張祥前統(tǒng)一場論5版國家科技圖書文獻中心

1、張祥前統(tǒng)一場論 5 版一，宇宙的構(gòu)成和統(tǒng)一場論基本原理。二，物理概念是怎么產(chǎn)生的？三，宇宙中物質(zhì)點為什么要運動？四，螺旋規(guī)律。五，平行原理。六，幾何對稱性等價于物理守恒性。七，空間可以無限存儲信息。八，物理學中運動狀態(tài)的描述不能夠脫離觀測者。九，空間為什么是三維的？十，如何描述空間本身的運動？十一，時間的物理定義。十二，三維螺旋時空方程。十三，光速的本質(zhì)。十四，對洛倫茨變換和光速不變的解釋。十五， 解釋與光速相關(guān)的相對論效應(yīng)。十六，場的定義。十七，質(zhì)量、重力場的定義。十八，從統(tǒng)一場論導(dǎo)出質(zhì)速關(guān)系。十九，重力場與高斯定理。二十，質(zhì)量、重力場與旋轉(zhuǎn)空間之間的關(guān)系。二十一，電荷、電場的定義。二十二，

2、解釋電荷的相對論不變性。二十三，電荷、電場與高斯定理。二十四，核力場的定義方程。二十五，隨時間變化的重力場可以產(chǎn)生電場。二十六，解釋庫侖定律。二十七，統(tǒng)一場論動量公式。二十八，統(tǒng)一場論動力學方程。二十九，解釋開普勒定理。三十，解釋萬有引力定律。三十一，證明慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量三十二，重力場與空間的波動性。三十三，統(tǒng)一場論真空靜態(tài)引力場方程。三十四，如何產(chǎn)生反重力嗎？三十五 從統(tǒng)一場論導(dǎo)出磁場是電場的相對論效應(yīng)。三十六，磁場的定義方程。三十七，磁單極子不存在。三十八，統(tǒng)一場論對動量和能量的重新認識。三十九，能量的本質(zhì)。四十，隨時間變化的磁場產(chǎn)生重力場。四十一，加速運動電荷的電場和重力場之間的關(guān)系

3、。四十二，導(dǎo)出畢奧 -薩伐爾定理。四十三，解釋麥克斯韋位移電流假設(shè)。四十四，解釋法拉第電磁感應(yīng)原理。四十五， 光子模型。四十六，基本物理概念和導(dǎo)出物理概念。四十七，統(tǒng)一場論的主要應(yīng)用。作者 張祥前出生于安徽廬江縣郭河鎮(zhèn)北圩村 現(xiàn)居住廬江縣同大鎮(zhèn)二龍新街 111號郵箱 zzqq2100QQ1105974776手機18226187585統(tǒng)一場論最早是愛因斯坦提出的，他化了 40 多年時間，希望把電磁場和重力場統(tǒng)一起來，但是他沒有成功。人類目前發(fā)現(xiàn)了自然界有弱力、電磁場力、重力場力（也就是萬有引力）、核力 4 種不同形式的力，其中電場力和磁場力人類已經(jīng)統(tǒng)一了，核力目前人類對

4、此認識很不完善。 弱力在主流科學家看來也被統(tǒng)一在電磁場力中。把電磁場力和重力場力統(tǒng)一起來，是現(xiàn)階段最具有意義的事情。電磁場力和重力場力的統(tǒng)一簡單的講，就是寫出一個數(shù)學公式，里面包含了電磁場力和重力場力，以及用數(shù)學公式寫出電磁場力和重力場力、電磁場和重力場之間的關(guān)系。由于電磁場、重力場涉及到了時間、空間、運動、力、場、光速、質(zhì)量、電荷、能量、動量 -這些物理學的本質(zhì)問題，所以統(tǒng)一場論的完成對人類具有重大意義，但也具有極大的難度。下面主要介紹的是電磁場力和重力場力統(tǒng)一的相關(guān)內(nèi)容。注意，本文沒特別注明的情況下大寫字母為矢量。本文只描述最簡單、最基本的物質(zhì)點在真空中運動情況， 不描述形狀物體在介質(zhì)中的

5、運動情況。文中出現(xiàn)的質(zhì)點概念， 是我們?yōu)榱嗣枋鑫矬w的運動， 不考慮物體的形狀和線長度，把物體理想化，看成一個點，如果要討論質(zhì)點的體積和幾何長度是沒有意義的，因為違反了我們的約定。統(tǒng)一場論把物體的一切性質(zhì)歸咎于物體在空間中的運動 【或者物體周圍空間本身的運動】，討論物體或者質(zhì)點內(nèi)部情況是沒有意義的。統(tǒng)一場論主要是描述物體周圍空間本身的運動， 因而統(tǒng)一場論也可以叫空間運動學。一，宇宙的構(gòu)成和統(tǒng)一場論基本原理。宇宙是由質(zhì)點和它周圍空間構(gòu)成的，不存在第三種與之并存的東西，一切物理現(xiàn)象都是我們對質(zhì)點在空間中 【或者是質(zhì)點周圍空間本身】運動的一種描述。以上是統(tǒng)一場論基本原理，至于宇宙為什么是由質(zhì)點和空間構(gòu)

6、成， 為什么一切物理現(xiàn)象都是質(zhì)點在空間中運動形成的， 這個問題統(tǒng)一場論無法回答，統(tǒng)一場論只是認定了這兩個事實， 并且以這兩個事實為理論基礎(chǔ)，展開推理。統(tǒng)一場論的主要任務(wù)是解釋時間、 位移、 質(zhì)量、 電荷、 場、能量、 速度、動量、力、 - 這些基本物理概念的本質(zhì)和他們之間的關(guān)系。像我們眼前的一棵樹、一條河是 “物”，樹的生長、河水的流動是 “事 ”。宇宙中，質(zhì)點和空間是 “物”，其余的像時間、位移、質(zhì)量、電荷、場、能量、速度、動量、力、溫度、聲音 -都是 “事”，是“物”相對于我們觀測者運動時，經(jīng)我們描述出的一種性質(zhì)。這個基本原理否定了場是一種特殊的物質(zhì)， 場要么是物質(zhì)粒子， 要么是空間。統(tǒng)一

7、場論認定場的本質(zhì)就是空間 -運動變化的空間。這個基本原理還斷定暗物質(zhì)、暗能量、上帝粒子、引力子、以太、弦論中的弦、膜 -統(tǒng)統(tǒng)不存在，都是人們杜撰的。二，物理概念是怎么產(chǎn)生的？除質(zhì)點和空間外，其余一切物理概念，像時間、場、質(zhì)量、電荷、光速、力、動量、能量、 - 都是質(zhì)點在空間中運動相對于我們觀測者所表現(xiàn)出的一種性質(zhì)。 都是質(zhì)點在空間中運動（或者質(zhì)點周圍空間本身的運動）形成的，因而與位移有關(guān)，可以認為時間、場、質(zhì)量、電荷、光速、力、動量、能量 -都是位移的函數(shù)。在物理概念中，像聲音、顏色、力、溫度這些物理概念是質(zhì)點在空間中運動觸及到我們觀測者，引起了我們觀察者的感覺， 我們觀測者對這些感覺加以分析

8、、概括而形成的。但是， 時間和場有點特殊， 時間是我們觀測者自己的身體在空間中運動引起的，場是空間本身的運動形成的。三，宇宙中質(zhì)點為什么要運動？在物理學中我們描述的運動狀態(tài)，和幾何中的垂直狀態(tài)是相對應(yīng)的，如果沒有我們?nèi)巳ッ枋?，運動狀態(tài)其實就是幾何中的垂直狀態(tài)。任何一個處于三維空間的垂直狀態(tài)中質(zhì)點所在的空間位置， 相對于我們觀測者一定要運動， 并且不斷變化的運動方向和走過的軌跡又可以重新構(gòu)成一個垂直狀態(tài)。這個可以叫垂直原理。不斷變化的運動方向一定是曲線運動，圓周運動最多可以作兩條相互垂直的切線， 而空間是三維的，其運動軌跡一定可以作三條相互垂直的切線，所以運動一定會在圓形平面的垂直方向上延伸，

9、合理的看法是質(zhì)點所在的空間位置是以柱狀螺旋式在運動。四，螺旋規(guī)律。宇宙中所有的自由存在于空間中的質(zhì)點都以螺旋式在運動， 包括空間本身也是以柱狀螺旋式在運動。 宇宙中小到電子、 質(zhì)子， 大到地球、 月球、太陽、銀河系 -本質(zhì)上都是以螺旋式在運動。五，平行原理。物理學中描述的平行狀態(tài)對應(yīng)數(shù)學中的正比性質(zhì)。兩個物理量， 如果可以用線段來表示，相互平行的話，一定成正比關(guān)系。六，幾何對稱性等價于物理守恒性。物理學中描述的守恒性等價于幾何中的對稱性。一個物理量，如果能夠用線段來表示，在幾何坐標上是線對稱的，如果可以用面積來表示，在幾何坐標上是平面對稱的， 如果可以用體積來表示， 在幾何坐標上是立體對稱的。

10、七，空間可以無限存儲信息。宇宙中任意一處空間可以儲存整個宇宙的信息， 可以包含整個宇宙以前的和未來的所有信息 ,換句話，任意一塊空間可以無限存儲信息?；蛘哒f空間是無限連續(xù)的。在某些情況下，空間可以表現(xiàn)為不連續(xù)，物體以光速運動，所在的空間可以表現(xiàn)為不連續(xù)。這個與量子力學有關(guān)，但是，這是另外一個廣闊的研究領(lǐng)域，要人類許多年、許多人努力才可以搞清楚的，這里不再詳細論述。八，物理學中運動狀態(tài)的描述不能夠脫離觀測者。相對論認為時間、位移、力、質(zhì)量等很多物理概念是相對的，對于相對運動的不同觀測者來測量可能有不同的數(shù)值。 這“相對 ”兩個字延伸一下，就是相對于我們觀測者而言。如果沒有觀測者，或者不指明那一個

11、觀測者，時間、位移、力、質(zhì)量-許多物理概念失去了意義。由于時間、位移、力、質(zhì)量 -這些物理概念來自于質(zhì)點相對于我們觀測者在空間中的運動， 所以講，脫離觀測者（我們?nèi)耍┟枋鲞\動是沒有意義的。咋一看，以上看法好像是一種唯心主義，不過，唯心主義認為一旦沒有觀測者，沒有人，一切都沒有了，這個也是不對的。正確的看法應(yīng)該是這樣的：宇宙中所有的運動都是相對于我們?nèi)硕缘模?一旦沒有了人， 宇宙給我們的景象就像照相機照相的一個定格鏡頭，而不是不存在。物理學中的運動狀態(tài)從幾何的角度看就是垂直狀態(tài)， 是同一個現(xiàn)象我們觀測者從不同的角度看出現(xiàn)不同的結(jié)果。 運動狀態(tài)是我們?nèi)藢ξ矬w在空間中的位置不斷肯定、否定、肯定、否

12、定 -的結(jié)果.有人認為， 在沒有人類之前的宇宙照樣在運動， 所以運動的存在與人是沒有關(guān)系的。其實 “沒有人類之前 ”這句話是一個病句，沒有了人類，哪來的沒有人類之前。之前或者之后都是依靠人來定義的， 沒有我們?nèi)四膩淼那昂?，上下左右，東西南北？注意，物理學中描述的運動，空間、質(zhì)點、觀測者三個東西一個都不能少，否則，運動就失去了意義。描述時間的變化有點特殊，觀測者和質(zhì)點實際是一個東西。人類對運動的認識有一個發(fā)展的過程， 牛頓力學認為描述一個物體的運動，必須要找一個認為是靜止的參照性物體，作為參照物，運動的描述強調(diào)了在某一段時間里物體在空間中走過的路程。牛頓力學認為時間和空間的長度的測量于觀測者的運

13、動沒有關(guān)系。相對論繼承了牛頓力學基本看法，但是相對論強調(diào)了不同的觀測者，測量的某些物理量的數(shù)值可能是不同的。相對論認為時間和空間長度的測量于觀測者的運動速度有關(guān)系。 低速時候，關(guān)系不明顯，接近光速時候，特別明顯。統(tǒng)一場論認為描述運動必須要相對于一個確定的觀測者，沒有觀測者、或者不指明那一個觀測者描述運動是沒有意義的。 選擇一個參照物描述運動有時候是不可靠的。統(tǒng)一場論認為時間是觀測者自己在空間中運動形成的， 物體在空間中運動的位移與觀測者的觀測有關(guān)，不同的觀測者可能有不同的結(jié)果。九，空間為什么是三維的？我們知道，沿空間中任意一點最多可以作三條相互垂直的有向線段，稱為三維空間。一維空間決定了質(zhì)點以

14、直線運動， 二維空間決定了質(zhì)點以圓或者曲線運動，三維空間決定了質(zhì)點以柱狀螺旋式運動?；蛘哒f質(zhì)點直線運動產(chǎn)生了一維空間，質(zhì)點曲線運動產(chǎn)生二維空間，質(zhì)點柱狀螺旋式運動產(chǎn)生了三維空間。 這兩鐘看法是我們?nèi)藢ν粋€現(xiàn)象從不同角度理解而出現(xiàn)的。三維空間是因為質(zhì)點和空間本身以柱狀螺旋式運動的原因。十，如何描述空間本身的運動？統(tǒng)一場論認為空間本身也是運動的。 我們?nèi)绾味ㄐ远康拿枋隹臻g本身的運動？我們把空間分割成許多個小塊， 每一小塊稱之為空間幾何點，或者叫空間點。幾何點運動所走過的路線叫幾何線。描述這些幾何點的運動，就可以描述出空間的運動。流體力學和波動方程的數(shù)學方法同樣適用于描述空間本身的運動， 實際上

15、我們是把空間看成是類似流體的一種特殊介質(zhì)， 而統(tǒng)一場論也認定了空間是客觀存在的， 空間的存在不依賴于我們?nèi)说母杏X， 如果沒有人，空間照樣存在，但是，沒有人的話，時間不存在。我們要注意，幾何點的運動是受垂直原理支配的，和我們描述普通物體的運動有相同的地方，也有不同的地方，比如，北半球的一個觀測者看到一個衛(wèi)星以逆時針繞赤道旋轉(zhuǎn)運動， 南半球的觀測者一定認為這個衛(wèi)星是順時針繞地球旋轉(zhuǎn)的?，F(xiàn)在我們把衛(wèi)星換成幾何點， 北半球的觀測者看到這個幾何點在赤道上空逆時針繞地球旋轉(zhuǎn)運動， 南半球的觀測者一定認為這個幾何點也是逆時針繞地球旋轉(zhuǎn)。原因是以上的垂直原理同樣適用于空間， 幾何點的運動是受垂直原理支配的，

16、是空間的本性決定的，兩個觀測者認為幾何點由于相同的原因而運動，所以，運動的形式應(yīng)該是一樣的。注意：統(tǒng)一場論所描述的空間運動都是指質(zhì)點周圍的空間， 如果沒有物質(zhì)粒子，單純的描述空間的運動是沒有意義的。 因為描述運動需要確定時間開始時刻和空間位置的初始狀態(tài)， 單純的空間沒有時間開始時刻和空間位置的初始狀態(tài)。 確定時間開始時刻和空間位置的初始狀態(tài)需要依靠物體粒子來確定?？臻g的運動起源于粒子，結(jié)束于粒子，沒有粒子和觀察者，描述空間的運動是沒有意義的 .十一， 時間的物理定義。前面指出， 一切物理概念都是質(zhì)點在空間中相對于我們觀察者運動或者質(zhì)點周圍空間本身的運動所形成的， 很多物理概念首先來自于質(zhì)點在空

17、間中運動給我們?nèi)说囊环N感覺。時間也可以認為某某東西在空間中運動給我們?nèi)说囊环N感覺。 什么東西在空間中運動給了我們時間的感覺？我們把一個人用宇宙飛船送到幾百億億億光年遠的一個空間區(qū)域里，把這個人丟下來后， 飛船立即飛回來。 這個空間區(qū)域里別的星球離得都非常非常的遙遠， 可以設(shè)想， 這個人仍然有時間的感覺？是什么質(zhì)點運動使這個人有了時間的感覺？這個情況下，僅有這個人的身體而已。正確合理的看法是：時間是我們觀測者對自己身體在空間中運動的一種感受。統(tǒng)一場論認為，宇宙中任何物體【包括觀察者的身體】靜止時候，周圍空間都以光速 C 向四周輻射式運動。 因而可以認為時間與觀測者自己在空間中以光速直線移動的路程

18、成正比。借助幾何點的概念，可以認為：時間是我們觀測者周圍空間以光速輻射式的運動給我們?nèi)说母杏X， 與我們觀察者周圍空間幾何點以光速走過的路程成正比。有人認為， 在沒有人類之前的宇宙照樣有時間， 所以時間是人的感覺的觀點是錯誤的。其實 “沒有人類之前 ”這句話是一個病句，沒有了人哪來的沒有人類之前。沒有我們?nèi)四膩淼那昂?，上下左右，東西南北？“時間 ”恰恰是人對自己身體周圍空間的運動的描述而產(chǎn)生出來的一個物理概念。十二，三維螺旋時空方程。以上提到：宇宙中所有的質(zhì)點包括空間本身都是以螺旋式在運動，可見螺旋運動規(guī)律是自然界最基本的規(guī)律之一。統(tǒng)一場論認為空間本身也是以柱狀螺旋式在運動，下面我們來介紹統(tǒng)一場

19、論中的三維螺旋時空方程。設(shè)想在某處空間區(qū)域里存在著一個質(zhì)點 o 點，相對于我們觀測者靜止，我們以 o 點為原點，建立一個三維直角坐標系， o 點周圍空間中任意一個幾何點 p 在時刻 t從 o 點出發(fā)，經(jīng)過一段時間 t 后，在 t ”時刻到達 p點所在的位置 x,y,z，也就是 p 點在 t ”時刻的空間坐標為 x,y,z 是時間 t的函數(shù)，隨時間而變化，由 o 點指向 p 點的失徑為 R 。R(t) =(x,y,z,t)統(tǒng)一場論認為時間與幾何點以光速度 C 運動走過的路程成正比， 因此有下式：R(t) = Ct = x i+ y j + z ki,j,k 分別是沿 x 軸、y 軸、z 軸的單位

20、矢量。統(tǒng)一場論認為光速將上式兩邊平方，結(jié)果為：r2 = C2t2= x2+ y2+ z2r 是矢量 R 的數(shù)量。以上方程在相對論中也出現(xiàn)過，相對論中被認為是四維時空距離， 真實情況是時間的本質(zhì)就是以光速運動的空間。 三維空間其中任意的一維，只要以光速相對于我們觀測者運動， 我們就可以把這維空間叫做時間，相對論顯然沒有認識到這一點， 這個明顯是相對論的缺陷。統(tǒng)一場論認為 p 點真實走過的軌跡是柱狀螺旋式。 只是在 o 點相對于我們觀測者靜止情況下， 周圍空間的運動是均勻的，許多類似 p 點的幾何點旋轉(zhuǎn)運動累加起來， 由于相互抵消而為零。這個如同靜電場中旋度為零、磁場的散度為零。但是，如果我們只考

21、慮一個單一幾何點 p 點的運動，其螺旋式應(yīng)該在方程中體現(xiàn)出來，時間是幾何點沿 z 軸運動產(chǎn)生的，也就是認為時間軸在 z 軸上，其數(shù)學表達式應(yīng)該為【幾何點 p 在 0 時刻從 o 點出發(fā)的情況下】：x = r cos ty = r sin tz = c t以上的三維螺旋時空方程也可以用以下矢量方程表示，r = r cos ti+ r sin + ctktj式中 r 是 o 點到 p 點的矢徑 R 在 xoy 平面上的投影長度， 是 p 點繞o 點沿 xop 平面旋轉(zhuǎn)運動的角速度， c 是常數(shù)光速。由于 o 點相對于我們觀察者是靜止的， 它周圍空間的運動應(yīng)該是均勻的， 而且沒有哪一個方向是特殊的，

22、因而 、r 應(yīng)該是常數(shù)。如果認為時間軸在 x 軸上，其數(shù)學表達式應(yīng)該為：x = c ty = r sin tz = r cos t如果就是認為時間軸在 y 軸上，其數(shù)學表達式應(yīng)該為：y = c tx = r sin tz = r cos t以上可以叫三維螺旋時空方程， 統(tǒng)一場論認為， 宇宙的一切奧妙都是以上方程決定的，大到銀河系、星球，小到電子、質(zhì)子、中子的運動，以及物體為什么有質(zhì)量、為什么有電荷，一直到人的思維等等 ， 都與這個方程有關(guān)。三維螺旋時空方程中，旋轉(zhuǎn)運動和直線運動有什么關(guān)系呢？沿坐標 x,y 軸方向的空間旋轉(zhuǎn)位移矢量 X,Y 和沿坐標 z 軸方向的空間直線位移矢量 Z 應(yīng)該滿足以

23、下叉乘關(guān)系：X Y= ZY X= - Z上式 X,Y 是旋轉(zhuǎn)量，如果 X Y = Z 表示右手螺旋關(guān)系，則 Y X = - Z則表示左手螺旋關(guān)系。式Y(jié) = Z 和 Y X= - Z 很重要，反映了空間的旋轉(zhuǎn)運動和直線運動之間的聯(lián)系。這個兩個公式來源于前面的 “平行原理 ”， “平行原理 ”指出，兩個物理量如果可以用線段表示的，相互平行的話，一定是正比關(guān)系。在式 X Y = Z 中，可以把 X Y 看成一個矢量面積，面積的大小等于X Y 的數(shù)量，方向和 X，Y 相互垂直，和 Z 相平行，按照平行原理，矢量面積 X Y 和 Z 成正比，當然，在某種情況下，也可以令比例常數(shù)為 1，寫成 X Y =

24、Z 。對于以上的三維螺旋時空方程，我們需要注意以下幾點：1， o 點周圍有無窮多個幾何點， p 點只是其中一個。2，式 R = r cos ti+ r sinj + ctkt中，當 r = O 時候， r = Ct k不表示 o 點周圍只有一條 R = c t k 這樣的矢量， 而是有許多條類似這樣的矢量呈輻射式均勻的分布在 o 點周圍，坐標軸只是我們描述空間的一種數(shù)學工具，不會影響運動空間的分布。3，空間的柱狀螺旋式運動是直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種基本形式的疊加。也可以認為直線運動是以上提到的柱狀螺旋式運動中 r = O 的一種特例。我們還要意識到 o 點周圍有多少幾何點輻射式的以光速離開 o

25、點運動，就有多少幾何點圍繞 o 點旋轉(zhuǎn)運動。在場論中， 散度描述了空間的直線運動形式，旋度描述了空間的旋轉(zhuǎn)運動形式。4，由于一個幾何點和另外一個幾何點絕對的沒有區(qū)別，許多幾何點沿一條直線相繼的旋轉(zhuǎn)運動， 可以認為產(chǎn)生了波動形式，波動的速度就是光速，而且波動的傳播方向和旋轉(zhuǎn)平面相垂直，很顯然是橫波。我們知道，柱狀螺旋式運動和波動 (這里指橫波 )有很大的區(qū)別，但是，對于空間這種特殊的物質(zhì)形式兩種運動形式卻可以相互并存， 因為兩個空間幾何點之間絕對的沒有區(qū)別。5，將以上的式 R = r cos ti+ r sin j + ct kt對時間 t 求導(dǎo)，似乎出現(xiàn)了超光速，我們要明白，以上的質(zhì)點 o 點

26、相對于我們觀察者靜止的情況下， 周圍空間幾何點的旋轉(zhuǎn)運動由于相互抵消而消失，所以，式中的 r cos ti+ r sin j 實際t結(jié)果等于零，只有單獨考察一個幾何點運動情況下不為零，但這個不是真實的。這個情況如同靜電場的旋度為零、磁場的散度為零。6，以上的 “時間的本質(zhì)和物理定義 ”中給時間下的物理定義是：時間只是我們?nèi)藢ψ陨碓诳臻g位置中變動的一種感受。 結(jié)合以上的三維螺旋時空方程， 可以認為時間是空間相對于我們觀察者以光速直線運動形成的。借助幾何點的概念，可以認為：時間是幾何點相對于觀察者以光速直線運動形成的，進一步推理有：時間與觀察者周圍某一個幾何點以光速直線走過的路程成正比。十三、光速

27、的本質(zhì)。物理學的深入發(fā)展，光速概念的重要性越來越受到人們的重視， 光速和時間、空間、場、質(zhì)量、電荷、力 -這些基本物理概念變得同等重要。人們一提到光速不由自主的就想到了發(fā)光， 實際上光速比發(fā)光現(xiàn)象更能夠反映自然界的本質(zhì)規(guī)律。 統(tǒng)一場論中， 認定光速反映了時空同一性，即空間是基本的，空間的運動形成了時間，時間和空間是同一個本源，是光速把二者聯(lián)系起來。認定光速是一個常量，意味著空間延長、時間相應(yīng)的延長，空間縮短時間相應(yīng)縮短，這就是時空同一性。原子中的電子生活在小空間范圍內(nèi)，運動速度極快，運動周期極短。而太陽系內(nèi)，行星在大范圍空間里運動，速度小，周期長，這一切的背后都是時空同一性造成的。統(tǒng)一場論的時

28、空同一性和相對論的時空相對性表面上看是矛盾的， 但本質(zhì)是一致的，時空同一性是基本的， 從時空同一性可以導(dǎo)出時空相對性，下一章我們將給出推導(dǎo)過程。光速能不能看成矢量，相對論中沒有深入討論，按照相對論，光速與光源的運動速度無關(guān)，與觀測者的選擇無關(guān)，與時間無關(guān)，與空間位置無關(guān)，純粹一個常數(shù)。所以，相對論傾向認為光速不能夠看成矢量，換句話，在相對論中討論光速的矢量性是沒有意義的。統(tǒng)一場論提出了與之不同的觀點， 認為光速在某些情況下可以表現(xiàn)為矢量，其方向和光源的運動速度有函數(shù)關(guān)系。統(tǒng)一場論為了區(qū)分， 把矢量光速叫光速度， 用大寫 C 表示，C 大小不變，但是方向可以變化。光速速率叫光速率，用小寫字母 c

29、 表示，c 不變。沿直角坐標 x 軸或者 y 軸或者 z 軸的光速度叫光速，也可以變化。光速作為矢量，其方向是可以變化的。變化的原因恰恰是光速不變。設(shè)想以上的質(zhì)點 o 點，相對于我們觀察者靜止，兩個幾何點 px 和 py 在0 時刻，分別沿 x 軸和 y 軸以光速 c 遠動。現(xiàn)在令 o 點沿 x 軸以速度 V 運動，按照相對論光速不變的看法，在我們觀察者看來，幾何點 px 仍然以光速 c 沿 x 軸運動，但是，幾何點 py沿 y 軸的光速在我們看來發(fā)生變化， 變成了 （c 2- v 2），v 是 V 的標量。這樣幾何點 py 在我們看來，總的速度為：【（c 2- v 2） 2 + v 2】 =

30、 c可見幾何點 py 在質(zhì)點 o 運動時候沿 y 軸光速的變化是光速不變決定的。對于光速，我們要區(qū)分幾何點相對于光源【或者質(zhì)點】的速度和相對于我們觀察者的速度。這里有 3 個速度，1，質(zhì)點 o 相對于我們觀察者的速度是 V。2，在我們觀察者看來，幾何點相對于質(zhì)點 o 的速度，沿 y 軸為（c 2-v 2），沿 x 軸為 c - v.在我們觀察者看來， 幾何點相對于質(zhì)點 o 的速度無論是沿 x 軸還是沿y 軸都可以寫為矢量式 C - V。3，幾何點相對于我們觀察者的速度，沿 y 軸為（c 2- v 2），和速度V 合成后，總的速度為 【 （c 2- v 2）2+ v 2】 = c幾何點沿 x 軸

31、為 c v + v = c統(tǒng)一場論認為， 光速度和光速率都遵守相對論的速度變換法則。 統(tǒng)一場論對光速的看法， 本質(zhì)上不是和相對論相矛盾的，應(yīng)該是相對論對光速的認識不夠全面。統(tǒng)一場論認為， 光速度作為矢量是可以變化的， 光源的運動速度 V 可以引起 V 垂直方向的光速度的變化。光速度 C 和光源速度 V 以及它們之間的夾角 A 滿足以下關(guān)系：cosA = v /c由上式可以導(dǎo)出 sinA = （1- v 2/ C 2），這個實際上是相對論因子產(chǎn)生的原因?？偨Y(jié)統(tǒng)一場論對光速的看法，相對于我們靜止的光源【或者質(zhì)點】，周圍運動空間的光速的矢量意義不明顯， 一旦光源相對于我們觀測者以速度 V 運動時候，

32、會引起與 V 垂直方向的光速度方向發(fā)生變化，正是V 才使光速具有了矢量意義。 （光速度方向的變化不應(yīng)局限于與 V 方向垂直的光線，與 V 夾角不為 0、不為 180的光線，其速度方向均應(yīng)改變。 ）并且矢量 C - V 和 C、V 滿足直角三角形的關(guān)系， 光速度 C 是斜邊，V 和C- V 相互垂直。十四、對洛倫茨變換和光速不變的解釋。洛倫茨變換是狹義相對論的基礎(chǔ)，而洛倫茨變換中光速不變是主要依據(jù)，光速為什么不變？結(jié)合以上對光速的認識，我們用統(tǒng)一場論來給出一種解釋。首先我們給出洛倫茨變換的推導(dǎo)過程。設(shè)有兩個直角慣性坐標系 s 系和 s系，任意一事件在 s 系、s系中的時空坐標分別為（ x，y，z

33、，t）、（x，y，z，t）。在洛倫茨變換中 y= y，z= z，為了簡單所見，我們現(xiàn)在只考慮 x, t,和 x, t之間的變換。在下圖中， x 軸和 x相互重合，在 t= t =0 時刻， o 和 o點相互重合在一起， s系的原點 o相對 s 系的原點 o 以速率 V 沿 x 軸正方向運動。我們來求出由兩個坐標系測出的在某時刻發(fā)生在 x 軸上 p 點的一個事件（例如一次爆炸）的兩套坐標值之間的關(guān)系。在 s系中測量，發(fā)生在 p 點的爆炸的空間、時間的坐標分別為 x, t，也就是說爆炸發(fā)生在 t時刻，發(fā)生的地點是在 x軸上離原點 o距離為 x處。在 s 系中測量， 發(fā)生在 p 點的爆炸的空間、 時

34、間的坐標分別為 x, t，也就是說爆炸發(fā)生在 t 時刻，發(fā)生的地點是在 x 軸上離原點 o 距離為 x 處。在上圖中，可以直觀的看出x= x- vt (1)x = x+ vt (2)按照伽利略相對性原理的思想，時間、空間長度的測量于觀測者的運動速度 v 沒有關(guān)系，上式可以成立。但是，相對論認為時間、空間長度的測量于觀測者的相互運動速度 v 有關(guān)，所以（ 1）式和（2）式要分別乘上一個系數(shù) k 和 k才能夠成立。x= k(x vt) (3)x = k(x+ vt) (4)由于 s 系相對于 s系是勻速直線運動， 因而我們應(yīng)該合理的認為 x 和(x vt) ，x 和(x+ vt)之間的關(guān)系應(yīng)該是線

35、性的， 所以 k 和 k應(yīng)該是常數(shù)。相對論的相對性原理認為物理定律在所有的慣性參考系中都是相同的。也就是說，不同慣性系的物理方程形式是相同的。所以 k 和 k應(yīng)該相等。對于 k 的值，洛倫茨變換用的是光速不變求出的。設(shè)想由原點 o（o）在重合時刻發(fā)出一束沿 x 軸正方向的光，設(shè)該光束的波前坐標為（ x，y，z，t)、(x，y，z，t)，以波前這一事件作為考察對象。由于光速 c 在 s 系和 s系是相同的，有x = ct (5)x= ct (6)由（3）,(4),(5),(6)式聯(lián)合可以求出洛倫茨變換：x= (x vt) 1/（1- v2/c2） (7)x = (x+ vt) 1/ （1- v2

36、/c2） (8)t= (tvx/C2)1/（1- v2/c2） (9)t= (t+ vx/C2)1/ （1- v2/c2） (10)y= y (11)z = z （12）下面我們用統(tǒng)一場論對以上的光速不變給出解釋。在以上的 s 系和 s中，設(shè)想在 t= t= 0 時刻， o 和 o點相重合，一個幾何點以光速 c 從 o 和 o出發(fā)，過一段時間到達 p 點，對于幾何點從 o 點出發(fā)達到 p 點這件事情， s 系中的觀測者認為，這個幾何點走了路程 x，用了時間 t，而在 s中的觀測者認為，這個幾何點走了路程 x，用了時間 t。由于時間與觀測周圍空間中幾何點以光速走過的距離成正比（見前面的 “三維螺

37、旋時空方程 ”），所以有以下關(guān)系成立：x/ x = t/t由上式可以推理出 x/ t = x/t由于 x/ t 和 x/t都是位移比時間， 并且?guī)缀吸c是以光速 c 在運動， 量綱是速率，所以x/ t = x/t = 速率 = 光速 c，這個就證明了（ 5）式和（ 6）式中的光速 c 應(yīng)該是相等的，這也說明了有一個與時間密切相關(guān)的速率 c，在相互運動觀測者看來 c 的值是相等的。我們還有一個問題：就一個參考系來講，為什么光速也是常數(shù)？這一點可以這樣理解，時間完全的等價于觀測者周圍空間的運動，也就是運動的空間 = 時間。為了在物理上使 “運動的空間 = 時間 ”成立時量綱不發(fā)生混亂， 我們需要在時

38、間前面乘上不隨時間、運動空間變化的一個常數(shù) -光速，運動的空間 = 光速乘以時間對于兩個相互運動的參考系來說，兩個相互運動的觀測者發(fā)現(xiàn)同一束光的光速是相同的（就是光速不隨觀察者、不隨光源的運動而變化），原因是空間以光速運動， 光是靜止于空間中被空間這種運動帶著向外跑的。兩個觀測者都發(fā)現(xiàn)對方的產(chǎn)生時間的運動空間的位移 （光速中的分子）變化了， 而時間（光速中的分母） 隨之同步變化， 結(jié)果光速 (分子-幾何點的位移除以分母時間）仍然不變?？赡苡腥苏J為光線可以向任意方向跑啊，那空間豈不是也向任意方向跑嗎？描述任何運動需有參照物，空間的運動是參照誰呢？空間的運動是參照物體的，我們描述空間的運動都是指某

39、個物體周圍空間是如何運動的。特殊情況下，沒有物體，我們描述空間的運動是相對我們?nèi)说纳眢w。 沒有任何物體的情況下，單純的描述空間的運動是沒有意義的。下面我們再來考慮，一束沿 x 軸垂直方向運動的光的光速不變情況。設(shè)想有一個物質(zhì)點 o 處于某處空間區(qū)域里， 我們以 o 點為原點作一個二維直角坐標系 oxy ，觀測者甲相對于 o 點靜止， 當然相對于直角坐標系oxy 也是靜止的。 而觀測者乙相對觀測者甲以速度為 v 沿 x 軸作勻速直線運動，如下圖所示：設(shè)想在 0 時刻，觀察者甲、乙和 o 點相互重合在一起，此時甲乙兩個觀測者選擇這樣一個幾何點 p 來觀測，該幾何點在甲、乙、 o 點重合時刻從 o

40、點出發(fā)，運動方向沿 y 軸，和 x 軸垂直。甲、乙二人選擇一個沿 x 軸相垂直方向從 o 點出發(fā)的幾何點，所走過的路程將與甲、乙二人的運動無關(guān)，甲乙二人認為是相等的。這一切狹義相對論用火車鉆山洞的假想試驗給出了證明：設(shè)想有一個山洞，外面停一輛火車，車廂高度與洞頂高度相等，現(xiàn)在使火車勻速的開進山洞， 運動的火車的高度是否發(fā)生變化？假設(shè)火車的高度由于運動變小了，這樣，站在地面的觀測者認為火車由于運動，高度變小，山洞由于不運動，高度不變，火車肯定順利的開進山洞。但是，在火車里面的觀測者認為， 火車是靜止的， 因而火車高度不變，山洞是運動的，山洞的高度會降低，火車無法通過山洞，這就發(fā)生了矛盾，但是，火

41、車能否開進山洞是一個確定的物理事實，不應(yīng)該于觀測者的選擇有關(guān)， 唯一合理的觀點是： 勻速直線運動不能夠改變運動垂直方向上的空間長度。以上的幾何點過了一段時間后到達 p 點。這樣觀測者甲認為在時間為t 內(nèi)幾何點 p 走了 op 這么遠的路程， 而觀測者乙在時間為 t 內(nèi)從 o 點出發(fā)到達 b 點, 并且肯定認為該幾何點走了 bp 這么遠的路程，根據(jù)前面的時間的物理定義， 觀測者所測得的時間與它周圍空間中某個幾何點所走過的路程成正比。這樣說來，則下式成立：bp/ op= t/t (11)將上式變形為：bp/t=op/t (12)這樣，觀測者甲認為自己周圍空間這個幾何點 p 在 t 這段時間內(nèi)以一個

42、恒定的速率走了 op 這么遠的路程 , 而觀測者乙認為這個幾何點走了bp 這么遠的路程 , 雖然比甲測得路程要長， 但相應(yīng)地所用時間也延長了-因為觀測者測量的時間于他周圍空間中某一個幾何點走過的路程成正比，所以該幾何點的速率在甲乙二人看來是個不變的常數(shù) .根據(jù)前面的觀點， o 點相對于觀測者靜止的時候， o 點和觀察者也可以看成是同一個點，o 點周圍空間中幾何點會以光速 c 離開 o 點向外運動，而觀測者甲相對于 o 點靜止，這樣，可以認為op/ t = c以上的常數(shù) c 就是光速，這就解釋了光速為什么會相對于觀測者甲和乙數(shù)值不變。以上所描述的同一事件 (就是一個幾何點從 o 點出發(fā)到達 p

43、點這件事 ),觀察者甲認為用了時間 t 而,觀察者乙認為用了時間 t, 由于 t 大于 t ，這在形式上符合相對論中觀點：運動的觀察者（相對于物質(zhì)點 o 而言，如果沒有物質(zhì)點，時間和運動的描述沒有意義）所測得的時間延長。但在數(shù)量上和相對論是否一致呢 ? 我們再來詳細的分析一下。由于：bp/t=op/t 常=c數(shù)( 光速 )( op2 + v 2t2 )/ t = Cop2+ v 2t2 = c2t2op2= c2t2(1v2/c2)（ct ）2= c2t2（1v2/c2）t 2 =（t21v2/c2）t = t （1-v2/c2）從以上分析來看 ,運動的觀測者的時間延長在數(shù)量上和相對論是一樣的

44、?？赡苋藗冞€有一個疑問？觀測者周圍空間有許多幾何點， 為什么一個幾何點的運動就可以表示時間？這個應(yīng)該這樣理解，時間反映了空間運動的一種性質(zhì)，我們觀測者通過描述空間中許多幾何點的其中一個， 就可以把空間具有時間這種變化的性質(zhì)給表現(xiàn)來，這個也表明了，時間不能夠脫離觀測者而獨立存在。十五，解釋與光速相關(guān)的相對論效應(yīng)。1,我們首先來談?wù)劰馑贋槭裁词怯钪嬷凶罡咚俣鹊膯栴}。相對論中認為， 光速是宇宙中最高的速度。 相對論主要是根據(jù)數(shù)學公式做出的判斷，因為物體的運動速度如果超過光速，物理量將出現(xiàn)虛數(shù)而失去意義。其實從邏輯上推理光速是宇宙最高速度也是很簡單的。設(shè)想，一架飛機從上海飛到北京，用了一個小時，如果速

45、度提高，時間就不需要一個小時，如果飛機速度是無窮大，從上海飛到北京就不需要時間了。一個物體相對于我們觀察者以光速運動， 這個物體所在的空間沿運動方向上的空間長度變成了零。由時間 = 空間長度除以速度可知，空間長度是零，速度一定，運動的時間自然就不需要了，有沒有比不需要時間更快的運動？顯然沒有。2,相對論認為，物體以光速運動，沿運動方向的空間長度為零，一個物體長度為零，體積也為零，體積為零，按理是不存在的，相對論這個結(jié)論讓很多人不能夠接受。 統(tǒng)一場論對此有很好的解釋。 統(tǒng)一場論認為，物理量是觀察者對物體描述出來， 物體的體積變成了零，可能的原因是觀察者觀察的原因，這樣我們就好理解了。3, 相對論

46、認為， 一個物體以光速運動， 物體上所發(fā)生的的一切過程時間都是無窮大，時間凝固了，無窮大的時間我們難以接受，統(tǒng)一場論認為時間是觀察者對自己在空間中運動形成的，這樣我們就容易理解了。4,相對論認為，物體以接近光速運動，質(zhì)量變得無窮大了，無窮大的質(zhì)量我們是難以接受的。 統(tǒng)一場論認為， 物體的質(zhì)量反映出物體周圍一定體積內(nèi)運動空間的運動量， 當這個物體以接近光速運動時候，這個體積由于相對論性的空間收縮性，將變得接近為零， 由于質(zhì)量是我們觀察者觀察出的物理量，所以，物體的質(zhì)量為無窮大我們就容易理解了。十六、場的定義。在數(shù)學中場的定義為：若空間中（或空間的某一部分），每一個點對應(yīng)一個確定的量， 則稱這樣的

47、空間為場， 當空間中每一點所對應(yīng)的量為數(shù)量時， 則該空間為數(shù)量場， 當空間中每一個點所對應(yīng)的量是一個矢量時，則稱這樣的空間為矢量場。從數(shù)學中場的定義可知，場是用空間的點函數(shù)來表示的，反之，若給出空間中某一個點函數(shù)，就給出了一個場。在前面我們做了大量的分析，把重力場（也可以叫萬有引力場，簡稱引力場）、電磁場以及核力場與空間本身的運動聯(lián)系了起來，認定物理上 4 大場： 重力場、 電場、 磁場、 核力場的本質(zhì)就是運動的空間。 由此，我們在這里把物理 4 大場給出一個統(tǒng)一的定義，在下一節(jié)里， 再分別給出重力場、核力場和電場、磁場精確的定義。物理 4 大場的統(tǒng)一定義為：相對于我們觀察者， 質(zhì)點周圍空間中

48、任意一個空間幾何點指向該質(zhì)點的位移矢量隨空間位置變化或者隨時間變化，這樣的空間稱為物理場，也可以叫物理力場。簡單一句話，物理 4 大場本質(zhì)就是運動變化的空間，這個也符合我們前面的統(tǒng)一場論基本原理 - 一切物理現(xiàn)象都是質(zhì)點在空間中相對于我們觀察者運動 （或者質(zhì)點周圍空間本身相對于我們觀察者的運動） 造成的。從以上的定義可以知道，物理 4 大場都是矢量場。注意，場是質(zhì)點周圍空間相對于我們觀測者運動變化所表現(xiàn)出的一種性質(zhì)，空間、質(zhì)點、觀測者三個東西一個都不能少，否則，場就失去了意義。十七，質(zhì)量、重力場的定義。設(shè)想有一個質(zhì)點 o 相對于我們觀測者靜止， 周圍空間中任意一個空間幾何點 p 在零時刻以光速

49、度 C 從 o 點出發(fā)， 沿某一個方向運動， 經(jīng)歷了時間 t，在 t時刻到達 p 所在的位置，讓點 o 處于直角坐標系 xyzo 的原點，由 o 點指向 p 點的矢徑為 R = C t = x i+ y j + z kR 是空間位置 x，y，z 的函數(shù)，隨 x，y，z 的變化而變化，記為：R = R（x,y,z,）。我們以 R = Ct 中 R 的長度 r 為半徑作高斯球面 s = 4 【r2內(nèi)接球體體積為 4r3/】3 包圍質(zhì)點 o。注意，r 和 R 雖然數(shù)量相等，但是二者是有區(qū)別的， r 是幾何點的位移 R 長度的數(shù)量，是高斯面 s的半徑。把運動空間看成是水流， R 就是水流沿某一個方向流

50、動的長度，而 r 如同我們隨著水流測量的卷尺的刻度。o 點周圍的重力場 A 表示 o 點周圍在體積 4r3/3內(nèi)有 n 條幾何點的位移矢量 R = Ct，A = k g n R /（4r3/）3k 為常數(shù)。 g 為萬有引力常數(shù)。而質(zhì)點 o的質(zhì)量 m就表示在高斯球面 s = 4 【 內(nèi)r2接球體體積為 4r3/】3內(nèi)，包含幾何點矢量位移 R = Ct 的條數(shù) n 和立體角度 4的比值。m = 3 k n /4 這樣,以上的重力場方程 A = k g n R / （4r3/3） 可以寫為：A = g m R /r3牛頓萬有引力定理指出，質(zhì)點 o 周圍空間 p 處【由 o 指向 p 點的矢徑為 R，

51、o 點到 p 點的距離 ,也就是矢量 R 的數(shù)量為 r】產(chǎn)生的重力場 a = gm/r2,矢量式： A = g m R/r3。以上的重力場方程和牛頓力學重力場方程吻合。以上引入的質(zhì)量方程 m = 3k n /4 中角度是常數(shù) 4，實際上角度可以是變量，在 0 和 4之間變化， n 和 m 都可以是變量，質(zhì)量方程仍然成立。我們引入立體角 概念，把質(zhì)量方程 m = 3k n /4 寫成普遍形式：m = k n / 考慮到 n 和 相互對應(yīng)變化，有微分式m = k d n /d 相應(yīng)的有比較普遍的重力場方程：A = g m R /r3 = g k n R/ r3在以上的重力場方程中， g，k 是常數(shù)

52、，不可以變化。 A， n ，R， ，r3都可以變化。我們關(guān)鍵要考慮以下情況：1，A， R， r3不變，n 和 之間相對應(yīng)的變化。2，A， n ， 不變， R 和 r3之間相對應(yīng)的變化。十八，從統(tǒng)一場論導(dǎo)出質(zhì)速關(guān)系。下面用質(zhì)量的幾何形式方程來解釋質(zhì)速關(guān)系。如果質(zhì)點 o 相對于我們以速度 V 運動，預(yù)計質(zhì)點 o 的質(zhì)量 m 將要發(fā)生變化。以上的質(zhì)量幾何形式方程 m = k d n /d 中，k 是常數(shù)，數(shù)目 n按理不會隨 V 變化，現(xiàn)在我們考慮 d隨 V 的變化。d是包圍質(zhì)點 o 的高斯球面中的一個微小矢量面元 dS和高斯球面半徑 r2的比值d = dS/ r，2我們把高斯球面 s = 4 分r2

53、割成 n 塊，每一小塊面積為 ds = 4 r【2/nds是矢量面元 dS 的數(shù)量】，由 ds 連接 o 點的圓錐體體積為 ds h/3h 為圓錐體的高，當 n 非常大的時候，分割的非常細密，圓錐體體積ds h/3 可以表示為 d r3/3d r3/3可以看成是一個微小的體積元，我們用 dv 表示。r3可以看成一個長度為 r 的正方體，我們把 r3設(shè)定為固定常數(shù) 1，我們只是考慮質(zhì)點 o 的質(zhì)量 m 和 dn 成正比，與體積元 dv 成反比，當質(zhì)點 o 相對于我們以速度 V【標量為 v】勻速直線運動的時候，體積元 dv 可以看成許多個小正方體構(gòu)成，每一個正方體隨 V 收縮一個相對論因子 （1-

54、 v 2/c2），所以 dv 也要收縮一個相對論因子 （1- v 2/c2）。數(shù)目 n 按理不會隨 V 增大，這樣運動時候質(zhì)點 o 的質(zhì)量 m增大了一個因子 （1- v 2/c2）。m = m（1- v 2/c2）這個和相對論的質(zhì)速關(guān)系是吻合的。十九，重力場與高斯定理。借助場論高斯定理，我們可以用散度更清楚的刻畫質(zhì)量和重力場的幾何性質(zhì)。以上的重力場方程 A = k g n R/ 中r3，由于 R 的數(shù)量為 r，因而方程可以寫為： A = k g n r【R】/ r。3【R】為沿 R 方向的單位矢量，當我們考慮在 A、n、 不變的情況下【k g 是常數(shù)】， r【R】和 r3作為變量相對變化的時候，有式：A = k g n dr【R】/3 r2 = k g n dR/3 r2注意：以上的沿 R 方向單位矢量【 R】不隨 r 變化。當我們再考慮以上方程 A = k g n dR/3 中r2n 和 相對變化的時候，有方程：A = k g dn dR/3d r2令 3d r2 = d S，單位矢量【 R】 和矢量面元 dS【dS的數(shù)量為 ds】的方向一致，這樣有下式：A = k g dn dR / ds = k g dn dr【R】/ ds現(xiàn)在我