運動波支持物體超光速運動

左可

（江鈴新業發展有限公司，江西 南昌330001）

運動波支持物體超光速運動

左可

（江鈴新業發展有限公司，江西 南昌330001）

物體都具有波粒二像性，但波動性是經典物理學的難點。本文嘗試研究波動性在平直空間對物體運動可能產生的影響，發現媧和媧子2個因子，彌補了狹義相對論定域性原則的不足，并發現波動性支持超光速，以及非定域時間和因果律的連續和線性統一。最有意義的是：牛頓三大定律和狹義相對論，以及運動波這三者可以攜手成為平直空間的統一理論體系。

運動波；超光速；狹義相對論；波粒二像性

狹義相對論立足于平直空間的粒子運動規律，被實驗檢驗，充滿科學的睿智。但狹義相對論沒有涵蓋物體運動的波動規律，產生光速不可超越的限制，導致了科學進步的沮喪。眾所周知，物體具有波粒二像性，平直空間物體運動不包括波動性是不完整的。這不是相對論的錯誤，而是整個物理學陷入的兩難境地。一方面物體的波動性明顯不屬歐幾里得空間，但推導非歐的波動性又缺乏平直空間的基礎手段；另一方面，要在平直空間推導物體的波動性，又面臨波動性的非歐狀況，而無從著手。本文繞開波動性的運動方程這一難點，著眼于平直空間中波動性對物體動能、動量、質量產生的影響，以及可能對運動物體時空變化的影響。結果推導出媧和媧子2個波動因子，一是解決了長期困擾物理學的狹義相對論動態質量和能量發散問題，發現運動波支持超光速，填補了平直空間狹義相對論的基礎波動性理論；二是意外發現牛頓三大定律可以在波動性補充之下，與狹義相對論三者統一為平直空間物理理論的一個整體，且明確了動能、動量、質量的內在聯系規律（簡稱三量定律）。

1　運動波廣泛存在

實際上，太陽系引力場及其行星的圓周運動等宏觀現象，已經明顯揭示出運動波的客觀存在和作用（為避免與運動場、速度場等約定俗成的概念沖突，以下統稱運動波）。例如，著名的愛因斯坦轉盤，用于展現引力場的局部等效性和協變性。我們在圓盤邊上釘上一個釘子，釘子穿過一根筷子（中央），筷子兩頭插上2個雞子（同質量）。

如圖1（這個實驗引用他人）。當圓盤開始轉動時，只要r1＜R1，r2＞R，2個雞蛋必然圍繞釘子O′，作與反向ω′的圓周運動。2個雞蛋，1根筷子的體系沒有引力影響，沒有慣性力，僅受O′點，沿圓盤切向的推力，它為什么以ω′角速轉動？要理解轉動原因，我們看圖2，如果保證r1=r2，再轉動轉盤，2個雞蛋A，B將不再圍繞釘子O′轉動。

這是因為r1=r2，F對A，B的加速度一樣，導致速度一樣，筷子兩頭動量矩平衡。而圖1中VA=VB，但，兩頭動量矩不平衡，從而產生旋轉。

沿R線點上幾個黑點，當轉盤以ω0勻速轉動時，圓盤出現一圈圈等速線。這是一個看不見摸不著的場（運動波），速度與R成正比，曲率為，梯度grad（v）為（為梯度矢量）。雞蛋旋轉是由動量矩導致，而產生動量矩差異的本質，是運動波的梯度。或者說，梯度場推動了雞蛋旋轉。當筷子長度小于圓直徑，則ω′＞ω0。大多數行星自轉正是由于運動波的推動。而當R→∞，即曲率的遠處，可以近似為平直空間。如果轉盤換成引力場，則速度場的高斯曲率，梯度（k′由引力質量和引力常數決定），圓周率＞π的運動波（羅巴切夫斯基空間［1-2］）。可以設想一下：太陽系九大行星運行到同一徑向線，引力場突然消失，行星的運動波，會突然消失嗎？當然不會，消失的只是曲率，速度梯度為常數，行星以不同速度勻速飛向遠方。

圖1　動量矩不平衡圖Fig.1　Angular momentum imbalance

圖2　動量矩平衡圖Fig.2　Angular momentum balance

再假設，找1根筷子，一頭挑著地球，一頭挑著火星，中間釘一個不動的釘子，然后引力場消失。結果很顯然與雞蛋的轉動一樣。由此說明，運動波受引力場等外部因素影響而改變結構形態，但其本質不依托外部因素而存在。這樣的例子比比皆是，如小孩的陀螺，子彈飛旋。那么，除去引力場和螺旋運動之外，平直空間單一物體勻速運動的運動波情況如何？

有一個不為人注意的例子證明運動波的客觀存在。在多普勒紅移現象中［3-4］，有以下3種情況：

1）當其他條件不變，只有速度方向前后掉轉，紅移出現不合理現象：兩者能量變化的絕對值不等，。當V接近c時，差值巨大，違反能量守恒定律和對稱性原則。

2）如果說光量子能量損失或增加是因為觀察者自身動能產生，那么速度相同、質量不同的觀察者接受紅移信號，必然不同。這顯然違反一般常識。

3）在運動的垂直方向，即光源與觀察者不出現相對位移情況下，仍然出現一個紅移值，僅僅用相對位移不足以解釋。

原多普勒效應公式是精確的。尤其是觀察者與光源位置連線與運動方向保持一致時是連續的正解，垂直方向也是正解，其他方向為精度極高的近似值。但上述問題，除非相對論錯誤，否則唯一能夠滿足3個條件的解釋是：存在相對運動的運動波，它與電磁波相互作用，從而改變電磁波的頻率和能量，垂直方向亦然。

綜上所述，物體始終存在波粒二像性，由運動速度產生的運動波廣泛存在。不僅在靜止時以質量的形式顯示出其內在粒子構成和微觀場波動，而且在運動中，同時存在粒子位移的慣性運動和由此產生的空間波動。運動波明顯是非歐的，具有內稟特質，由運動引發，為速度的函數，一定程度能改變物體內在的無序態，且運動波必然與環境場相互作用。

但是，不能簡單的把±V導致的能量差作為計算運動波的突破口。比如，加入波動系數，來使△Ev＝△E-v·k。實際上，也永遠抹平不了。同樣，在解決引力場中運動波的協變性之前，我們優先需要解決的是，平直空間中運動波對粒子運動的影響方式及其表達形式。

2　從經典物理規律中推導波動參數

很顯然，運動波是非歐的，在平直空間推導運動波運動方程是不現實的。所以，還是從能量著手。相對論所以光耀百世，就在于E=MC2深刻揭示了物質本質特性，涵蓋了物體宏觀到微觀全部能量構成，并以量子態形式將物體包容的各種物質能量和場能量進行等價估值［5］；因此，它應該也必須包容物體由運動產生的運動波能量。為此，設運動波系數：ζ（發音為媧），則有：E=MC2=m0γζ·C2，即M=m0γ·ζ（下面將γ0稱為洛倫茲因子，把γ稱為洛倫茲堂因子。相對論有意區分二者，實際就是堂兄弟，甚至一體兩面，在不同對象條件下，不同作用而矣）。

這里提出一個大膽假設。經典物理的動能（量）、動量和質量表述，暗涵一個完備的對應性定律［6］，即，為V?C時，Ev＝E-E0＝m0C2·（γ－1）的近似值，但并不影響這一完備對應性所展示三量內在規律（V?C）。而且，這個規律應該也必然覆蓋物體運動的總動能和總動量、總質量，且與速度大小無關。這一規律有2個物理意義：

1）運動物體的總動量（包括全部粒子運動和波動），是物體運動總動能隨速度變化趨勢的表述。

2）運動物體的總質量，是物體運動總動量隨速度變化趨勢的表述。

以上2條估且稱為“三量定律”。實際上，狹義相對論并不排除P=MV的動量表達形式。但其推導的三量不滿足以上2條。引用愛因斯坦對量子物理的評價，不完備性是令人無法忍受的［7］。對上面2條，現今許多物理學者都有類似的看法，如《宇宙的結構》［8］。

在這個假設條件下，我們有2種情況：

式中：Ev為粒子運動動能；EP為波動動能；E0為靜止能量。

即c2·X″=X為二階齊次方程式，存在2個特解：且非線性相關。

但是，以上為數學求解。從物理意義角度，不論特解還是通解，都應該符合物理規律。其中，代入上述動能和質量公式，當V從0趨向∞增加，動量、動能反而減少并逐漸歸0，不符客觀實際，不可取。

兩個神奇的答案反證了“三量”定律的假設可行性。尤其是，出現了“三量”定律的簡潔完美形式：，且滿足：。另外狹義相對論中，光量子的動能與動量關系式為：Eg=C·Pg，顯然，Pg=MC。該等式證明，微觀量子態下，支持P=MC這個表達式。

需要說明的是，根據上一節多普勒效應推論，外力F對物體m0做功T=F·L=△E，應該是包括物體的粒子動能和波動能，以及運動波與環境場相互作用的結果。而微觀上明顯沒有考慮這一作用。且外力F和物體m0組成的能量守恒閉環系統，由于運動波出現必須作為開環系統。所以在變加速做功過程和非歐的運動波相互作用下，不能把宏觀和微觀簡單統一。即（這一點反證媧因子正是波動性產生作用的因素。）

3　以波動性填充狹義相對論的時空公式

接下來，可以從M=m0γ·ζ0=m0ζ0，以及動能守恒和動量守恒，沿著狹義相對論質能方程的推導路線，推導出新的時空公式（即時間延緩和長度收縮公式，τ=γ0·τ0，L=γ0-1·L0，這是科學進入四維空間的重要工具，為了表示尊敬稱為時空公式）。

3.1在洛倫茲變換中，t′是唯一能夠考慮參與物體運動的波動性的因素

故設t″作為物體波動性對運動時間產生影響的最終結果，且有t″=k′t′，k′為變化系數。（具體環境條件，見各類相對論書）

狹義相對論耳熟能詳，簡單描述中間過程得到：

實際上，波動性因素是不能直接列入純粹的粒子位移運動的洛倫茲變換公式，只有從外部入手。

3.2相對論通過彈性碰撞模型推導質量變換公式的過程存在誤區

其推導過程簡單描述如下：

在相對靜止的參考系S′中，2個等質量球體（m1，m2），沿X′軸以u′的速度相對碰撞，并實現完全彈性碰撞。在碰撞的瞬間，2個球體連接一體，瞬間相對參考系靜止（常識）。另一參考系S，其X軸與X′軸同軸，并沿X軸以-V的速度勻速移動。（圖略，請看書［3-4］）

從S系觀察，碰撞前有：球體m1的相對速度u1，球體m2的速度u2；碰撞瞬間：連體M，速度為+V。

∴m1（u1-v）=m2（u2-v）（注意：這里隱藏一個假設，等式兩邊的質量相同）。

因此，為保證動量守恒，必須保證上式成立。最好的解是：

上面推導說明:在洛倫茲變換和協變性原則要求下，運動物體的質量應該隨運動速度產生變化。即

綜上所述，這部分數理邏輯推導只得到了肯定的一點：時空公式和協變性原則充分要求，運動物體的質量必須隨運動速度變化。

3.3借助廣義相對論的理念，構架新模型

設相對靜止的坐標系S，有一物體m0，開始時靜止在坐標原點。受恒力F作用，從靜態沿X軸正向加速移動。經過時間t后，位移L0，速度達到u=v，（為避免加速度場的困惱，我們只選取2個時點）有：

同時，有一勻速運動的坐標系S′，開始時完全與S系重疊，并以勻速v沿著兩系共同的坐標軸X和X′正向移動。從S′觀察物體的運動：

到此，需要重點說明：在平直空間，力不受勻速直線運動的慣性參考系變換影響［1-2］。能夠引起力產生變化的，必然是加速運動參考系。這是相對論理論中的重要理念，并被愛因斯坦反復論證［1］。在廣義相對論開篇，引力場局部協變性的著名模型“愛因斯坦小電梯”已經說明［7］，在假設引力加速度不變的前提下，只要電梯勻速運行，觀測者的重力不變:

那么，2個體系的力不變，運動質量相同的加速度也必然相等。則

實際上，狹義相對論加速度變換公式沒有實驗檢驗，沒有適用環境條件勻加速場或變加速場，由此沒有外部恒力或變力的約束條件。不論是那種條件，都不是狹義相對論協變性可以覆蓋的，尤其不能納入波動性。所以，考慮波動性因素，設a′=k″·a，即a′-v=k″·a0，a′0=av/k″（注意相反），那么，根據第2節和經典物理定律：

同時，根據模型廣義相對論的外力恒定條件，兩個體系中任意兩點:F′·τ′=F′·τ0

注意：公式（5）謹適用本模型條件下的特定時點。是否普遍適用各種加速度情況，要進一步論證。

根據公式（3）（4）（5）式，我們有

這一模型需要說明一點：加速度變換反過來一事。所有相對論公式，特別是時空公式，都有極強的指向性。在假設條件不變的情況下，一律從事件發生相對靜態體系變換為動態，且不可逆。大家可以充分探討，加速度變換是否應該如此。

4　實驗驗證

按照論證的一般程序，現在應該就“ζ”及“三量”定律與現行物理實驗進行對比證明。本文面臨一個問題，新的系數與洛倫茲因子γ0在低速下近似相等。

1）μ子質量為電子的206.769倍，靜止μ子的壽命為τ0=2.2×10-6s，宇宙射線產生的μ子在海平面之上6～18㎞。海平面上測得μ子動量為P=3×109eV/C。按照新的動量公式：

則μ子衰變前飛行距離：l=vτ=63㎞?18㎞（原狹義相對論：L′=18.5㎞），即在40～50㎞深的礦洞也能接收到大氣層μ子。

上個世紀中葉美國物理教授做過2次的極深礦洞μ子實驗（1次深10 km，1次30 km），的確都接收到大氣μ子，并認為與狹義相對論不符。那么，說明超光速不可怕，而且隨時發生在我們身邊。（資料不詳）

2）實際上，大量高能物理實驗已經證明了多種超光速情況的客觀存在［2］。比如，1992—1994年的大量勢壘隧穿實驗，以及著名的ERP論證和貝爾不等式實驗［4-5，7］。而且實驗顯示，加速高能粒子接近光速時，需要較大能量，但不會出現無窮大的能量。本文理論引入媧子，任何物體加速到光速所需能量是定量規定；因此，將電子加速超過B點（見圖3），如果能準確測定電子速度，并按照相對論計算電子質量，則理論電子動量與實際檢測的動量值將會出現明顯差距。

5　結論

以上推論證明，媧ζ及媧子ζ0完全可以從外部覆蓋相對論協變性原則，說明運動波從理論上講是存在的。同時，基于完備對應性的“三量”假設，并推導出的結果，填補了原有因子只適應定區域物理條件的不足，覆蓋了從低速到超光速，從宏觀到量子態微觀的全部區域。最有意義的是：牛頓三大定律和狹義相對論，以及運動波這三者可以攜手成為平直空間的統一理論體系［2，7］。如果礦洞實驗足夠精確，則本文理論將不僅僅是理論成立，而且成為客觀實際。實際上，ERP論證已經證明定域性原則的錯誤，當今物理學缺的是非定域性的手段和計算工具。新理論采用媧子后，不僅修正了相對論的定域性原則，填補了非定域性的計算手段，而且改變了原理論由于奇點存在而分割成虛時間（贗時間）、時間停頓、正時間三部分時間錐的因果律［3］，且具備物理意義上全領域因果律的時間連續和線性一致（這一點完全符合熱力學第二定律）。

圖3　新舊因子對比圖Fig.3　Comparison of old and new factors

同時，按照本文理論，有以下幾方面需要重點說明：

1）換上ζ0這個新參數，圖3中函數曲線表明：運動波大力支持人類文明挺進超光速。不僅如此，還可以展望未來以超十倍、百倍、萬倍的光速，走進光速新時代。

2）當V＝C時，原狹義相對論函數出現令人沮喪的光速不可超越性，而新的方程則表現為靜態能量2.718 281 8倍的有限性。巨大的差別，不能不讓人包括作者產生質疑。在分析之前，必須立足于相對論的偉大光榮正確，否則無從討論。把和 γ0，ζ與速度的函數，在圖3顯示，會有一系列豐富聯想。①如圖3，γ0函數曲線顯示：原相對論在V＝C時，出現動能、動量、質量的無窮大變化，是純粹粒子現象（即假設粒子運動不存在波動場），也是絕對正確的（不考慮波場）。應該理解為：如果沒有運動波，當勻速運動物體加速到無限接近光速，物體必將出現無序化的量能失控。這一點就像所有物體參數一樣，不論是體積、密度，還是溫度、質量，只要足夠大，則物極必反。質量和密度太大，結果將是塌縮；而溫度足夠高，結果是核爆炸。物體體積不變，速度和能量提高到物體極限，必將迎接一場巨大噴發。②如圖3，ζ函數曲線顯示，與γ0函數曲線幾乎相反。如果不考慮物體的粒子運動，單純只考慮波動性。那么，當V=C時，波動能量和物體靜態能量都將歸0（難以理解）。

3）在第2節中已經分析P＝MC的一些內涵，物體運動的波粒二像性及其相關動量，包括動能，呈現糾纏態，不分彼此。實際上從圖3看，不等到v=c時，波動動量在圖中V＝v′點（大約V＝0.916 6C時）和γ02個函數相交于B點（臨界點），圖上顯示波動性為0。此時，運動物體有序性突然消失，無序性完全釋放。可以聯想，從B點開始，V＝v′→C時，無序性猛增，分子熱運動增大，分子鍵慢慢斷裂，分子無序性熱運動，然后電子失序。當V＝C時，全部物體組成分解為最基本的粒子，以量子態形式，統一向V的矢量方向波動。這是從反面理解波粒二像性的高度統一。那么，B點的存在，使光速不可超越反而提前了，是不是又到了令人沮喪的時刻？恰恰相反，按照新的理論，運動波對粒子無序態有極強的約束，正是我們昂首挺胸走進新時代的重要保證。從圖3可以看到，在臨界點B之前，存在一個拐點，即V=v″=0.715c的A點（即γ0曲線和ζ曲線即將發飆的交叉點）。此時，不能一味增加物體運動推動，而應當人為增強波動能量，增強有序控制（就像給兒童陀螺再抽一鞭子，給子彈再加一個旋轉力矩）。那么，只要波動能量足夠，完全有可能避免物體的量子化分解。

4）從上面2，3兩段論述中可見：如果把Ev=m0c2（γ0－1）作為粒子動能，甚至把EP=m0c2（ζ－1）作為波動能，將進入誤區。當v→c時，Ev→∞，而Ep≥0，則Ep+Ev=E→∞，與新的理論不符（v=c，ED=2.718 281 8 m0c2）。所以，處于糾纏態的粒子動能和波動能已經難分彼此。也許在獲得波動方程之后，會有明確的結論。此外，新理論否定了通過高速實現逆轉時空的科幻可能，穿越者需要另找出路。

到此，對狹義相對論晚到百年的補丁程序告一段落，接下來，留下了3個任務或3個猜想：

1）從平直空間到非歐空間的運動波（場）發展。即在引力約束下，運動波（場）的表達形式。但最終波場方程式，應該滿足一個條件：波動方程式與廣義相對論的引力場方程式合成為x2+y2=r2的圓周運動方程。即運動波與引力波合成為行星圓周運動的方程。

2）將新的因子代入多普勒效應公式，前述相對運動速度矢量正反向變化，使接收光量子能量變化不一致的問題依然存在。是否能夠證明，運動波場會與環境進行能量交換，而且仿射的量大于吸收的能量。這是否意味著，勻速運動的物體真空中也將緩慢損失能量，最終歸于寂靜。

3）臨界點V＝0.916 6C是物體的質變點，是否能夠解釋近期天文觀測中紅移值達Z＝3.9的現象。按新的效應公式可以計算V＝0.93C，超過臨界點。即表明該星球（系）正在發生量子態衰變。那么，該星球在不遠的將來就會湮滅。

謹以此文紀念我的父親左俊義先生，并獻給張敏、常慕林和劉舜華班主任，孫敏先生！

特別感謝譚暑生教授提字贈送《從狹義相對論到標準時空論》，給我極大啟發！感謝左騁、李升滔幫助計算！

［1］劉遼，趙崢.廣義相對論［M］.北京：高等教育出版社，2004：1-31.

［2］譚暑生.從狹義相對論到標準時空論［M］.湖南：湖南科學技術出版社，2007：103-106.

［3］愛因斯坦.狹義相對論與廣義相對論淺說［M］.上海：上海科學技術出版社，1964：19.

［4］牛頓.自然哲學之數學原理［M］.王克迪.西安：陜西人民出版社，2001：10－17.

［5］溫伯格S.引力論和宇宙論［M］.北京：科學出版社，1980：468－474.

［6］愛因斯坦.愛因斯坦文集［M］.北京：商務印書館，1977：455.

［7］周邦融.量子場論［M］.北京：高等教育出版社，2007：6-10，105-106.

［8］［美］布賴恩·格林.宇宙的結構［M］.湖南：湖南科學技術出版社，2013：311－312.

（責任編輯劉棉玲）

Kinematic Wave and Superluminal Motion

Zuo Ke
（Jiangxi Xinye Deve Lopment Co.，Ltd.，Nanchang 330001，China）

Wave-particle duality is a fundamental attribute of any objects.This paper explores the wave properties and their impact upon motions in a flat spacetime.The discovery two factors，including Wa and Wazi，makes up for the defects of the principle of locality.Therefore the wave properties should support the superluminality，the continuity and linear unity about causality and nonlocality of time.Together，Newton’s three laws of motion，special relativity theory and kinematic wave theory could form a unified theory of the flat spacetime.

kinematic wave；superluminal；special relativity；wave-particle duality

G633.7

A

1005-0523（2016）04-0113-09

2016-02-18

左可（1968—），男，工程師，碩士，研究方向為理論物理。