统一的测量相对性原理Word文档格式.docx

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sgravitationalformulaareputasideobserver,studygravitationalfieldoftheSunindependently,theirdescriptiononthegravitationalfieldoftheSunisjustanapproximationundertheinertialsystem,theapproximateresultis:

thegravitationalfieldoftheSunisastaticfield,sotheapproximatelostorcoverupthetravellinginformationofthegravity.Boththeoriescannotbeusedtostudythegravitationaltravelling;

Onlytheretardedgravitationaltheorycontainsthecompleteinformationofrelativemotionbetweenthegravitationalsourceandtheobserver,andthetravellingfactor,youcanstudythetravellingofthegravitationalfieldaccordingtotheretardedgravitationalformula.The"

evidenceofgravityatthespeedoflightbasedonobservationoftheearthtide"

iscredible.Further,theunityoftheelectromagneticfieldformulaandretardedgravitationalformulaisgiven;

andwehaveprovedthatthreeNewton'

slawsofmechanicsmayallbeextendedtoarbitraryreferenceframe.

Keywords:

gravitationalfieldoftheSun,speedofgravity,retardedgravitation,universalrelativity,arbitraryreferenceframe

一、关于固体潮与引力传播速度

科学通报英文版和中文版发表了《ObservationalEvidenceforthespeedofgravitybasedontheEarthTide》的论文。

有些理论物理界的朋友们对此有认真和负责任的质疑。

他们的主要论点是：

无论是根据广义相对论还是牛顿引力定律，太阳的引力场都是静态场，而静态场是不可能传播的，所以，汤克云等人声称根据固体潮数据获得了引力以光速传播的证据不成立；

如果汤克云等的观测结论成立，则广义相对论有问题。

汤克云等的论文和理论物理界朋友的质疑不仅关系到“固体潮观测证明了引力以光速度传播的第一个观测证据”是否成立，更涉及引力物理的许多重大的基本概念（惯性系与非惯性系，静态场、稳态场和非稳态场）和基本思想（引力场的传播本质，场的推迟作用）是否正确，意义重大，值得深究。

在科学期刊上展开实名争论是一个非常好的形式，就同一问题展开科学、认真、负责、有据，对事不对人的深刻辩论，要比发表“无争议”的几近重复的许多论文，重要得多，对科学发展的贡献要大得多。

事关许多重要概念和思想，包括一些新概念、新思想，用中文表述可能更准确。

我们特别大家注意以下简单事实：

地球绕太阳运动的轨道是椭圆而不是圆，同时，由于地球在自转，重力仪绕地心转动，重力仪至日心的距离随时间显著变化，所以，重力仪记录到十分显著而清晰的准正弦曲线（公转效应+自转效应，主要是自转效应），即地球上重力仪测到的固体潮是非常显著的非稳态场；

原则上，将日地距离（严格说，应是太阳至重力仪的距离）除以观测曲线与理论曲线之间的时间差即引力传播时间就是引力传播速度！

简单明了的事实和道理并非深不可测。

观测或实验是检验理论的唯一标准，而不是理论决定观测是否正确。

以下就理论物理界朋友的主要质疑论点逐条评述：

（本节中，由此以下，质疑方的主要观点为黑色字体，本人的评述为蓝色和红色字体）

1.广义相对论的Schwarzschild度规描述的是稳态场，独立于时间坐标（对！

广义相对论的Schwarzschild度规只能描述稳态场，对非稳态场无能为力）；

它很好地描述了太阳的引力场（不太对。

它是在太阳是惯性系的假定下解出的，此假定认为太阳的绝对加速度为零，已违反了广义相对论的根本思想——‘绝对加速度不可测量’，它只是近似描述了太阳引力场的空间分布特性，不包含太阳引力的传播特性，也未反映太阳引力场对于观测者相对运动状态的依赖关系）；

2.对于稳态场，与引力的传播问题无关，既不能说引力场以有限速度传播，也不能说引力场是瞬间传播的（如确定是稳态场，此说正确。

）；

3.稳态的太阳引力场，总是在那里（这一种说法是牛顿惯性系经典力学的语言，不是彻底相对论的语言，已假定了太阳是惯性系。

按照彻底相对论的语言，时空是一体的，时空与运动是一体的，物理源与观测者是一体的。

不可以脱离观测者单独判断太阳的引力场是稳态场或非稳态场：

对于一个相对于太阳静止的观测者，他测到的太阳引力场是静态场，对于一个围绕太阳作匀速圆周运动的观测者，他测到的太阳引力场是稳态场，对于一个围绕太阳沿椭圆轨道运动的观测者，他测到的太阳引力场则是非稳态场，对于既绕地心转动又随地球绕太阳沿椭圆轨道公转的重力仪，测到的太阳引力场肯定是非稳态场），观测点的引力场对于就在身边的重力仪的作用只是一种局域作用，与引力传播无关。

在日心参考系中，太阳不动，地球在动（这仍然是牛顿惯性系力学的语言。

按照彻底相对论的语言，不可以在单独一个参考系中讲太阳或地球的动与不动，只能讲引力源——太阳相对于观测者——地球上的重力仪是如何运动的），重力仪静止于地球上，所以重力仪测量不到太阳引力传播的时间（地球相对太阳的运动轨道是椭圆，相对运动的距离在不断变化，地球上的重力仪又绕地心运动，测量到的太阳引力场是非稳态场，重力仪记录到的太阳引力场的强度随时间变化，是一条准正弦曲线，曲线之峰对应引力最强的时刻，也即地球上重力仪距离太阳最近的时刻；

根据天文学（以及地球物理固体潮）的知识，我们可以精确确定太阳在任何时刻的空间三维位置（如赤经赤纬，或黄经黄纬，以及日-地距离），这就是说，我们可以精确算出，何时地球上重力仪距离太阳最近，则从天文学知道的日-地（重力仪）距离最近时刻与重力仪测量到的引力最强时刻（观测值）是一一对应的，即重力仪测量到的最强引力是当太阳-地球上重力仪距离最近的时刻（理论值）从太阳发出的。

两条准正弦曲线（观测曲线与理论曲线）之间的一一对应关系为我们提供了测量引力速度的原理——用此时的日地距离（严格来说，应是太阳至重力仪的距离）除以时间差（重力仪曲线的峰值时刻（观测值）减去由天文数据算得最强引力发出的峰值时刻（理论值）不就可以求得引力速度吗？

在实际操作上，我们不是用固体潮观测曲线与理论曲线的峰—峰时间差，而是用固体潮观测曲线与理论曲线两条完整曲线的时间差来求引力速度的；

假如，地球上重力仪围绕太阳运动作匀速圆周运动，则地球上重力仪观测到的太阳引力场就是稳态场，引力大小不随时间变化，固体潮观测结果就是一条水平直线；

另一方面，地球上重力仪到太阳的距离也不随时间变化，固体潮的理论计算结果也是一条水平的直线。

于是，在两条水平直线间找不到一一对应关系，无法确定引力从太阳发出传播至地球上重力仪所需的时间，自然无法求出引力传播速度！

4.与广义相对论类似，在牛顿固体潮公式中，也不现含时间

，描述的是稳态引力场，与引力的传播问题也无关系（对于经典牛顿固体潮公式，此说正确。

但我们用的不是已经典牛顿公式，而是实用牛顿公式，视位置替代了真位置，已包含了引力以光速传播的假定）。

5.其实，无须广义相对论，用牛顿引力已足以讨论固体潮问题。

因为，用后牛顿近似计算出的引力与用牛顿万有引力公式计算出的引力之差别实在太小，而用现代最好的超导重力仪也测不出来（确实如此。

即使采用后牛顿近似也是稳态场，因为在后牛顿近似中用的是平均速度而不是瞬时速度，相当于认为地球上重力仪围绕太阳作均速圆周运动，得出的自然是稳态场）；

6.严格说来，如果进一步考虑月亮等行星的运动，引力场将会偏离静态场，地球的自转也会使重力仪的测量偏离静态场，但它们不会提供任何有关太阳引力场向地球上重力仪传播的信息。

在汤等的论文中，未考虑上述两点偏离，因此，汤等处理的引力场仍是静态场。

（为单独研究距离地球较远的太阳引力场的传播（传播时间较长）问题，我们已设法从固体潮观测曲线中近似消除了月球的引力场，月球的引力场是否为稳态场已不是我们所关心的，但地球自转使重力仪至日心距离发生改变，对重力仪测量到太阳的非稳态场有贡献，在固体潮观测和我们的计算中都已包含了地球的自转的贡献。

如果汤等从静态场中获得了引力以光速传播的证据，则广义相对论就不正确了（在上述论证中，我已指出，重力仪在围绕太阳沿椭圆轨道运动的地球上测得的太阳引力场，不是静态场，而是非稳态场，可根据固体潮观测获得引力传播速度。

另一方面，广义相对论的史瓦西度规确实存在一些严重的缺陷：

首先，Schwarzschild是从求解真空场方程

（3）

获得了Schwarzschild度规。

虽然他用了爱因斯坦时空一体的概念，但他无视观测者的存在，假定整个宇宙只有一个静止的太阳。

这不是相对论的思想，已退回到了牛顿惯性系，独立求解太阳引力场的度规，即场分布函数，此解当然是牛顿惯性系中的稳态解：

（4）

由于完全没有考虑引力源与观测者之间的相对运动关系，Schwarzschild度规是对太阳引力场的一个近似描述。

同牛顿万有引力一样，引力传播因子已丢失或被掩盖，当然不能处理引力的传播问题。

其次，在狭义相对论中已发现，惯性系无法定义，或根本不存在。

然而，上面刚刚讲了：

史瓦西度规是在惯性系中求出来的，只有在惯性系中才有效，这就是说，广义相对论离不开一个惯性系，所以，GR学者们想了许多办法来定义出一个惯性系——奇怪而不合理的爱因斯坦电梯和局域惯性系！

我们知道，反映物理规律的高级表达式的低阶近似必须与低级表达式一致，即上得去，回得来，这是物理学判断任何新理论是否正确的一条根本法则。

试看：

GR是牛顿引力的高阶效应，其零阶效应必须回到牛顿引力体系的结论，与牛顿引力体系的结论相同。

然而，在牛顿引力中，大质量星球是一个很好的近似惯性系，在其表面附近作自由下落的爱因斯坦电梯是加速参考系，不是惯性系；

而在GR中，认为自由下落的爱因斯坦电梯是惯性系，大质量星球反而不是惯性系，这是一个根本性的深刻矛盾。

说明广义相对论中的爱因斯坦电梯概念上去了，回不来。

我们不妨称之为爱因斯坦电梯佯谬。

第三，在经典物理中，物理方程中的每一个元素：

长度或距离、质量、时间、速度、加速度都具有确切而肯定的测量意义，我们从不担心由它们构建的物理方程会没有物理意义，所考虑的只是方程的准确程度。

然而，众所周知，在Schwarzschild度规中，坐标量

都不再具有确切的测量意义，这是更加根本性的缺陷，令人忧虑：

基于没有确定测量意义的坐标量

而建造起来的物理关系或方程--Schwarzschild度规，Kerr--Newman度规,Einstein方程，Friedmann--Roberston--Walker方程等还能保证有物理意义吗？

为了消除狭义相对论中惯性系无法定义的缺陷和爱因斯坦电梯佯谬，我曾提出：

狭义相对论需要的是一对惯性系，而不是一个惯性系，于是建议用一个惯性对（inertialpair）取代两个惯性系，圆满解决了狭义相对论中惯性系无法定义的矛盾。

进一步，按照我这一思路，就完全没有必要去定义任何惯性系，爱因斯坦电梯的定义是不合理的。

知道了引力源的质量和引力源与观测者之间的相对运动就知道了一切引力特征—包括引力场和引力波。

所有物理量——时空坐标、时空间隔、速度、加速度、引力场都有明确的测量意义。

且测量是在平直时空进行的，时钟快慢与引力场无关，引力场中的光速可稍稍偏离真空光速；

引力波的概念统一到引力场中：

水星进动不是时空弯曲的结果，而是水星受到的太阳引力之径向辐射和角向辐射（严格来说，是水星——太阳相互作用能的辐射）的总结果。

换句话说，水星进动才是发现引力波的第一个间接而肯定的观测证据！

光子偏折也不是时空弯曲的结果，而是太阳的径向引力和由相对加速度产生的角向引力对光子（此时，光子成为观测者，观测到太阳引力；

光子的直线轨道在此太阳引力作用下发生偏转）的吸引作用共同造成的。

7.汤文中，对经典牛顿固体潮公式作了修正，用视位置替代了真位置。

这样作的出处何在？

（这是问题的根本，它来自于推迟引力公式。

考虑了引力源相对于观测者的运动，推迟引力等于

（1）

其中，

依次为引力源相对于观测者的视位置、视位置时刻的速度和加速度，

为光速，

是相对加速度对推迟引力的贡献，在求引力传播速度时暂时用不上，不在此详述。

推迟引力公式

（1）的核心是引力从引力源的视位置发出，以光速传播！

在弱场、低速的太阳系内，又考虑到地球绕太阳运动的椭圆轨道的偏心率很小，与圆轨道相差不大，如取相对速度和加速度皆为零

且

，推迟引力公式

（1）可简化为

（2）

这就成为著名的牛顿万有引力公式。

可见，牛顿万有引力公式是推迟引力公式在弱场中取零速度近似的结果。

详细的论证已有另文公开。

比较推迟引力公式

（1）与牛顿万有引力公式

（2），可以发现：

引力从本质上是从视位置发出，以光速传播的，在弱场零速情况下取近似，传播因子不见了，视位置成为真位置，引力似乎成了“超距传播”的了。

结论是：

推迟引力包含了引力场与引力源、观测者之间相对运动的关系，反映了引力从视位置发出，以光速传播的本质，牛顿万有引力公式是近似公式，丢失了或掩盖了引力从视位置发出，以光速传播的本质。

我们原考虑，作为投给《科学通报》的第一篇论文，篇幅有限，为突出主题——由固体潮观测发现引力速度的观测证据，避免纠缠到一个大家尚不熟悉的新理论——推迟引力理论中，就直接从观测的角度认为牛顿实用固体潮公式中的太阳位置就是视位置。

尽管这是正确的，我已有专文证明，但此步跳跃过大，一些人难以理解。

现在看来，还得先弄清推迟引力理论的轮廓。

我是通过与Maxwell—Lienard—Wiechert电磁推迟理论的类比和猜测，提出了推迟引力公式，已有系列论文在国家预印本系统公开，并在若干学术会议（含海峡两岸研讨会及部分国际研讨会）上报告，引起关注。

经检验与比较，发现：

至少在太阳系内，该推迟引力公式可以解释牛顿万有引力能够解释的所有现象（行星椭圆轨道，地球潮汐现象等），避免了牛顿万有引力理论的所有缺陷（超距作用，写不成狭义相对论的形式，无法解释水星进动和光子偏折等），也可以解释Schwarzschild度规能够解释的所有现象（水星进动，光子偏折，引力红移等）。

8.总之，太阳的引力场是静态场，不存在引力传播问题（前面，我已清楚地说明：

对于地球上的观测者—重力仪，测量到的太阳引力场肯定是非稳态场，根据推迟引力理论和固体潮观测曲线与理论曲线的相位差即时间差，可以获得引力传播速度）。

汤文给出的实用牛顿固体潮公式只是一种坐标变换效应（已讲清楚，实用牛顿固体潮公式来自于推迟引力公式，其本质是：

引力从视位置发出，引力以光速传播。

推迟引力公式是唯一的一种包含了引力源与观测者的相对运动状态，包含了引力传播信息的实实在在的引力物理理论，不是数学上的坐标变换）。

从根本上说，理论物理界诸教授的不正确认识主要来自于对Schwarzschild度规和牛顿惯性系的过度相信（本人于1975-1976年间听方教授讲授广义相对论导论；

在美攻读物理学博士期间,曾于1986年正式修读H.Shaperd教授讲授的”GravitationandSpacetime”，前后迷信和困惑了几十年），同时颠倒了理论和观测的关系——观测或实验是检验理论的唯一标准，而不是理论决定观测是否正确。

Schwarzschild度规和牛顿引力公式对太阳引力场的描述只是某种近似，近似的结果是：

丢失了或掩盖了同引力传播因子有关的信息，只有推迟引力理论可以求解引力场的传播速度。

（由此以下，全部为本人的观点，无论是黑色，蓝色和红色字体）

二、关于推迟引力公式和与电磁场的统一公式

由Maxwell—Lienard—Wiechert推迟势得出的电磁场为

（3）

这里的

是源电荷相对于测试电荷（观测者）的位置矢量（正方向定义为由源电荷指向测试电荷）、速度和加速度矢量，

为磁场矢量。

我们猜想：

Maxwell—Lienard—Wiechert推迟势也可能适用于引力场，如是，推迟引力场公式应为

这里，

依次为引力常数和引力质量，

是引力源相对于观测者的位置矢量（正方向定义为由引力源电荷指向观测者）、速度和加速度矢量，

为引力磁矢量。

考虑到在牛顿引力公式和史瓦西度规中，都是将引力源（如太阳）作为原点，为方便比较，我们先将（3）式改写为

（4）

这里，速度

和加速度

由（3）式中的“引力源相对于观测者”变为“观测者相对于引力源”，所以，速度

的方向变反了，要加一个“—”号；

但是，位置矢量正方向仍定义为由引力源电荷指向观测者，没有变。

这样做，仅仅是类比和猜想，对与不对，完全取决于实验或观测的检验。

现在，为实现Einstein的最大理想——将电磁场与引力场用统一的理论表述，我们可将推迟电磁场公式和推迟引力场公式统一写成如下一般形式

（5）

对于电磁场，

依次为电场，磁场，库伦常数和电荷。

对于引力场，

依次为引力场，引力磁场，卡文迪许引力常数和引力源质量。

三、牛顿力学定律可能推广到任意参考系

在广义相对论中，有一个弱等效原理，讲引力质量与惯性质量相等。

许多人作了精巧的实验来测量，发现两者相差极小，为什么会严格相等？

牛顿无法解释，爱因斯坦在广义相对论中用马赫原理来解释，认为惯性力和引力都是来源于整个宇宙的吸引。

但是，马赫并不认为爱因斯坦广义相对论与他的原理相同。

与此相关的牛顿水桶实验至今无法解释。

我们试图对“惯性质量=引力质量”给出一种逻辑上顺畅的论述——普适相对论论述：

先给出推迟引力公式

（6）

依次为引力源至测试物体的相对位置矢量，相对速度及相对加速度，足标带‘*’的为推迟量，都是时间的函数。

其中，相对速度和相对加速度分别由

和

定义；

现在，我们将公式（6）中的

依次定义为引力源和测试物体的引力质量，是由各自内含物质的量决定，系引力源和测试物体的内禀特性，与相对运动无关。

（6）式已定义了引力质量和引力，我们设想，要改变测试物体在上述引力作用下作椭圆运动的状态，须另施加一作用力

，产生一加速度

（7）

（7）为一般作用力的定义，其形式与牛顿第二定律相同。

注意，牛顿三定律是在惯性系下定义的，但这里的参考系已不再是惯性系，而是一般参考系，或任意参考系。

自Eö

tvö

s用扭秤验证“惯性质量=引力质量”以来，许多的科学家用愈来愈精密的方法重复Eö

s的实验，都得到“惯性质量=引力质量”的结论。

现在，在我们的普适相对论理论体系内重新解释Eö

s实验，可得出一个重要的结论：

1.我们有将推迟引力公式（6）作为基本出发点定义了引力质量；

2.在普适相对论中，没有惯性系与非惯性系的区别，或根本没有惯性系的概念，自然也没有惯性力和惯性质量的概念；

3.在Eö

s等所有人的实验中，都是用牛顿第二定律来定义惯性质量的，牛顿第二定律的形式与我们的普适相对论体系中的公式（7）相同；

4.Eö

s等人的实验，从牛顿引力定律（给出引力质量的定义）和牛顿第二定律（给出惯性质量的定义）出发，通过实验证明了“惯性质量=引力质量”。

在我们的理论体系中，是从推迟引力公式（6）（与牛顿引力定律近似相等，给出引力质量的定义）和公式（7）（给出一般作用力的定义，（6）与（7）中的质量相同）出发，由Eö

s等人的实验证明了公式（7）仍然可用；

5.我们的普适相对论体系中的公式（7）与牛顿第二定律的形式相同，这就证明了：

由普适相对论体系中的公式（7）表述的物理规律符合实际，即形式如牛顿第二定律的公式（7）在一般参考系中成立，意味着牛顿第二定律可推广至任意参考系。

牛顿三定律的核心是第二定律，既然牛顿第二定律可推广至任意参考系，则牛顿三定律皆可推广至任意参考系。

2013.5.22修改