从统一场论严格地推导出相对论

本人带来的统一场论，可以解释相对论，推导出相对论，扩展相对论，纠正了相对论的小部分错误，是相对论的升级产品。

本文将从统一场论严格地推导出相对论，请大家仔细地看每一步的推导过程。

统一场论的基本假设：

宇宙中任何物体（包括我们观察者的身体）相对于我们观察者静止的时候，周围空间都以物体为中心、以光速度C向四周作发散式运动。

注释：统一场论认为光速可以为矢量，用大写字母C（数量或模、或标量为c，c不变）表示，矢量光速C方向可以变化。

时间的物理定义：

宇宙中任何物体（包括我们观察者的身体）周围空间都以物体为中心、以矢量光速度C向四周发散运动，空间这种运动给我们观察者的感觉就是时间。

时间是我们观测者周围空间以观察者为中心、以矢量光速C向四周发散运动给我们人的感觉。

我们观察者周围空间一个空间点【统一场论为了描述空间本身的运动，把空间分割成许多小块，每一个小块叫空间点，通过描述空间点的运动，就可以描述空间本身的运动】p在零时刻，从我们观察者所在的地方，以矢量光速C，所经历的时间t与走过的路程R成正比。

由此得出时空同一化方程：

R(t) =Ct = xi+ yj + zk

i,j,k分别是沿x轴、y轴、z轴的单位矢量。标量形式为：

r² = c²t²= x² + y² + z²

这两个方程可以认为是时空同一化方程，反映了空间和时间是同一个起源。

在下图中：

可以看出：

| Vt| /|C t| = sinβ = v/c

消除t，可以得到：

| V| /|C | = sinβ = v/c

令C和V之间的角度为b，有：

cosb =|V| /| C | = v/c

由上式可以导出sin b = √（1- v²/c²），这个实际上是相对论因子产生的原因【这里不详细解释这一点，本文重点推导出洛伦茨变换】。

 设想，二维直角坐标系s系的原点o和s’系的原点o’在时刻等于零的时候，相互重合在一起，并且x轴和x’轴是相互重合的。

后来，相互以匀速度V【标量为v】沿着x【或者x’】轴正方向匀速直线运动。

一个质点o一直静止在s’系的原点o’上，s系和s’系的观察者共同来考察一个空间点p。

p点在零时刻，从o点【或者是o’】出发，沿y轴或者y’轴以光速运动。

如果我们把光看成是光子，这里的质点o是光源，点p就是一个光子，如果把光看成是波，这里的点p就是波前。

在统一场论中，把光看成是静止质量、电荷为零的激发电子随空间一同运动，光的波动性是空间本身的波动。

即使没有激发电子，或者没有光子，质点o不发光，也不是光源，就是一个普通物体，但周围的空间仍然以矢量光速C向外运动。

这种情况下，p点就可以看成是空间点，也就是p点表示为o点周围的一小块空间。

s’系的观察者认为p点在零时刻从质点o出发，经过了时间t’，走到了p点后来所在的位置上，以矢量光速C’【标量为c】走了o’p = c t这么远的路程。

s系的观察者认为p点在零时刻从质点o出发，经过了时间t，走到了p点后来所在的位置上，走了op 这么远的路程。

按照以上的时间物理定义有：

t’/t =o’p/op

因为时间与观察者周围空间点走过的路程成正比。由上式可以导出：

op/t =o’p/t’

按照时间的物理定义：s’系中的观察者认为o点相对于自己静止的情况下，在零时刻，空间点p是以光速c沿o’p运动的，所以：

o’p/t’ = c

所以：

op/t =o’p/t’= c

由于o’p² + v²t² = op² = c²t²

o’p² = c²t²(1－v²/c²)

（ct’）² = c²t²（1－v²/c²）

t’ = t√（1-v²/c²）

由以上的推理，可以得出，同一个事件【这里就是空间点p从质点o出发，到达p点后来的位置这件事】在相互运动的两个观察者看来，是不一样的。

并且，相对于质点o运动的s系里的观察者，认为时间延长了，这个和相对论的结论是一样的，而且在延长的数量上也是一样的。

到了这一步，就可以基本上判断相对论是正确的。

我们接着推理。

用以上的时间的物理定义可以解释相对论中的光速不变。

相对论是以光速不变为基础而建立起来的，但是，相对论没有解释光速为什么不变，相对论只是把光速不变作为事实依据，展开了对牛顿力学的扩展、修改。

相对论中光速不变是指：

光源静止或者以速度v运动时候，光源发出的光的速度c相对于我们观察者始终不变。

如果你知道时间的物理定义，你就立即知道了光速为什么不变。

按照前面的结论：

时间的量t与光速c运动空间的位移量r成正比，也就是：

r = ct

光速c = r/t是一个分式，从数学中我们知道，分式就是分子除以分母。

光速中的分子---空间位移r和光速中的分母---时间t是一个东西，是我们人为的把一个东西叫成两个名字。

比如，张飞，又名张翼德，虽然是两个名字，但是，指的是同一个人。

所以，光速的分子---空间位移r如果有什么变动，光速的分母---时间t一定会同步变化【因为r和t本来是同一个东西，是我们观察者叫成了两个名字】，这样光速的数值c = r / t始终不变，这个就是光速不变的原因。

比如说，我们看到了张飞胖了，体重增加了5斤，我们马上就可以断定张翼德体重肯定增加5斤，因为两个名字指的是同一个人。

张飞和张翼德的体重在增加，但是，张飞的体重和张翼德的体重的比值始终不变。

当光源相对于我们以速度v运动的时候，引起了光速的分子---空间位移r的变化，一定会引起光速的分母---时间t同步变化。

因为光速的分子---空间位移r和光速的分母---时间t本质上是同一个东西，是我们人叫成两个名字，如同我们把张飞又叫了另一个名字---张翼德。

从以上可以推理出，光源相对于我们观察者无论是匀速还是加速运动，光速始终不变。这个表明广义相对论基本正确。

下面我们重新导出洛伦茨变换，并且利用时间的物理定义对其中的光速不变做出解释。

相对论是以光速不变为基础建立起来的一套物理理论。狭义相对论中的光速不变是指：

光源在静止时候所发出的光，相对于我们观察者是每秒30万公里。

当这个光源相对于我们观察者以某一个速度沿着某一个方向匀速直线运动的时候，其发出的光相对于我们观察者仍然是每秒30万公里。

洛伦茨变换是狭义相对论的核心和基础，而光速不变是洛伦茨变换的主要依据。

光速为什么不变？相对论没有、也没有能力给出解释。相对论只是把光速不变作为一个事实，展开推理，然后对牛顿力学进行修改、扩展。相对论是一个不彻底的理论。

统一场论指出，光速不变与时间的本质紧密的联系在一起，你一旦知道了时间的本质，就立即明白了光速为什么不变。

本文首先按照相对论的思想推导出洛伦茨变换，再利用统一场论思想修正洛伦茨变换中一些似是而非的问题。再通过统一场论中时间的物理定义，来解释光速为什么不变。

首先我们给出相对论中洛伦茨变换的推导过程。

设有两个直角惯性坐标系s系和s'系，任意一事件发生的地点、时间在s系、s'系中的时空坐标分别用（x，y，z，t）、（x'，y'，z'，t'）来表示。

在洛伦茨变换中y = y'，z = z'，为了简单起见，我们现在主要考虑x, t,和x', t'之间的变换。

在下图中，x轴和x'相互重合，在t'= t = 0时刻，s系的原点o 点【s系里的观察者就站在o点上】和s’的原点o’【s’系里观察者就站在o’点上】点相互重合在一起。随后，o’点相对于o点以速率v沿x轴正方向运动。

设想在某时刻，发生了一次爆炸事件，在s'系中测量，发生在P点的爆炸事件的空间、时间坐标分别为x', t'。也就是说爆炸是发生在t'时刻，发生的地点P，是在x'轴上离原点o'距离为x'处。并且，P点相对于s’系是静止的。

在s系中测量，发生在P点的爆炸的空间、时间的坐标分别为x, t。也就是说爆炸是发生在t时刻，发生的地点是在x轴上离原点o距离为x处。并且，P点相对于s’系是以速度v运动的。

我们来求出发生在P点的一次爆炸事件在两个惯性参考系坐标值之间的关系。

在上图中，可以直观地看出

x'= x–vt 

x = x'+ vt'

按照伽利略相对性原理的思想，时间、空间长度的测量与观测者的运动速度没有关系，上式就可以成立。

但是，相对论认为时间、空间长度的测量与观测者的相互运动速度有关，随着速度的变化而变化，所以上边两式要分别乘上一个系数k和k'才能够成立。

x'= k(x -vt)            (1)

x = k'(x'+vt')           (2)

由于s系相对于s'系是匀速直线运动，因而我们应该合理的认为x' 和(x –vt) ，x 和(x'+ vt')之间的关系应该是线性的，满足于简单的正比关系，所以k和k'应该是常数。

相对论的相对性原理认为，物理定律在所有的惯性参考系中都是相同或者平权的，不同惯性系的物理方程形式应该是相同的，所以k和k'应该相等。

对于k的值，洛伦茨变换用的就是光速不变求出的。

设想由原点o、o'在重合的零时刻发出一束沿x轴正方向前进的光，光速为c。

设该光束的波前【我们假定光是波，所以用波前，如果认为光是粒子，波前就应该改为光子。在统一场论中，光子可以用空间点来代替。为什么？因为光子是静止在空间中随空间光速运动而运动，如果没有光子，单纯的空间点，同样以光速在运动】坐标，在s系里为（x，y，z，t)，在s’系里为(x'，y'，z'，t')。

以波前达到某一个地点【比如到达P点】这一事件作为我们考察的对象。

如果光速c在s系和s'系是相同的，就有

x = ct                  (3)

x’= ct'                (4)

将（1）,(2),(3), (4)式联合起来，可以导出：

ct'= k(x - vt)

ct = k'(x'+ vt')  

注意k = k’，将上边两式相乘，再一次导出：

c²t t'= k²(x –vt) (x'+ vt') 

=  k² (xx’+ xvt’ - vtx'- v²tt') 

=  k² (xx’+ ctvt’ – vtct’- v²tt') 

=  k² (c²tt’ - v²tt') 

再一次导出：

c²=  k² (c² - v²) 

k = 1/√（1- v²/c²）  

将上式代入（1）式和（2）式，可以得出：

x'= (x–vt) /√（1- v²/c²）        (5)

x =(x'+ vt') /√（1- v²/c²）       (6)

由（5）式和（6）式，消去x’，得出：

t'=(t–vx/c²)/√（1- v²/c²）        (7)

由（5）式和（6）式，消去x，得出：

t=(t'+ vx'/c²)/√（1- v²/c²）       (8)

式：

x'= (x–vt) /√（1- v²/c²）        （9）

y' = y                  (10)

z' = z              (11)

t'=(t–vx/c²)/√（1- v²/c²）   （12）

就是洛伦茨正变换。

式：

x =(x'+ vt') /√（1- v²/c²）

y = y’

z = z’ 

t=(t'+ vx'/c²)1/√（1- v²/c²） 

就是洛伦茨逆变换。

接下来我们用统一场论思想对以上洛伦茨变换做出解读。

1、洛伦茨变换继承了伽利略变换中，s系看s’系以速度V运动，s’系看s系是以速度- v运动。

同一个事情发生的时间、空间位置，在两个惯性系中，在伽利略变换中被认为是不变的，这个被洛伦茨变换否定了。

洛伦茨变换继承了伽利略变换一部分思想，否定了一部分，不是完全地否定。

2、统一场论认为一切运动形式、物理现象都是我们观察者描述出来的，没有我们观察者，谈论物理现象、运动是没有意义的。我们总是默认s’系和s系其中一个惯性参照系是我所在的参考系。

3、s’系和s系只有我看你是运动的，你看我是运动的平权的，不是绝对平权的。我们总是默认s’系和s系其中只有一个是我所在的参考系，我所在的参考系是优越的，而且，我只有一个。

4、统一场论认为，描述运动需要存在4个基本条件：一个是空间，一个是时间【包括时间的开始、过程、结束】，一个是观察者，一个是被描述的对象【物体或者物体运动变化形成的事件】。

4个条件，缺少一个，描述运动是没有意义的。特殊情况下，被描述的对象和观察者是同一个东西，但是，这种情况下，描述在一般情况下也是没有意义的。

所以，在洛伦茨变换中，我们必须：（1）要明确观察者。（2）确定被描述的对象。（3）确定事件的开始和结束时刻和经历的时间。（4）确定事件发生所在的空间位置。

5、s’系和s系虽然不能说哪一个绝对在运动，绝对运动是没有意义的。但是，相对运动【就是相对于某一个观察者在运动】是有意义的。我们习惯上是把被描述的对象p点【物体或者物体运动变化形成的事件】静止所在的系叫s’，又叫动系，s系叫静系。

6、当我这个观察者被默认站在s系里，将用到洛伦茨正变换，当我被默认站在s’系里，将用到洛伦茨逆变换。

下面我们用统一场论的时间物理定义，来解释（3）式和（4）式中的光速不变。

前面的时间物理定义指出：

时间t与观测者周围一个空间点p以光速c移动的距离r成正比,所以有方程：

r =ct               

如果没有光在空间中，空间点仍然以光速c在运动，所以我们可以把以上提到的光的波前【或者光子】换成空间点p。

设想在t'= t = 0时刻，以上的s系和s’系中，原点o和原点o'相互重合。

按照前面的时间物理定义，会有一个空间点p离开o'点，以光速c沿着x’轴【或者x轴，因为x轴和x’轴相互重合】正方向匀速直线运动，经过时间t’后到达p点所在的位置。  

对于空间点p离开o’点到达p点这件事情，s’系中的观测者认为，这个空间点p以光速c = x’/t’走了x’这么远的路程，用了t’这么长时间。

而在s中的观测者认为，这个空间点p离开o’点到达p点，走了x这么远的路程，用了t这么长时间。

时间的物理定义告诉我们：时间与观测者周围空间中一个空间点走过的距离成正比。

所以，s系中的时间t比s’系中的时间t’，等于s系中的空间点走过的路程x比s’系中空间点走过的路程x’，也就是：

t/t’ = x/ x’

将上式作一个变换，

x/ t = x'/t'

由于x/ t 和x'/t' 都是位移比时间，并且，根据时间的物理定义，在s’系中有x’/ t’= c，所以

x/ t = x'/t' = 速率 = c

所以，以上说明了一定会有一个与时间密切相关的特殊速率【我们用c来表示】，在相互运动的两个观测者看来，c的值是相等的。

以上的时间物理定义只要是正确的，就能够证明（3）式和（4）式中的光速c是相等的。

以上我们用统一场论中的时间物理定义，推导出相对论中的洛伦茨变换，并且解释了光速不变。相对论可以说就是在洛伦茨变换的基础上建立起来的。

以上可以说，统一场论完全能够推理出相对论的所有内容。

但是，统一场论涉及的范围更广，远远超出相对论，并且在动量方程、动力学方程、能量方程上和相对论都不一样。

而且，根据统一场论的动量方程、动力学方程、能量方程，可以推导出相对论、牛顿力学的动量方程、动力学方程、能量方程等。

相对论、牛顿力学的这些方程，只是统一场论方程的一个分量、特例，而统一场论扩展了相对论、牛顿力学这些方程，并且，把电磁学统一在其中。

【作者简介】

张祥前，安徽庐江县一个农民，初中水平，在1985年夏天去一个高度发达的外星球旅行了一个月时间，不但了解了他们的日常生活情况，还了解了他们许多超前的科学技术，以及与宇宙核心秘密有关的方程。特别是他们的人工场扫描技术，可以取代我们地球上流行的电能，是电的升级产品，一旦被我们社会所重视，立即可以引起人类天翻地覆的变化。人类将迅速地进入光速、虚拟时代。

代表作：《果克星球奇遇》、《统一场论6版》。