里的超重矢量玻色子的大质量可推出磁单极的质量在1016吉电子伏的量级.这是目前实验室能量所不能达到的.目前，实验上的探测主要从三方面着手：高能加速器的实验，宇宙线的观测，古老岩石的观测.用第—种方法还未观测到磁单极子，一般认为这是能量尚不够高的缘故.从宇宙线中找磁单极子的物理根据有两方面；—种是宇宙线本身可能含有磁单极子，另一种是宇宙线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子对.
附录：根据伦敦纳米技术研究所的最新研究成果，在某些物质中，磁荷具有同电荷一样的表现.刊登在自然杂志上的这篇文章证明了原子级磁荷的存在，它们的表现和相互作用就像我们所熟悉的电荷一样.同时，该研究还说明了电和磁之间存在一个完美的对称性，这种现象被作者称为“磁化电”.
研究小组根据O n s a g e r在1934年的理论，绘制了在被称为自旋冰的物质中，磁流离子在水中的运动图谱.他们在非常低的温度下给自旋冰样品施加一个磁场，使用了I S I S的μ介子来观察整个过程.他们探测了自旋冰中的磁荷，
测量了电流，探明了该物质中磁荷的基本单位.所观察到的磁单极子在自旋冰
的磁性状态下呈现出紊乱的特性，并只能存在于物质内部.Steve Bramwell教授（这篇文章的作者之一）这样表示：磁单极子是在1931年被预言出的，但在多次研究之后，仍没有发现自由行动模式的基本磁单极粒子.而目前发现的这些磁单极子虽能自由活动，但只能存在于自旋冰样品内.ISIS的仪器科学家Sean Giblin博士（本文的另一作者）认为：实验结果是令人震惊的，通过使用I S I S提供的μ介子，我们最终能确定在适当的温度下，磁荷确实是在一定的材料内传导的，就像水中的离子传导电流一样.
                   9、现代物理学实验对于磁单极子的寻找
近年，人们曾采用超导量子干涉式磁强计在实验室中进行了151天的实验观察记录.据1982年初报道，测量到一次磁单极子事件.在排除了各种可能的于扰因素后，计算出到达地球表面的磁单极子上限为每立体角的单位面积上每秒有6.1×10－10个磁单极子，即每年用这种装置可测到1.5次磁单极事件.这一实验探索还在进一步进行中，人们不断改进实验装备，以求得到更加可靠的观察结果.另外，如果磁单极子含量很少，那么异号磁单极子复合湮没的几率就很低，因而它们就有可能保存下来，能在地球上的古岩石、陨石或其他天体的岩石中找到.可是，迄今还没有找到确凿的证据.与此同时，关于磁单极子的理论研究也在积极进行之中.施温格(1966年)和兹万齐格(1971年)分别克服了狄喇克理论中的若干困难和不足之处，利用两个电磁势建立了电荷与磁荷完全对称处理的理论.1976年，杨振宁等利用纤维丛的新数学方法，建立了没有无物理意义的奇点的磁单极子理论，在磁单极子理论的发展中开辟了新的途径.近年来，也出现了一些超越麦克斯韦电磁方程组框架的非传统理论，例如统一规范理论、Einstein -麦克斯韦耦台场理论和超光速参考系理论.而且，有关理论还在基本粒子的微观世界和宇宙演化的宇观世界得到了应用.总而言之，在关于磁单极子实验探索和理论研究的半个多世纪中，人们进行了遍寻天上、地下的各种现代实验探测，采用了量子论、相对论和统一场论的复杂理论手段，联系到最广袤的宇观世界(宇宙论)和最细微的微观世界（粒子物理），涉及到极漫长的(古岩石)和极短暂的(宇宙演化早期)时间尺度.当前，这一探索和研究仍在继续之中，它不仅给物理学带来了活力，而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战.
附录：《科学》：首次在实物中发现磁单极子的存在——推动物理学基础理论研究，书写新的物质基本属性
德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下，首次观测到了磁单极子的存在，以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程.该研究成果发表在9月3日出版的《科学》杂志上.
磁单极子是科学家在理论物理学弦理论中提出的仅带有北极或南极单一磁极的假设性磁性粒子.在物质世界中，这是相当特殊的，因为磁性粒子通常总是以偶极子（南北两极）的形式成对出现.磁单极子这种物质的存在性在科学界时有纷争，迄今为止科学家们还未曾发现过这种物质，因此，磁单极子可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一.
英国物理学家保罗•狄拉克早在1931年就利用数学公式预言磁单极子存在于携带磁场的管（所谓的狄拉克弦）的末端.当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在，从而启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极子的工作.
科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子，包括使用粒子加速器人工制造磁单极子，但均无收获.此次，德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森•莫里斯和阿兰•坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验.他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体，这种材料可结晶成相当显著的几何形状，也被称为烧录石晶格.在中子散射的帮助下，研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”，此名得自于偶极子本身的次序.如此一个可控的管（弦）网络就可通过磁通量的传输得以形成，这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到，于是中子就可作为逆表示的弦进行散射.
在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加一个磁场，利用这个磁场就可影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离.结果，在0.6K到2K温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子.
研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征.这进一步证实了单极子的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用.在此项工作中，研究人员首次证实了单极子以物质的非常态存在，即它们的出现是由偶极子的特殊排列促成的，这和材料的组分完全不同.除了上述基本知识外，莫里斯对此结果进行了进一步的解释，他认为此项工作正在书写新的物质基本属性.一般来说，这些属性对于具有相同拓扑结构（烧录石晶格上的磁矩）的材料来说都是适用的.
研究人员认为，此项技术将产生重要的影响.不过，最重要的是，它标志着人们首次在三维角度观察到了磁单极子的分离.

                        10、 电磁质量的几何空间结构
不管怎样，科学家、尤其是做出了重大的乃至划时代的科学发现的伟大科学家，都具有敏锐的审美感并重视科学中的美.而且，“在某种意义上，一切伟大的科学家都是伟大的艺术家.” 希尔对此的阐释给人以深刻的印象：“真正的科学家也是敏锐的、敏感的艺术家.科学家也是诗人，他的眼睛能观看到他人看不见的地方，他的耳朵能捕捉到他人听不到的宇宙的旋律，他的手指能触摸到他人感觉不到的世界的脉搏.” 数学家西尔威斯特就是这样的人：他对美的和谐具有高度的鉴赏力，他感到这是一切知识之本，一切快乐之源，它构成各种行动的前提.费曼被物理学基本定律的对称性和守恒性这一“最深奥最美妙的事实”倾倒，感到“一种不可名状的喜悦”.“它们堪称物理学中无比优美和意义深远的东西”，又是以“最小作用原理的普适性为前提的”.卢瑟福则明确表示，科学也是艺术，伟大的科学理论本身就是伟大的艺术品.他说：我坚决主张，不妨把科学发现的过程看作艺术活动的一种形式.这一点最好地表现在物理科学的理论方面.数学家依据某些假定并根据某些得到透彻理解的逻辑规则，一步一步地建立起了一座宏伟的大厦，同时依据他的想像力清楚地揭示出大厦内部各部分之间隐藏的关系.从某些方面看，一个得到良好塑造的理论毫无疑问是一件艺术品.一个美妙的例子就是著名的麦克斯韦的电动力学理论.Einstein提出的相对论，撇开它的有效性不谈，不能不被看作是一件伟大的艺术作品.   狄拉克对美更为虔诚，甚至把对审美鉴赏力的信仰类比为宗教：“薛定谔和我对于数学美都有十分强烈的鉴赏力，这种鉴赏力统治了我们的所有工作.对我们来说，这是一种信仰行为，即任何描述基本自然定律的方程必须在它们之中具有巨大的数学美.它对我们来说像宗教一样.它是十分有用的宗教，这种宗教被认为是和能够被认为是我们许多成功的基础.” 量子力学建立在统计学基础之上，时间似乎可以向前也可以向后，时间是可逆的.量子世界到处都是佯谬.量子论的核心不区分时间的两个方向.高速运动的K粒子的寿命延长.没有时刻的概念，是一个给定的足够长的时间，对一个孤立系统的波函数.这样一来，量子力学并没有提供一个令人满意的基本原则，来解释时间的客观流逝，或者至少能把时间有意义地区分为过去、现在和将来.显然，它与时间就是空间及运动的天文学本质相去甚远.热力学认为系统的熵总是不断地增大，进而给出了事件发生的时间箭头.尽管也认为时间是单向不可逆的，但是，却以系统熵的增加而等于时间的本质.显然，与时间就是空间及运动的天文学本质毫不相关.
量子力学和广义相对论的矛盾主要之一就是重整化的问题，其次是时空几何不一致，量子力学的时空是离散的、无穷维空间的，时间虽是一维的，但不连续；广义相对论的时空是连续的三维空间，一维时间.这问题根据同时性破坏，时空应离散的多度规的时空来统一.第三，强相互作用与引力相互作用的耦合系数相差悬殊.其三，是时空倒底是有限还是无限的观念矛盾：广义相对论认为时空之大有极限，但可收缩到零；量子力学认为时空之大无极限，但小有量子极限——普朗克尺度和时间标度，但求积分时下限仍取零！现在的物理学学家不会再为因果律而矛盾，那个矛盾过时了. 量子力学也不存在时空平权的问题，因为没必要平权.量子力学的讨论领域基本不在广义相对论所要求的必须使用时空平权的范围内.现代物理学认为引力与Coulomb力是性质完全不同的力，万有引力与G.G.Coriolis力属于同一类型的力——几何力，与物体的性质（例如物体的质量等）无关，而 Coulomb力与物体的性质有关.若证明e/m为常数，则电磁力也可化为几何力.引力场区别于其它力场，它在局域space-time内能被惯性力抵消，说明它本身可能与space-time结构有关，虽然它本身不反映space-time结构，space-time结构会强烈影响物质存在与运动，因为影响是相互的，所以物质的运动必然影响space-time结构.由于电磁质量与electric   charge的运动状态无关，因此电磁空间结构不可能与引力空间结构完全相似.现代物理学认为电磁场是规范场，规范场理论有着十分明显的几何意义.在现代微分几何的纤维丛理论中，规范势相当于曲率张量，但曲率张量满足的非线性杨—米尔斯方程则是从物理上提出来的.纯规范场（流为0）的杨—米尔斯方程求解问题已成为数学上一个新的热门研究领域.
    1913年，Einstein与格罗斯曼联合发表的重要论文《广义相对论和引力论》中，他们提出了引力的度规场理论，用来描述引力场的不再是标量势，而是以10个引力势函数的度规张量，引力与度规的结合，把物理问题几何化.Einstein的伟大成就在于把引力解释为空间——时间结构，把物理的物质结构变化的最普遍形式理解为不仅是运动物体轨迹的变化（变分），而且是"包容"这些轨迹的空间类型的变化，看来是完全正确的.并且这种理解在物理科学中将永远保留下来，然而Einstein的广义相对论仅仅考察几何学的度量结构的变化.空间量度的变化可以很好地描述物理客体引力状态的变化，但是无论如何也不能由此得出，这种量度本身应对本质上根本不同于引力的物理现象（例如电磁现象）负责，也就是说在粒子物理学方面是否仅需要考察空间的度量关系呢？
描写空间的数学方法有18种之多，它们分别是：1、向量空间.2、欧几里得空间.3、黎曼空间.4、齐性空间.5、闵科夫斯基空间.6、拓扑空间.7、度量空间.8、复叠空间.9、泰希米勒空间.10、函数空间.11、索伯列夫空间.12、巴那赫空间.13、半序线性空间.14、西尔伯特空间.15、不变子空间.16、BMO空间.17、抽象空间微分方程.18、HP空间.广义相对论考察了几何学的度量结构的变化，电磁力可能与几何学的拓扑结构的变化有关（因为拓扑学是研究在运动过程中的不变量，电磁质量在运动过程中保持不变）.
迄今全部物理学是一定类型的局域——明显的分层空间的理论——科学家们的一个根深蒂固而又“显而易见”的信念在于，至少可以把任何一个物理量局域地定义为其它量的微分的乘积.杨振宁认为：“局部与整体的关系通过20世纪的拓扑学，李群和微分几何的发展变成了数学中的显学.近年来物理学中的整体观念也在多方面有重要的发展.” 【2】1974年杨振宁发表《规范场的积分表示》，1975年与吴大峻（Wu  T  T）发表《不可积相位因子与规范场的整体性》掀开了物理理论的新篇章——物理现象的整体描述，应用了拓扑学的重要概念——纤维丛理论.所谓物理现象的整体描述是相对于局域描述而言.用微分方程表述物理定律，描述物理现象和过程.这种微分形式的物理表达形式，到麦克斯韦已完善.物理学的基本动力学规律表达为微分或偏微分方程加上初始条件或边界条件，相互作用是点接触作用，通过“场”作用为传播的媒介，从时空一点传到临近一点，即从一点及其临近处的局域描述外推及于整体.但是物理世界有一些现象是不能单纯用这种方式来表述的.例如一个经典的例子是磁单极势.1931年，狄拉克发现不可能用单一个无奇异性的磁单极势在全空间磁单极的效应.这些奇异点构成一根曲线，成为狄拉克弦.吴大峻与杨振宁的规范场整体描述方法，就是用了纤维丛的拓扑概念解决了这个问题，得到了用纤维丛表述无奇异性弦的磁单极势.局域（微分）描述+整体（拓扑）描述=物理世界的完整认识.【1】笔者认为这些都说明了电磁质量的空间结构是拓扑空间结构，因为电磁场就是规范场.
60年代，Nambu和Goldstone发现量子场论真空会发生自发对称破缺，70年代A.M.Polyakov等发现真空的拓扑结构，这些都说明真空具有丰富的结构与物性，值得去重点研究.量子化电磁场有无穷大的真空零点能，又由于负能电子的存在，导致真空具有发散的电荷密度，场论遇到了困难.取与Lorentz不变性相一致的正规乘积可以将零点能和背景电荷去掉，使得哈密顿算符的真空期望值为零及使真空呈电中性.这里，哈密顿量是不含时间的，这样的场论系统在不同时刻由于取正规序而扣掉了相同的零点能贡献，等价于以同一起点重新定义能量和背景，这样取正规序运算是可靠的.但是对于哈密顿量显含时间的量子场论系统，取正规序就需慎重考虑.一方面，含时系统不再具有Lorentz不变性，因而取正规序证据不足；另一方面，即使要对含时哈密顿量取正规序，那么不同时刻扣掉的零点能贡献不同，如此重新定义真空背景，其合法性值得怀疑.故含时系统的真空性质的研究变得十分重要.
现在在基本粒子理论中，看来必须抛弃这些直觉上“明显地”观念，相应地抛弃许多标准学理论的构造方式（拉格朗日定理、变分原理等等）. Einstein证明：依据广义相对论，场方程中存在着能用来表述微粒的非奇性解，但是仅限于中性微粒（引力质量），解决中性微粒运动的问题，相当于发现引力方程（写成不含分母的形式）含有桥的解，因为“桥”本质上是个离散元素.但是中性微粒的质量常数m必须为正，因为没有一个不带奇点的解能同负质量的Karl  Schwarzschild解相对应（笔者认为，这表明自然界不存在负引力质量形成的物质，负引力质量的本质就是引力场）.只有解决多桥问题，才能表明此理论方法是否能解释为经验所展示的自然界中微粒质量的互等性，以及它是否说明了那些已为量子力学所绝妙理解的事实.同时Einstein证明引力方程和电方程的组合（在引力方程中恰当选择电元素取的正负号）导出了电微粒的不带奇点的桥的表述.这类最简单的解为没有引力质量的电微粒的解，它是一种可能解释物质性质的场论不断加以精致阐明的第一次努力，应当基于目前所知的最简单的相对论性的场方程之上的.【4】因此Einstein当时已经认识到没有引力质量的电微粒的存在，即引力质量与电磁质量有着本质的区别，不过他当时得到的解是从引力质量与电磁质量的等价性得到的.Einstein由于没有充分认识到引力质量与电磁质量的区别，因此最终没有关于多桥问题解的重要数学困难.
根据electric  field的数值在实数集上量子分布的拓扑空间结构有可能解释经络在解剖学上观察不到的理由，因为我们是在度量空间里观察.度量空间为四维space-time（如果space-time维数大于四维，那么可以研究它在四维space-time中的投影）.在度量空间中观察拓扑空间不具有时间轴，是无穷维空间，因此量子力学运用无穷维空间研究，推算质子的寿命超过了宇宙的寿命（其实为无穷大）.Einstein讲：“我所真正感兴趣的是，上帝是否能以不同的方式来创造世界；也就是说，必要的逻辑简单性是否为自由选择留下任何余地.”Einstein对于量子力学中放弃时间、空间的因果说明的程度，表示了一种深深的担忧.德布罗意——Stephen  Hawking 波场不可能解释为一种关于一个事件如何在空间和时间中实际发生的数学描述，尽管它们却与这个事件有关.量子力学不是为实际的空间——时间事件提供模型描述，而是以时间函数给出可能测量的概率分布.在原子现象中，在空间和时间中排列次序的任何企图，都会导致因果链条的一次中断，因为这样的企图是和一种本质性的动量交换及能量交换联系者的，这种交换发生于个体和用来进行观察的测量尺杆及时钟之间；而恰好这种交换就是不能被考虑在内的，如果测量仪器要完成它们的使命的话.拓扑结构与度量结构是空间结构的两个方面，但有时两种结构可以独立，例如光子只具有拓扑结构.由于电磁力不具有时间轴，不满足因果律，从引力场中观察时也具有因果关系，因此相对论与量子力学的哲学思考中对于电磁质量的分析主要考虑它们等价性的一面.对于微观粒子，讨论经典意义下的因果关系和非定域问题，可能不是一个恰当的论题.
由于引力形成供自己表演的舞台，电磁力是固定在space-time背景中的表演，所以根据力学中的等效原理，把存在引力的平直space-time推断是弯曲的.space-time是物质的存在、运动、变化的历史和现实！不能说对力学space-time是弯曲的，而对电磁学space-time是平直的.这样理论不能自恰，原因是电磁规律和力学规律不能截然分开.正负 electric  charge的电磁能的大小相同，但它们的空间结构不同，观察到夸克需要将空间的度量结构与拓扑结构分离.带电粒子的速度因所处的electric  field的影响而连续变化，是因为在度量空间中观察的结果.所谓“量子纠缠”是指不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象，即两个粒子之间不论相距多远，从根本上讲它们还是相互联系的.笔者认为这说明了电磁质量的空间结构是拓扑空间结构，与距离无关.在电动力学中，有一著名的阿哈罗诺夫－玻姆效应（获得1999年沃尔夫奖），它指出当电子波分为两个分波，环绕一个磁通运动，然后再在另一端会合干涉，电子波会产生一与磁通大小有关的相位因子.在这里，电子本身并不与磁场强度发生直接相互作用，但电子却有磁通相位，这一“超距作用”体现了量子系统的整体（拓扑）性质，在数学上它与格林公式或者留数定理有关.
现代物理学从理论自恰和自然规律是简洁的信念出发，人们相信等效原理不仅适用于力学，而且适用于电磁学，乃至一切物理规律.只有这样space-time弯曲才算是客观存在，广义相对论自Einstein提出以来，无论从数学方法、理论推广和应用均获得长足的进步.然而作为它的基石的等效原理，其推广的合理性、实验的检验和理论的分析都做的不够.【3】
   参考文献：
【1】李华钟.杨振宁学术成就——量子不可积相位因子和规范场的积分表示.《物理》32卷第3期  北京  2003年
【2】李华钟. 简单物理系统的整体性——贝里相位及其他.上海：科学技术出版社，1998
【3】王仁川  著.《广义相对论引论》  中国科学技术大学出版社  1996年版
【4】Einstein 著 方在庆、韩文博、何维国  译.《Einstein晚年文集》海南出版社 2000年3月第1版  
【5】Stephen  Hawking 、 Roger  Penrose著 杜欣欣、吴忠超   译.《时空本性》湖南科学技术出版社 2000年10月版
附录：由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，成功实现了“量子反常霍尔效应”.这是国际上该领域的一项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成.
量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一.它是一种典型的宏观[1]量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现.1980年，德国科学家冯•克利青（Klaus von Klitzing）发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖.1982年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）、美国物理学家施特默（Horst L. Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖.在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应.
意义

  
图二，理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导
“量子反常霍尔效应”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控.1988年，美国物理学家霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径.2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系[Science，329, 61（2010）].他们的计算表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态.该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应.
在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”，对材料生长和输运测量都提出了极高的要求：材料必须具有铁磁长程有序；铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转，从而导致拓扑非平庸的带结构；同时体内的载流子浓度必须尽可能地低.中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关，在这场国际竞争中显示了雄厚的实力.他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”.该结果于2013年3月14日在Science上在线发表，清华大学和中科院物理所为共同第一作者单位.

  
图三，在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量到的霍尔电阻
该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范.前期，团队成员已在拓扑绝缘体研究中取得过一系列的进展，研究成果曾入选2010年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展，团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”，以及2012年“全球华人物理学会亚洲成就奖”、“陈嘉庚科学奖”等荣誉.该工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委员会和教育部等部门的资助.
参考资料
•        1．  中国科学家首次发现量子反常霍尔效应 影响重大  ．凤凰网 ．2013-03-15 [引用日期2013-03-15]
       笔者认为反常量子霍尔效应的实现说明电磁质量的空间可能就是拓扑空间结构.

                    11、量子力学与广义相对论没有统一的原因
《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：９１．引力能否用量子理论加以描述？９２．能否将引力和其他几种基本力统一起来？
中科院自然科学研究史董光壁研究员在《21世纪100个科学难题》，提出了今天科学发展是《协调相对论和量子论的困难》.李政道在该书《导言》中说：目前，微观和宏观的冲突已经非常尖锐，靠一个不能解决另一个，把它们联系起来会有一些突破，这个突破会影响科学的将来.丹尼斯•玻尔喜欢说:“我们是悬吊在文字上的” 【1】.而作者在不远处看到,人们在用文字.数字以及图形编织成的绳子上荡秋千.量子力学这根绳子已不堪引力量子化的重负!普朗克提出量子论已百余年,其间Einstein将量子论与光辐射理论结合【2】;丹尼斯•玻尔将其引如原子内部;薛定鄂等人共同建立起量子力学大厦.但引力量子的研究目前是停滞不前，是二十乃至二十一世纪物理学晴朗天空上的一片乌云！量子引力的困难，暗示了对通常物质场有效的量子化方案引力场已不再适用.这就是为什么大统一理论不能纳入引力相互作用的原因，甚至于形式上的统一也办不到. 场相互作用理论认为强相互作用是传递胶子实现的；弱相互作用是通过传递中间玻色子实现 的；电磁相互作用是传递虚光子实现的；引力相互作用是传递引力子实现的.
广义相对论和量子力学彼此不直接矛盾，但是它们看起来不可能融于一个统一理论，根本原因在于广义相对论是研究引力场，量子力学研究electric  field.1905年3月，Einstein发表的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文，开创了辐射量子论全新领域，提出了著名的光电效应基本定律，这也使他荣获1921年诺贝尔物理学奖.文章一开头，Einstein就用统一性思想分析了物理学当时面临的某些基本情况：“在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深刻的形式上的分歧.这就是，我们认为一个物体的状态是由数目很大但还是有限个数的原子和电子的坐标和速度完全确定的；与此相反，为了确定一个空间的电磁状态，我们就需要用连续的空间函数，因此，为了完全确定一个空间的电磁状态，就不能认为有限个数的物理量就足够了.”这段话表明了Einstein当时研究辐射问题的指导方针，就是用统一性思想来改造物理理论体系内部存在的各种不统一现象：实物理论与场理论在间断性与连续性、有限性与无限性方面的深刻的形式上的不统一.Einstein用敏锐的眼光看到物理理论体系内部的这些不统一性，并构造具有高度统一性的新理论，使其成为物理学发展的重要方向之一.
虽然Einstein的狭义相对论开始写作《论运动物体的电动力学》，但是它只考虑到电磁质量与引力质量的等价性，没有研究其区别，与研究引力场没有区别.狭义相对论与量子力学的结合则十分自然地产生了相对论量子力学和相对论量子场论，在这基础上又发展出粒子物理学，经受了无数实验的检验.由经典力学和量子力学可知，物理系统其全部性质由其拉氏量ψ完全决定.拉氏量是由物理系统的动力学变量及其一阶时、空微商所构成.拉氏量中动力学变量的对称性，即在某类连续群变换下的不变性，反映了该系统存在的守恒量及相应的守恒流.连续群所表征的变换称为规范变换，其变换群参数是独立于背景space-time的常数.如将其参数改成依赖背景space-time位置的任意函数，其变换称为局域性变换，前者称为整体变换.由于局域性变换是space-time流形坐标的函数，因而它不能与space-time坐标微商交换.拉氏量对局域性变换不再具有原有的对称性，为了维持其对称，需将拉氏量中的普通微商改成协变微商，即在微商中引入补偿场，其场称为规范场.物质之间的相互作用是通过规范场在中间传递来实现.【3】因此物质之间的相互作用力是规范力，规范场也是研究电磁质量和引力质量的等价性的.下面的分析来自于网络，说明对于电磁质量不能只考虑其对称性，还应当考虑考察它们的非对称性：
1．        关于电磁场的算子理论.  

  经典场论中并矢格林函数的形式为:   (1)
但是可以证明由于奇异项的存在,格林函数不再具有几何对称性,即对于一个矩形腔,取不同的领示矢量就会得到不同的结果.用算子理论可以得到没有奇异项的并矢格林函数,十多年后国外也出现了电磁场算子理论的著作,也不再出现并矢格林函数中奇异项.
2.关于矢量偏微分算子理论. 麦克斯韦方程组是经典数学所不可能精确求解的.其原因在于经典数学无法严格的处理矢量偏微分运算符,因而研究并建立了矢量偏微分算子理论.它是以拉普拉斯算子的波函数空间和广义函数理论为基础,把那些原来只对于标量函数的数学理论扩展到三维矢量函数.一个三维矢量函数的几何空间,可以从欧氏空间的尺度对矢量函数进行射影,也可以在矢量偏微分算子的矢量波函数空间的子空间上进行射影.由于欧氏空间内的射影与麦克斯韦方程组本身的数学形式不符,因而只能是近似的,而不可能精确的求解麦克斯韦方程组.
3.关于电磁波基本方程组. 在矢量偏微分算子理论下,电磁场被分成了两个子空间:旋量场子空间和无旋场子空间.而电磁波属于旋量场子空间.通过子空间的射影可以把无旋场分离出去,建立纯旋量场空间内的电磁波方程组棗电磁波基本方程组.所以它实际上就是麦克斯韦方程组在旋量场空间尺度下的新形式.它是一个以两个标量波函数和两个标量拉普拉斯运算符,在一个联立的齐次边界条件组成的方程组.这一方程组具有数学逻辑的自洽性.
4.齐次边界和辐射边界条件下电磁波基本方程组的本征问题和格林函数问题.
由电磁波基本方程组的数学自洽性,从理论上可以解决理想边界和辐射边界条件下的本征问题和格林函数问题.也就是说现在我们对宏观的电磁场问题的认识,已经不再是Einstein时代的那种抽象的概念性的认识,不再只是一维平面波的认识,而是有了精确解决电磁波的各种传播特性的条件.
5.关于现代场论与经典场论.
它并没有改变麦克斯韦电磁场理论的基本内容,麦克斯韦方程组并没有任何改变.所改变的主要只是求解麦克斯韦方程组的数学方法.麦克斯韦方程组本来就是不能直接求解的,只有通过一定的变换才能得到可以解析或计算的形式.这种变换依赖的是一种“尺度”,不同的尺度对变换的等价性有不同的定义.经典理论用的是欧氏空间的尺度,现代场论用的是矢量偏微分算子空间的尺度,特别是它的旋量场子空间的尺度.这与其说是一种改变,不如说是把原来没有找到的合适的尺度找出来了.这一旋量场空间上的尺度的发现,在物理上搞清楚了两件事:一是原来电磁波与电磁场不是一回事,电磁波是电磁场中的一个子空间,它不是欧氏空间中的任意的矢量函数,它能够用两个独立的标量函数而不是欧氏空间中的三个射影来精确的表示.二是根据矢量函数的广义函数理论,麦克斯韦方程中的电流J也不再是经典函数形式的电流,其本身就成了电流与电磁波相互作用所产生的激励电磁波.
参考文献：
【1】理查德•罗兹.原子弹出世记[M].北京：世界知识出版社，1990：56  ;
【2】 A.Einstein,Annalen der Physik,17(1905),132-148.
【3】王仁川  著.《广义相对论引论》  中国科学技术大学出版社  1996年版
                                    12、因果律浅析
中国科学院电子学研究所的宋文淼认为： 现代电磁场理论使电磁波与光量子之间的差别大大缩小了:都是有两个独立的标量波函数组成的,对于光量子一般只考虑自由空间,两个函数就退化为一个;标量波函数都需要“旋”一下才能表达出它们更丰富的空间形态;只有在特殊的环境下,才能够以单一模式存在,一般情况下都以孪生模的形式存在.所不同的只是:1.在微波状态下,不讨论粒子性问题,而对光量子要考虑粒子性,2.在量子光学中,自旋算符只是一种符号,而微波状态下,两类旋度算符与经典数学的运算方法最后是相通的.寻找这两者的更多的共同点,建立一个既有宏观机制又有粒子性电磁场理论,已经成了应该着手解决的努力方向.(2)波函数尺度下的数理逻辑的因果律.关于波函数的物理解释一直是物理学界争论不休的问题.现代电磁场理论解决了波函数空间尺度下的因果律问题.不同的数学范畴下,有它自己的运算规则和尺度.波函数空间下的尺度与欧氏空间下的尺度是不同的.在同一数学范畴下,各个量之间的等价性是可以通过严格的数学运算来表示的;而不同空间尺度下的物理量之间的等价性是不能直接用数学运算来表示的.这里需要的是建立一种为大量实验所认可的数理逻辑关系.这种逻辑关系不可能对于两种不同的数学范畴的运算规则和尺度,都保持严格的数学形式上的相等.   
单值决定论是Einstein代表性的哲学思想 也同样折射到他的统一性思想之中.单值决定论是与经典力学相适应的一个基本哲学思想.它以经典力学中严格的动力学规律为基础，认为世界上一切事物，大到恒星，小至沙粒，只要给出某一时刻的精确的初始条件，原则上便可以根据物理规律唯一地、精确地推算出它在过去与未来的一切状态.拉普拉斯是单值决定论的典型代表，他曾宣称：“如果有一种智慧能了解在一定时刻支配着自然界的所有的力，了解组成它的实体各自的位置，如果它还伟大到足以分析所有这些事物，它就能用一个单独的公式概括出宇宙万物的运动，从最大的天体到最小的原子，都毫无例外，而且对于未来，就像对于过去那样，都能一目了然.” Einstein虽然在研究分子运动理论中运用过统计思想，但这仅仅是一种纯粹的方法论思想，而不是一种根本的哲学自然观.事实上，它仍然以单值决定论思想为基础.经典物理学认为，原则上说，统计方法可以归结为严格的动力学方法.Einstein的相对论革命，尽管在时间、空间、物质、运动、能量等一系列基本观念上引起了变革，但是却唯独没有触动以严格的单值决定论为基础的自然观.甚至可以说，相对论还进一步扩大了单值决定论的适用范围，使单值决定论这个经典自然观在相对论理论体系中获得了自己的最高表现形式.因此，可以说，Einstein是抱有严格的单值决定论思想的典型代表.Einstein的统一性思想也始终贯彻了这一基本哲学思想，表现出十分显著的单值决定论特征.他相信一切自然现象都能统一到具有因果性的客观规律上，并以此作为科学研究的指导思想(即严格因果性的统一性思想).在这样的科学思想指导下，他不厌其烦地做着还原自然界错综繁复的现象的工作，并能卓有成效地把它们统一到某一科学公式、定律或科学体系中.而对“统一场论”的追求，则是他的严格的单值决定论思想的最高体现.他认为，“统一场论”具有完备的因果解释力，能严格地还原出物理学一切实在的客观规律.单值决定论和“统一场论”思想不仅是Einstein对待一般科学问题的态度，甚至可以说上升为一种坚定的信仰，不能推翻、无需证明的至高信仰.1924年4月，他在给波恩夫妇的信中指出：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的.但是，我绝不愿意被迫放弃严格的因果性，而对它不进行比我迄今所已进行过的更强有力的保卫.我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向，都由它自己的自由意志去选择.在那种情况下，我宁愿做一个补鞋匠，或者甚至做一个赌场里的雇员，而不愿意做一个物理学家.”后来，他又多次表达了对这种信仰的执着态度：“然而我不能为这种信念提供出逻辑的根据，而只能拿出我的小指来作证，也就是说，在我自己的皮肤之外，我提供不出凭据.
笔者认为，量子力学与相对论没有统一的根本原因在于广义相对论研究引力质量（在实数集上连续分布），而量子力学研究电磁质量（在实数集上离散分布）.


第四章        电磁质量的波粒二象性
                      1、现代物理学中的三类波
机械波是周期性的振动在媒质内的传播，电磁波是周期变化的电磁场的传播.物质波既不是机械波，也不是电磁波，即因为电磁波有周期性，在空间的分布能测定其位置与时间的关系，所以电磁波不是物质波（几率波）.
在当前物理学观念中，波一般划分为三类：第一类是经典介质波，在日常生活中极为多见，譬如水波、声波等等.这类波的产生有两个必要条件：介质和振源.波动方程的经典形式为    （1.1）,其中 代表波速，是一个常数，不能分解和迭加.它由介质的性质决定，与振源无关.当空气温度为摄氏零度时，空气中声波的速率为331m/s，而空气分子的最可几速率是395m/s，平均速率为445m/s，方均根速率为485m/s，空气分子是超声速分子.物理学上波动概念一直沿用弹性介质中机械振动的传播过程所产生的现象，并以惠更斯1690年所建立的原理解释之.惠更斯原理：介质中波动传到的各点，不论在同一波阵面或不同波阵面上，都可以看作是发射子波的波源；在任一时刻，这些子波的包迹就是新的波阵面.解释了波动的折射、反射、干涉、衍射等一系列机械波动与声学的现象,并建立波动方程与能流密度方程w=ρΑ²ω²Sin²ω(t-ι/υ)，其中ρ为质量密度，Α为振动幅度，ω周期变换角速度.在宏观世界,粒子主要表现为引力质量，一个粒子在某地，它就不能同时在另一地，一地被一粒子所占据，另外的粒子就不能占据.机械波是引力场的表现形式，一列波通过某地，另一列波同样也能通过某地，两列波在同一地点是可以叠加的.
第二类波是电磁波,方程 （1.2）中， 为定值，不存在速度迭加.1905年Einstein提出的“光量子”理论，通过赋予电磁场粒子性的方案；“使得光的瞬时效果表现粒子性，而时间平均效果表现波动性”；“电磁场以独立物理实体的地位，能够从源发射出来并且在空间不耗散地传播”. 【1】洛伦次变换站在纯粹数学的观点来看，其实是场变换,把相对论称为场论没有错.场和波是天生的一对，场是波的运动空间，二者都是四维.当然，常见的定态场都是三维的.连续介质力学、柔性力学、结构力学、流体力学、电动力学、旧量子力学、其中的很多定态场都是三维的.自然其中的方程也就都不遵守洛伦次变换了.其中涉及到的定态波也是三维的.当然，场也可以是二维、一维的，甚至是0维的.场根据数学可以分成矢量场和标量场两大类.以经典力学的观点看，场和波是天生一对；粒子和波则是天生的对头.宏观粒子的维数最多是3；宏观波的维数最多是4.有波的存在则一定有场的存在.反之，则不一定.有粒子的存在则一定有场的存在.反之，则不一定.波和场的空间属性和时间属性都是全域性的；而粒子的空间属性和时间属性则是局域性的.以量子力学的观点看，波-粒-场三者是天生的三胞胎.空间维数都是四.有波的存在则一定有场的存在.反之，则亦然.有粒子的存在则一定有场的存在.反之，则亦然.波和场的空间属性和时间属性是全域性的也可以是局域性的；而粒子的空间属性和时间属性既可以是局域性的也可以是全域性的.不论是以经典力学的观点看，还是以量子力学的观点看，波-粒-场三者的关系是现有全部物理学所有分支的基本家当.对于电磁波、物质波，在实验上，微观与宏观没有截然的界限，也没有任何区别.对于粒子，在实验上，微观与宏观有截然的界限，区别明显.宏观粒子都是三维的性质的，没有波动性，尽管流行的做法是根据海森堡的测不准关系，说宏观粒子的波动性很小，比如，地球、太阳等等.
第三类波是量子力学物质波，以德布罗意物质波方程为代表：  （1.3）经典电动力学在微观领域受到局限的主要原因在于，它对带电物质的描述只反映其粒子性的一面，而对electric  field的描述则只反映其波动性的一面.在量子理论中，把electric  field的Maxwell,s  equation量子化后，发展为量子电动力学.目前量子电动力学对各种物理过程的理论计算和实验结果在很高精确度下相符，表明它有反映客观规律的正确性的一面.德布罗意天才预测到：“一束电子通过一个非常小的孔时会产生衍射现象，这也许可以证明我的观点.”Einstein对于德布罗意的观点给予极高的赞誉，称之为“揭开了一幅大幕的一角.”
现代物理学的实验表明，电子、原子、分子、质子和中子等一切微观粒子都具有波粒二象性，而且其波长、频率、动量和能量都有德布罗意关系式联系起来了.苏联物理学家V.法布里康教授和他的同事们已完成了一个实验，在这个实验里观察到单电子的衍射.在微观世界例如电子，在云室里它象个粒子，但在晶格衍射时它又象是波；在双缝干涉实验中通过双缝时它象是波，而落在屏幕上时它又象粒子.数学上描述微观客体波粒二重性的实验事实是容易的.海森堡的矩阵力学，薛定谔的波动力学达到了近乎完美的程度，计算与实验的精确吻合也令人惊叹.1927年，美国物理学家戴维逊、革末用电子束投射到镍单晶上，观察到和X射线照射同样的衍射现象.同年英国物理学家G•P•汤姆生通过快速电子穿过薄金属片，也观察到了衍射图样.他们的实验证实了德布罗意的假设.德布罗意讲：“我的研究始终围绕这样的思想，对于物质和辐射（尤其是光），必须同时引入粒子的概念和波的概念，即在任何情况下粒子的存在必然伴随着波动.因此，必须首先建立起粒子的运动和波动传播之间的对应关系.”笔者认为物质波通过电子的衍射验证进一步证明了电磁质量具有波粒二象性，中微子不具有电磁质量，应该观察不到衍射现象.
相速用u表示，群速用vg表示.相速是等相面运动的速度，群速是波包中心运动的速度.由德布罗意公式：                                          （1）
                                                          (2)
引入：       ，                                             （3）
又由质能公式：                                                   （4）
（1）（2）（3）（4）四式联立得到：                  （5）
                                                          (6)
把（6）式代入（5）得到相速与群速的乘积等于光速的平方：即
               （7）
又由相速的定义：                            （8）
我们同样得到（7）式：
下面由相对论质能公式进行验证：
                                                  （9）
由相速定义：                             （10）
由群速定义：     （11）
由（10）乘（11）式同样得到（7）式：   
因此（3）式的引入是正确的.
又由自由粒子德布罗意波可以验证以上公式：
                                                             （12）
                                                           （13）（12）式乘（13）式同样得到（7）式：即
                     
所以对自由粒子上式可以写成：
（自由粒子 ， ）得证
参考文献：
【1】董光璧等著  世界物理学史    吉林教育出版社  1994年

                       2、物质波的验证
莫里斯是一位研究X射线的实验物理学家，当时X射线的研究是一个非常热门的课题，莫里斯十分熟悉同行的工作成果．例如莫斯利利用X射线验证了玻尔原子模型，提出了X射线的微粒性．劳厄于1912年发现了晶体的X射线衍射，既可用于决定X射线的波长又证明了原子的点阵结构．布喇格曾经指出要探索一种理论能阐明X光的波动和粒子的两重性．布里渊在关于玻尔量子条件的研究工作中，设想了一种存在于原子核近旁的“以太”层，电子在其中运动，这运动在“以太”层内部掀起的波因相互干涉而形成环形的驻波．这一情况的发现，布里渊认为，可以作为对玻尔的神秘的量子条件的一种物理解释．但是，布里渊的理论要借助于当时物理学已经摒弃了的“以太”介质，并且在数学上也遇到了困难，使得物理学家难以接受．然而由于一种尚未明了的原因，布里渊把自己的上述工作寄给了德布罗意，从而使德布罗意从中吸收了布里渊的物理思想的精华，并认真地把光的二象性假说同对玻尔模型的研究结合在一起考虑.德布罗意提到物质波方程是说明了一切物质都具有粒子性，联系了宏观和微观.Einstein的质能方程则是由狭义相对论演算出来的，其实本质上并没有什么联系，但是德布罗意方程中的一个P=h/λ是由E＝mc2推出来的步骤如下p=mc=hv/c2×c=hv/c.考虑到c=hv，所以p=h/v.
德布罗意曾设想，晶体对电子束的衍射实验，有可能观察到电子束的波动性.人们希望能够实现这一预见.耐人寻味的是，正在这个时候，有两个令人迷惑不解的实验结果也在等待理论上作出正确的解释.这两个实验就是冉绍尔(C.W.Ramsauer)的电子-原子碰撞实验和戴维森(C.J.Davisson)的电子散射实验.
1913年，德国物理学家冉绍尔发展了一种研究电子运动的实验方法，人称冉绍尔圆环法,用这种方法可以高度精确地确定慢电子的速度和能量,粒子间相互碰撞的有效截面概念就是冉绍尔首先提出来的.第一次世界大战后，冉绍尔继续用他的圆环法进行慢速电子与各种气体原子弹性碰撞的实验研究.1920年，他在题为：《气体分子对慢电子的截面》一文中报道了他发现氩气有特殊行为.
冉绍尔在腔室中分别充以各种不同的气体，例如氢、氦、氮和氩.他经过多次测量，发现一般气体的截面“随电子速度减小均趋于常值，唯独氩的截面变得特别小”.由氩的这一反常行为，冉绍尔得出的结论是：“在这个现象中人们观察到最慢的电子对氩原子是自由渗透的.”
冉绍尔综合多人实验结果而作出的惰性气体Xe、Kr、Ar对电子的散射截面随电子速度变化的曲线，图中横坐标是与电子速度成正比的加速电压平方根值，纵坐标是散射截面Q，用原子单位，其中α0为玻尔原子半径.三种惰性气体的曲线具有大体相同的形状.约在电子能量为10eV时，Q达极大值，而后开始下降；当电子能量逐渐减小到1eV左右时，Q又出现极小值；能量再减小，Q值再度上升.事实确凿地证明，低能电子与原子的弹性碰撞是无法用经典理论解释的.这就是当年令人不解的冉绍尔效应.
戴维森的电子散射实验比冉绍尔的电子碰撞实验更早得到奇特的结果.戴维森是美国西部电气公司工程部（即后来的贝尔电话实验室）的研究员，从事热电子发射和二次电子发射的研究.1921年，他和助手孔斯曼(Kunsman)在用电子束轰击镍靶时，发现从镍靶反射回来的二次电子有奇异的角度分布，出现了两个极大值.戴维森没有放过这一现象，反复试验，并撰文在1921年的《科学》(Science)杂志上进行了讨论.他当时的看法是认为极大值的出现可能是电子壳层的象征，这一研究也许可以找到探测原子结构的又一途径.
　这件事引起了德国著名物理学家玻恩(M.Born)的注意，他让一名叫洪德(F.Hund，后来是著名光谱学家)的研究生，根据戴维森的电子壳层假设重新计算电子散射曲线的极大极小值.在一次讨论班上洪德作了汇报，引起另一名研究生埃尔萨塞(W.Elsasser)的兴趣.埃尔萨塞的思想特别活跃，非常关心物理学各个领域的新进展，当他得知Einstein和玻色（Bose）新近发表了量子统计理论，就想找到Einstein的文章来阅读.Einstein在文章中特别提到了德布罗意的物质波假说，使埃尔萨塞获得很大启发.不久，埃尔萨塞又读到了德布罗意给玻恩寄存来的论文.他的思想突然产生了一个飞跃，会不会戴维森和孔斯曼的极大极小值，就是电子波动性造成的？他迅即按德布罗意公式用计算尺估算了最大值所需的电子能量，发现数量级正确.几个星期之后，他写了一篇通讯给德文《自然科学》杂志，题为《关于自由电子的量子力学的说明》①.在这篇短文中，他特别提到用波动性的假说不但可以解释戴维森和孔斯曼的实验，还可以解释冉绍尔效应，在文章最后，他申明要取得定量验证，有待于他自己正在准备的进一步实验.他花了三个月的时间考虑实验方案，终因技术力量不足而放弃.
戴维森从1921年起就没有间断电子散射实验，一直在研究电子轰击镍靶时出现的反常行为.他仍沿着电子壳层的方向进行研究，没有注意埃尔萨塞的论文.1925年，一次偶然的事故使他的工作获得了戏剧性的进展.有一天，他的助手革末(Germer)正准备给实验用的管子加热去气，真空系统的炭阱瓶突然破裂了，空气冲进了真空系统，镍靶严重氧化.过去也曾发生过类似事故，整个管子往往报废，这次戴维森决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热，给阴极去气.经过两个月的折腾，又重新开始了正式试验.在这中间，奇迹出现了.1925年5月初，结果还和1921年所得差不多，可是5月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值，如图9-10所示.他们立即采取措施，将管子切开看看里面发生了什么变化.经公司一位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面.他们断定散射曲线反常的原因就在于原子重新排列成晶体阵列.
这一结论促使戴维森和革末修改他们的实验计划.既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶镍，并切取一特定方向来做实验.他们事前并不熟悉这方面的工作，所以前后花了近一年的时间，才准备好新的镍靶和管子.有趣的是，他们为熟悉晶体结构做了很多X射线衍射实验，拍摄了很多X射线衍射照片，可就是没有将X射线衍射和他们正从事的电子衍射联系起来.他们设计了很精巧的实验装置，镍靶可沿入射束的轴线转360°，电子散射后的收集器也可以取不同角度，显然他们的目标已从探索原子结构，转向探索晶体结构.1926年继续做电子散射实验，然而结果并不理想，总得不到偶然事件之后的那种曲线.
这时正值英国科学促进会在牛津开会.戴维森参加了会议.在1926年8月10日的会议上，他听到了著名的德国物理学家玻恩讲到，“截维森和康斯曼……从金属表面反射的实验”是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的“证据”.戴维森没有想到自己三年前的实验竟有这样重要的意义.
会议之后，戴维森找到玻恩和其他一些著名的物理学家，让他们看新近得到的单晶散射曲线，跟他们进行了热烈的讨论.玻恩建议戴维森仔细研究薛定谔有关波动力学的论文.这次讨论对戴维森的工作有决定性的影响.回到纽约后，他重新制定了研究方案.有了明确的探索目标，工作进展相当迅速.这时，戴维森已经自觉接受波动理论的指导，有效地发挥自己的技术专长.戴维森和革末的实验装置极其精巧，整套装置仅长5英寸，高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达10-8托，即10-6帕.散射电子用一双层的法拉第筒（叫电子收集器）收集，送到电流计测量.收集器内外两层之间用石英绝缘，加有反向电压，以阻止经过非弹性碰撞的电子进入收集器，收集器可沿轨道转动.仔细备制的样品是从晶体生产的单晶镍切割下来，经过研磨、腐蚀，取(111)面正对电子束，这是由于镍是面心型晶体，(111)面是这类晶体点阵最为密集的方向.晶体安装在沿入射束方向的轴上，可以随意改变方位.
散射电流取决于四个因素：轰击电流、方位、散射角和轰击电压.已知散射电流与轰击电流之间有简单的正比关系，实验主要考察散射电流跟后面三项的关系.他们做了大量的测试工作.
他们综合几十组曲线，肯定这是电子束打到镍晶体发生的衍射现象.于是，他们进一步做定量比较.然而，不同加速电压下，电子束的最大值所在的散射角，总与德布罗意公式计算的结果相差一些.他们发现，如果理论值乘0.7，与电子衍射角基本相符.
他们的论文发表在《自然》杂志1927年4月16日的一期上.这篇论文立即引起了人们的注意.不久依卡尔特(Eckart)指出，理论和实验之间的偏差可能是由于电子在晶体中受到折射.戴维森继续实验，发现随着轰击电压增加，偏差越来越小.戴维森和革末在1928年4月发表的曲线表明电子束反射后的强度随波长改变的关系，随着波长变短，也即加速电压增大，偏差越来越小.根据戴维森的数据，贝特(W.Bethe)推算出金属表面存在内电势，对于镍，内电势约为15伏.如果考虑这一因素，理论值和实验值就吻合一致了.至此，戴维森完全证实了电子衍射的存在，为德布罗意的物质波假说提供了重要证据.如果说戴维森发现电子衍射走的是一条曲折的道路，那末，G.P.汤姆生就是走了一条直路.他是电子的发现者J.J.汤姆生的独生子，从小接受到良好的科学教育，在父亲的指导下做气体放电等方面的研究工作.1922年，30岁的G.P.汤姆生当了阿伯登(Aberdeen)大学教授，继续做他父亲一直从事的正射线的研究，实验设备主要是电子枪和真空系统.他很欣赏1924年德布罗意的论文，并于1925年向《哲学杂志》投过一篇论文，试图参加有关物质波的讨论.1926年在牛津召开的英国科学促进会他也参加了，不过当时没有见到戴维森.是玻恩的报告引起他对德布罗意物质波假说的进一步兴趣，促使他按照埃尔萨塞的方案去探讨电子波存在的可能性.他的实验室有优越的条件可以进行电子散射实验.果然当他把正射线的散射实验装置作些改造，把感应圈的极性反接，在电子束所经途中加一赛璐珞薄膜作为靶子，让电子束射向感光底片，不久就得到了边缘模糊的晕环照片.这就是最早的电子衍射花纹.
G.P.汤姆生的电子衍射实验原理的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当于10—40keV，电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必象戴维森的低能电子衍射实验那样，要靠反射的方法逐点进行观测，而且衍射物质也不必用单晶材料，可以用多晶体代替.因为多晶体是由大量随机取向的微小晶体组成，沿各种方向的平面都有可能满足布拉格条件，所以可以从各个方向同时观察到衍射，衍射花纹必将组成一个个同心圆环，和X射线德拜粉末法所得衍射图形类似.
1937年，G.P.汤姆生和戴维森一起，由于电子衍射方面的工作共获诺贝尔物理奖.物质波理论不仅得到电子束实验的证实，还可以从分子束甚至中子束获得验证.
1930年，分子束方法的创始人斯特恩(O.Stern)和他的合作者用氢分子和氦原子证实普通原子和分子也具有波动性，成功的关键是他们做成了极其灵敏的气压计，可用于检测分子束.原子和分子是中性的，无法用电场加速，只能从平衡态的热分布中选择某一范围速度内的部分粒子，所以能量非常低，一般只有百分之几电子伏特，相当于波长为1&Aring.
氦原子束或氢分子束经准直缝投向氟化锂(LiF)单晶，散射后被检测器（即气压计）接收.检测器可以绕轴旋转测不同方位的粒子数.当方位角ψ=0时，反射束与入射束处于同一平面，强度最大；改变ψ角，强度锐减；当ψ=11°时，出现第一衍射峰.　
　1931—1933年，斯特恩等人在分子束所经的途中加了一道速度选择器，实验结果大为改善.速度选择器是由两只同轴齿轮组成，轮上沿辐向各刻有400多个轮齿.齿轮的转速可以调节，不同的转速选择不同速度的分子（实际上是速度间隔为V→v+△v的分子）自由地穿过轮齿，到达LiF晶体.用这个方法，斯特恩证明氦原子束经LiF晶体衍射所得结果与德布罗意关系一致，实验误差不超过1—2％.
这项精采实验有很深远的意义.自由电子具有波动性可能还比较容易被人们接受，因为电子本身就是一种难以捉摸的微观粒子，波动性也许就是它的某种特性.当证明氢分子和氦原子一类的中性物质同样也具有波动性时，就不能不使人们确信波粒二象性是物质的普遍属性了.
另一项值得提到的是核粒子的波动性，其中尤以中子衍射的研究最有价值.中子是1932年发现的，1936年就有人观测到中子的衍射现象.不过那时中子束是从最原始的中子源即镭铍源获得的.
40年代以后，各种反应堆发展起来了，有可能获得较强的中子束.这时中子衍射不但又一次提供了物质波的实验证据，而且被利用于探测物质结构，成了材料科学中的一门重要实验技术.
                             3、电磁质量的波粒二象性
前苏联科学家瑞德尼克在他的《量子力学史话》一书中更是一针见血地指出：“今天，决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题，就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰：物质的两种基本形式——实物（粒子）和场（波）——之间的相互关系.” Einstein曾说过：‘科学的现代发展中所发生的最基本的问题之一是：怎样把物质和波这两种对立的观点统一起来.这是一个最基本的困难问题之一，一旦解决了，一定会导致科学的进展.’（《物理学的进化》）
Einstein多次强调:  物理学目前的局面是:有一些现象可以用量子论来解释, 但不能用波动说来解释, 光电效应就是这样一个例子" 又有一些现象只能用波动说来解释而不能用量子论来解释, 典型的例子是光遇到障碍物会弯曲的现象"还有一些现象, 既可用量子论又可用波动说来解释, 例如光的直线传播"我们以前曾经提出过:光到底是波还是一阵微粒? 现在我们又问:电子是什么? 是一阵粒子还是一阵波? 电子在外电场或外磁场中运动时的行为像粒子, 但在穿过晶体而衍射时的行为又像波"对于物质, 我们又遇到了在讨论光时所遇到的同一困难".Einstein和玻尔们虽然接受了马赫的思想，但并未充分认识经验实践主义对形而上学对立性批判的伟大意义，他们挺枪跃马冲破了形而上学重围，却在最后一道壁障前止步，仍限于微观与宏观的对立.玻尔提出了互补原理（或称并协原理），认为微观粒子具有波粒二象性，波动性和粒子性不能同时在同一实验中表现出来，只能在互斥的两类实验中分别表现出来.玻尔的互补原理参考了中国的阴阳理论，玻尔认为太极图可以图示互补性，并把太极图作为自己的徽章.其实波粒二象决不能看作是波与粒两种孤立形式放在一起，也不能认为是此时为波，彼时为粒，它是一个不可分割的整体.从局部看为粒，从整体看为波、为场.
1926年德国物理学家玻恩提出物质波的某个地方的强度跟在该处粒子痴线几率成正比，物质波是一种几率波.
量子力学认为宏观物体存在物质波，显然这与广义相对论是矛盾的，由于广义相对论反映了引力质量的物理特性，引力质量不具有波粒二象性，因此不能利用相对论解释波粒二象性, 德布罗意的假设不适用于宏观物体，广义相对论的基础更加牢靠，文章开始时的矛盾不存在.现代物理学实验中观察的电子的物质波原因在于电子具有电磁质量，说明电磁质量具有波粒二象性，而非群体效应.
麦克斯韦方程组描述了电磁场与带电粒子之间的相互作用关系.在真空中的表达式为：
                (1)
          (2)
                  (3)
                  (4)
对(2)式取旋度，并利用(1)式及(4)式，用矢量分析公式化简后可得：
　　　　(5)
对(1)式取旋度，并利用(2)式及(3)式，用矢量分析公式化简后可得：
　　(6)
根据能量守恒定律可知，在仅考虑电磁相互作用时，如果带电粒子在运动过程中既不辐射也不吸收电磁波，那么其能量将保持不变.在这种情形下，由(5)式和(6)式可知，带电粒子的运动必须满足下面的两个基本条件：
　　　　　　　 (7)
　　　 (8)
根据矢量分析，可由(7)式引入一个标量场 ，使得：
　　(9)
把(9)式代入(8)式可得 .从电磁场理论本身所固有的对称性来看，应该令该式括号内的部分为零.于是有：
　　(10)
另外，电荷守恒定律是自然界的精确规律之一，其表达式为：
　　　 (11)
把(9)式和(10)式代入(11)式，可得波动方程：
　(12)
上述论证表明，在能量保持不变的情形下，带电粒子的运动必须采用波动方式来描述，而且波的相速度应为光速.
质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构．在30年代，理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零．但出乎意料的是，实验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子，中子磁矩也不是零，而是-3.82个单位核磁子，与点粒子理论相悖．这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内部结构的．60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构．既然核子并不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒，象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状．具体属哪一种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定．深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化出来的连续激发态．非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质量．实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子，它们携带有一定动量和角动量．
中子虽然不带电，没有轨道磁矩，但实验表明中子具有自旋磁矩.中子具有自旋磁矩这个事实说明，中子作为一个整体虽然不带电，但其内部却存在电荷分布，并且其自旋磁矩与自旋角动量的方向相反，与电子的情形相似.现代的精确测量表明，质子的磁矩mp = 2.79285 mN，中子的磁矩mn = -1.91304 mN.现代物理学认为中子有一个上夸克和两个下夸克组成，外观上看电量为0，由于每个夸克均激发电磁场，因此电磁质量不等于0.在原子物理中中性粒子的变速运动并不是绝对地不辐射电磁波，事实上现代物理使用中就是利用中性粒子的磁矩辐射来探索其中的电荷分布的.中性粒子的变速运动不辐射电磁波，只是在低速情况下的低阶近似而已.任何微观粒子都有自旋，有自旋就有自旋磁矩，这个是中子场的内廪旋转对称性造成的.因此在实验上可以观察到中子的波动性，如果换成只有引力质量的中微子应该没有波动性，鉴于此笔者认为物质波和电磁波应该是同一种波.
2008年2月，瑞典龙灯大学的一组物理团队首先拍摄到电子能量分布的视讯影像.科学家使用非常短暂的闪光，称为阿托秒脉冲，率先捕捉到电子运动的实际运动状况.笔者认为这主要是电子不但具有引力质量也具有电磁质量的缘故.
甘永超给出了“波粒二象关系式（简称‘甘永超公式’）”：

”

附录：科学家同时观察到光的波粒二象性

　　上面的想象图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景，干涉仪的输出端装有量子分光镜.图中远处可以看到正弦振荡的波形，表示的是单光子干涉，是一种波动现象.而在图片近处，观察不到振荡，说明只表现出粒子的特性.在两种极端之间，单光子的行为连续不断地从波的形式向粒子形式转变，图中显示了这两种状态的重叠.

　　受艺术家毛里茨•科内利斯•埃舍尔作品的启发绘制的艺术图，显示了光在粒子态和波形态之间的连续变化.

　　受艺术家毛里茨•科内利斯•埃舍尔作品的启发绘制的艺术图，显示了光在粒子态和波形态之间的连续变化.

　　阿尔贝托•佩鲁佐(左)和彼得•夏伯特(右)，研究论文的并列第一作者.

　　实验中用以检测波粒二象性的量子光子芯片.单光子通过光纤进入环路，在输出端被极其敏感的探测器检测到.
　　北京时间11月8日消息，长久以来，人们都知道光既可以表现出粒子的形式，也可以呈现波动的特征，这取决于光子实验测定时的方法.但就在不久之前，光还从未同时表现出这两种状态.
　　关于光是粒子还是波的争论由来已久，甚至可以追溯到科学最初萌芽的时候.艾萨克•牛顿提出了光的粒子理论，而詹姆斯•克拉克•麦克斯韦的电磁学理论认为光是一种波.到了1905年，争论出现了戏剧性的变化.Einstein提出光是由称为“光子”的粒子组成，借此解释了光电效应.他也因此获得了诺贝尔物理学奖.光电效应的发现对物理学影响深远，并为后来量子力学的发展作出了重大贡献.
　　量子力学在对微小粒子，如原子和光子的行为预测上，具有惊人的准确性.然而，这些预测非常违反直觉.比如，量子理论认为类似光子的粒子可以同时在不同的地方出现，甚至是同时在无穷多的地方出现，就像波的行为一样.这种被称为“波粒二象性”的概念，也适用于所有的亚原子粒子，如电子、夸克甚至希格斯玻色子等.波粒二象性是量子力学理论系统的基础，诺贝尔奖获得者理查德•费曼将其称为“量子力学中一个真正的奥秘”.
　　刊于《科学》杂志上的两组独立研究，利用不同的方法对光从波形态向粒子态的转变进行了测定，以揭示光的本质面貌.两组研究都来源于理论物理学家约翰•惠勒于上个世纪80年代进行的经典实验.惠勒的实验提出，观察光子时应用的方法，将最终决定光子的行为是像粒子还是像波.
　　阿尔贝托•佩鲁(Alberto Peruzzo)佐是布里斯托大学量子光子学中心的研究员，在他的带领下，一个由物理学家和量子理论物理学家组成的团队根据惠勒的实验设计了新的方法，以同时观测光的粒子性和波动性.他们利用光分离器使一个光子纠缠另一个光子.通过对第二个光子的测定，来决定对第一个光子的测定方法.这一过程使研究者得以探索光从波的形式向粒子态转变的过程.
　　“这种测量装置检测到强烈的非定域性，证实了实验中光子同时表现得既像一种波又像粒子，”佩鲁佐说，“这对光或者是波形态，或者是粒子态的模型是非常有力的反驳.”
　　量子光子学中心的主管杰里米•奥布莱恩(Jeremy O’Brien)说：“为了进行这项研究，我们使用了一项新颖的量子光子芯片技术.这种芯片具有可重构性，即它可以根据不同的电子环路来进行编程和操控.这项技术在今天的量子计算机研究中处于十分领先的地位，而在未来，它还将带来更多有关量子力学尖端研究的重要成果.”
　　尼斯大学国家科学研究中心的弗洛里安•凯瑟(Florian Kaiser)利用纠缠光子对实现了惠勒的实验.一个光子通过干涉仪被探测到，使研究者能够测定第二个光子的状态，是像波的形式还是粒子形式，或者是二者之间.他们的实验也实现了光子从波的形式向粒子状态的连续转变.（来源：新浪科技 任天）
　

4、EPR 悖论的根本性解决
《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：３６．薛定谔的猫是死还是活？ ３７．ＥＰＲ之谜能否解决？ 量子力学诠释的另一派系是所谓的决定论诠释.它的代表人物是薛定谔、德布罗意、 Einstein、马德隆、玻姆、玻普尔、布洛欣采夫等人.薛定谔把电子看作实质上是一团带电物质作松紧振动的实体波，物质波完全可以象电磁波、声波那样在时空上传播，原子发光就象无线电发射机的天线发射无线电波那样容易地解释.这就排除了量子跃迁之类含糊不清的粒子概念.薛定谔在赋予ψ电磁意义的同时，把m|ψ|2当作物质密度分布，把e|ψ|2当作电荷密度分布, |ψ|2被理解为“权值函数”，电的“流动行为”遵从连续性方程，电子的粒子性和波动性分别由“波包”和“密度分布”来体现.
薛氏的电磁解释面临四大困难：一是波包扩散，二是波包收缩，三是对动量和位置表象变化的理解，四是波函数多维空间困难.薛定谔完全放弃粒子图景，把电子看成一团带电物质的连续分布或一个波包实体的观点，不能被哥本哈根学派所接受.
德布罗意是决定论的又一重要代表人物.德布罗意认为，量子力学的波动方程具有两种不同的解，一个是具有统计意义的连续波ψ函数，另一个是奇异解.奇点构成所讨论的粒子.具有统计意义的连续解ψ为平面单色波，它起着导航作用，指导电子的行动.在德布罗意那里，构成物理实在的不是波或粒子，而是粒子和波.粒子和波既不是分离物，也不是有机的统一体，而是一种混和物，粒子骑在波上，波引导粒子而行.德布罗意模型中粒子骑在波上，波是什么？从哪里而来？当粒子遇到障碍或照相底片时波又哪里去了？凡此种种德布罗意难以提供任何有说服力的解释.1927年夏，在布鲁塞尔索耳威大会上，德布罗意模型遭到了大会全体一致的否定. “从形而上学的角度看，Einstein过去一直在努力发现上帝的意图，找出上帝是怎样创立这个世界的.现在Einstein进一步扩展了自己的视野，他想证明上帝在创造世界时是否真的有所选择.他经常说：‘我最感兴趣的是上帝在建造这个世界时是否有所区别，换句话说，这种对逻辑简单性的追求是否有所遗漏.’”【1】1935 年 5 月, 在 Physical Review 上 Einstein 和他的两位同事 B. Podolsky和 N. Rosen 共同发表了一篇名为 「Can Quantum-Mechanical Description of Physical  Reality Be Considered Complete?」 (量子力学对物理世 界的描述是完备的吗?) 三个人异口同声地回答:「不!」.在这篇著名的文章中，作者首先阐述了他们对物理理论的看 法： 一个严谨的物理理论应该要区别「客观实体」(object reality) 以及这个理论运作的观点． 客观实体应独立于理论而存在．在判断一个理论是否成功时， 我们会问自己两个问题：(1) 这个理论是否正确? (2) 理论的描述是否完备?只有当这两个问题的答案是肯定时，这样的理论才是令人满意的．理论的正确性当由实验来决定．而关于量子力学的描述是否完备则是这篇文章探讨的主题．在进一步讨论理论的完备性之前，我们必须先定义什么是完备性．作者们提出了一项判别完备性的条件： 每一个物理实体的要素必须在理论中有一对应物(every element of the physical reality must have a counterpart  in the physical theory)因此我们决定了什么是「物理实体的要素」，那么第二个问题就容易回答了．那么，究竟什么是「物理实体的要素」呢? 作者们以为: 「如果，在不以任何方式干扰系统的情况下，我们能准确地预测(即 机率为一)某一物理量的值，那么必定存在一个物理实体的要素 与这个物理量对应．」他们认为，只要不把这个准则视为一必要条件，而看成是一充分的条件，那么这个判别准则同样适用于古典物理以及量子力学中对实在的概念．举例来说，在一维系统中，一个以波函数 φ(x) = exp(ip0x/2πh) (其中 p0 是一常数，i 表纯虚数，h 为 Planck常数)描述的粒子．其动量的算符为 h d ,p = ------ ---- ,2(Pi)i dx,因此： pFI(x) = p0FI(x),所以动量有一确定的值 p0. 因此在这种情形下动量是一物理实体．反之，对位置算符 q 而言，qFI = xFI ≠ aFI ,因此粒子的位置并没有一确定的值．它是不可预测的，仅能以实验 测定之．然而任何一实验的测定都将干扰到粒子而改变其状态，被测后的粒子将再也不具动量 p0 了． 对于此情况，我们说当一粒子的动量确定时，它的位置并非一物理实体．一般来说在量子力学中，对两个不可对易的可观察量(observable)而言，知道其中一个物理量的准确知识将排除对另外一个的准确知识.任何企图决定后者的实验都将改变系统的状态而破坏了对前者的知识．至此，作者们发现我们面临了如下的两难局面： (1)或者，在量子力学中波函数对物理实在的描述是不完备的． (2)或者，两个对应于不可对易算符的物理量不能同时是实在 的(即具有确定的值)．因为，若两个不可对易的物理量同时具有确定的值，根据作者们对完 备性的条件，在波函数的描述中应包含这些值．但事实上并非如此，因此波函数的描述是不完备的．在量子力学中，通常假设了波函数包含了描述物理系统一切完备的资讯．乍看之下， 这样的假设似乎很合理．然而，Einstein等人指出，在这个假设之下，配合他们对物理实体的判别准则，将导出(2)也是错的．因此这是一个矛盾． 这就是著名的 EPR 悖论(EPR paradox 或 EPR dilemma)．
Einstein 等设计了一个理想实验来证实他们的观点．假设现在有两个粒子在t=0到t=T的时间之内相互作用，但在t>T之后分开，不再有任何交互作用．根据Schrodinger方程式，我们仍然可以算出以后任何时刻两个粒子的状态．现在，注意到两个粒子动量和算符 p1+p2 及位置差算符 x1-x2是可对易的． 因此可以同时具有确定的值，即有共同的本征态(eigenstate)．例如FI(x1,x2) = D(x1-x2-a),D 是 Dirac 的 delta 函数．这代表了动量和为零以及位置差为 a 的本徵态．现在假如我们去测量粒子1的位置，而得到结果x1，那么，我们可以同时地肯定粒子2的位置必定是x1-a.换言之，在不扰动粒子2的情形之下我们便可确定粒子2的位置．因此，根据EPR的判别准则，粒子2的位置是实在的．同样的，若是我们去测量粒子 1的动量而得到结果p，我们也能肯定粒子2具有动量-p.因此粒子2的动量也是实在的．由于两个粒子已经足够地分开，而没有任何交互作用，粒子 2 不可能知道我们究竟要测量粒子1的位置还是动量，从而「决定」它要在位置x1-a或具有动量-p，这两个量必定是同时存在的(即使我们不能同时去量它们)．换言之，就是违反了前面 (2) 的条件．
在假设 (1) 错的情形之下，Einstein 等推出了 (2) 也是错的结论，而这是不可能的．因此(1)一定是对的．所以Einstein等大胆的宣布，量子力学的描述必是不完备的．在获得了这样的结论之后，Einstein等同时期待了一个新而完备的理论将会出现．
纵观 Einstein 的论证，我们发现他们的推论中隐含了两项假设： (1)物理实在是独立于观测者而客观地存在的． (2)两粒子间传递讯息的速度不能超过光速，不存在超距作用(action-at-a-distance)． 这项假设后来被称为 Einstein 定域性原理(locality principle)．
将Einstein的物理实在观与光速极限性结合起来，可以得出Einstein可分隔性原理或定域性原理，它可以表述为：不存在瞬时超距作用；若没有以不大于光速的速度传递的物理信号建立联系，空间中分离的客体的实在状态是彼此独立的.为了论证量子力学的不完备性，早在1935年，Einstein和波多尔斯基、罗森一起提出了一个假想实验（通称为EPR理想实验或EPR论证）.他们考虑两个自旋为±1／2的粒子A和B组成的总自旋为零的体系.设在t0之前的一段时间内两个粒子之间存在相互作用，然后用不影响每个粒子自旋的方法使其分开，当t＞t0，二者在空间上相距甚远，不再有相互作用.按照Einstein可分隔性原理，在这种情况下，对粒子A的测量不应当立即对粒子B发生任何影响.量子力学预言，只要测出A自旋的某一分量，就能立即得知B自旋的同一分量值.按照量子力学理论，微观客体在测量之前一般并不处于确定的本征态，测量操作得出粒子A自旋在某一方向上的分量，粒子A本身也就进入取该自旋分量值的本征态.可是，相距甚远的粒子B，既不与粒子A也不与仪器有相互作用，怎么会使自己的自旋在同一方向上立即取相反的值呢？考虑到上面的叙述对任意方向的自旋测量都成立，即可以任意改变仪器测量的方位都得到上述结论，问题就变得更为严重.这意味着仪器测量A自旋的事件对粒子B产生了影响，并且这种影响是超光速瞬时传递的.这在Einstein看来是不可接受的.Einstein认为，为了消除上述悖论，人们只能肯定下述两个论断中的一个：“要么量子力学不完备，要么就必须假设存在超距作用.”我们知道，Einstein断然维护了定域性原理，否定了量子力学的完备性.
同年十月，Bohr 也在Physical Review 上发表了一篇同名的论文，反驳Einstein 等人的观点．Bohr 首先批评了EPR对物理实体的判别准则．Bohr 以为一个物理量只有在当它被测量之后才是实在的．在EPR的理想实验中，虽然我们对粒子的测量的确会得到预期的结果，然而只有在我们安排此一实验测量之后，该物理量(位置或动量)才是实在的．所以EPR 的判别准则是有问题的．其次Bohr 分析了EPR 的理想实验，认为两个粒子在分开之后，仍然存在着某种关联性．因此在对粒子1做测量时，仍应视为对整个系统的扰动．换言之，Bohr并不赞同Einstein 的定域性原理．量子力学是一个和谐的数学形式体系．它的预测与微观领域的实验结果都符合得很好．既然一个物理理论的预测都能够被实验所证实，而且实验又不能得出比理论更多的东西，那么，我们还有什么理由对这个理论提出更高的「完备性」要求呢? 量子力学确实描述了微观客体对巨观仪器的度量表现，这种巨观度量只能得出微观客体运动的统计结果．量子力学也只能透过这些巨观表现去猜测微观客体的某些属性，它确实反映了以作用量子为下限的客体之运动状况．因此，从它自身逻辑的相容性与和经验符合的程度来看，Bohr 认为，量子力学是完备的．
量子移物最现实的应用是量子计算领域，它的优点是使接收者可以立即收到传输的信息，而无须等待信息以普通方式传输，因此倍受重视.而量子移物实验，正是Einstein与玻尔的争论直接引发的.Einstein主张，应该尝试把握独立存在于观测之外的现实，但他也意识到，当把独立的物理现实赋予缠结对中个体粒子时，就会落入玻尔的整个系统考虑的主张.即对缠结对而言，就是必须把两个粒子的组合放在一起考虑，这样Einstein所需要的每个粒子的独立真实状态对于缠结的量子系统来说毫无意义.同样，这对海森伯也是一个冲击.海森伯测不准原理决定了不可能同时知道某一物体的精确位置和它的动量，因此也就不可能对远距离传送的物体进行理想的扫描，每个原子和电子的位置和速度都可能出现误差.这也适用于其它成对的量，从而使人们不可能准确而全面地测定任意物体的量子状态，但这种测量又必须获得全部必要信息才能准确地描述物体.然而运用量子学的缠结特性，却能回避海森伯测不准原理所施加的限制，而不违反其法则.这就是1993年由IBM科研组的Charles H•Bennett等人发现的可运用量子力学本身来进行传送的途径.
这道理是：两个光子偏振的缠结是随机的，但却是完全一致的，因此它们的相速度与群速度也是随机的，但在真空中又是一致.光束甚至单个光子都由电磁场振荡构成，而偏振与电场振荡的取向有关.当一束激光通过如硼酸钡之类的晶体时产生缠结的光子对，晶体有时把单个的紫外线光子转变为两个低能光子，一个垂直偏振，一个水平偏振.如果光子恰好沿锥面交线通过，那么两个光子的偏振都不确定，但它们的相对偏振是互补的，因而它们产生缠结现象.而非偏振的光包括在各个方向上振动的光子.在偏振光中光子的电场振荡全部具有相同的方向.方解石晶体把一束光线一分为二，其偏振方向与它的轴平行的光子形成一束光线，而偏振方向与它的轴垂直的光子形成另一束光线.处于中间角度的光子则进入两束光线的量子叠加状态.每个这样的光子都能够在这束或那束光线中探测到，其概率依它的角度而定.由于涉及到概率问题，我们不能确切地测出单个光子的未知偏振状态.因此理想的量子移物过程，是依靠发送者（她）和接收者（他）分享一对缠结粒子A和B来完成.发送者有一个处于未知量子状态X的粒子，她对粒子A和X进行了贝尔态测量，得出4种可能结果中的一种.她使用普通方法把结果告诉接收者.接收者根据发送者的结果使粒子保持不变（1）或者让它改变（2、3、4）.两种方法都可以产生初始粒子X的理想复制品.这里，发送者获得这四种可能结果中的哪一种是完全随机的，不依赖于光子X的初始状态.因此接收者在了解发送者的测量结果之前一直不知道如何处理他的光子.可以说，接收者的光子在一瞬间便包含了来自发送者的初始态光子、并通过量子力学原理的作用传输过来的所有信息.然而，要知道如何解读信息，接收者还必须坐等经典信息传输过来，此信息包含两个比特，其传输速度不能大于光速.这里是否可以说，传输的东西仅仅是光子的偏振，或者是它的量子状态，而不是光子“本身”呢？不能，由于光子的量子状态就是它的明确特征，所以传输光子的量子状态便等同于传输光子本身.但由于完全复制量子信息是不可能的，因此发送者的测量实际上使得光子A和光子X缠结，而光子可以说失去了所有有关它初始状态的记忆.作为缠结对中的一个光子，它没有单独的偏振.所以，光子X的初始状态从发送者处消失了.
此外，光子X的状态是在发送者和接收者都完全不了解的情况下传输给接收者的.发送者的测量结果是完全随机的，没有显示有关光子状态的任何信息.测量过程就这样避开了海森伯原理，即只要不试图去测量其状态，这个原理并不影响整个状态的传输.并且，传输的量子信息实质上没有从发送者传到接收者.实际传输的所有信息只是有关发送者测量结果的消息，它告诉接收者如何处理他的光子，却没有传送关于光子X状态本身的信息.
在四种情形中的一种情况下，发送者顺利地完成了测量，接收者的光子便立即变得与发送者的光子的初始状态完全相同.看起来似乎是信息立即从发送者传到了接收者，从而打破了Einstein的速度限制.但是这个奇怪的特征不能用于发送信息，因为接受者没法知道他的光子已经变成了发送者的光子的复制品.这又说明，即使量子力学在相隔一定距离的情况下幽灵般地发生瞬时作用，也不能以大于光速的速度传送有用信息.
量子移物还可以是一种搭骑在发送者的辅助光子A背上的量子状态：辅助光子对根据光子的位置缠结，光子A被分束器分裂后，发送到发送者的装置的两个不同部分，而这两部分通过缠结与接收者的光子B的相似分裂联系起来，要传输的状态也被发送者的光子A所携带，即它的偏振状态.1997年罗马第一大学的研究组成功地演示了这一方案.他们所利用的光子偏振特性是离散的量，其中任何偏振状态都可以恰好表示为两个离散状态（例如垂直偏振和水平偏振的叠加）.和光相联系的电磁场同样具有等于无穷多个基本状态的叠加的连续特性.比如，光速能够被“压缩”，这意味着可以把光的一个特性变得极其精确，或是无噪声，但付出的代价是另一个特性变得更加不确定.这里又把缠结同模糊联系了起来，确定的界是与模糊的界缠结在一起的.1998年加州理工学院的Jeffrey Kimble研究组将这样一个压缩状态从一束光传输给另一束光，由此演示了连续特性的传输.
缠结在量子计算领域的运用是跟采用量子比特有关.例如量子逻辑可以是0和1的量子叠加态，就像光子可以是水平偏振和垂直偏振的叠加态一样.事实上，三旋正是能够同时将许多不同输入的叠加进行工作，从而说明它具有缠结的特性.从缠结特征出发，来审视物理学中从经典到现代前沿的平衡、对称、守恒等概念，它们全都有一些相通之处.例如，如果把汤川秀树说的基本粒子的自旋是一种内禀现象，和卡鲁扎--克莱因遗产中的第五维是微小圈结合起来，就是我们说的50年前萌生的三旋环量子理论.一个环量子类圈体能作面旋（如圈体的滚动）、体旋（如圈体的翻动）、线旋（如圈体表层绕中心的免动）.线旋又分为平凡线旋（如普通的圈体免动）、不平凡线旋（如墨比乌斯体类扭动）、收敛线旋（如克莱因瓶类反馈）、节点线旋（如艾根指的从化学进化到生物学进化阶段中的超循环运动）、孤立线旋（如水中的孤波）.因收敛线旋、节点线旋和孤立线旋不具有全对称性，计算自旋态时应除开外，在存在一个不动点质心的情况下，一个全对称的环量子类圈体能不相矛盾具有62种自旋状态，即31倍于球量子粒子客体自旋态.所以波姆对隐秩序的维数计算，从环量子类圈体模型的角度也是可以理解的，即隐秩序存在于非粒子环量子圈态客体中.有了隐秩序这种三旋模型，反过来对于Einstein、波多尔斯基、罗森发现的量子EPR效应也好理解.
笔者认为，波粒二象性是电磁质量的物理特性，对于宏观物体主要表现为引力质量，薛定谔的猫是死还是活以及ＥＰＲ之谜根本就不存在.
参考文献：
【1】《Einstein传》  744页【美】A•弗尔辛 著 薛春志 遥遥 译  时代文艺出版社出版，1998年10月第1版
第五章        电磁作用与弱相互作用之间的关系新探
                        1、强相互作用的提出过程回顾
粒子结构理论既是粒子物理的基础理论，又是粒子物理的前沿课题.由于它讲的是物质的基本组成，所以这个理论正确与否，对粒子物理及许多相关学科的发展有极大的影响.所谓粒子结构理论都包含有两部分内容：一是确定现已发现的全部粒子（习惯上通称基本粒子）中，哪些是基本粒子，哪些是复合粒子.二是说明这些基本粒子如何组成复合粒子的.
1935年，汤川秀树提出“介子论”，对质子和中子的结合做了很圆满的解释.汤川秀树假设质子和质子间，质子和中子间，中子和中子间，都另有一种交互吸引的作用力，在近距离时远比电荷间的库仑作用力为强，但在稍大距离时即减弱为零（为了解释从氘核到氦核（α粒子）结合能迅速增加的事实，他和维格纳一起认识到，核力的力程一定很短），这种新作用称为核子作用或强作用，它是由于交换一种粒子称为介子而生的交互作用. 他说，质子(为费米子)和中子会扭曲周围的空间(核力场)，为了抵消此一扭曲,遂产生了虚介子(介子为玻色子)，藉着介子的交换，质子和中子才能结合在一起.结合相对论和量子理论以质子和中子间新粒子的交换(介子叫“π介子”)描述原子核的交互作用，汤川秀树推测粒子的质量(介子)大约是电子质量的200倍，这是原子核力介子理论的开端.质量为电子200倍的粒子在宇宙射线中被发现，那时物理学家最先想到的是，它就是汤川秀树的π介子，后来才发现它是μ介子.
    物理学家把质子（Ｐ）、中子（Ｎ），π介子，Ｋ介子等一类参与强相互作用的粒子叫强子；把像电子、μ子等一类只参与弱相互作用、电磁相互作用而不参与强相互作用的粒子叫做轻子.那些和质子差不多重的粒子叫重子；而重得多的粒子则叫超子.如 Λ超子、Σ超子等；质量介于重子和轻子之间的粒子称介子， 但现在看来这种分法有点过时了，如τ轻子的质量达3477.4me.
     在大阪大学工作不久，在1935年汤川秀树提出介子学说，以“基本粒子的相互作用”为题，发表了介子场论文.当时量子电动力学正处于初始阶段，人们已逐渐认识到，电磁相互作用可以看作是在荷电粒子之间交换光子，光子是电磁场的“量子”，它以光速运动.参照这一理论，汤川把核力设想为带有势函数U（x,y,z,t）的特定场中的相互作用，这种场导致所谓U量子，U量子是核强相互作用时交换的粒子，其静质量约为电子的200倍（后来命名为“介子”），即质子和中子通过交换介子而相互转化（《论基本粒子的相互作用》）.
　　他预言，作为核力及β衰变的媒介存在有新粒子即介子，还提出了核力场的方程和核力的势，即汤川势的表达式.按照这一理论，质子和中子通过介子可以带正、负电荷或者是中性的，一个介子可以转化为一个电子和不带电的轻子（即中微子）.交换介子而互相转化，核力是一种交换介子的相互作用.1937年C.D.安德森等在宇宙线中发现新的带电粒子（后被认定为μ子）之后，经C.F.鲍威尔等人的研究，于1947年在宇宙射线中发现了另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，被命名为π介子.由于在核力理论的基础上预言介子的存在.
汤川秀树和坂田昌一等人在1937年展开了介子场理论的研究.1947年提出了非定域场理论，试图解决场的发散问题.在1953年9月在京都召开的国际理论物理学会上，汤川秀树发表了非定域场的统一理论.
早在20世纪50年代末，费米和杨振宁曾把π介子看成是正、反核子对组成的复合粒子（费米——杨模型）.后来坂田认为质子，中子和Λ超子以及它们的反粒子是基本粒子，其他强子都是由这些基本粒子组成的（坂田模型）.这两个模型都很粗糙.1964年美国科学家盖尔曼提出《夸克模型》：几百种强子皆是由少数几种夸克组成的.介子由一对正、反夸克组成，重子由三个夸克组成.这个模型大有进步，它可以解释重子、介子的自旋、电荷特征.但仍有许多问题无法解释，其中最著名的是e-μ之谜，盖尔曼把它列为粒子物理中的头号大难题.
由于盖尔曼1961年提出的粒子周期表成功预见了Ω-新粒子的存在，使他荣获了1969年诺贝尔物理学奖，因为他把获奖原因说成是他提出了《夸克模型》，使人们误认为《夸克模型》已被实验证实，从而对它的正确性深信不疑.然而实际情况是：《夸克模型》一提出，实验科学家就一直在寻找这个模型中的基本粒子夸克，可是至今没有找到.
1973年，维尔切克，格罗斯，波利策三位物理学家用完美的数学公式提出了一种新理论.乍一看，他们的理论是完全矛盾的，因为对他们的数学结果的解释表明，夸克间的距离越近，强作用力越弱.当夸克间彼此非常接近时，强作用力是如此之弱，以至它们的行为完全就像自由粒子.物理学家们将这种现象称为“渐近自由”，即渐近不缚性.反过来也是正确的，即当夸克间的距离越大时，强作用力就越强.这种特性可用橡皮带的性质来比喻，即橡皮带拉得越长，作用力就越强. 渐近自由理论解释了质子和中子的成分夸克为何从来都不会分离.这一发现导致了一个全新的理论——量子色动力学的诞生.这一理论对标准模型有着重要的贡献.标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象，但它并没有包括重力.在量子色动力学家的帮助下，物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子.量子场论中已经指出：在弱作用去耦前，引力和电磁力是统一的，弱作用去耦后二者才分离.另外，电子的质量主要是耦合成电子的色胶子间的强相互作用导致的，电磁相互作用倒是次要的.
2、现代粒子结构的发展
（一）《自然》：最新研究证实存在物质—反物质分子
作者：任霄鹏 来源：科学网 www.sciencenet.cn 发布时间：2007-9-13 15:38:27图片说明：超高真空室靶室.在这里，正电子被射入多孔石英膜.
美国科学家的一项最新研究，找到了物质和反物质结合的确凿证据.在9月13日《自然》杂志发表的一篇论文中，加州大学河畔分校的David Cassidy和Allen Mills表示，他们发现了两个电子偶素（positronium，简写为Ps）可以相互结合，形成分子电子偶素Ps2（molecular positronium）的确凿证据.
所谓电子偶素，其实就是一对正电子（positron，电子的反物质形态）和电子形成的原子.由于正电子和电子的电荷差异，它们很容易发生吸引，相互结合.从理论上而言，电子偶素原子（即电子—正电子对）之间也能够相互配对，形成Ps2分子，这就好比两个氢原子形成H2.由于正电子的质量只有质子的1/1836，因此电子偶素分子的质量也比H2分子要轻得多.
然而，Ps2有着不同寻常的一面.加州大学圣地亚哥分校的物理学家Clifford Surko表示，与普通原子可明确描述的结合不同，这四个粒子好像“在围绕彼此跳着欢快的舞蹈”.
Ps2分子难以被发现的一个重要原因是物质和反物质在极短的时间内结合并发生湮灭，以伽马射线的形式释放出能量.在实验室中，Ps原子在自我毁灭之前的存活时间仅有不到百万分之一秒.
不过，Cassidy和Mills发现，只要他们能捕获足够的Ps原子，其中的一些就可以在消失之前发生结合.利用Surko开发的一种技术，研究人员制造出了一束正电子流，并将它射入多孔的石英薄膜中，试图让正电子与电子结合，并制造出Ps2.研究人员估计，两个Ps结合形成分子的几率约为十分之一.（参见更多阅读2）
科学家的进一步研究验证了两个事实.Ps2中电子—正电子的湮没速度比单独的Ps原子更快，这是由于结合成分子后，电子和正电子碰撞几率更大.此外，在温度较低时Ps混合原子结合成分子的比率更大，因为低温让分子更加稳定，而随之释放出的伽马射线也更加强烈.
新的研究将为解答一些最复杂的物理学基本问题带来希望，比如为什么宇宙中物质比反物质多得多（宇称不守恒）.而Mills等人也已经确立了一个实际目标，即制造大量的Ps2分子，利用湮灭释放的高能伽马射线来创造激光.（科学网 任霄鹏/编译）
这一段报道可以看作是反引力的一个重要的实验例证：试想，如果正负电子对（电子偶素）之间的万有引力是正引力——吸力，那么，它们间的电磁相互作用也是吸力，这只能使它们进一步接近，而越接近这种吸引力将越发强大，而且，随之而发生的弱作用力和强核力也是吸引力，这只能使正负电子对单调地接近，复合而湮没为γ光子，不可能有机会暂时稳定为电子偶素分子！正是正负电子对（电子偶素）之间的万有引力是反引力——斥力，而且，由于其间的电磁场很强，因而其间的光速会很低，这样引力耦合系数G会大得多，从而它不会是电磁耦合系数的10-36倍，这样，反引力会抗拒电磁吸力，使之有机会暂时稳定为电子偶素分子！正、负电子不仅绕共同质心旋转，并在其相对平衡位置处振动，一旦它们接近到弱作用力和强核力吸力发生作用时，这种平衡被打破，正、负电子耦合，湮没为γ光子.所以，Ps原子在自我毁灭之前，有一段短暂的存活时间！
（二）超新星爆发时的重元素合成速度远高于理论预测值.
新华网东京2月6日电日本理化研究所日前发表公报说，该所研究人员与国内外同行通过对38种中子过剩的放射性同位素的寿命进行精确测定，发现质量数在110左右的放射性同位素的衰变速度超过理论预测值的两三倍.这表明超新星爆发时的元素合成速度远高于预想.
    公报说，科学界认为，从铁到铀，自然界稳定存在的重元素中有约半数是大质量恒星在生命终结阶段发生超新星爆发时生成的.为了验证这一假说，有必要人工合成超新星爆发时生成的中子过剩的放射性同位素，并测定它们的寿命.
    研究小组利用仁科加速器研究中心的重离子加速器“放射性同位素束流工厂”将铀238束流加速到345兆电子伏特，然后轰击铍9，从而人工制造出从氪97到锝117等数十种中子过剩的放射性同位素.接着，研究人员把这些放射性同位素分离，并让分离后的原子核束射入理化研究所研发的高性能寿命测定装置，精确测定它们的寿命，也即同位素衰变前保持稳定的时间.测定结果显示，质量数在110左右的放射性同位素的寿命只有理论预测值的二分之一到三分之一.这表明，超新星爆发时的重元素合成速度远高于理论预测值.
本次研究成果将发表于美国《物理评论通讯》周刊.
3、强相互作用的研究进展
2007年2月16日，在旧金山举行的美国科学促进会的新闻发布会上，1976年诺贝尔物理学奖得主之一伯顿•里克特，说了这样一段话：“近百年来，物理学家探究物质基本构成的方法，本质上并没有改变，那就是用加速器使粒子束获得极高的速度和能量，用来轰击原子核或基本粒子，观察撞击产生的“碎片”.但随着研究的深入，撞击所需要的能量增加了许多个数量级，建造加速器的费用也增加了许多个数量级.在实验室里用几块金属板拼装出一个加速器就可以使用的时代早已过去，现在的加速器动辄需要上亿甚至几十亿美元，超出了一所实验室乃至一个国家的能力范围.许多加速器因为经费问题而关闭或即将关闭，当前世界最强大的加速器——美国费米实验室的对撞机也不能幸免，即将在2009年关闭”.当前，原子核物理的发展进入了一个令人瞩目的新阶段.由于大型实验装置的兴建和巨大发展，人们已经或即将把正常状态的原子核推向极端条件，如：高速旋转（转动频率高达1020Hz）、超形变（长短轴比达2：1） 甚至巨形变（长短轴比达3：1）、奇异形状（梨形、香蕉形等）、反常中子质子比（轻晕核、如11Li、已达8：3）、常温低密（如晕核等）、常温高密（如核天体等）、高温高密（高能核核碰撞产生的核物质、核天体等）、乃至新的物质形态—夸克胶子等离子体.这些新的运动模式和状态下的原子核的发现既对传统的量子核多体理论提出了严重挑战，同时也密切了与其他学科（如：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、等）的关系.这些极端条件下原子核状态的发现对核物理研究不仅产生了巨大的冲击，也提出了严重的挑战，并提供了重大机遇，成为当前原子核物理发展的主攻方向.通过对这些极端条件下原子核的研究，可以深化原子核理论的基础知识的认识，并了解极端条件下强相互作用物质的形态、性质及相用机理，发展新的量子多体理论.同时，该方面的研究也有可能对国民经济及国防建设产生重大影响，例如：利用稳定的超形变核态到正常形变核态的退激制造核X射线激光可以使激光器的能量增益成数倍提高.
    强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离最短的（大约在 10-15～10-10 m 范围内）.核子间的核力就是强相互作用，它抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定.现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关. 它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起.一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力.它只能与自身以及与夸克相互作用.强核力具有一种称为禁闭的古怪性质：它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体.由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到单独的夸克.反之，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结在一起（红＋绿＋蓝＝白）.这样的三胞胎构成了质子或中子.其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对（红＋反红，或绿＋反绿，或蓝＋反蓝＝白）.这样的结合构成称为介子的粒子.介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会互相湮灭而产生电子和其他粒子.类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子.相反地，人们所能得到的胶子的团，其迭加起来的颜色必须是白的.这样的团形成了称为胶球的不稳定粒子.
强相互作用的理论是量子色动力学(QCD).带电粒子之间有电磁相互作用,带色荷的粒子之间有强相互作用.两个中性原子之间没有相互作用,靠近电子云重叠出现作用力称为范德瓦尔斯力,出现强相互作用强子之间的力程都很短.
强相互作用与电磁作用不同的是，它有不止一种电荷（叫色荷）.电磁作用只有一种电荷，当然这一种电荷可以是正，也可以是负；同号相斥；异号相吸.对于强作用，除了同一种“色荷”可以有正负外，还可以有其他种色荷，量子场论关于强相互作用的研究还处于非常初级的阶段，量子色动力学面临的困难，以及各种大统一理论和超统一理论的失败，使我们目前还无法真正确认强相互作用的物理本质.为了解释原子核中稳定的构造，物理学家认为在强子间又存在着一种既不是电磁力，也不是万有引力的强相互作用——核力，并对这种作用提出了种种设想，其中交换力是得到较多认可的.交换力是由于交换中介粒子而在基本粒子之间产生的作用力. 设想两个人争夺一个球，那么其结果相当于它们之间产生一种引力.如若他们相互掷抛这个球，则相当于它们之间产生一种斥力.在核子之间相互争夺的这个球就是π介子.现代物理学认为强相互作用只适用于微观世界，可是微观与宏观没有截然的界限，这显然存在着不协调性，而且与宇宙全息统一论的思想不一致.现代物理学认为，核力用一个标量场来描述，这标量场满足真空中的波动方程.按照量子场论的普遍原理，场论不可避免地是和粒子或量子相伴随的，后者的质量为μ=kh/c，其自旋为0，服从玻色——Einstein统计法.传递电磁作用的是光子，是自旋为1的零质量的向量粒子，而传递强相互作用的π介子，却是自旋为0的非零质量赝标粒子.如果用快速α粒子来轰击重核，α粒子可以进入核内形成复核，说明α粒子和原子核接近到一定距离时，除电磁斥力外，还有吸引力的存在，它随距离的变化比Coulom力快的多.核子间的作用力也是一种交换力，中间的交换媒介为π介子.现代物理学认为核力与核子的取向有关.
量子力学的有效范围是高能领域，一般来说微观物理是高能范围，所以量子力学适用于微观领域.从数学上可以知道，在最低能级层面，无论是强力、弱力还是电磁力，带同种性质的力荷的粒子之间都是排斥力，而带不同性质力荷的粒子之间是吸引力.这是数学上的必然结果.随着能量的增高，各种量子修正都会逐渐变得越来越重要，强力是吸引的，弱力是排斥的，是一种近似说法.王令隽是从中国科学院理论物理研究所在1979年派往美国的留学生，以后长期在田纳西大学物理系当教授，他说： 将核力分为弱相互作用和强相互作用两个基本相互作用力是错误的.中子不是“夸克”的组合，最基本的粒子是质子和电子.
                4、电磁作用与强相互作用之间的关系
        物理学是研究物质的最简单运动规律的科学，其最终目的是：找到物质运动、变化与相互作用的内在联系，以最少的假设，通过分析、推理解释所有相关实验结果，预言新的实验现象.从二十世纪初的费米一一狄拉克统计确立以来，已经过了八十年，但是至到今天物理学家们对它的认识都还停留在种种猜想的表面现象上，不识其庐山真面目.2004年的诺贝尔物理学奖授予夸克禁闭的渐渐自由猜想，也表明物理学界对1/2自旋的无可奈何.
（一）靴袢理论简介
量子场论也不是一开始就有很多人相信的.直到路径积分出现，还是如此.60年代就受到S矩阵，靴袢理论的有力冲击.
  靴袢理论认为：在两个强子的相互作用中，没有任何粒子表现为单独负责传递这种作用.参加强相互作用的粒子既可以作初、末态粒子，又可以作为负责引起相互作用的被交换粒子.这一事实对描述这类反应的散射振幅提供了自恰性约束，并且强子是互为组成部分的.这种相互嵌合的粒子体系是通过“自恰性原理”而组成动力学系统的.事实上物质世界是不能归结为最基本的实体的，所谓“基本粒子”只是一组向外散射着的关系，每一个粒子的行为是由所有其他粒子的行为决定的.因此，其性质可由其他粒子的性质推导出来.物质世界没有“部分”，只有性质.现代物理学已经把强相互作用与电磁作用统一起来，根据上面的观点电磁作用与强相互作用是互为反作用力，所以电磁作用也满足靴袢理论.
      由于新强子的不断产生，人们很快认识到场论无法用来描述强相互作用.由于高自旋强子共振态的存在，场论无法避免一些令人不快的性质，如不可重正性.朗道等人也早就证明即使是最成功的量子场论，量子电动力学，在根本上是不自恰的理论.量子电动力学是可重正的，但是它的耦合常数随着能量的提高而变大，且在一定的能量上达到无限大.这个能量叫朗道极点.朗道极点的来源是有限的电子质量和在这个能量上有限的耦合常数.如果我们希望将朗道极点推到无限大，那么低能的耦合常数只能是零，这就是有名的莫斯科之零.由于以上所说的原因，整个60 年代量子场论被看成是过时的玩意.丘(Geoffrey F. Chew)等人强调场本来就是不可观察量，只有散射振幅是可观察的，所以散射矩阵理论成了60年代的时尚.
                   （二）电磁作用与强相互作用之间的关系
笔者认为现代物理学中的强相互作用、电磁力应当是它们的合力，在10-14cm 的尺度范围，可通过超高能电子与质子碰撞后的散射来研究，实验结果似乎表明电力比预期的要弱.强相互作用力是按牛顿万有引力定律计算出的万有引力的1038倍，说明强相互作用与万有引力是不同的.现代物理学认为强相互作用靠胶子传递，胶子的静止质量为0，与光子相同，笔者认为胶子可能是光子的反粒子或者说是虚光子.
笔者认为在任何范围内，实验观测到的都是它们的合力，与Coulomb,s  law都有部分偏差，只是偏差大小不同而已.中性π介子应当没有强相互作用.Hideki  Yukawa认为强相互作用通过π介子传递，而它带有 electric  charge，正说明了这一问题.强相互作用与电磁力方向相反，可以认为是电磁力的反作用.每一种力都有自己的反作用，这是矛盾着的双方，是由对称的绝对性所决定的；根据对称的相对性，它们的变化规律不同，例如分子的引力与斥力是相互对立的，只是变化规律不同，电磁力与强相互作用是它们的微观机理，因此它们应当如此.强相互作用与电磁力的变化规律不同，才导致了量子电动力学的局限性.
                  （三）宇称守恒定律的新认识
守恒定律表现为CPT定理，用P、T、C分别表示空间反向、时间反演和电荷共轭变换.在强作用和电磁作用中，P、T或C中任一变换下都是不变的.量子场论可以证明，符合相对论的基本粒子理论在CPT联合变换下总是不变的.这表明，P、T、C三个守恒定律任两个成立，使得第三个也成立.这种关系称为CPT定理.空间反向变换不变性表现为宇称守恒.宇称守恒指一孤立体系的宇称不随时间变换，即当体系内部发生变化时，变化前体系的宇称等于变化后体系的宇称，这就是宇称守恒定律.宇称守恒定律是与微观规律对空间反射的不变性相联系，即一个微观物理过程和它的镜像过程的规律完全相同时，该微观体系的宇称是守恒的.实验表明，在强相互作用和电磁相互作用过程中，宇称是守恒的.这说明电磁质量在引力空间中运动不变.
                      5、强相互作用不是短程力
在已知的主要的相互作用中，都有着明显的区间作用性：在强子内部和周围，强相互作用起着主要作用；在原子世界，电磁相互作用占着主导地位；引力相互作用在微观世界是微不足道的，到了太阳系世界，它才成了支配天体运动的主宰.现代物理学认为弱相互作用和强相互作用只适用于微观世界，可是微观与宏观没有截然的界限，微观、宏观、宇观是人为规定的，人类的生存空间并不是宇宙大的方面和小的方面的绝对分界线，这显然存在着不协调性.从表面上看，强相互作用是接触力，表现为短距离，只有在粒子之间发生，同两个粒子所带的 electric  charge没有关系，在中子与质子之间，质子与质子之间，中子与中子之间（中子也具有磁矩，电磁质量没有表现出来），这种相互作用力的强度是相同的.现代物理学认为强相互作用把核子紧密地束缚在一起，大约在0.4费米距离时，表现为吸引；距离再小，成为很强的排斥；距离大于1费米就可以忽略不计了.这种力有一部分是非中心力，即其方向并不在相互作用的粒子的联线上.泡利不相容原理在一定程度上反映了物质之间的排斥作用,但是只是说同性粒子不能占有同一个空间位置，没有说明正负粒子之间是不是会相互排斥.
现代物理学的实验证明，Coulomb,s  law的使用范围是10-13cm——109cm.空间物理和天体物理的实验和观测表明，在比这更大的尺度范围内，Coulomb,s  law或许仍适用.
（1）在高能光子产生轻子对或重子对的量子现象中，正反轻子或正反重子的电荷是异性的，其电磁相互作用是吸引力，刚产生时，二个粒子几乎是无限接近的，电磁相互引力极其强大.如果二者间的万有引力也是吸力，无限接近时，引力也是极其强大的，这二种力只有使正反粒子对重合而湮灭为光子，而不可能成为我们看到的正反粒子对正反粒子对在无限接近时的强相互作用是斥力，它比电磁相互引力和万有引力强的多，使正反粒子分开了！
（2）"美国科学家的一项最新研究，找到了物质和反物质结合的确凿证据.在(2007年)9月13日《自然》杂志发表的一篇论文中，加州大学河畔分校的David Cassidy和Allen Mills表示，他们发现了两个电子偶素(positronium，简写为Ps)可以相互结合，形成分子电子偶素Ps2molecular positronium)的确凿证据.
所谓电子偶素，其实就是一对正电子(positron，电子的反物质形态)和电子形成的原子.由于正电子和电子的电荷差异，它们很容易发生吸引，相互结合.从理论上而言，电子偶素原子(即电子-正电子对)之间也能够相互配对，形成Ps2分子，这就好比两个氢原子形成H2.由于正电子的质量只有质子的1/1836，因此电子偶素分子的质量也比H2分子要轻得多.
然而，Ps2有着不同寻常的一面.加州大学圣地亚哥分校的物理学家Clifford Surko表示，与普通原子可明确描述的结合不同，这四个粒子好像"在围绕彼此跳着欢快的舞蹈".
Ps2分子难以被发现的一个重要原因是物质和反物质在极短的时间内结合并发生湮灭，以伽马射线的形式释放出能量.在实验室中，Ps原子在自我毁灭之前的存活时间仅有不到百万分之一秒."
这一段报道可以看作是反引力的又一个重要的实验例证：试想，如果正负电子对(电子偶素)之间的万有引力是正引力--吸力，那么，它们间的电磁相互作用也是吸力，这只能使它们进一步接近，而越接近这种吸引力将越发强大，而且，随之而发生的弱作用力和强核力也是吸引力，这只能使正负电子对单调地接近，复合而湮没为γ光子，不可能有机会暂时稳定为电子偶素分子！正是正负电子对(电子偶素)之间的万有引力是反引力--斥力，而且，由于其间的电磁场很强，因而其间的光速会很低，这样引力耦合系数G会大得多(G=G0β-2，G0是我们测得的引力耦合系数，β=1-v2/c21/2，v是粒子的运动速度，c是那儿的光速，并非是我们测得的约每秒三十万公里那个光速C.由于c可能远远小于C，v可能很大，β可能远小于1，β-2可能很大，G会比G0大得多！)从而，它不会是电磁耦合系数的10-36倍.这样，反引力会抗拒电磁吸力，使之有机会暂时稳定为电子偶素分子！正、负电子不仅绕共同质心旋转，并在其相对平衡位置处振动，一旦它们接近到弱作用力和强核力吸力发生作用时，这种平衡被打破，正、负电子耦合，湮没为γ光子.所以，Ps原子在自我毁灭之前，有一段短暂的存活时间！
上面的实验现象说明强相互作用不是短程力.
             6、电子的结构和质子自旋危机的解决
电子内部的构造是怎么样的？在人类心目中，电子是闪耀的坚固的无从捉摸的高弹性精灵，它的结构简直无从设想.美国科学家把问题提得非常深刻又无奈：“是什么把电子结合成整体的，正如是什么使电子保有这样精确固定的电荷值一样，令人迷惑不解.电子不同部分间的静电作用力是相互排斥的，所以电子内必定还包含一种比电作用力更强的作用” 【1】.
质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克．过去认为质子自旋为1/2，是由三个夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担．这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题．
泡利不相容原理在一定程度上反映了物质之间的排斥作用.但是泡利不相容原理只是说同性粒子不能占有同一个空间位置，没有说明正负粒子之间是不是会相互排斥.
电磁力与强相互作用互为反作用力是对称的绝对性的表现形式，其变化规律不同是对称的相对性的表现形式，进一步说明了对称的绝对性与相对性原理的正确.根据这一理论根本不存在质子的自旋危机,电子结构问题自然迎刃而解，靠强相互作用聚集在一起，泡利不相容原理也是强相互作用的表现形式之一.
在原子内部四种相互作用力必须同时考虑，现代物理学根据结合能判定原子的稳定性有一定的局限性，例如1）铁的结合能最大，意味着它和附近的几个元素（钒铬锰铁钴镍）最稳定.2）比铁轻的元素结合能比较小， 所以理论上应该趋向于结合成更稳定的重元素.这可以定性地解释为什么氢的同位素会产生核聚变.3）比铁重的元素的比结合能也比铁小.这可以定性地解释为什么铀和钚等重元素会裂变成比较稳定的轻元素.但是比结合能曲线也有一些没有被实验结果印证的地方：1）按照比结合能曲线，锂和其他轻元素应该能够聚变成较重的元素，比如碳和氧.可是这并没有实 验印证.2）按照比结合能曲线，凡是比铁重的元素应该能够裂变成较轻的元素，可是我们知道，这没有实验支持，比铁重的铅才是最重的稳定元素.3）铀 233，铀235，铀236和铀238的比结合能相差微乎其微，可是他们的稳定性相差好多个数量级.铀233，铀235和铀236都是裂变铀，而铀238 是相当稳定的，其半衰期约四千五百万年.4）稳定的轻元素原子核中质子数和中子数大致相等，而稳定的重元素原子核中中子数可以比质子数多一半.质子和中子 的这种不对称性没有在这一比核结合能曲线中得到反映.
参考文献：
【1】 [美国]E.M.珀塞而尔，电磁学. [M].北京：科学出版社.1979.6
                  7、强相互作用和电磁相互作用关系的实验根据
            （一）“同性相吸，异性相斥”现象
新华社伦敦5月23日电（记者黄堃）“同性相斥，异性相吸”，这是大家都熟知的基本物理现象，但一项理论研究指出，两个带同种电荷的物体在特定条件下也可能出现“同性相吸”现象.
新一期英国《皇家学会学报Ａ》刊登的一篇论文说，新西兰惠灵顿维多利亚大学的约翰•莱克纳指出，英国科学家威廉•斯诺•哈里斯曾在1836年进行带电物体实验后报告，有些时候带同种电荷的物体之间的斥力会消失，转而变成引力.
莱克纳提出这样一个理论模型，两个本身导电效果足够好的球体带上同种电荷，通常它们会像人们预计的那样表现出“同性相斥”现象.但如果它们离得足够近，其中一个球体的电荷斥力作用非常明显，以至于另一个球体上的同种电荷被排斥到球体远端，这时其近端就可能出现局部带异种电荷的情况，最终导致两个整体看来带同种电荷的球体不可思议地产生“同性相吸”现象.莱克纳的这篇论文引起许多科研人员的兴趣，他们最初都不太相信这个与“常理”不符的结论，但在仔细思考和计算后又觉得这是可能的，现在已有研究者计划用超导体等设计精密的实验装置来测试相关理论.因此，与传统理论相悖的“同性相吸”是否真的成立，还有待科研人员的实验结果给出答案.
               （二）原子物理学中的液滴模型的局限性
原子物理中的液滴模型更能反映这种非对称性.液滴模型的比结合能中除了体结合能和面结合能以外，还加上了一项“非对称项”，得到了一个能够更好地定性解释核能的贝蒂-维兹萨克尔关系(Bethe-Weizsacker Relation).这一“非对称项”反映了质子和中子在核结合能中的作用并不是完全一样的.强相互作用同液体分子之间的力很相似，并且就象液体的情形那样.尽管这种力能够防止各个粒子完全离开，却并不妨碍它们发生相对位移，因为它们之间同时存在电磁力.因此原子核物质就具有某种程度的流形，它在不受到任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形.最近在美国Jefferson实验室进行的结果显示，质子不一定总是球形的.在该实验室的一项新的实验中，科学家们将电子在耽搁的质子（氢原子核）上的散射与在氦核上的散射做了比较，表明这两种核以不同的方式“捏塑”它们所包含的质子，使质子内的夸克有时会蔓延出来一些，或使质子成为像花生那样的形状，尽管其平均形状还是球形的.【1】
                    （三）自然界中的有关事实
许多生物大分子（如DNA）虽然具有相同符号的电荷，但却能相互吸引并在水中聚集成团，称为丛生现象.科学家们认为丛生现象的产生一定是由于某些溶于水中的离子或带电小分子抵消了大分子的电荷所形成的，但却不能破解其中的机理与细节.最近美国的生物物理学家G.Wong和他的同事们对同种电荷相互吸引进行了一些简单实验后发现，想使同种电荷发生相互吸引必须要在离子大小的范围内才有可能.【2】一个电荷的能量极其微弱，只有“同性电荷相吸”才能形成叠加的电量，才能到达云彩以下对地放电，甚至可以绕过避雷针进入室内放电，这是一种隐形的物质，放电时才能看到它是线条的形状，并且伴随着许多分叉，衣服放电就是一种小型的雷电现象.
笔者认为这两种现象都是强相互作用的表现形式.基本相互作用并不是汤川型强相互作用,现代基本粒子相互作用是用规范场描述的,汤川型已是过时的东西.
参考文献：
【1】《物理》第32卷12期89页 2003年 北京  
        【2】《物理》第32卷11期 2003年 北京
                  8、惯性概念的发展
从科学的结果看，作为科学活动结果的理论和公式也有美学价值.科学构想的美学像艺术作品的美学一样，是丰富多彩的.我们认为某些伟大的综合，如牛顿的综合之所以漂亮，是由于其经典的简单性，而在波动方程的相对论性扩展中，或者在对脱氧核糖核酸结构的解释中，由于出乎意料的联系，我们则看到另一类的美.因此，“无论从活动的过程或者从结果看，科学都有其美学内容.” 当然，对美和审美在科学中的存在和作用，我们也不可反客为主，人为地估价过高.毕竟，美不是科学追求的最终目的，而是这种追求的伴随物.审美只是科学方法论之一的臻美方法，而不是科学家工作的全部.库恩对此有清醒的见解：考虑对称性以及符号表示的简单性和精巧性，考虑数学美学的其他各种形式，这在艺术和科学中都很重要.不过在艺术中，美学本身就是创作的目的；而在科学中，它顶多也只是一个工具，亦即当几种理论在其他方面旗鼓相当时进行选择的标准，或者只是一种能启发想像以设法解决麻烦的技术疑点的指南.只有当它解开了疑点，只有当科学家的美学终于与大自然的美学相一致时，美学才在科学发展中发生良好作用.在科学中，美学很少是目的本身，而且从来不是首要的.
               （1）电磁质量的惯性
     麦克斯韦电磁场理论建立和被赫兹电磁波实验证实之后，人们认识到电磁作用是通过场实现的，电磁场的实在性在认识上开始形成，场中不仅贮存有能量，能量的传送也是通过场来传输的，即存在能流：能流与场的动量联系在一起.人们研究电子的运动，运动电子周围存在变化的电场，变化的电场又产生磁场，两者的共存又导致存在能流和动量，它们同电子的速度平行.因此这一附加的动量意味着电子存在附加的惯性质量.有一时期，甚至有人猜测可能电子的全部质量来源于电磁场.这里第一次遇到电磁能量的惯性，提示了惯性与能量的联系.电磁质量的惯性表现为三个方面：静electric  field中静电感应阻碍电通量的增加，electric  field中的电阻阻碍电流的增加，场中的电磁感应阻碍磁通量的增加.电磁质量的惯性是保持电磁质量的不变.楞次定律也是电磁质量惯性的一种表现形式.电磁质量之间既有电磁力也有强相互作用，从而保证电荷不可能完全中和消失，电荷也不可能分崩离析.
                  （2）引力质量的惯性
引力质量之间既有万有引力，也有弱相互作用，从而保证了物体尽量保持原来的状态.引力质量的洛伦兹变换是牛顿第一定律的发展，也是惯性的一种表现形式.黑洞既不可能出现，宇宙也不可能分崩离析.物体平动有惯性，转动有转动惯性.这样我们对于惯性的认识就更加深刻了.
（3）惯性维护平衡与作用造成变化的辩证关系
时效波先生在二十世纪末期论述“生命的产生”时，提出了惯性维护平衡与作用造成变化的辩证关系：“物质是运动的，运动的物质有保持其原有平衡状态（干扰前状态）的属性，即惯性.这里提到的惯性是广义质能意义上的概念，不仅指宏观物体，构成宏观物体、维系着微观结构形态运动着的分子、原子、电子同样具有惯性.物质是运动的，运动的物质之间是相互联系、相互作用的.物质在相互作用的过程中，会发生物质和能量的运动转化，原有的平衡状态（宏观的运动状态、微观的结构形态）就会被改变或打破，形成具有新的运动状态和结构形态的物质.运动的物质有保持原有平衡状态的属性，而运动物质间的相互作用又时刻破坏着平衡，惯性维护平衡与作用造成变化成了物质最基本属性的矛盾统一体.无机物在物质间的相互作用中，只能被动地接受宏观的、微观的冲击和破坏，改变其原有的运动状态和结构形态.如被海水冲刷和风吹日晒的礁石会移动位置和逐渐破碎.原始生命则能为维护自身的平衡状态作出反应，主动地吸收利用物质能量（新陈代谢）来维护有机体的结构形态不受破坏，以维持其原有性能，获得生存.事实上，由碳水化合物构成的蛋白质分子就已经能有选择地从外界吸收营养物并排出分解物，不断与环境中的某些物质进行代谢.”



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