Oh no，谭暑生标准时空论正式挑战爱因斯坦狭义相对论 - 我思我在


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发表于 2009-5-18 09:41 资料短消息看全部作者

超光速运动、绝对参考系和标准时空论

有些公式不见了，将就着看看吧
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摘要：进入九十年代以来，世界上有多起超光速实验现象的报道。许多物理学家深感疑惑：这些惊人的实验结果若经证实，将会打破物理学的一个基本定律，即因果律。作者认为，若存在超光速信号，爱因斯坦的狭义相对论就必须修改。既然如此，由狭义相对论得到的超光速信号的存在必然违背因果律的推论就不复存在。本文介绍作者从中国古代元气论出发，用绝对参考系原理和回路平均光速不变原理，代替爱因斯坦的相对论原理和光速不变原理，逻辑地建立的新时空理论――标准时空论。标准时空论避免了狭义相对论体系中的逻辑循环，基本假设有了更坚实的实验基础。它数学演算准确，内在逻辑严谨，定量上得到了许多与狭义相对论相似或相同的结论，可以解释以前由狭义相对论解释的实验现象。但是，概念上它与狭义相对论有许多重大的差别。标准时空论也是一种超光速理论，它统一地描述了亚光速运动和超光速运动，而不存在其他超光速理论无法解脱的诸如虚质量、违背因果律、瞬时超距作用等困难。它是否对自然规律作出了更正确的描述?只有实验才能作出最后的回答。

关键词：超光速运动　绝对参考系标准时空论因果律

一、引言

生命是物质高度发展的产物。无法想象，在无限的宇宙中，不会有与地球环境相同或相似的行星存在；也无法想象，一个与地球环境相同或相似的行星不会象地球那样孕育出生命来。因此，绝大多数学者认为，地球人类绝不是孤独的，外星文明一定存在。

宇宙中各种外星文明之间，外星文明和地球文明之间能够进行交流吗?如果能够交流，考虑到星际空间以光年计的遥远的距离(如银河系直径达10万光年)，亚光速联系肯定是无济于事的。那么，超光速运动是否能存在?爱因斯坦光速极限性原理是否成立?所有这些，立即把我们带入了争论的焦点。

在讨论这些问题时，必须保持两点十分清醒的认识。第一，地球有四、五十亿年的历史，地球上的人类有四、五百万年的历史，而我们的科学技术，如果从近代科学技术的产生算起，至今也不过三、四百年。齐奥尔柯夫斯基说：“地球是人类的摇篮，但人类不能永远生活在摇篮里。”人类凭借现有的科学技术，已经有了冲出地球引力范围的能力，这无疑是值得自豪的成就。但是，如果把眼光放得更长远些，则可以断言：人类科学技术的发展，迄今只不过是度过了自己的“摇篮期”。离开了这个判断，以为已有的知识穷尽了真理，只要出现与已有的理论体系稍不相容的事实或理论，便斥之为非、斥之为伪，那是十足的幼稚和肤浅。第二，一个新观点，一种新理论，要成其为真理，反映自然的本来面目，不是单凭想象、任意杜撰能得出来的。需要的是严谨的实事求是的理论研究，并接受实验的检验。这两点是一个问题的两个方面，缺少那一方面都有片面性。

以严谨的科学态度来分析，超光速运动究竟是否允许存在?也就是说，是否可能突破爱因斯坦光速极限性原理的限制，实现与外星文明的超光速联系?这就是本文要叙述的主题。

二、以太论和元气论

爱因斯坦相对论的建立，是与对以太绝对参考系的否定联系在一起的。因此，我们首先简单地回顾一下以太论的发展历史。

以太是一个非常古老的概念。在古希腊的神话传说中，以太表示精灵之气，弥漫于整个宇宙。古希腊

(作者简介) 谭暑生，男，国防科学技术大学理学院教授，从事物理学基础理论和自然辨证法研究。

E-mail: tansst @ vip.sina.com

哲学家把以太概念引入了哲学。例如，亚里土多德的以太是指天或高空大气，与土、火、气、水并列为组成物质的第五种元素(3)。

法国笛卡儿1644年首先把以太引入科学，提出了“以太旋涡说”(4)，他认为物质是连续的，不存在虚空和任何超距作用；以太是连续的物质世界的唯一本原；以太处于不停的激烈运动之中，各部分相互作用形成许多不同大小、速度和密度的旋涡。以此来解释气态、液态、固态物质的生成和太阳系行星的运动。

与古希腊原子论自然观相对立，中国古代唯物主义自然观的基本理论是元气论，它萌芽于先秦，形成于两汉，至宋、明、清得到了高度的发展。汉代的王充，北宋的张载和明末清初的王夫之是元气论形成和发展过程中的3座丰碑。依照张载和王夫之的论述，成熟形态的元气论的主要观点可以概括如下(5)。第一，气是连续性的一般物质存在，充满了整个宇宙。没有任何物质的虚空是不存在的。第二，作为物质一般的气永恒存在，不会消灭，并且处在永恒的有规律的运动变化之中。第三，气运动变化的根本原因在于它内部的矛盾性，气是包含着阴阳两个对立面的统一体。第四，气凝聚而成有形有象的物体，气散则归于太虚。气是构成万物的本原。第五，气不仅构成一切有形有象的物体，还充满在这些物体之中。未聚之气不仅与物体发生相互转化和相互作用，而且是物体与物体之间相互作用的中介。气把天地万物联系成一个整体。总之，中国古代元气论是以连续的物质本原，气化流行生生不息，阴阳的对立统一和有机联系的整体观为其基本特征的。

笛卡儿以太论在西文是前无师承的，因为即使在持连续物质世界观点的古希腊哲学家那里，也不把以太看作是世界的唯一本原。但是比较可以发现，笛卡儿的以太论和张载的元气论极为类同，笛卡儿的以太旋涡说和张载的太虚旋涡说(见《正蒙.参两篇》)也如出一辙。把“元气”一词译成“以太”，即弥漫于整个宇宙的精灵之气。无论从词源和语义来说，都是十分贴切的。德国的莱布尼兹(1646-1716)就提出了元气即以太的见解(6)。有鉴于此。美国传教士丁韪良 (1827-1916)通过比较张载(1020-1077)的元气论和笛卡儿(1596-1650)的以太论，提出了笛卡儿以太论来自张载学说的推测 (7)。

笛卡儿以太论来自中国古代元气论的推测是很可能成立的。当然，还需要进一步的确切证据才能最终证实它。从思想关系来说，中国古代元气论无疑是近代科学中以太论的先驱。

自 17世纪以来，以太论在西文经历了几起几落的历史发展。17世纪的惠更斯和胡克，18世纪的杨和菲湟耳把光看成是振动在以太中的一种传播过程。19世纪，法拉第和麦克斯韦的电磁理论，洛伦兹的电子论都把以太看作是电磁场的载体。然而，西方人并没有真正地把元气论学到手，他们没有完全把握好元气论的精神实质。为了描述和解释光或电磁场在以太中的传播过程，上世纪的西方物理学家们设想了各种各样的以太机械模型，以太被当作为纯机械运动形态的介质。这样，中国古代元气论的一些重要观点，如元气是包含阴阳对立的统一体，这种内部矛盾是元气运动变化的根本原因的观点，气凝聚而成有形物体，气散则归于太虚的观点，气把天地万物联系成一个整体的观点，在以太论中或者根本没有涉及，或者没有得到充分的反映和体现。单纯地从机械运动的观点来理解以太，总是难于自圆其说。随着狭义相对论的创立，以太的机械理论衰亡了。

狭义相对论抛弃了绝对参考系，否定了作为绝对参考系的以太的存在。但是，爱因斯坦并不一般地否定以太的存在。他说：“可以假定有以太存在。只是必须不再认为它有确定的运动状态，也就是说，必须抽掉洛伦兹给它留下的那个最后的力学特征。”“狭义相对论不允许我们假定以太是由那些可以随时间追踪下去的粒子所组成的，但是以太假说本身同狭义相对论并不抵触。”(8)这完全符合元气论的思想。若非如此，设想以太－元气由粒子组成，粒子之间又有什么呢?哪一种回答(“一片虚空”或“充满元气”)都违背元气论的基本观点。按照元气论，元气是连续物质世界的唯一本原，因此，粒子不过是元气凝聚而成的。

狭义相对论并不否定以太的存在，但是也没有给以太留下地盘。狭义相对论不包含描述以太的物理量，因此在某种意义上恢复了真空是虚空的图象。1915年爱因斯坦建立了广义相对论，事情才有了变化。他说：“依照广义相对论，空间已被赋予物理性质；因此，在这种意义上；存在着一种以太。”(8)广义相对论的物理空间充当了以太的角色。“广义相对论的以太是这样一种媒质，它本身完全没有一切力学的和运动学的性质，但它却参与对力学(和电磁学)事件的决定。”“这种新以太在未来物理学的世界图象中注定要起的作用，我们现在还不清楚。我们知道，它确定空间一时间连续区中的度规关系，比如确定固体各种可能的排列和引力场；但是，我们不知道，它在构成物质的带电粒子的结构中究竟是不是一个重要的部分。”(8)尽管没有明确新以太与粒子的关系，但是，去掉以太纯机械运动特征的“新以太”，无疑更接近于元气的观念。

爱因斯坦的上述思想，在稍后兴起的统一场论的研究中得到了继承、补充和发展。统一场论的最终目标是以场的一元论达到物理学的统一。统一场，作为一切已知场的共同起源和共同基础，连续地充满整个空间。各种已知场不过是它的不同表现形态，而实物可以“看作是空间中场特别强的一些区域”(9)，即统一场的能量凝聚区。这就明确了统一场与实物粒子的关系。因此，统一场是早期新以太观念的发展。追本溯源，可以进一步断言：统一场就相当于元气的概念，元气论自然观是爱因斯坦统一场论的思想先驱。

三、狭义相对论基本假设的分析

如上节所述，以太－元气是存在的，爱因斯坦也并不否认它。进一步的问题是：绝对参考系是否存在呢?作为爱因斯坦狭义相对论的第一个基本假设的狭义相对性原理认为，所有惯性参考系是完全等价的，不存在一个优越的特殊的绝对参考系。但是，在现代宇宙学的成就面前，上述论断已经难以成立。狭义相对性原理和现代宇宙学是完全冲突的。

现代宇宙学认为(10)，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标系”，它是优越的空间坐标系，典型星系对于这个坐标系均匀和各向同性；可以测量地球相对这个坐标系的运动速度。1965年，美国彭齐斯和威尔逊发现了2.7K宇宙背景辐射。后来进一步的研究证实(11)，背景辐射严格地各向同性的情况只存在于一个惯性系中，在相对于这个惯性系运动的任何其它惯性系中显示出辐射温度的方向变化。可以认为，宇宙背景辐射是宇宙标准坐标系的最好的物质体现。测量从各个方向到达地球的背景辐射温度的微小偏离(其最大值指向狮子座星方向)，得到地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为400公里/秒。

世界上许多著名的物理学家评论了宇宙背景辐射发现的物理意义。伯格曼认为(12)，在宇宙尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为(13)，无论如何，观察到的2.7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过不是相对于以太，而是相对于光子气。斯塔普认为(14)，2.7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。哈肯也认为(15)，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对参考系。罗森甚至认为(16)，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为(17)，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间没有出现任何矛盾；在某种意义上，上述 400公里/秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对以太运动的速度，他认为，宇宙背景辐射的各向同性分布所决定的坐标系，可以看作是真空的静止坐标系；相对性原理的适用范围应有一定的限度。在1979年美国普林斯顿纪念爱因斯坦诞生一百周年大会的报告中，狄拉克也对此作了评述(18)。他说：“这样就有一个优惠的观察者，对他来说，微波辐射是对称的。可以说，这个优惠的观察者在某种绝对的意义上是静止的，也许他就对以太静止。这恰恰与爱因斯坦的观点相矛盾。”“在某种意义上说，洛伦兹是正确的而爱因斯坦是错误的，因为爱因斯坦说过的一切，就是根源于当时的物理学不可能显示出绝对零速度。”“为什么迈克尔逊和莫雷得到的结果为零，为什么他们观察不到地球在绝对意义上的运动，唯一的理由是他们的技术不行，今天的技术比一百年前达到的技术要高得多。”

狭义相对论的第二个基本假设是光速不变原理，即假定在任何惯性参考中，光在真空中任何方向的速度都是相等的。这个原理是否已经为实验所证实呢?

要测量两个分离点A和B之间的单程光速，就必须确定从点A发射的光脉冲传播到点B所通过的距离和所需要的时间间隔。这个时间间隔的测量必须使用两个分别置于A处和B处的同步(校准)的时钟。异地时钟的同步(校准)实质上就不同地点的同时性问题。

我们可以在时刻从点A发出一个信号，假设信号速度为u，到达B时，B处的时钟读数为，如果，可以认为两处的时钟已经校准。

这里出现了一个难题：为了测量单程速度，需要校准不同地点的时钟；而为了校准不同地点的时钟，又需要知道信号的单程速度。这就是异地时钟校准和单程速度测量之间的逻辑循环。在狭义相对论的体系中，这个逻辑循环是不可避免的。对于这点，爱因斯坦本人早先也是承认的(19)，尽管他后来(1946年)实际上否定了这个看法(20)。

爱因斯坦是如何解决这个问题的呢?爱因斯坦在1905年创立狭义相对论的论文(21)中说：“要是没有进一步的规定，就不可能把A处的事件同B处的事件在时间上进行比较。……只有当我们通过定义，把光从A到B所需要的‘时间’规定为等于它从B到A所需要的‘时间’，我们才能够定义A和B的‘公共时间’。设在‘A时间’ 从A发出一道光线射向B，它在‘B时间’ 又从B被反射向A，而在‘A时间’ 回到A处。如果，那末这两只钟按照定义是同步的。”这就是说，爱因斯坦是通过约定光速与方向无关即单程光速不变来定义不同地点的同时性，来校准异地时钟的。

由此可见，“单程光速不变”完全是一种逻辑约定，或者按照爱因斯坦的说法，它“仅是为了得出同时性定义我按照我自己的自由意志所能作出的一种规定。”(19)除非发现并利用超光速信号(超光速信号的存在是违背狭义相对论的)，仅用电磁学方法是无法测量单程光速的。因此，也就不可能检验爱因斯坦的(单程)光速不变原理。

要注意的是，要测量从点0发出的通过一段回路距离再回到0点的回路平均光速，是不难通过测量距离和只用一个置于0点处的时钟测量时间来完成的。这里不涉及异地时钟校准和不同地点的同时性问题。事实上，关于光速不变原理的检验实验的分析表明(22)，各种实验都只证明了回路平均光速不变，并没有证明单程光速的不变性。因此，通常所谓的“光速不变原理已经为实验所证实”的说法是不确切的。

总之，本节的分析表明，相对性原理和光速不变原理都是允许重新考虑的。代之以别的有根有据、言之成理的假设，就可能建立新的时空论。

四、标准时空论的基本假设和主要结论

无论如何，既然许多著名物理学家提出了重新恢复以太假设，考虑存在绝对参考系的建议，考察一下绝对参考系假设可以逻辑地导出什么结果，无疑是一项十分有意义的工作。但是，单纯地从这个假设导出的结果是十分有限的。考虑到回路光速不变假设有着坚实的实验基础，它无非是大量实验事实的总结，因此，可以从下面两个基本假设出发，导出时空坐标变换式，从而建立一种新的时空理论。

第一个假设，标准惯性系原理

存在一个空间显示各向同性的特殊的惯性参考系，即绝对参考系或称标准惯性系；相对绝对参考系运动的物体的长度收缩(如果存在的话)只发生在物体运动的方向上，具有绝对的意义。对绝对参考系作匀速直线运动的参考系都是惯性参考系。

第二个假设，回路平均光速不变原理

在任何惯性参考系中，沿真空中任一闭合路径传播的光信号的回路平均光速都等于常数c，与光源的运动和空间的方位无关。

此外，新时空理论如同狭义相对论一样，必须满足因果律、时空均匀性假设和对应原理三项要求。

第一个假设就是绝对参考系假设。既然承认存在绝对参考系，长度收缩自然应该理解为运动物体与构成绝对参考系的物质(我们理解为弥散态的元气场)相互作用的结果，因而是一种动力学效应，具有绝对的意义。注意到物体作为实物粒子和场的一种结构，粒子本身的尺寸较之粒子之间的距离要小得多。按照现代物理学的实验结果，原子、原子核和电子的线度之数量级，分别为1埃，1费米和小于10-18米，将它们放大1013倍，则原子核好比一个直经为1厘米的玻璃球，电子犹如 10微米的小灰尘，它们绕核旋转的直经约1公里。因此，容易理解，运动物体的长度收缩只发生在运动物体运动的方向上。这就是说，第一个假设的整体叙述是逻辑一致的。关于第二个假设，显然，单程光速不变，则一定导出回路平均光速不变，但是，回路平均光速不变，并不能导出单程光速不变的结论。上节已述，唯有回路平均光速不变假设有着坚实的实验基础。因此，采用回路光速不变假设(而不是单程光速不变假设)是更为合理的。此外，综合考虑两个假设，首先，按绝对参考系观点，回路光速不变的物理机制是容易理解的；其次，在绝对参考系中，空间显示各向同性，故光速必然各向同性，均为常数c，正如泡利所说，这一点是“旧以太论的真正本质”。

我遵照爱因斯坦的方法论，从意义明确，为数尽量少的两个基本假设出发，不再随意地添加其它假设，最大限度地运用数学工具和逻辑推理，把基本假设所包含的物理内容尽可能地发掘出来，阐述清楚。数学演算和逻辑推理的理论结果都能得到自然、自洽的定性理解。最后将理论的结果与实验事实相对照，并提出几种实验预言。所有这些，就构成了一种系统而严谨的时空理论，我称之为标准时空论。

标准时空论创立于1983年。有关的论文发表在几种杂志上(23-26)，并出版了专著(27)。这里，简单地介绍一下主要的理论结果。

首先，由绝对参考系原理和回路平均光速不变原理导出了一般惯性系和标准惯性系的时空坐标和之间的变换式，即推广的伽利略变换：

，

， (1)

，

式中表示系相对系的运动速度，沿两系共同的x轴的正方向。下面均以带撇或加下标a的字母分别表示系或系的量。

由推广的伽利略变换出发，可求得速度变换式和光速变换式。当速度沿x轴方向，有

. (2)

又任意方向的光速

. (3)

式中表示光传播方向的单位矢量。这说明，在绝对参考系中光速各向同性。但是，在一般惯性系中光速并不各向同性，其单程光速与参考系的绝对运动速度v和空间的方位n有关，其具体表示式(3)是由绝对参考系原理和回路平均光速不变原理逻辑地导出的结果。

由式(1)得到同时性的绝对性：

. (4)

因此，在标准时空论中允许超光速运动存在而不违背因果律，并且可以统一地求得在任一惯性系中以速度u运动的亚光速物体或超光速物质的长度收缩和时间延缓的表示式

(5)

(6)

式中。和u表示亚光速物体或超光速物质相对于标准惯性系和一般惯性系的运动速度，对于亚光速物体，和表示原长和原时间隔，即物体相对于该惯性系静止时的长度和时间间隔；对于超光速物质，和表示长度和原时间隔，即它以速度运动时的长度和时间间隔。还可以求得事件之间间隔的一般表示式。

关于动力学问题，首先从空间均匀性出发，应用速度变换式，求得以速度u运动的物体或物质系统的质量增加效应的表示式

(7)

式中和u的意义同前，表示静止质量或质量。

由式(5)、(6)、(7)看到，亚光速物体随着运动速度的增大而长度收缩，时间延缓，质量增加；但超光速物质随着运动速度的增大，实际上将长度伸长，时间缩短，质量减少。

进一步求得了标准时空论的动力学方程如下：

(8)

并求得质能关系式

(9)

. (10)

由上所述，我们看到，标准时时空论统一地处理了亚光速物体和超光速物质的运动学和动力学问题。对于亚光速运动，标准时空论公式无非是用积分因子代替了狭义相对论公式中的数字1。当，关于亚光速运动的标准时空论公式简化为狭义相对论公式。

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五、标准时空论主要关系式的物理意义

较之狭义相对论，标准时空论数学演算所导出的主要关系式，都可以获得自然和明晰的物理理解。

根据合乎逻辑的推理和较为详细的讨论，关于长度收缩效应和时间延缓效应的实质性理解，可以概括如下：

(1) 任何刚杆和量尺相对标准惯性系作亚光速运动(速度为 )时，沿运动方向发生真实的长度收缩，缩短为原长的倍。任何物质体系相对标准惯性系作超光速运动(速度为 )时，沿运动方向随速度增大发生真实的长度伸长，伸长为“ 长度”的倍。

(2) 对于任一亚光速，光速或超光速物体或物质体系，沿其相对于标准惯性系的运动方向测量长度，标准惯性系测量的长度最短，一般惯性系测量的长度要伸长为标准惯性系测量结果的倍。

(3) 如果同时考虑运动物质和参考系的量尺(量尺只能随参考系作亚光速运动)的真实长度变化，就可以预言在任一惯性系中对于处于任何运动状态的物质的空间长度的测量结果。按这种理解，可以直接解释关于各种长度收缩实例所作出的论断和得到的长度收缩的一般表示式。

(4) 任何物体和时钟相对标准惯性系作亚光速运动(速度为 )时，其物质运动过程和时钟的速率要真实地延缓为相对标准惯性系静止时的倍。任何物质体系相对标准惯性系作超光速运动(速度为 )时，其物质运动过程要随速度的增大真实地缩短为“ 时间间隔”的倍。

(5) 对于任一亚光速、光速或超光速物质运动过程，标准惯性系测量的时间间隔最长，一般惯性系测量时间间隔比系测量的时间间隔要缩短为倍。

(6) 如果同时考虑物质运动过程和参考系的时钟(时钟只能随参考系一同作亚光速运动)的真实的时间延缓或时间缩短效应，就可以预言任一惯性系对于处于任何亚光速、光速或超光速运动状态的物质运动过程的时间间隔的测量结果。

与“长度收缩效应”和“时间延缓效应”的论述类似，可以从公式(7)由类似的讨论得到关于“质量增加效应”的实质性理解：

(1) 任何物体和作为参考系质量标准的砝码作亚光速运动(速度为 )时，其质量要随速度的增大真实地增加为静止质量的倍。任何物质体系作超光速运动(速度为 )时，其质量要随速度的增大真实地减少为“ 质量”的倍。

(2) 如果同时考虑运动物质和参考系的砝码运动时真实的质量变化(注意砝码只能随参考系作亚光速运动)，就可以预言任一惯性系对于处于任何亚光速、光速或超光速运动状态的物质质量的测量结果。

因此，任一惯性系对于运动物质的空间长度、物质运动过程的时间间隔和运动物质的质量的测量结果具有两重性质：一方面具有绝对的性质，它反映了测量对象由于相对标准惯性系运动所发生的真实的长度变化、时间变化和质量变化，另一方面具有相对的性质，即测量结果也与进行测量的参考系有关，它反映了测量工具即参考系的量尺、时钟和砝码随参考系一同相对标准惯性系运动所发生的长度收缩时间延缓和质量增加。

标准时空论结果表明：运动既是相对的，也是绝对的。运动物质(包括量度工具即量尺、时钟和砝码)相对标准惯性系运动所产生的长度收缩、时间延缓和质量增加(或长度伸长、时间缩短和质量减小)，并不是表面的外部关系的产物(因而在标准时空论中不存在双生子佯谬)，而是一种真实的变化，具有绝对的意义，应当把它们归因于运动物质体系与作为绝对参考系的背景空间物质相互作用的结果。运动物质在任一参考系中的长度、时间和质量的量度结果决定于三个要素：运动物质本身的时空特性和这种时空特性在不同运动状态下的变化；参考系的量度工具的时空特性和这种时空特性在不同运动状态下的变化；量度对象(即运动物质体系)和量度工具的相互关系即它们的相对运动状态。这个论述的正确性极其鲜明地表现在标准时空论的长度收缩(或伸长)、时间延缓(或缩短)、质量增大(或减小)效应的公式之中。因此，标准时空论反映了物质和运动，空间和时间的客观性，相对性和绝对性，以另一种具体的理论形式揭示了空间和时间的紧密联系，以及空间时间与物质运动的相互依赖关系。

标准时空论得到了与狭义相对论相近或相同的公式。但是，两种理论的时空观念是很不相同的。

按标准时空论，狭义相对性原理严格说来是不成立的，或者说，它的适用范围有一定的限度。只有当惯性系的绝对运动速度v和物质的运动速度u满足

，

狭义相对性原理才近似成立。

与狭义相对论相反，标准时空论认为：存在特殊的优越的惯性参考系，这就是绝对参考系或标准惯性系；存在绝对运动，这就是相对绝对参考系的运动。唯独在绝对参考系或标准惯性系中自然定律各向同性，由其他一般惯性系中自然定律观察上的各向异性，可以判定该一般惯性系的绝对运动速度的大小和方向。

关于时间观念和超光速运动问题，标准时空论有着与狭义相对论绝然不同的理解，这留在下节讨论。

按照标准时空论的观点和理论结果，重新考察了验证狭义相对论的一系列实验，在实验精度的范围内，没有发现一个实验结果与标准时空论相抵触。提出了几类新的实验预言，诸如高速高频的横向多普勒频移实验，高速反向运动粒子的质量和动量的实验等，完成这些高精度的实验，可以在狭义相对论和标准时空论之间作出选择。不断地在倡导“创造思维和创造能力”，“创新意识和创新精神”，特别在倡导“原创性”，中国的政治家和科学家难道一点也不想关注和支持标准时空论及其实验验证么?我在平静地生活着，努力着和创造着，等待着社会的反应，同时，清楚地知道，宇宙背景辐射的各向异性表明相对性原理的破坏，超光速运动的可能存在和贝尔不等式的违背表明爱因斯坦域性原理的否定(见下节)，这都是与狭义相对论理论相悖的。恰恰相反，标准时空论正是建立在这些实验事实的基础上，与这些实验事实相容。

六、超光速运动问题

在时间观念上，作为现代物理学两大支柱的相对论和量子力学一直存在着抵触。量子力学在绝对意义上使用时间的概念，同时性也具有绝对的意义，而相对论认为这是不允许的。正如狄拉克(28) 所说：“这里我们就碰到了巨大困难的开头。……这个抵触是最近四十年来物理学的主要问题。”

在狭义相对论中，由单程光速不变（或洛仑兹变换）得到同时性的相对性和事件时间顺序的相对性概念。在标准时空论中，由推广的伽里略变换，得到两个事件时间间隔的变换式（4）。因此，若对某一惯性Sj 有 (或，或 )，则对任一惯性系都有 (或，或 )。这就导出了同时性的绝对性和时间顺序的绝对性。因此，我们看到，标准时空论的时间观定性上接近量子力学的时间观念。但是，另一方面，既然式(4)成立，时间间隔的数值量度就不是绝对的，与惯性系的选取有关，即标准时空论时间观定量上接近相对论的时间延缓观念。

标准时空论的时间绝对有序允许超光速运动和超光速作用存在而不违背因果律。标准时空论统一地处理了亚光速粒子和超光速物质的运动学和动力学问题，即统一、对称地建立了关于亚光速运动和超光速运动的标准时空论力学，这是一个重要的结果。

实验和理论研究的进展的确在提供与爱因斯坦的光速极限论和定域性原理相悖的证据，它们表明，超光速运动很可能是存在的。

射电天文学发现，半径大于一光年的河外射电源(包括类星体和射电星系)如3C273等，能够在几个月之内发生整体的明亮变化。如果光速是不可超越的，发生这种亮度变化所需的时间就要在一年以上。十分迅速的整体亮度变化很可能意味着射电源上存在着超光速相互作用。

关于超光速运动，特别值得提到近十多年来量子力学基础研究中关于贝尔不等式的实验检验。关于这个问题，可以参看德.埃斯帕纳(29)，董光壁(30)和罗嘉昌(31)的极好的评述性文章。拙作(27)对此也作过基本的介绍和分析。贝尔不等式是贝尔于1964年提出来的(32)。于1982年为止完成的十二个实验，除两个之外，十个实验(其中包括前两个实验的改进型)的结果都不落在满足贝尔不等式的广大区域，而偏偏落在量子力学预言的曲线上。目前，物理学家已经相当普遍地把违背贝尔不等式作为一个实验事实接受下来，而且许多物理学家认为：贝尔不等式的实验检验，事实上就是对爱因斯坦定域性原理的检验；应当通过放弃这个原理来解释违背贝尔不等式的实验结果。玻姆认为(33)，客观世界存在着由光信号确定其联系的领域之外的新领域，在这个领域中，非定域联系是一种更基本的真实的联系。斯塔普认为(14)：“贝尔定理明显地要求某些事件依赖于处在它们的后光锥之外的事件。……这种出现在单个事件水平上的超光速联系，又在统计水平上消失。”维日尔(34)拒绝定域性，在他的理论方案中假设非瞬时的但又是超光速的相互作用存在。卢鹤绂(35)认为：“量子论本质上是个非局域性理论，牵涉到类空联系或关联, 即牵涉到比光速还快的信号传播。”果真如此的话，检验贝尔不等式的所谓远距关联实验不会是二十世纪末物理学晴空中的一朵乌云吗?

暴胀宇宙学的基本点即假真空的暴胀也是一种超光速过程。众所周知，目前科学界公认的标准宇宙模型是本世纪四十年代末斯伽莫夫等人提出的大爆炸宇宙学。这个理论得到了河外星系谱线红移、氦元素丰度和微波宇宙背景辐射等重要观察事实的支持，但是，却产生了诸如奇性问题、视界问题、空间平直性问题、重子数不对称问题等难以解释或无法解释的疑难。为克服这些严重的困难，1980年美国古斯(36)提出了暴胀宇宙学，后来经过多人的发展和完善，在解决热爆炸宇宙标准模型所遗传下来的问题方面取得举世瞩目的成就，成了一个引起广泛关注和兴趣、具有广阔发展前途的宇宙演化论。暴胀宇宙学认为，宇宙在真空相变之前，总要变成假真空态，在那里没有任何实物粒子，而能量密度大得惊人，达1095尔格/立方厘米。由于引力的排斥效应，假真空态宇宙发生按指数规律的剧烈膨胀。暴胀阶段从宇宙时约10－34秒开始，持续了10－32秒或更长一段时间，宇宙直径增加了1050倍或更多。古斯说，宇宙如此均匀，因为宇宙曾经以比光速快100倍的速度均匀膨胀过。

标准时空论无疑为超光速运动的描述和研究准备了时空框架。

当然，自1960年以来，苏达香(E.C.G.Sudarsh)等人就提出过超光速理论，但是，那些超光速理论均存在若干严重的理论上的困难(37)。第一，出现虚质量，虚质量无法直接测量，而且不具有真正的物理意义。第二，超光速运动导致因果律的违背，人为地引入牵强附会的“再解释原理”也无法真正消除这个困难，结果，不得不认为：“如果假定超光子存在于自然界，就必须使物理学从因果律的桎梏下解放出来。”第三，按照其它超光速理论，任一超光速运动的物质对于适当选取的某一惯性参考系将具有无穷大的速度，在这一惯性参考系中，超光速物质通过空间任意分开的两点将不需要时间。这种瞬时超距作用总是难于理解和难于接受的。

标准时空论不出现虚质量，不违背因果律。此外，标准时空论尽管允许超光速运动存在，并且不设置一个物质运动速度的上限，但是，按照它的速度变换式(2)，一个惯性系中有限的速度(即便是超光速的)，在任何惯性系中都是有限的。这样，它可以避开真正的无限大速度，不至于陷入瞬时超距作用的泥潭。因此，标准时空论不存在其它超光速理论无法解脱的诸如虚质量、因果律、瞬时超距作用等困难，给出了关于亚光速运动和超光速运动的统一描述。就此而论，标准时空论是一种可取的超光速理论。

七、亚光速世界和超光速世界

按照标准时空论，亚光速粒子、光子和超光速物质不可能通过惯性系的选择而发生相互转变；亚光速粒子和超光速物质之间存在着“光障”，即两类物质之间直接的动力学转换需要无限大的能量，因而也是不可能的。但是，通过它们各自与光子的相互作用和相互转换，亚光速粒子和超光速物质可以光子为中间媒介物而间接地相互转换。这样，物质世界可分亚光速世界和超光速世界。

拙作(5,38)认真地考察了古今中外人类自然观的发展史，将元气论自然观和原子论自然观相结合，阐述了现代科学的一种新自然图象：

世界是连续的物质世界，元气(如前所述，相当于统一场)是连续物质世界的本原，它以两种不同的形态存在，即弥散态和聚集态。弥散态是元气散而未聚、未成形质、无形无象、能量密度低的本然状态，聚集态则是元气聚而成形、有形有象、能量密度高的能量激发态或能量凝聚区。

真空主要包含弥散态物质，它是一切物质过程发生的背景和本底。一切物质过程并非发生在这个背景和本底之外，而是发生在这个背景和本底之内、之中。一无所有的虚空是不存在的。作为背景空间的真空，最好称为真空背景场，或简称背景场。真空背景场决非均匀单一的组织，它不是固定和静止不变的。在超微观的层次上，背景场也有多种多样的形态、结构，并且急剧涨落，千变万化，具有丰富多彩的内涵，其复杂程度决不亚于微观粒子及其复合体。另一弥散态是与粒子缔合的场(缔合场)，在一般情况下，它与粒子同在，并且同时产生和消失，可视为粒子外延的一部分。

粒子(即微观粒子)是主要的聚集态物质，它是自旋着的元气的自组织现象。当然，整体上作为聚集态的粒子本身也并非均匀单一的组织，它也是可分的，它是更小尺度上弥散态和聚集态的统一体。超密态(如黑洞、假真空态、宇宙弦等)是另一类聚集态物质，其特点是物质密度极大，巨大的引力作用破坏了原子和原子核的结构，使其丧失了物质结构的所有信息 (如内部结构、轻子数、重子数等)，只剩下有限的几个可观测量(如质量、电荷、角动量)。超密态存在于宇宙空间，是恒星或宇宙演化处于某一阶段的产物。

由于排斥和吸引的两极对立，弥散态和聚集态激烈地相互作用和相互转化。例如，真空背景场急剧涨落，形成虚粒子，虚粒子吸引一定的能量便转化为实粒子；正反粒子湮灭又转化为真空弥散态；粒子的自旋运动和整体运动，与周围缔合场、背景场的运动密切关联，相互影响和相互作用。弥散态物质是弥散态海洋中的粒子相互作用和相互联系的中介。弥散态把整个世界的万物联系成一个整体。

这一新自然图象，我称之为双世界元气论自然观，它是现代科学前沿发展所揭示的新自然观的明确、清晰和系统的表述。

通过标准时空论的研究，我们进一步认识到：散而未聚、无形无象的弥散态和聚而成形、有形有象的聚集态分别构成了超光速世界和亚光速世界。弥散态的元气总是处于超光速运动之中：弥散态背景场、缔合场是连续性的超光速物质；而粒子不过是元气超光速的旋转运动形成的凝聚的团粒结构，其整体运动速度小于光速，即光速仍然是粒子及其组成的宏观物体、天体的整体运动的极限速度。因此可以这样说：并不存在超光速粒子，即不存在整体以超光速运动的粒子态结构，但亚光速粒子也是一种超光速旋转运动状态下的物质存在。这也是标准时空论不同于其它超光速理论的一个根本观念。

请注意现代物理学中的几个事实：(1) 波函数ψ的物理解释，是本世纪关于量子力学的论争的焦点。但是，我们知道，波函数的相速度始终是超光速的。(2) 按电子自旋的“经典”图象得到，电子自旋的线速度是超光速的，因相对论光速极限性限制而放弃了这种解释，但至今并没有找到一种合理的解释。(3) 暴胀宇宙学论证了实物粒子是无形无象的假真空物质在超光速的暴胀过程中的生成物。这种超光速膨胀的物质相互作用，必然导致旋转运动，由于“光障”的存在，形成了超光速旋转运动的凝聚的团粒结构，即亚光速粒子。所有这些，不都与本节叙述的亚光速世界和超光速世界的理论观念相容么?

八、结语：星际社会—物质

运动形式发展的崭新阶段

本文的叙述表明，爱因斯坦的光速极限性原理并非金科玉律，以严格的科学态度来分析，超光速联系和超光速运动也是允许存在的。利用超光速的弥散态背景场，可以建立宇宙中各种文明之间的超光速通讯联系。诚然，桉标准时空论，粒子和物体的整体运动速度只能是亚光速的，但是，弥散态(背景场、缔合场)和聚集态(粒子态、超密态)可以相互作用和相互转化。特别是人的意识活动作为最高级的物质运动形式参与其间。例如，据我的理解(39)，所谓人体的内气外气，就是指源于人体生命运动而在体内外运行不息，并包含有生命信息的弥散态背景场物质。因此，可以设想，在星际空间作弥散态的超光速飞行，而在其始点和终点，借助于某种未来的技术，分别实施粒子态—弥散态和弥散态—粒子态之间的互逆的信息守恒的转换，这样，整体效果上的超光速飞行也可能得以实现。

研究和掌握超光速运动的科学和技术，是意义无与伦比的事业。按照对地球已有文明的考察，通常把物质运动依照从低级到高级的次序分为机械运动(位移运动)、物理运动、化学运动、生命运动和社会运动等五种基本运动形式。但是，如果人类掌握了超光速运动的科学和技术，地球已有的文明将会产生巨大的质的飞跃。一种新型的更高级的物质运动形式—星际社会运动就会现出在人类文明之中。我在《循环演化律》(40)中描述了这种前景：“在高度合理、美好的社会中，人类思维运动高度发展，人类深刻地认识了物质运动的规律性(如真空场物质的运动规律，真空场与实物的转化规律，以及人体和人脑自身的运动规律)，结果驾驭物质和能量的能力大为提高，可以移居异星球，自由来往于星际空间，并与地外智慧生命建立了友好联系和合作关系，共同组成了星际社会。此时，一种新型的更高级的可称之为星际社会运动的基本运动形式就产生了。”这里说的真空场物质，就是指超光速运动的弥散态真空背景场。

研究和掌握超光速运动的科学和技术，人类才能真正摆脱自己的孤独和愚昧，与各外星文明联系起来，进入星际社会运动的绝对崭新的时代！这就是我们探索新时空理论的伟大而深远的目标、任务和意义之所在。

(参　考　文　献)

(1) 谭暑生：以太论的历史发展，《自然辨证法研究》，3(1987)7

(2) 北京大学哲学系编译：《古希腊罗马哲学》，商务印书馆(1961)17,68

(3) 转引自黑格尔：《哲学史讲演录》，第2卷，商务印书馆(1960)330

(4) 卡约里：《物理学史》，内蒙古人民出版社(1981)61

(5) 谭暑生：老子的“有生于无”和现代科学的自然图象，《自然辨证法研究》，1(1990)10

(6) 莱布尼兹：致德雷先生的信：论中国哲学，《中国哲学史研究》，4(1981)89

(7) 丁韪良：笛卡儿的“以太”、“旋涡”说与张载的“太虚即气”说，《陕西师大学报》，4(1982)93

(8) 许良英，范岱年编译：《爱因斯坦文集》，第1卷，商务印书馆(1976)120

(9) 爱因斯坦，英费尔德：《物理学的进化》，上海科学技术出版社(1962)86

(10) 温伯格：《引力论和宇宙论》，科学出版社(1980),第14章

(11) R.A.Muller,Scient. Amer, 238(1978)64

(12) P.G.Bergman, Found. Phys, 1(1970)17

(13) V.F. Weiskopf, Science, 203, 4377(1979)240

(14) H. P. Stapp, Found. Phvs., 9(1979)1

(15) 哈肯：二十世纪八十年代的物理思想，《自然杂志》，7(1984)581

(16) N. Rosen, Phys. Rev, D3 (1971)2317

(17) 胡宁：爱因斯坦的物理思想和研究方法，《自然辨证法通讯》3(1979)26

(18) 狄拉克：我们为什么信仰爱因斯坦理论，《自然科学哲学问题丛刊》，3(1983)

(19) 爱因斯坦：《狭义和广义相对论浅说》，上海科学技术出版社(1964)19

(20) 同(8), 第1卷，第25页。

(21) 同(8), 第2卷，第83页。

(22)　张元仲：《狭义相对论实验基础》，科学出版社(1979),第2章

(23) 谭暑生：标准时空论，《国防科技大学学报》，1(1984)151-202

(24) 谭暑生：关于时空性质的新假设和推广的伽利略变换，《大自然探索》，3(1985)51；标准时空论力学，《大自然探索》，4(1985)46；在四维形式下和一般坐标系中表述的标准时空论，《大自然探索》，1(1986)55；标准时空论的实验检验和一般评述，《大自然探索》，2(1986)57

(25) 谭暑生：绝对参考系和标准时空论，《自然杂志》，11(1990)721

(26) 谭暑生：狭义相对论的新探讨，《科学前沿与疑难集》，湖南科学技术出版社(1986)

(27) 董光壁、谭暑生等；《物理时空新探》，湖南教育出版社(1992)。(可汇10元向本文作者邮购，款到寄书)

(28) 狄拉克：相对论和量子力学，《现代物理学参考资料》第3集，科学出版社(1978)

(29) B.d Espagnat, Scient. Amer., 241(1979)5

(30) 董光壁、田昆玉；《EPR关联之谜》，陕西科学技术出版社(1988)

(31) 罗嘉昌：爱因斯坦定域性破坏的哲学意义，《自然辨证法通讯》，3(1981)37

(32) J.S.Bell, Physics, 1(1964)195; J.S.Bell, Rev. Mod. Phys., 38(1966)447

(33) D. Bohm, Process Studies,8(1978)89

(34) J. P. Vigier, Lett. Nuovo. Cim., 29(1980)467

(35) 卢鹤绂：《哥本哈根学派量子论考释》，复旦大学出版社(1984)，附录1

(36) A.Guth等：爆胀宇宙，《科学》，9(1984)50

(37) 龟渊迪：奇异的超光子，《现代物理学参考资料》第1集，科学出版社(1976)38

(38) 谭暑生：元气论和现代物理学，《求索》，1(1991)74

(39) 谭暑生：论物质、意识、意识活动及其相互作用，《自然辨证法研究》，1(1993)

(40) 谭暑生：循环演化律，《自然辨证法研究》，2(1991)9

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