新牛顿宇宙 第一章 宇宙学基础
1.6 时空结构问题
主张‘标准宇宙学模型’的学者认为，相对论的时空观和牛顿宇宙的时空观是完全不同的两个观点。因此相对论的力学方程和牛顿的力学方程不能混为一谈。其实，广义相对论认为引力场的作用会使时空结构发生变化，但这个时空结构变化不是也不可能简单地代替引力作用。不能简单地认为在广义相对论中引力已经被几何化，使时空结构弯曲了，引力就不存在了。在牛顿宇宙中，两个物体在万有引力作用下，是沿三维平直空间中两个物体的连线做直线运动，而广义相对论认为，由于引力使时空结构发生弯曲变化，使原来沿三维平直空间中两个物体的连线运动变成沿四维弯曲时空中的测地线运动。根据广义相对论，一个局部区域时空结构偏离牛顿平直时空的程度和该区域物质密度直接相关。在现实宇宙中，只有在极少数区域范围内，引力产生的时空结构对牛顿平直时空的偏离才有明显影响。时空结构弯曲不能代替物体之间的引力相互作用。例如，在水星近日点进动问题的研究中，实际观测值为每百年5﹐600.73角秒﹐其中由于广义相对论时空弯曲效应只有每百年43 03角秒。不到总值的百分之一。水星绕太阳公转不是由于时空弯曲的结果，而是太阳对水星的引力作用的结果。当然，还要有水星存在有一个和引力方向不一致的初速度这个条件。如果没有这个初始条件，水星就要被太阳所吸引而落入太阳。水星的不同初始条件显然和时空弯曲没有关系，但不同初始条件却决定了水星的不同运动轨道。由此也可看到，水星的运动轨道不是完全由时空弯曲所决定。太阳引力引起的时空弯曲结果只是使水星绕太阳公转的轨道略为偏离用牛顿平直时空计算得到的轨道，需要做微小的改正。水星绕太阳每公转一周水星近日点的进动由于时空弯曲需要改正的数值只有0.1角秒。水星绕太阳公转运动还是由太阳对水星的引力所决定，水星绕太阳公转运动的各种轨道参数还是要用以牛顿定律为基础的天体力学来计算。只有利用这些以牛顿定律为基础的天体力学计算出来的水星绕太阳公转运动的各种轨道参数，广义相对论才能计算出由于时空弯曲所需要的改正值。这也是为什么俞允强教授和李淼先生都提到，在‘低速和弱场’的条件下，广义相对论的力学方程要回归到牛顿力学方程的原因。水星近日点进动的具体计算公式请参看我的博客文章‘水星近日点进动问题’。俞允强教授在他的‘广义相对论引论’一书中有另外一个表达式。
李淼先生关于广义相对论的力学方程要回归到牛顿力学方程问题在他的‘院图的演讲’中只简单地提了一句，而北京大学俞允强教授在他的“广义相对论导论”一书中则有具体的讨论和计算。根据俞允强教授的计算，在现实宇宙中，只有在极少数区域范围内，引力产生的时空结构对牛顿平直时空的偏离才有实际意义。例如，中子星的密度达到每立方米有10的18次方千克，只有在中子星表面（其实也包括内部）引力场的强度才达到不宜用牛顿理论进行研究的条件。在我们日常生活中，在广大的宇宙空间，广义相对论的时空结构偏离牛顿平直时空的效应完全可以不予考虑。因此，天文观测对广义相对论的支持只能证明广义相对论的‘时空结构’会随物质分布而变化的思想可能是正确的，它并不能说明在宇宙学的研究中牛顿力学中的时空观完全是错误的，更不能说明整个宇宙的时空结构已经完全偏离了牛顿的平直时空，必须用广义相对论代替牛顿力学。以牛顿力学为基础的天体力学仍然是研究宇宙学的重要基础工具。对日月食的准确预报就是最好的证明。
因此，在宇宙尺度上广义相对论的时空观对牛顿绝对平直时空观的修正完全没有实际意义。不存在‘相对论的力学方程和牛顿的力学方程不能混为一谈’的问题。只有在局部小区域和微观物理的研究中，由于巨大的相互作用场的存在和物质的高速运动，广义相对论的时空观才有实际意义。也只有在这个范围内，广义相对论才可以大显身手。具体讨论可参看我的博客文章‘广义相对论为什么能在微观物理中大显神威?’。
那么为什么主张‘标准宇宙学模型’的学者认为，‘相对论的时空观和牛顿宇宙的时空观是完全不同的两个观点。因此相对论的力学方程和牛顿的力学方程不能混为一谈’？我认为这和媒体和科幻电影的不恰当的宣传有关。例如，双生子佯谬，时空隧道，时间机器等科幻概念在西方普及程度很高，以致许多人误以为这些科幻概念是科学的推理。甚至有一些理论物理学家也花大量时间来研究这些问题。我认为这是一个错误的倾向，可是国内有人认为在这方面我们也要和国际接轨，批评国内在这方面做的不够，使公众在这方面的知识背景要比西方差,要在大众中大力普及这些知识，以利于大众对大爆炸宇宙学的‘理解’。实际上我们知道，目前可以载人的宇宙飞船能够达到的最大速度大概是每秒几十公里，和光速相差4个量级，根本不可能出现什么‘双生子佯谬’问题。科学家利用飞机运送高精度时钟进行比对的试验似乎也还没有得到无可争辩的结果。因此，花大量时间来研究和普及对这些脱离实际的问题，我认为这样做没有任何实际意义，却可能给公众产生一个错误印象，给相对论的时空观披上一层神秘的外衣，让许多人以为宇宙的时空结构神秘莫测，牛顿的平直时空结构是完全错误的。实际上，真实的宇宙时空是平直的。牛顿宇宙没有错误。局部小区域对平直时空结构的偏离并不会影响宇宙整体时空的平直结构，也不会影响我们的日常生活。利用广义相对论在微观物理中取得的成功应用来反对牛顿宇宙观是没有科学根据和错误的。
参考文献
11. 郑怡嘉 水星近日点进动问题
地址：http://blog.51xuewen.com/zyjblog/article_17688.htm
12. 郑怡嘉 广义相对论为什么能在微观物理中大显神威?
地址：http://blog.51xuewen.com/zyjblog/article_20573.htm
13. 李淼 院图的演讲
地址：http://limiao.net/category/cosmology/page/4/
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