廣義相對論方程的根本缺陷和奇點、黑洞、霍金輻射、宇宙常數等問題的關係
====對當代科學界一些主流的新觀念的理解和質疑====
張 洞 生 DongshengZhang 1/24/2010
1957年畢業於北京航空學院,即現在的北京航天航空大學
E-mail: ZhangDS12@hotmail.com
《1》。現在愛因斯坦的廣義相對論方程幾乎與所有當代的物理學的新觀念聯係在一起。比如，宇宙起源，奇點，黑洞，零點能，真空能，暗能量，N維空間等等。或者說，所有這些新觀念都被新潮的物理學者塞進廣義相對論方程以便能披上一件合乎主流理論的外衣。然而，已經觀測到的物理真實往往證實這些與廣義相對論方程相結合的新觀念的虛幻性和謬誤。其中最明顯而困惑科學家們數十年的“奇點”問題就是其中之一。宇宙中根本沒有具有無窮大密度“奇點”存在的任何跡象。然而，近四十年前，R·彭羅斯和霍金發現廣義相對論存在空時失去意義的“奇性”；星係演化經過黑洞終於奇點，宇宙開端有奇性。甚至可能存在“裸奇性”，於是不得不提出“字宙監督原理” （hypothesis of cosmic censorship）來，以規避理論的錯誤。奇性，這一理論病態的發現是理論研究的重要進展，卻又與等效原理不協調。[17]再如，按照J. Wheeler等估算出真空的能量密度可高達1095 g/cm3。[9] 這些都是不可思議的。 全文刊登在Academia Arena, 2010;2(2):76-99](ISSN 1553-992X)，網址：http://sciencepub.net/academia/aa0202
《2》. 科學研究的結論和結果取決於研究方法。不同的研究方法會得出不同的結果和結論。但是不同理論的結論的正確與否隻能根據是否符合觀測和實驗的數據予以確證。本文是將宇宙產生的膨脹和收縮都用霍金的黑洞理論和予以論證。當黑洞在其視界半徑(Event Horizon)上因發射霍金輻射 (Hawking Radiation)而收縮或者因吞噬外界能量-物質而膨脹時，其視界半徑上各種物理量（參數）的變化，與其內部結構和物質密度的分布無關。從而證明：黑洞的視界半徑最後隻能因不停地發射霍金輻射而最終收縮成為最小黑洞Mbm = (hC/8πG)1/2 =10-5g = mp，即普朗克粒子時，就在普朗克領域爆炸消失。因此，黑洞就不可能在其視界內部的中心出現“奇點”。作者這種簡單而有力的證明方法無需解複雜的廣義相對論方程，避免了該方程中因單純的引力收縮而最終產生“奇點”的荒謬結論。（附注：本文隻分析廣義相對論方程與真實物理世界差異所產生的問題，不涉及諸如慣性質量與引力質量等同性和所有參照係的等效性之類的抽象原理。）
《3》。既然由推導廣義相對論方程得出“奇點”的結論不符合物理世界的真實性，這證明廣義相對論方程本身有無法克服的缺陷。廣義相對論方程是愛因斯坦頭腦中的產物，不是建立在堅實可靠的實驗基礎上的。從哲學上來講，廣義相對論方程中隻有物質引力而無對抗引力的斥力是先天不足的。是無法解出物體內部粒子的運動狀態的，因為宇宙中任何物體的穩定存在都是其內部物質的引力與斥力相平衡的結果。而後來從外部加進出的具有排斥力的宇宙常數Λ也是後天失調的。愛因斯坦於1915年建立了廣義相對論。盡管他的假說甚至有錯誤，但是廣義相對論方程將時空結合的宇宙觀卻有劃時代的哲學和科學意義，仍是劃時代理論。按照愛因斯坦通俗的解釋，如同鋼球會把繃緊的橡皮膜壓彎，太陽會使其周圍的空間時間彎曲。由此，他說明了牛頓引力無法解釋的水星近日點的剩餘進動，預言經過太陽附近的光線會偏折等。牛頓體係是一個沒有完成的理論體係。愛因斯坦以狹義相對論為基礎，發展到廣義相對論，進而建立相對論性宇宙論的相對論體係，包含了牛頓體係的合理內容，克服了牛頓體係的一些重大疑難。愛因斯坦之後，有關廣義相對論和宇宙論的研究也取得了一係列進展。但是，這個體係也是一個沒有完成的偉大體係。[17] 晚年的愛因斯坦寫道：“大家都認為，當我回顧自己一生的工作時。會感到坦然和滿意。但事實恰恰相反。在我提出的概念中，沒有一個我確信能堅如磐石，我也沒有把握自己總體上是否處於正確的軌道。”這位創造了奇跡，取得劃時代偉大成功的科學巨匠，以他的輝煌，謙虛地陳述著一個真理。[17]
《4》. 廣義相對論方程本身的根本問題和無法克服的缺陷是沒有與熱力學聯係在一起，也就是說沒有時間方向。因此得出一團物質自身的引力收縮會成為“奇點”的荒謬結論。霍金黑洞理論的優越性就在於將黑洞視界半徑上的物理狀態始終與熱力學聯係在一起，從而證實我們宇宙的生長衰亡規律符合黑洞的理論和規律。熱力學定律是宇宙中最根本的規律，是因果律在物理學中的化身，任何普遍（適）性的理論如果不與熱力學結合在一起，必然難以成功。現有的廣義相對論方程的各種解都有2個最主要的假設前提：一是質量守恒。二是零壓（恒壓）宇宙模型，即不考慮溫度變化而產生的熱壓力改變。正是這2個假設違反了熱力學定律，而最終導致用廣義相對論方程解出一團物質的自然收縮到會成為違反熱力學定律“奇點”。
假設有一大團定量物質粒子M收縮時，
1*。當M在絕熱條件下由狀態1改變到狀態2時，根據熱力學第二定律，熱量Q，熵S和溫度T的關係為∫TdS = C + Q2 - Q1。在Q2 - Q1 = 0時，因為熵總是增加的，所以溫度T必然降低。這就是說，假設有一大團定量物質粒子M在自由絕熱狀態下改變其狀態時，隻能降溫膨脹，絕對不可能靠其粒子的自身的引力產生收縮。
2*。在M = M1 + M2時，根據熱力學定律，如M在絕熱過程中，當其中M1部分收縮而使得 其溫度增高和熵的減少時，必然使其另一部分M2的熵的更多的增加。這就是說，M2必須作為能量或物質從M1中拋射出去，才能使M1收縮和提高溫度減少熵。如能繼續收縮，結果就是M1愈變愈少，而發射出去的M2愈來愈多。這就是宇宙中一團物質（包括黑洞）符合熱力學定律的實際收縮過程和普遍規律。即當物體中的熱量無法排出或有外界供給足夠的熱量時，物體是不可能收縮的。
3*。當M1因發射能量-物質而收縮到史瓦西條件時，即M1 = C2 R1/2G時，M1就成為黑洞。其視界半徑將能量-物質M1都禁錮在黑洞內，並吞噬外界的能量物質。當外界沒有能量-物質可被黑洞吞噬時，黑洞隻能不停地逐個的發射霍金輻射量子。使M1收縮變小的極限就是最後成為最小黑洞Mbm = (hC/8πG)1/2 =10-5 g時，在普朗克領域爆炸消失。可見，彭羅斯和霍金是假定在質量守恒和零壓宇宙模型的條件下而得出廣義相對論方程會出現“奇點”的結論的。這是違反實際過程中的熱力學定律的。
《5》. 在真實的宇宙或者一團定量的M物質粒子中，狀態和溫度的改變是如何影響粒子ms在外部和內部的運動的？假設有質量為M的物質粒子在半徑為R的橡皮球內，溫度為T。設橡皮球的彈力忽略不計。
1*。當ms在R的外麵，距離球中心為Rs，因此ms受M的引力作用在M外作測地線運動，Rs的曲率半徑為Ks.當M絕熱膨脹到 T1時，半徑增大為R1，即R1> R，這表明M距離ms更加近了，引力也加大了，所以此時在M外麵的ms運動 的曲率半徑變成為Ks1，於是Ks1 > Ks 。
2*。當M因排熱收縮到 T2時，半徑減小為R2，即R2 ，這表明M距離 ms 更加遠了，引力減弱了，所以此時ms 運動的曲率半徑變成為Ks2，於是Ks2 s 。
3*。如果ms在M內部，當M膨脹或收縮時，由於R的增大或減小，ms的位置和其運動的測地線以也會隨著改變。可見，解廣義相對論方程所假設的“零壓宇宙模型”是與真實的物理世界不相符的。溫度對物質粒子在外部和內部運動的影響在任何情況下都存在，而且是不可以忽略的，忽略就會出現“奇點”。
其實，這就是定性的將宇宙常數Λ引進廣義相對論方程中的能量-動量張量內部進行分析的結果，這相當於引進一種能量密度為ρΛ = Λ/8πG， 壓強為pΛ = -Λ/8πG 的能量動量分布，問題還在於這種ρΛ 與pΛ不僅與溫度有關，而且與一定溫度下的物質結構有關。因此所有解該方程的學者們不得不簡化和加許多限製條件以求解出方程。但是自由絕熱狀態下的物質粒子團隻會增加墒而降溫膨脹，這表明任何時候物質粒子的熱壓力都超過其引力。隻有當其內部的熱量流出到外界後，該團物質才會收縮。因此，假設任何一團物質粒子會收縮本身就是一個與物理真實相違背的偽命題。該團物質粒子能夠收縮成為“奇點”的充分要條件必須是該團物質在任何條件下都能將內部熱量排除除去，而這是不可能的。特別是物質團被壓縮成為黑洞後，因無法向外排出熱量，黑洞內部的物質就更無可能靠其自身的引力繼續收縮，更絕無可能收縮為“奇點”。所以“奇點”是廣義相對論學者們在解方程時違背熱力學規律的假設所造成的荒謬惡果。
《6》。我們宇宙本身和其內部任何物質物體的結構的穩定存在都是在一定溫度的條件下，其內部的引力和斥力相對平衡的結果。所以廣義相對論方程中隻有引力而無斥力是違反我們宇宙和其內部物體物質結構穩定存在的普遍規律的，也就是違反熱力學定律和因果律的。
1*。宇宙中任何小於1015克的物體，其中心不一定有一個較堅實的核心，因為該物體本身的化學結構就可以對抗自身的引力塌縮。但是質量大於1015克的行星，恒星，致密天體，星團，星係等等，其中心一定存在著對抗其自身引力塌縮的較堅實的核心。地球和行星的中心有堅實的鐵質流體或固體。太陽和恒星的中心有提供高溫的核聚變中心對抗自身的引力塌縮。白矮星的中心有密度約106g/cm3的電子簡並的堅固核心。中子星的中心有密度約1016g/cm3的中子簡並的堅固核心。每個星係的中心都有密度較大的巨型黑洞。
2*。在我們宇宙內，最實際的關鍵問題是，現在我們宇宙中所能產生的最大壓力是強烈的超新星爆炸。而這種壓力也隻能將物質粒子壓縮到約1016g/cm3的高密度，而形成恒星級黑洞，但還不能破壞質子中子的結構，將其壓垮。估計物質粒子的密度達到1053g/cm3才能壓垮中子（質子），而壓垮誇克的物質密度估計應達到 1093g/cm3。宇宙中恒星級黑洞的內部因無可能再產生超新星爆炸，靠黑洞內部物質本身的引力收縮不可能克服質子和誇克的泡利不相容斥力的對抗。因此，更絕無可能塌縮出無窮大密度的“奇點”。
3*。因為愛因斯坦建立廣義相對論方程時，隻知道4種作用力中的2種，即引力和電磁力，而不知道尚有弱作用力和強作用力（核力）。當大量的物質粒子因引力收縮而密度增大時，它們的弱力，電力和核力所構成的物質結構對引力收縮的對抗作用會隨著密度的增大而顯現出來。這就是上麵所說的靠大量物質自身的引力收縮是不能逐一壓垮這些力所構成的物體的堅實結構的。
《7》。原先隻有2項的廣義相對論方程實際上是一個動力學方程，它在什麽樣的條件下能夠得出較準確的結果？即其有效的適用範圍是什麽？為什麽水星近日點的進動，光線在太陽引力場中的偏轉會成為廣義相對論方程較準確的驗證？一個不加任何限製條件的廣義相對論方程能解出來嗎？
如果用廣義相對論方程研究我們宇宙視界範圍以內的宇宙或者宇宙中的某一足夠大的區域或定量物體M時（在忽略其內部溫度改變的條件下），這應該能夠得出其外部較遠的物體或粒子ms所作的較準確的沿測地線的運動軌跡。因為在這一定量物質場M的能量-動量張量的作用下，可以看作與其內部為恒溫（然而在實際上，M內部的溫度會影響其外圍尺寸R的大小，從而影響ms運動的曲率半徑），因此，在描述M外的較遠的粒子ms沿愛因斯坦張量的時空幾何特性作測地線運動時，而能得出比牛頓力學較準確的結果。
1*。比如，當解決水星近日點的進動時，廣義相對論方程之所以能夠得出比牛頓力學較準確的計算數值，是因為牛頓力學將太陽質量Mθ當作集中於中心一點來處理的。而廣義相對論是將Mθ的質量當作分布在其太陽半徑Rθ的轉動球體內的。這就使得同等的Mθ對水星引力產生差異。這就是廣義相對論方程對牛頓力學的修正，和比牛頓力學較準確的原因。
2*。當光線在太陽附近的引力場外運動發射偏轉時，因為已經按照狹義相對論，規定了光子沒有引力質量，而將太陽作為恒溫定直徑球體，所以光線隻能按照廣義相對論的解釋，在太陽外圍作較準確測地線運動。這是牛頓力學無法解決的問題。但是，如果不按照狹義相對論的觀點，而假設光子也有相當的引力質量，用牛頓力學解決光線在太陽外圍附近的偏轉運動也是有可能的。
結論：廣義相對論對以上2個問題的解決之所以能夠得出較正確的結果，主要原因在於；1*。水星和光線都是在太陽Mθ的外麵運動，因此，在解方程時可以將Mθ當作恒溫的狀態來處理，2*。既然Mθ是在一定（恒溫，表明Mθ中的粒子此時並未向奇點塌縮）溫度下（核聚變供熱）的穩定狀態，就可以忽略溫度改變對Mθ本身所能造成的影響和改變。這就使得水星和光線在太陽Mθ的外麵能有較準確的測地線運動。
《8》. 如果限定我們宇宙視界內的Mu質量溫度恒定不膨脹，就可用廣義相對論方程研究我們宇宙視界外的物質粒子ms沿測地線的運動，但因我們無法觀測到宇宙視界之外的物體運動，所以這對我們毫無意義。
《9》. 當用廣義相對論方程研究宇宙內部或者宇宙內部分區域或物體的（比如星係或者星體）內部運動狀況時，因為假設隻有純粹的物質引力，而無內部斥力（這些斥力包括有引力收縮時所產生的物質分子的熱抗力，物體的結構抗力，核聚變的高溫熱抗力和物質粒子間的泡利不相容斥力等）與其引力相對抗，即所謂的“零、恒壓宇宙模型”。所以任何物體或者粒子團在其內部隻有引力收縮的條件下，就隻能一直塌縮成為荒謬的“奇點”。這就是R·彭羅斯和霍金必然會得出的結論。因此，將無宇宙常數的廣義相對論方程應用於研究宇宙內部和物體內部各處粒子的運動狀況時，其內部任何一點的粒子的測地線運動都是很難從方程中解出來的。這是因為物體內部物質粒子在單純的引力作用下，都處於正在向“奇點”塌縮的不穩定的運動狀態過程中。而愛因斯坦1917年在忽略溫度（實際上是恒溫條件）影響的條件下，就其場方程給出了一個穩定態宇宙的解(1b)和(1c)，其實也是不穩定的。
《10》. 因此，如果要想使廣義相對論方程可以用於解決宇宙或其中的某物體內部的運動狀態，就必須要在方程的能量-動量張量項內部引入與引力如影隨形的斥力，即熱力。同時還要在物體的中心加入某溫度下足夠大的堅實核心作為附加條件．即一方麵要將熱力學與其能量-動量張量緊密的結合在一起，使每一個有引力的物質粒子同時具有上述的內部斥力，另一方麵還要知道在不同半徑上上的溫度分布和密度分布（不同的質量），即引力和斥力平衡所形成的物質結構，這樣才有可能正確地從方程中解出物體結構（核心）外的各處粒子的的真實運動狀況，並且避免其內部“奇點”的產生。但如此一來，這方程就會變得極其複雜而幾乎不可能解出來。反之，如果已經知道了物質團的內部的溫度分布（斥力）和其核心的結構狀況，就不需要廣義相對論方程方程了。這就是廣義相對論方程到現在為止，除了作為一種宇宙觀之外，而沒有得出許多具有普遍性的科學結論的根本原因。由於解方程時的簡化，反而得出許多的謬論，如“奇點”。
《11》。廣義相對論方程中本無斥力，所以無法解釋宇宙膨脹。而有排斥力的宇宙常數Λ是愛因斯坦後來加進方程中去的。Λ是加在具有引力物質粒子的外部，而不是能量-動量張量的內部，所以Λ的作用在本質上隻能引起該物體的外在運動，而難以從廣義相對論方程解出物體內部質點的運動軌跡，即測地線。因此，從理論上講，隻有Λ進入能量-動量張量項的內部，使其內部的每一個粒子具有確定的引力和斥力，才能從該方程中解出物體內部各處粒子的測地線運動。但這種廣義相對論完整體係的數學方程尚未建立．
《12》。本文就是要運用霍金的黑洞量子輻射理論研究黑洞視界的收縮，從而避免了上述廣義相對論單純的引力收縮而導致“奇點”的缺陷的謬誤。
霍金的公式(3b)，Tb = (C3/4GMb)´ (h /2πκ) 是黑洞量子輻射理論的最大成就。作者在此基礎上得出任何黑洞質量Mb與其視界半徑Rb上量子輻射粒子mss的普遍公式mss Mb = hC/8πG=1.187´10-10g2 在極限的條件下，隻能是mss = Mb。Mbm = mss = (hC/8πG)1/2 = 10-5g = mp [。由此證明了黑洞因發射霍金輻射隻能收縮成為普朗克粒子mp而在普朗克領域爆炸解體消亡。再用粒子mss在視界半徑上的熱動力學的平衡有力地佐證了上式的正確性。
由於霍金的黑洞量子輻射理論不需要宇宙學原理，恒量物質的引力收縮和零壓宇宙模型等許多假設，所以霍金理論比廣義相對論簡潔正確，不會出現“奇點”。並進而能得出符合宇宙真實性和近代天文觀測數據的許多重大的正確的科學結論。 全文刊登在Academia Arena, 2010;2(2):76-99](ISSN 1553-992X)， 網址：http://sciencepub.net/academia/aa0202請閱讀更多我的博客文章>>>
