10广义相对论红移危机的解决

10.广义相对论红移危机的解决牛顿万有引力公式和牛顿第二定律是经引力理论的两条基本定律。由这两条定律得到:当一个物体(例如行星)在另一个物体(例如太阳)的引力场中运动时,引力场引起的能量变化和引起的角动量变化分别是(1-1)，(1-2)，由这两条公式可以进一步推出行星绕太阳运动轨迹—椭圆运动。19世纪末就已经观察到行星的近日点缓慢移动(或它的椭圆轴在缓慢转动)。这是经典引力理论所不能解释的,这一理论面临极大困难。广义相对论认为:一个物体使自已周围space-time弯曲,另一物体在弯曲space-time中沿短程线运动,这就是引力的本质。由广义相对论引力场方程和短程线方程,在线性近似下得到另一组方程(1-3)，(1-4)，这组方程成功解释了行星近日点的移动。光子经过太阳附近时受到太阳的吸引而改变方向,由(1-3)—(1-4)式求出的光偏折角是牛顿理论预期值的一倍。实际观察结果是与广义相对论一致,Einstein取得巨大胜利。随后人们观察到从太阳发出的光线到达地球时其频率由变为，(1-5)，广义相对论用引力势场中不同点时间间隔不同解释了这个实验结果。所以人们认为上述三个经典相对论引力实验支持广义相对论,并且进一步得到space-time是弯曲的结论。然而根据Einstein的光子能量与频率的关系式,(1-5)式实际上是(1-6)，这个式子是光红移实验结果的另一种表示形式。它恰好是情况下的(1-1)式,而不是广义相对论所预期的(1-3)式。或者说光红移实验明确告诉人们,物体在太阳引力场中运动时只有牛顿引力作功。长期以来人们对此迷惑不解。史坦福大学引力研究小组正式承认广义相对论只得到两个半实验的支持。半个不支持广义相对论的实验就是指(1-6)式与(1-3)式矛盾。半个不支持广义相对论的实验意味着什么呢?光偏折实验和光红移实验都是观察同一物理过程—光子从太阳到地球的运动。因此不可能在两种观察中,光子具有两种不同的能量变化。(1-6)式是实验结果，因此它是正确的。由于不可能有另一种能量变化也是正确的，所以应排除(1-3)式是正确的可能性。由行星近日点的移动和光偏角得出联立方程(1-1)—(1-2)是错的,只有这三种可能:(a)式错了;(b)式错了;(c)和两式都错了。光红移实验告诉人们:式没有错,那么三种可能中只剩下一种可能,式错了。广义相对论导出的(1-3)、(1-4)两个式子恰好相反,把不应该改动的(1-1)式改了,而应该改动的(1-2)式却没改。由于(1-3)—(1-4)式都错,而两个错误产生的效果碰巧互相抵消,导出一个与实验一致的行星近日点的移动和光偏角结果,这点正是使人迷惑之处。无论如何,广义相对论解释行星近日点移动和光偏折的一个前提(1-3)式已被另一个实验(光红移)否定了,这种解释就不是本质的。这样本质上广义相对论将只得到这三个实验中半个实验的支持。科学家把红移实验暴露出来的困难称为广义相对论的红移危机。庞德（Ｒ．V.．Pound）与瑞布卡（G．A．Rebka）哈佛塔的著名实验证明了引力场可以使光子产生蓝移。从而间接地证明了Einstein广义相对论的引力红移的存在。这个实验运用光子在地面重力场中的能量守恒关系得出方程)1(20cgh．其中0是光子在塔顶的频率，是光子经过重力场后到达塔底的频率，h为塔高，g为重力加速度。从上式可以看出光子频率的变化与它在引力场中运动的距离有关。在这个实验中，假设我们在塔顶与地面之间设定几个不同的测量点，根据上式，光子在这些不同的点上应当有不同的频率。我们做一个思想实验，我们把测量间距变到一个波长的大小，那么，根据上式，光子每越过一个波长就应当有一个不同的频率，根据普朗克谐振子理论这个光子就应当有一个不同的能量。从哈佛塔实验还可以看到，光子只有从引力势小的空间向引力势大的空间运动才可能发生红移。从力学角度看，引力场自身不存在做负功的能力，换句话说，光子的红移不可能是引力场作用的结果。那么作为广义相对论的一个理论结果－引力红移又是怎样来的呢？笔者认为广义相对论是研究引力质量的，而光子只具有电磁质量，不存在广义相对论的红移危机。这是时空平权理论的体现，因为引力势小的地方时空弯曲程度大。角动量反映在基本粒子的自旋方面，同物理学的三个方面的内容有关。第一个是经典的转动概念，即作旋转运动的物体总是具有角动量；第二个是角动量量子化。在微观领域，基本粒子的角动量是量子化的，这里要特别指出的是基本粒子的自旋角动量纯粹是粒子的内禀属性，它与粒子的运动状态毫无关系。假如用经典的转动概念来解释微观粒子的自旋，很容易得出如电子表面的切向速度远大于光速这样违背相对论理论的结论；第三个是狭义相对论。1927年狄拉克写下了著名的狄拉克方程，方程表明，自旋乃是带电粒子的相对论性理论的一个自然特性。笔者认为基本粒子的角动量与其电磁质量有关。量子信息学告诉人们：量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。1993年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案,即位将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。因为制造量子计算机需要量子态的隐形传输，因此，实现原子间量子态隐形传输是奠定研制量子计算机的基础之一。2004年6月，美国和奥地利的物理学家在没有任何物理连接的情况下，实现了原子间的量子态隐形传输。与此同时，我国潘建伟教授等科学家已实现了五粒子纠缠态以及终端开放的量子态隐形传输，他们的实验方法在量子计算和网络化的量子通信中也有重要的应用。笔者认为在此过程中传输的只是电磁质量，而引力质量没有变化。电子不是实在性的自然态，仅仅是一种最为基本的体现能能转化的过程性、结构性状态。是自然能态在其量转变，或说转化过程中的普遍构型、或和基本构型的抽象模式。更深入地讲，电子是一种自然能能量间的关联关系式；能量间相互转化过程中的全部关联性的总和反映形式。也即当今科学常言的电子形式。