张建勋出版《时空度规分析》 开启了异系物理学新时代

　　2019年，一本名为《时空度规分析》的专著在武汉出版社正式出版发行，引起了物理学界的广泛关注。该书由张建勋著作，详细阐述了“异系物理学原理”，打开了异系物理学的新纪元。

　　据悉，张建勋发现的异系物理学，对爱因斯坦狭义和广义相对论进行了完善和扬弃，旨在解决传统物理学在异系阶段(即观测坐标系与被观测物体时空背景坐标系不共用)所面临的困境。自伽利略时代以来，物理学一直处于同系阶段，经典物理学如牛顿力学和麦克斯韦电动力学等，都是在这一背景下发展起来的。这一阶段的标志性特征是：被研究的物理现象与观测物理现象的人，处在同一个坐标系中;每一条伽利略大船上的观察者，只对本船内的实验做观测，形象称为“各测各”。然而，随着物理学的发展，异系阶段的到来是必然的。静止的甲船上的观察者，需对运动的乙船内的实验丙做观测。这时，观察者甲用来测量实验丙的坐标系有两个，一个是甲自己手中的坐标系，一个是作为实验丙的时空背景的乙坐标系。甲该选用哪个坐标系去测量和读数呢?这是同系阶段的传统物理学不曾遇到过的新课题，亟需新的理论来指导实践。日心说取代地心说以及现实世界的诸多实验和实践都表明：用来测量实验数据的，只能是该实验现象的背景坐标系。只有解决了这个进入异系阶段的基本论题，才能发展出相应的异系物理学。

　　书中指出，异系物理学原理的核心在于“二则、四同、一方略”。

　　“二则”指的是异系物理学中的两条基本原则，即一测二的测量原则和参考系的对偶准则。甲系观测乙系中的实验丙，甲需做两项测量：因为甲是乙的背景系，可以直接测量乙在甲中运动的时空数据，算出乙相对于甲时空收缩的比率;又因为乙是丙的背景系，所以甲必须借助乙的坐标系，对丙在乙中的运动做间接测量。然后将乙测量读出的数据乘以乙的时空收缩比率，才是甲对丙测量的数据。甲作为观察者一人包揽了两项测量，简称为一测二。唯有采用一测二的测量方式，才能分辨同一个实验现象在两个坐标系中的差异。因此，一测二的客观要求被确立为异系阶段的测量原则。也是跨入异系物理学的第一道门槛。

　　1970年做的铯原子钟环球航行实验和GPS卫星钟降频等实验揭示：参与时空变换的两个参考系中，必须有一个的运动速率和引力势双双为零，在此基础上计算的结果才能与实际观测值相符。满足这一条件的两个参考系，叫做对偶参考系。在自然组成的物理体系中总可以找到势速均为零的参考系。例如，太阳系的质量中心，在太阳系中速率就是零，用来衡量其他行星的运动速率;离该中心无穷远处的引力势为零，用来衡量离中心不同距离各处引力势的高低。因此，参与时空变换的两个参考系必须对偶的客观要求，被确立为参考系对偶准则。也是跨入异系物理学的第二道门槛。

　　“四同”则是异系物理学的时空演变观，指的是时空同变、各向同度、势速同工和耦基同构。这四个同构成了异系物理学时空变换的基础，为理解时空结构提供了新的视角。

　　产生四同时空演变观的实验基础，是光的横向多普勒效应和引力红移效应。按照相对论的观点，刚体运动起来或进入引力场，刚体中的原子核及核外电子的质量都会增大，从而打破电子绕核运动的受力平衡，待达到新平衡时，原子的线度会减小。宏观上就是刚体的线度各向同比率缩小，简称为各向同度。新平衡下电子在某两个能级间跃迁辐射光子的频率，比旧平衡时同二能级跃迁辐射光子的频率低，即空间收缩后的时间也变慢，且时间收缩的比率与空间收缩的比率相同，简称为时空同变。时空同变各向同度的结果必然导致收缩后的时空结构与收缩前相同，简称为耦基同构。运动触发多普勒效应和引力触发引力红移效应的机制相同，简称为势速同工。

　　“一方略”指的是以直解曲方略。书中阐述道，引力场中相邻点时空收缩的比率不同，导致相邻点时空单元格连成的时空线不在一条直线上，是时空弯曲的形成机制。要在弯曲时空中应用经典物理学规律，必须同时满足两个条件：一是物体运动经过的每个点上的时空结构，与发现规律时的时空结构相同;二是所应用的物理规律在每个点上都需具有相同的数学形式。耦基同构自然满足了第一个条件;而第二个条件的满足，需要用到参考系的对偶准则。因为对偶参考系之间，谁做观测系谁是被测系的角色可以互换。物体在弯曲时空中运动经过的每个点，都可以视作一个参考系，它们分别都与静止的伽利略参考系对偶，即它们的角色分别都可以与静伽系互换。于是，相对性原理所描述的，每个点观察者观测同一个物理现象，在同一个静伽系中所遵循物理规律的数学式都相同，就可以等价为同一个静伽系中的观察者，观测该物理现象在每个点上所遵循的规律，都有相同的数学式。从而满足第二个条件。把以直解曲的原理阐释得简单易懂。

　　书中花费大量篇幅，将以直解曲方略应用于实践。不仅能够求解以前认为经典物理学难以企及的高速运动、星光引力偏折、行星轨道因时空收缩的近日点进动、雷达回波延迟、加速器中μ子寿命、转盘上的圆周率、日光的引力红移、穆斯堡尔效应、黑洞、引力波、引力透镜、物质波的量子化等问题，而且能够对现行物理学理论解释不了的如类星体、暗物质、暗能量、引力场中普适的质能方程、引力场中能量和角动量不守恒、万有引力定律库仑定律安培定律不协变、运动电荷的电磁场发散、引力场和高速系中的电磁感应定律和全电路安培定律、等诸多难题，给出严格的数学计算和充分的物理解读。

　　张建勋根据势速同工原理，大胆断定光的横向多普勒效应和引力红移效应，其实是同一个物理规律的两个侧面，应该合写在一个公式中。利用这个势速红移公式，不仅可以知道星光红移的主要成因是发光处的引力势，而不是星系互相远离的速率;而且推算出宇宙中应该存在大量还没有达到黑洞条件的普通隐形恒星，用来解释薇拉·鲁宾的星系转速曲线，而无需假设宇宙中存在非重子类的暗物质。瑞典斯德哥尔摩大学Beatriz Villarroel团队近年来的观测发现，在特定条件下，一些恒星会“消失”在观测者的视线中，实际上是因为它们变成了隐形恒星。这一现象与势速红移效应的预言不谋而合，为验证异系物理学原理提供了有力证据。

　　异系物理学原理的提出，不仅为物理学的发展提供了新的理论支撑，也为解决传统物理学中的困难提供了新的思路和方法。张建勋的这一研究成果，无疑将在物理学界引起广泛讨论和深入研究，为开启物理学新纪元贡献力量。

　　随着异系物理学原理的不断深入研究和应用，我们有理由相信，它将为停滞了一个多世纪的物理学发展注入新的活力，推动人类对自然界的认识迈向更高的层次。同时，我们也期待更多科学家加入到这一研究领域中来，共同探索物理学的新奥秘。