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1、第三章：关于相对论与量子力学之间的桥梁狭义相对论建立在狭义相对性原理【即在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。这是力学相对性原理的推广，它适用于一切物理定律，其本质是所有惯性系平权。】和光速不变原理【任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，与光源和观测者运动无关。】之上。而广义相对论建立在等效原理【惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的】和广义相对性原理【所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。】之上。我们可以看出广义相对论是基于狭义相对论的。如果前者被证明是错误的，那么整个理论的大厦都将垮塌。早在200年前，伽利略就发现，所有的惯性系，对于表述力学定律都是同样有效
2、的，平等的，不存在任何特殊的惯性系，这就是说，任何力学实验都无法辨别惯性系本身的运动状态。这种运动的相对性，在古典力学中普遍存在，但在麦克斯韦电动力学中不能成立，因为它只适用于静止的坐标系。这个我上面已经提到过。因此爱因斯坦意识到要进一步探明这个问题，就必须扩大相对性原理的应用范围。他将自己的研究领域从惯性系拓展到了非惯性系。而从狭义到广义相对论相对性原理的推广是通过引入一个引力场使得我们可以把一个加速系视为伽利略系。将其引伸，我们认为它对所有的运动都适用，不论它们是旋转的（向心力被解释为引力场）还是不均匀加速运动。广义相对论是用张量表示的，这是其广义协变性的体现：广义相对论的定律以及在广义相
3、对论框架中得到的物理定律在所有参考系中具有相同的形式。并且广义相对论本身并不包含任何不变的几何背景结构，这使得它能够满足更严格的广义相对性原理：物理定律的形式在所有的观察者看来都是相同的。这个理论是正确的。那么爱因斯坦大厦稳固的根本就是“光速不变原理”和“等效原理”了。在经典力学中，物质有两种质量。一是惯性质量，二是引力质量。地球表面上的任何一个物体都要受到地球对它的引力，并因此会产生加速度。实验告诉我们，一切自由落体在引力作用下都具有同样的加速度。为什么呢？按照我们的经验，质量大的应该更快落地。可是如果我们考虑到质量大惯性就大，抵抗加速度的力就更大。所以两个物体具有同样的加速度。由此可以推理
4、，引力质量与惯性质量是相等的。但是本质是引力是惯性的源泉。牛顿曾经研究过这个问题，但没有得到理论上的解释。长期以来，物理学家一直认为两种质量相等是理所当然的，无需从理论上再加以研究。爱因斯坦经过一段时间认真思索，认识到惯性质量与引力质量相等是解决引力问题的关键。以两种质量相等为基础，他提出著名的等效原理：一个加速系统所看到的运动与存在引力场的惯性系统所看到的运动完全相同。爱因斯坦说：完全等效性这一假说，使我们不能说任何参照系有绝对速度一样，并且它使一切在引力场中等加速下落成为当然的事。在“等效原理”的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理”：在任何参照系中，物理学规律的数学形式是相同的。就这样
5、，他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系。而宇宙中物质的引力是惯性的源泉，使得物质具有惯性这一理论，与相对论从惯性系和非惯性系的推广并不矛盾。反而是相辅相成的。广义相对论实质上就是一种引力理论，这一点很明显。我们知道广义相对论是阿尔伯特爱因斯坦于1915年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应
6、。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过，仍然有一些问题至今未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。这也是当前物理学家在苦苦探索的东西。我认为广义相对论和量子学是自洽的，是相容的。我们都知道互补原理和不确定原理是量子学的两大支柱。互补原理表明：波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在更高层次上统一。而不确定性原理表明：粒子的位置与动量不可同时被确定。而宇宙物质引力场和引力场中的质点也同样遵从互补原理和不确定原理。为什么这么说呢？我们来
7、这样想象：地球作为一个质点存在于宇宙空间中，而地球的的上下左右四方，层层密布的又分布着千千万万个类地球的质点。且远近不同的分布着。由于万有引力他们相互形成一个巨大“引力场海洋。”便于理解，我们将它比喻为一块浮动的超级大海。由于类地球的质点，在我们看来很大。好像可以同时测定另一个质点【比如金星】的位置和动量。其实这是一种假象，我们根本测不准他的位置或者动量。即使非常精准的仪器也不可以。当然这个推论的前提是大尺度下【宇宙背景下】运动而且不是单个引力质点【地球】与引力质点【金星】的问题。举一个很简单的例子，你能测的准西湖下一秒湖面的波纹的情况吗？我相信即使现在最最精致的仪器或者理论也无法测的准。整个
8、西湖下一秒湖面波纹的情况，受到的影响因素是无穷的，是我们不可能一一掌握的。比如湖岸边的形状，湖里的荷花，湖里的水生物的游动，湖面四周的空气运动，甚至地球的转动等等都使得不可能完成这样的测量。那么上面所说的地球和金星，就相当于西湖湖面飘着的小不点。 同理处于宇宙引力场海洋的无数的质点，处于飘摇状态。引力场海洋时刻在变化。比如说1光年外的一颗恒星爆发类似太阳风的活动。那么引力场均衡就被打破，而且以光速迅速再次形成引力场均衡。而我们的观察显示，它的活动，好像并没有影响到金星。可是实际影响已经发生了。而正是这样的原因，使得宇宙中的质点的确切位置和动量、能量不可能被同时测的准，“准”是相对而言的。即这样
9、的测量是“相对”测量。即相对位置和相对动量。在这里要补充的一点是文中的“引力场均衡”实际并不存在。是为了描述方便，描述形象而使用的词。而互补性原理也是。一方面物质引力使得他们形成庞大的引力场海洋，紧密联系在一起，而且质点就好像镶砌在这块超级大海绵之上，这样的状态，使他门具有保持原来运动状态的性质。而另一方面引力也使得质点们彼此“撕扯”或“吸引”对方。所以整体是使得物质具有惯性，而在整体中的个体和个体的相互作用使得它能被测出具体的“引力大小。”比如引力坍缩不仅与恒星本身有关，更与引力场均衡被破坏，不断重新建立有关。这样我们难道不是把广义相对论和量子学联系到一起了吗！而且我们知道规范场论已经把电磁
10、力和弱相互作用和强相互作用统一了。那么现在我们是该考虑将引力场纳入其中。我知道广义相对论和量子力学都是用高度的数学形式来展示的。本人无法看懂这种高度的数学形式。关于拓扑学，非欧几何，黎曼几何等在相对论中经常出现的知识内容，我是不懂的。但是至少从现在的广义相对论数学形式中，看不到我刚才所说的。我认为有两种原因。第一种原因是在一个系统中我们无法判断这个系统本身的运动状态。而且我们的观测手段和仪器也不够发达到观测上面所说的宇宙引力海洋。第二种原因就是没有深刻理解引力和惯性，从而导致我们在写数学形式的时候，思维不同，导出的方程式不同。因为广义相对论建立的前提条件是没有问题的。等效原理也是成立的。因为引
11、力是惯性的源泉！我深深知道对于一个理论如果你不能深刻的演化它，用数学工具去推理它，你就很难理解它。这一点我在高中学习牛顿经典力学的时候就认识到了。可是我现在只能深深的叹息，却对用数学语言描述我刚才说的东西，力不从心。 我知道除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写（量子规范场论，上面有提到的）。而我在上面所做的“自恰“解释，是否是广义相对论和量子场论的桥梁，主要取决于如何用“量子”观点解释广义相对论。兴趣阅读：你就是下一个牛顿！艾萨克牛顿（1643年1月4日1727年3月31日）爵士，英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的“全才”，著有
12、自然哲学的数学原理，光学。他在1687年发表的论文自然定律里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理，提出牛顿运动定律。在光学上，他发明了反射望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德威廉莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究做出了贡献。在经济学上，牛顿提出金本位制度。所以牛顿是我们崇拜的对象，我们会永远记住他这样的天才！他说过：“我并无特别过人的智慧，有的只是坚持不懈的思索精力而已。”他也说过：“没有大胆的猜测就没有伟大的发现。”
