詮釋易學思想設計的三個物理實驗探究

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一、驗證宇宙并非在膨脹的實驗

1929年哈勃宣布：“宇宙正在膨脹著。星系之間的空間隨時間線性增加，星系本身并沒有改變；而且星系越遠，離去得越快”〔1-P115〕。而后，由列梅特、伽莫夫等人發展為大爆炸理論，基本要點是：在100-200億年之前，宇宙生之于一次大爆炸，物質、能量、時間和空間都由爆炸中創生，爆炸前那種原始的無限稠密被稱為“奇點”,由爆炸引起的膨脹，現在仍在繼續著。從30年代開始，膨脹的宇宙模型已經為大多數宇宙學家所接受，現在被稱為現代宇宙學標準模型。現代宇宙學被定義為：“以廣義相對論為理論基礎，以哈勃定律為觀測依據，并在宇宙學原理的假設下,研究整體宇宙的結構、運動和演化規律的一門學科”(2-P85)。

此前15年，斯利弗在美國天文學協會的一次會議上，公布的觀察結果是：“一些明亮星云(后來被證實是星系)，既有藍移的，也有紅移的”；更遠的弱光星云，“全都展示紅移”(1-P111)。沒有做出任何解釋。哈勃有效地以“宇宙梯”法解決了確定星系距離的問題之后，通過對自己測定的24個河外星系距離的分析，發現紅移量大致同星系距離成正比，即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)＝D1/D2。當時普遍認為，這個結果“唯一可能的物理學解釋便是河外星系都在以正比于它們距離的速度退離我們而去”〔3-P140〕，由此得出的H＝V/D，被稱為哈勃定律。其中H為哈勃常數，D為星系距離，V為星系退離速度。D和V“都不是可測量的量”(8-P403)。

哈勃定律作為膨脹宇宙論的基礎原典、現代宇宙學的觀測依據，存在如下紕漏：1、該定律中既沒有可觀測的物理量，何以能成為“觀測依據”?又缺乏作為必要條件的觀測數據，如何判定其正確?

2、設星系在△t內退離距離△D=V△t=HD△t；依據哈勃關系式△λ/λ=△D/D，△λ應隨時間線性增加，即該定律成立的必要條件是紅移譜線持續移動而不是紅移。

3.取H=3×10-2m/s光年，代入△λ/λ=△D/D=H△t=3×10-2m/s光年·△t=10-10/年·△t可知，任一星系的△λ/λ都將以每年10-10持續增加。60年代觀測精度(△λ/λ～2.5×10-15)已達這個數據的4×104倍，要證明哈勃定律成立，就必須提供對同一星系△λ/λ隨時間線性增加的觀測證據。

近40年來，新理論與新技術的結合，相繼發現了一些不調和的紅移現象。海爾天文臺的阿普80年代末就宣稱：“我們已知有38個不調和紅移天體與24個星系相關聯。這個數字之大，不允許我們將它一筆勾銷”(1-P151)。依據這些佐證，至少在某些情況下，關于紅移跟膨脹關聯的傳統解釋是錯的。

紅移跟運動的關聯確實并不具有唯一性。依據狹義相對論，運動物體發出的光被靜止者觀測時將發生頻移，和聲波頻移機理相同，用多普勒效應解釋沒有錯。依據廣義相對論，具有強引力場的靜止物體發出的光，在引力勢較高處觀測也要紅移。即光的頻移有兩種機制，聲波頻移卻僅有一種，用多普勒頻移解釋光現象就必然會丟失引力頻移機制。通常的解釋是：“引力不能定量解釋星系的普遍紅移，引力效應至少不占主導地位”(4-P509)，可以忽略不計；霍金的說法是：“星系的引力場沒有足夠強到對它有明顯的效應”(5-P47)。

哈勃宣布宇宙在膨脹時，全世界能夠理解廣義相對論的人寥若晨星，“據記載，本世紀20年代初有一位記者告訴愛丁頓，說他聽說世界上只有三個人能理解廣義相對論，愛丁頓停了下，然后回答：我正在想這第三個人是誰”(5-P83)；50年代之前，“廣義相對論大體上是數學的一個分支”，60年代之后才“從考察數學結構到開始按照物理來思考”(6-P72)；尤為重要的是，這個時期利用穆斯堡爾效應在高度差H=22.5m的條件下，“極其精密地測得57Fe的一條γ譜線的紫移，波長相對變化僅有△λ/λ≌gH/C2～2.5×10-15，與理論預告值在誤差范圍內符合”(7-P94)。引力頻移被精確地測量出來后，就不得不承認“引力是一種極其巨大的力量”(6-P66)。即此不難算出，在地球引力場中γ光子通過22.5m，需時△t1=h/C=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。

由哈勃關系△λ/λ=△D/D=H△t=10-10/年·△t；當△λ/λ～2.5×10-15時，△t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。

依據平直而各向同性的宇宙學原理,當△λ/λ～2.5×10-15時，引力效應/哈勃效應=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很顯然忽略引力效應肯定是個重大失誤。

大爆炸——膨脹宇宙論被稱為標準宇宙模型，存在3個問題：其一、不考慮引力效應就不符合現代宇宙學的定義；其二、40年前就測出的引力頻移比膨脹效應大1010數量級，早已粉碎了“唯一的物理學解釋”神話；其三、“廣義相對論用時空結構的幾何性質來表示引力場”(8-P328)，哈勃當時并不理解，用多普勒效應解釋紅移屬于以偏概全；時至今日如果仍不考慮引力效應，宇宙常數偏小、退離速度偏大的錯謬，將永遠不可能得到糾正。

為了確定引力跟紅移的定量關系，特作如下討論：

一、改變高度差重做穆斯堡爾實驗，依據兩次測得的數據，可以確定：

1、紅移相對變化量跟距離還是距離平方相關；

2、導出相關公式，為比較引力貢獻和哈勃貢獻提供依據。

二、有人認為，光在漫長的星際旅途中會受到無數恒星的影響，其左彎右折必然使紅移量產生較大改變，無法予以判定。其實并非如此，可依據右圖闡明如下：圖中A為發光恒星，M、N為兩個恒星，P為太陽；光線AB受它們影響的實際傳播線路為AB、BC、CD、DE、EF；F為地球，FA為依據經驗認定的光傳播線路。實際上BC是光在M附近沿能級相同的測地線通過的軌跡，能夠影響紅移的僅為B′C′。即此可得如下推論：

推論1、光無論受多少恒星影響發生左彎右折，決定紅移或紫移的只有直線距離。

推論2、A使光紅移，F使光紫移，由于M地《M恒，地球的影響可以忽略不計。

推論3、由實驗得出的公式，可以用于定量解釋星系的普遍紅移，同時將成為確證哈勃定律正確與否的判據。

參考書目

1、(美)巴里·派克著愛因斯坦的夢湖南師范大學出版社1989年

2、薛曉舟等著現代物理學的哲學問題河南大學出版社1996年

3、袁正光主編領導干部科普知識全書改革出版社2000年

4、大百科全書編委會大百科全書·物理卷大百科全書出版社

5、(英)霍金著許明賢等譯時間簡史湖南科技出版社1995年

6、(英)霍金著胡小明等譯時間簡史續篇湖南科技出版社1995年

7、倪光炯等著近代物理上海科技出版社1979年

8、董光璧等著世界物理學史吉林教育出版社1994年

二、光速不變與波粒二象性

在討論這兩個問題之前，首先需要廊清物理學理論中的3種觀念。

1、物理學不研究“物質”，正如沒有人能夠講出“水果”是什么滋味一樣，因為二者都是抽象的類概念。實際上物理學只研究質量、電量、能量跟時空的關系，“物質”屬于誤用的哲學概念。

2、從牛頓那個時代開始，物理學就分牛頓范式和非牛頓范式，前者研究孤立質點運動的規律，后者探討熱、光、電、磁的本質；現在已經非常清楚，熱、光、電、磁現象的本質都是電磁波，統稱為能量。

3、現代物理學理論可以分為以質量計量、用時空描述，以能量計量、用位形描述兩大體系，物理客體理應分為質量系統和能量系統兩大類。同理粒子物理學就應該分清質量子(即費米子)和能量子(即玻色子)，本質差異在于有沒有靜質量。

據此，先討論光速不變問題。

所謂的光速不變是一種簡稱，實際所指是光速與光源運動的速度無關，或曰：光總是各向同性的。依據“質量是慣性的量度”，光子沒有靜質量，自然就應該與光源的慣性無關。人們通常表現出的“不理解”，根源在于誤認為任何“物質”都具有慣性，忘記了慣性只與質量相關，屬于牛頓范式獨霸天下產生的常識性錯誤，不清楚物理客體應該分為質量系統和能量系統兩大類。

討論光的各向同性，首先必須依據兩系統結構論確立如下觀念：所謂的宇宙是質量體(包括電子、質子、原子、分子到其大無比的天球)懸浮在能量海洋(即連續輻射)中的巨系統。只有當能量(子)從質量體中放出(或被吸收)時，才表現出一份一份的粒子屬性，被稱為光子；而這種能量(團)在連續輻射的海洋中傳播時，則總表現為波。只需要以石塊擲入水中后，水波總是各向同性傳播為類比，就很容易理解光波總是各向同性的道理。

得布羅意提出波粒二象性，至今已有七十余年，開始時說微觀“物質”既是粒子又是波，后來改為既不是粒子又不是波；由于實際測量的結果是：用干涉儀得到衍射圖象，用計數器記下的是粒子數，就將微觀粒子的實在性跟意識聯系起來，認為究竟是粒子還是波，由測量者的意識所決定，關鍵在于選用什么樣的儀器。直到今天波粒二象性依舊是個說不清道不明的謎。

實際上只需要擯棄掉“物質”這個誤用的哲學概念，并承認物理客體分質量、能量兩個系統，問題即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述，只需要將在能量海洋中傳播和由質量體吸收(或放出)分開考慮，答案就已經非常明確：波屬于能量系統的屬性，而粒子性總跟質量系統相關。

光子屬于能量子，現在討論質量子的問題。依據量子運動的特點，粒子永遠不會停止運動。按En＝n2h2/8mL2被關在L＝4A箱內的電子(m=me=9.1×10-31kg)，最低能量狀態(基態)也還有2.3eV能量，通常稱它為電子的動能，又是一種植根于“物質”這個誤用概念的常識性錯誤。量子場論承認微觀存在分粒子和場，每一種粒子都對應著一種場，卻講不清二者之間的關系究竟如何。只需要將電子放到質能兩系統結構論的框架去考察，就不難發現所謂的電子動能并非屬于電子，而是網絡態的能量海洋作用于電子的結果。任何粒子實際上都處在“樹欲靜而風不止”的被動狀態，傳統將這種能量理解為電子“自能”，是基于質、能不分產生的常識性錯誤。試想：空中懸浮的氣球不能靜止的原因在于空中能量分布不均衡，水中木屑的動能亦來自于水，都不屬于氣球和木屑自身所有；即此為類比就不難理解粒子性和波之間的相互關系。

結論：所謂的波粒二象性，是使用分別適用于能量或質量系統的儀器，檢測由質量子和能量子構成的復合態產生的不同效應。

驗證實驗：同時使用干涉儀和計數器對質量子進行觀測，當光柵的隙縫小于粒子的直徑時，放在光柵背后的計數器就不會記下粒子數。理由是通過光柵的只能是能量海洋中傳遞的一列波，具有靜質量的粒子將被“濾”掉。

三、絕對時間和相對相間

牛頓將時間分為“自身在那里流”的絕對時間和“可感知的及外界的度量”的相對時間。狹義相對論預言“動鐘變慢”；廣義相對論預言“一個鐘所處的引力勢越低(深)，它走得越慢”。通常都說相對論的預言被證實，說明牛頓的時間觀念是錯的；實際上恰恰相反，即此正好證明了時間確實有絕對和相對之分。

牛頓之前，惠更斯已導出單擺周期公式T＝2π(L/g)1/2，據此發明的擺鐘至今仍在使用，其走時快慢與g直接相關：g越大，T越小，走時讀數即變大；反之即被稱為變慢。這個結果為什么正好跟廣義相對論的預言相反呢?因為物理學研究的客體分兩個系統：一是由牛頓范式沿襲而來的，用質量計量、用時間和空間描述運動的質量系統；一是由非牛頓范式沿襲而來的，用能量計量、用位形描述運動的能量系統。擺鐘的讀數屬于質量系統計量的相對時間，可以通過調節擺長L使所有的鐘走時一致，其作用直接源于發條的彈性勢。剛旋緊發條時走時慢些，發條松弛時走時即變快。

用原子鐘實測的結果正好跟廣義相對論預言一致，這又是為什么呢?由于原子釋放能量子跟它所處環境的能級直接相關，而能量子的T即代表該能級的內稟時間，由能密梯度g′決定，是無法人為改變的，故而稱之為絕對時間。

如圖所示，行星R從遠日點N向近日點M運行時，動能(正能)逐漸增大，g亦隨之增大；由M向N運行時，勢能(負能)逐漸增大，g′亦隨之增大。沿NM方向，正能密梯度g遞增，負能密梯度g′遞減。原子鐘走時由g′決定，顯示的是絕對時間；擺鐘走時由g決定，顯示的則是相對時間。

小結：絕對時間是彎曲時空(負能密梯度決定其曲率)的內稟時間，傳統使用的擺鐘“度量”的屬于相對時間。當使用人為規定的時間標準去度量負能量海的內稟時間時，就必然會出現時間變快或變慢的實測結果。

驗證實驗：將在同一地點校準的擺鐘和原子鐘各一枚，用氣球帶上高空，依據電臺播放的校鐘訊號去校鐘時，原子鐘的讀數要大些(變快)，擺鐘則變慢。

意義：該實驗可以確證：

1、狄拉克所說的負能量海即是充滿連續輻射的廣袤空域；

2、負能量海的內稟時間是絕對時間；

3、時間膨脹是用人為規定的度量相對時間的標準去度量能量系統內稟時間的結果。