廣義相對論方程的根本缺陷是沒有熱力學效應,既無熱力以對抗引力.doc

廣義相對論方程的根本缺陷是沒有熱力學效應，既無熱力以對抗引力 張 洞 生 Email: 【內容摘要】：現(xiàn)在愛因斯坦的廣義相對論方程幾乎與所有當代的物理學的新觀念聯(lián)系在一起。比如，宇宙起源，奇點，黑洞，零點能，真空能，N維空間等等。然而，已經觀測到的物理真實往往證實這些與廣義相對論方程相結合的新觀念的虛幻性和謬誤。其中最明顯而困惑科學家們數(shù)十年的“奇點”問題就是其中之一。宇宙中根本沒有具有無窮大密度“奇點”存在的任何跡象。再如，按照J. Wheeler等估算出真空的能量密度可高達1095g/cm3。 9 這些都是不可思議的。在本文中，作者改采用霍金的黑洞量子輻射理論和公式，只研究黑洞在其視界半徑上的收縮和膨脹，而不研究黑洞的內部狀態(tài)。結果，黑洞只能收縮成為普朗克粒子mp,而在普朗克領域消失，不可能最后收縮成為“奇點”。作者并由此證實許多新觀點和結論比現(xiàn)代故弄玄虛的科學新觀念顯得更為可信可靠。 【關鍵詞】：廣義相對論，黑洞；奇點；宇宙黑洞；黑洞的霍金輻射；宇宙起源；字宙監(jiān)督原理；普朗克領域；零點能；真空能；宇宙常數(shù)；N維空間；宇宙加速膨脹；多宇宙； 1. 科學研究的結論和結果取決于研究方法。 不同的研究方法會得出不同的結果和結論。但是不同理論的結論的正確與否只能根據(jù)是否符合觀測和實驗的數(shù)據(jù)予以確證。本文是將宇宙產生的膨脹和收縮都用霍金的黑洞理論和予以論證。當黑洞在其視界半徑(Event Horizon)上因發(fā)射霍金輻射 (Hawking Radiation)而收縮或者因吞噬外界能量-物質而膨脹時，其視界半徑上各種物理量（參數(shù)）的變化，與其內部結構和物質密度的分布無關，而只與黑洞質量Mb有關。從而證明：黑洞的視界半徑最后只能因不停地發(fā)射霍金輻射而收縮成為最小黑洞Mbm = (hC/8G)1/2 =10-5 g = mp，即普朗克粒子時，就在普朗克領域爆炸消失。因此，黑洞就不可能在其視界內部的中心出現(xiàn)“奇點”。作者這種簡單而有力的證明方法無需解復雜的廣義相對論方程，避免了該方程中因單純的引力收縮而最終產生“奇點”的荒謬結論。（附注：本文只分析廣義相對論方程與真實物理世界差異所產生的問題，不涉及諸如慣性質量與引力質量等同性和所有參照系的等效性之類的抽象原理。） 2?，F(xiàn)在愛因斯坦的廣義相對論方程幾乎與所有當代的物理學的新觀念聯(lián)系在一起。比如，宇宙起源，奇點，黑洞，零點能，真空能，暗能量，N維空間等等?；蛘哒f，所有這些新觀念都被新潮的物理學者塞進廣義相對論方程以便能披上一件合乎主流理論的外衣。然而，已經觀測到的物理真實往往證實這些與廣義相對論方程相結合的新觀念的虛幻性和謬誤。其中最明顯而困惑科學家們數(shù)十年的“奇點”問題就是其中之一。宇宙中根本沒有具有無窮大密度“奇點”存在的任何跡象。然而，近四十年前，R彭羅斯和霍金發(fā)現(xiàn)廣義相對論存在空時失去意義的“奇性”；星系演化經過黑洞終結于奇點，宇宙開端有奇性。甚至可能存在“裸奇性”，于是不得不提出“字宙監(jiān)督原理” （hypothesis of cosmic censorship）來，以規(guī)避理論的錯誤。奇性，這一理論病態(tài)的發(fā)現(xiàn)是理論研究的重要進展，卻又與等效原理不協(xié)調。17再如，按照J. Wheeler等估算出真空的能量密度可高達1095 g/cm3。9 這些都是不可思議的。 3。既然由推導廣義相對論方程得出“奇點”的結論不符合物理世界的真實性，這證明廣義相對論方程本身有無法克服的缺陷。廣義相對論方程是愛因斯坦頭腦中的產物，不是建立在堅實可靠的實驗基礎上的。從哲學上來講，廣義相對論方程中只有物質引力而無對抗引力的斥力是先天不足的。是無法解出物體內部粒子的運動狀態(tài)的，因為宇宙中任何物體的穩(wěn)定存在都是其內部物質的引力與斥力相平衡的結果。而后來從外部加進出的具有排斥力的宇宙常數(shù)也是后天失調的。愛因斯坦于1915年建立了廣義相對論。盡管他的假說甚至有錯誤，但是廣義相對論方程將時空結合的宇宙觀卻有劃時代的哲學和科學意義，仍是劃時代理論（對于時空的非對稱性的無法解釋是該理論的另一重大缺陷）。按照愛因斯坦通俗的解釋，如同鋼球會把繃緊的橡皮膜壓彎，太陽會使其周圍的空間時間彎曲。由此，他說明了牛頓引力無法解釋的水星近日點的剩余進動，預言經過太陽附近的光線會偏折等。牛頓體系是一個沒有完成的理論體系。愛因斯坦以狹義相對論為基礎，發(fā)展到廣義相對論，進而建立相對論性宇宙論的相對論體系，包含了牛頓體系的合理內容，克服了牛頓體系的一些重大疑難。愛因斯坦之后，有關廣義相對論和宇宙論的研究也取得了一些進展。但是，這個體系也是一個沒有完成的偉大體系。17 晚年的愛因斯坦寫道：“大家都認為，當我回顧自己一生的工作時。會感到坦然和滿意。但事實恰恰相反。在我提出的概念中，沒有一個我確信能堅如磐石，我也沒有把握自己總體上是否處于正確的軌道?！边@位創(chuàng)造了奇跡，取得劃時代偉大成功的科學巨匠，以他的輝煌，謙虛地陳述著一個真理。17 4. 廣義相對論方程本身的根本問題和無法克服的缺陷是沒有與熱力學聯(lián)系在一起，也就是說沒有時間方向。因此得出一團物質粒子自身的引力收縮會成為“奇點”的荒謬結論?；艚鸷诙蠢碚摰膬?yōu)越性就在于將黑洞視界半徑Rb上的物理狀態(tài)始終與熱力學聯(lián)系在一起，從而證實我們宇宙的生長衰亡規(guī)律符合黑洞的理論和規(guī)律。熱力學定律是宇宙中最根本的規(guī)律，是因果律在物理學中的化身，任何普遍（適）性的理論如果不與熱力學結合在一起，必然難以成功。現(xiàn)有的廣義相對論方程的各種解都有2個最主要的假設前提：一是質量守恒。二是零壓（恒壓）宇宙模型，即不考慮溫度變化而產生的熱壓力改變。正是這2個假設違反了熱力學定律，而最終導致用廣義相對論方程解出一團物質的自然收縮到會成為違反熱力學定律“奇點”。假設有一大團定量物質粒子M收縮時， 1*。當M在絕熱條件下由狀態(tài)1改變到狀態(tài)2時，根據(jù)熱力學第二定律，熱量Q，熵S和溫度T的關系為TdS = C + Q2 - Q1。在Q2 - Q1 = 0時，因為熵總是增加的，所以溫度T必然降低。這就是說，假設有一大團定量物質粒子M在自由絕熱狀態(tài)下改變其狀態(tài)時，只能降溫膨脹，絕對不可能靠其粒子的自身的引力產生收縮。 2*。在M = M1 + M2時，根據(jù)熱力學定律，如M在絕熱過程中，當其中M1部分收縮而使得其溫度增高和熵減少時，必然使其另一部分M2的熵的更多的增加。這就是說，M2必須作為能量或物質從M1中拋射出去，才能使M1收縮和提高溫度減少熵。如能繼續(xù)收縮，結果就是M1會愈變愈少，而發(fā)射出去的M2愈來愈多。這就是宇宙中一團物質（包括黑洞）在實際過程中，符合熱力學定律的收縮。當物體中的熱量無法排出或有外界供給足夠的熱量時，物體是不可能收縮的。 3*。當M1因發(fā)射能量-物質而收縮到史瓦西條件時，即M1 = C2 R1/2G時，M1就成為黑洞。其視界半徑將能量-物質M1都禁錮在黑洞內，并吞噬外界的能量物質。當外界沒有能量-物質可被黑洞吞噬時，黑洞只能不停地逐個的發(fā)射霍金輻射量子。使M1收縮變小的極限就是最后成為最小黑洞Mbm = (hC/8G)1/2 =10-5 g時，在普朗克領域爆炸消失?？梢?，彭羅斯和霍金是假定在質量守恒和零壓宇宙模型的條件下而得出廣義相對論方程會出現(xiàn)“奇點”的結論的。這是違反實際過程中的熱力學定律的。 5. 在真實的宇宙或者一團定量的M物質粒子中，狀態(tài)和溫度的改變是如何影響粒子ms在外部和內部的運動的？假設有質量為M的物質粒子在半徑為R的橡皮球內，溫度為T。設橡皮球的彈力忽略不計。 1*。當ms在R的外面，距離球中心為Rs，因此ms受M的引力作用在M外作測地線運動，Rs的曲率半徑為Ks.當M絕熱膨脹到 T1時，半徑增大為R1，即R1 R，這表明M距離ms更加近了，引力也加大了，所以此時在M外面的ms運動 的曲率半徑變成為Ks1，于是Ks1 Ks 。 2*。當M因排熱收縮到 T2時，半徑減小為R2，即R2 R，這表明M距離 ms 更加遠了，引力減弱了，所以此時ms 運動的曲率半徑變成為Ks2，于是Ks2 Ks 。 3*。如果ms在M內部，當M膨脹或收縮時，由于R的增大或減小，ms的位置和其運動的測地線也會隨著改變?？梢?，解廣義相對論方程所假設的“零壓宇宙模型”是與真實的物理世界不相符的。溫度對物質粒子在外部和內部運動的影響在任何情況下都存在，而且是不可以忽略的，忽略就會出現(xiàn)“奇點”。其實，這就是定性的將宇宙常數(shù)引進廣義相對論方程中的能量-動量張量內部進行分析的結果，這相當于引進一種能量密度為 = /8G， 壓強為p = -/8G 的能量動量分布，問題還在于這種 與p不僅與溫度有關，而且與一定溫度下的物質結構有關。因此所有解該方程的學者們不得不簡化和加進許多限制條件以求解出方程。但是自由絕熱狀態(tài)下的物質粒子團只會增加墑而降溫膨脹，這表明任何時候物質粒子的熱壓力都超過其引力。只有當其內部的剩余熱量流出到外界后，該團物質才會收縮。因此，假設任何一團物質粒子會收縮本身就是一個與物理真實相違背的偽命題。該團物質粒子能夠收縮成為“奇點”的充分必要條件必須是該團物質在任何條件下都能將內部熱量排除除去，而這是不可能的。特別是物質團被壓縮成為黑洞后，因無法向外排出熱量，黑洞內部的物質就更無可能靠其自身的引力繼續(xù)收縮，更絕無可能收縮為“奇點”。所以“奇點”是廣義相對論學者們在解方程時違背熱力學規(guī)律的假設所造成的荒謬惡果。 6。我們宇宙本身和其內部任何物質物體的結構的穩(wěn)定存在都是在一定溫度的條件下，其內部的引力和斥力相對平衡的結果。所以廣義相對論方程中只有引力而無斥力是違反我們宇宙和其內部物體物質結構穩(wěn)定存在的普遍規(guī)律的，也就是違反熱力學定律和因果律的。 第一；宇宙中任何小于1015克的物體，其中心不一定有一個較堅實的核心，因為該物體本身的化學結構就可以對抗自身的引力塌縮。但是質量大于1015克的行星，恒星，致密天體，星團，星系等等，其中心一定存在著對抗其自身引力塌縮的較堅實的核心。地球和行星的中心有堅實的鐵質流體或固體。太陽和恒星的中心有提供高溫的核聚變堅實中心對抗中心外的物質的引力塌縮。白矮星的中心有密度約106g/cm3的電子簡并的堅固核心。中子星的中心有密度約1016g/cm3的中子簡并的堅固核心。每個星系的中心都有密度較大的巨型黑洞。 第二；在我們宇宙內，最實際的關鍵問題是，現(xiàn)在我們宇宙中所能產生的最大壓力是強烈的超新星爆炸。而這種壓力也只能將物質粒子壓縮到約1016g/cm3的高密度，而形成恒星級黑洞，但還不能破壞質子中子的結構，將其壓垮。估計物質粒子的密度達到1053g/cm3才能壓垮中子（質子），而壓垮夸克的物質密度估計應達到 1093g/cm3。宇宙中恒星級黑洞的內部因無可能再產生超新星爆炸，靠黑洞內部物質本身的引力收縮不可能克服質子和夸克的泡利不相容斥力的對抗。因此，更絕無可能塌縮出無窮大密度的“奇點”。 第三；因為愛因斯坦建立廣義相對論方程時，只知道4種作用力中的2種，即引力和電磁力，而不知道尚有弱作用力和強作用力（核力）。當大量的物質粒子因引力收縮而密度增大時，它們的弱力，電力和核力所構成的物質結構對引力收縮的對抗作用會隨著密度的增大而顯現(xiàn)出來。這就是上面所說的靠大量物質自身的引力收縮是不能逐一壓垮這些力所構成的物體的堅實結構的。7。原先只有2項的廣義相對論方程實際上是一個動力學方程，它在什么樣的條件下能夠得出較準確的結果？即其有效的適用范圍是什么？為什么水星近日點的進動，光線在太陽引力場中的偏轉會成為廣義相對論方程較準確的驗證？一個不加任何限制條件的廣義相對論方程能解出來嗎？ 如果用廣義相對論方程研究我們宇宙視界范圍以內的宇宙或者宇宙中的某一足夠大的區(qū)域或定量物體M時（在忽略其內部溫度改變的條件下），這應該能夠得出其外部較遠的物體或粒子ms所作的較準確的沿測地線的運動軌跡。因為在這一定量物質場M的能量-動量張量的作用下，可以看作與其內部為恒溫（然而在實際上，M內部的溫度會影響其外圍尺寸R的大小，從而影響ms運動的曲率半徑），因此，在描述M外的較遠的粒子ms沿愛因斯坦張量的時空幾何特性作測地線運動時，而能得出比牛頓力學較準確的結果。 1*。比如，當解決水星近日點的進動時，廣義相對論方程之所以能夠得出比牛頓力學較準確的計算數(shù)值，是因為牛頓力學將太陽質量M當作集中于中心一點來處理的。而廣義相對論是將M的質量當作分布在其太陽半徑R的轉動球體內的。這就使得同等的M對水星引力產生差異。這就是廣義相對論方程對牛頓力學的修正，和比牛頓力學較準確的原因。 2*。當光線在太陽附近的引力場外運動發(fā)射偏轉時，因為已經按照狹義相對論，規(guī)定了光子沒有引力質量，而將太陽作為恒溫定直徑球體，所以光線只能按照廣義相對論的解釋，在太陽外圍作較準確測地線運動。這是牛頓力學無法解決的問題。但是，如果不按照狹義相對論的觀點，而假設光子也有相當?shù)囊|量，用牛頓力學解決光線在太陽外圍附近的偏轉運動也是有可能的。 結論：廣義相對論對以上2個問題的解決之所以能夠得出較正確的結果，主要原因在于；1*。水星和光線都是在太陽M的外面運動，因此，在解方程時可以將M當作恒溫的狀態(tài)（即不是正在收縮或膨脹的狀態(tài)）來處理， 2*。既然M是在一定（恒溫，表明M中的粒子此時并未向奇點塌縮）溫度下（核聚變供熱）的穩(wěn)定狀態(tài)，就可以忽略溫度改變對M本身所能造成的影響和改變。這就使得水星和光線在太陽M的外面能有較準確的測地線運動。 7. 如果限定我們宇宙視界內的Mu質量溫度恒定不膨脹，就可用廣義相對論方程研究我們宇宙視界外的物質粒子ms沿測地線的運動，但因我們無法觀測到宇宙視界之外的物體運動，所以這對我們毫無意義。 8. 當用廣義相對論方程研究宇宙內部或者宇宙內部分區(qū)域或物體的（比如星系或者星體）內部運動狀況時，因為假設只有純粹的物質引力，而無內部斥力（這些斥力包括有引力收縮時所產生的物質分子的熱抗力，物體的結構抗力，核聚變的高溫熱抗力和物質粒子間的泡利不相容斥力等）與其引力相對抗，即所謂的“零、恒壓宇宙模型”。所以任何物體或者粒子團在其內部只有引力收縮的條件下，就只能一直塌縮成為荒謬的“奇點”。這就是R彭羅斯和霍金必然會得出的結論。因此，將無宇宙常數(shù)的廣義相對論方程應用于研究宇宙內部和物體內部各處粒子的運動狀況時，其內部任何一點的粒子的測地線運動都是很難從方程中解出來的。這是因為物體內部物質粒子在單純的引力作用下，都處于正在向“奇點”塌縮的不穩(wěn)定的運動狀態(tài)過程中。而愛因斯坦1917年在忽略溫度（實際上是恒溫條件）影響的條件下，就其場方程給出了一個穩(wěn)定態(tài)宇宙的解(1b)和(1c)，其實也是處在不穩(wěn)定的在向“奇點”的塌縮過程中。 9. 因此，如果要想使廣義相對論方程可以用于解決宇宙或其中的某物體內部的運動狀態(tài)，就必須要在方程的能量-動量張量項內部引入與引力如影隨形的斥力，即熱力。同時還要在物體的中心加入某溫度下足夠大的堅實核心作為附加條件即一方面要將熱力學與其能量-動量張量緊密的結合在一起，使每一個有引力的物質粒子同時具有上述的內部斥力，另一方面還要知道在不同半徑上的溫度分布和密度分布（不同的質量），即引力和斥力平衡所形成的物質結構，這樣才有可能正確地從方程中解出物體結構（核心）外的各處粒子的的真實運動狀況，并且避免其內部“奇點”的產生。但如此一來，這方程就會變得極其復雜而現(xiàn)在完全不可能解出來。反之，如果已經知道了物質團的內部的溫度分布（斥力）和其核心的結構狀況，就不需要廣義相對論方程方程了。這就是廣義相對論方程到現(xiàn)在為止，除了作為一種宇宙觀之外，而沒有得出許多具有普遍性的科學結論的根本原因。由于解方程時的簡化，反而得出許多的謬論，如“奇點”。 10。廣義相對論方程中本無斥力，所以無法解釋宇宙膨脹。而有排斥力的宇宙常數(shù)是愛因斯坦后來加進方程中去的。是加在具有引力物質粒子的外部，而不是能量-動量張量的內部，所以的作用在本質上只能引起該物體的外在運動，而難以從廣義相對論方程解出物體內部質點的運動軌跡，即測地線。因此，從理論上講，只有進入能量-動量張量項的內部，使其內部的每一個粒子具有確定的引力和斥力，才能從該方程中解出物體內部各處粒子的測地線運動。但這種廣義相對論完整體系的數(shù)學方程尚未建立 11。本文的下面就是要運用霍金的黑洞量子輻射理論研究黑洞視界半徑的收縮，從而避免了上述廣義相對論單純的引力收縮而導致“奇點”的缺陷的謬誤。 霍金的公式(3b)，Tb = (C3/4GMb) (h /2) 0.410-6 M / Mb 1027/ Mb 2 是黑洞量子輻射理論的最大成就。作者在此基礎上只前進了一小步，就得出來任何黑洞質量Mb與其視界半徑Rb上量子輻射粒子mss的普遍公式(3d)，mss Mb = hC/8G =1.18710-10g2 1 6，再根據(jù)部分不可能大于整體的公理，在極限的條件下，只能是mss = Mb。因此得出 (3e)式，即Mbm = mss = (hC/8G)1/2 = 10-5g = mp 1 6。由此證明了黑洞因發(fā)射霍金輻射只能收縮成為普朗克粒子mp而在普朗克領域爆炸解體消亡。在第【五】節(jié)中，用粒子ms