摘? 要：介紹了普適速度的量值，闡述了光速—頻率的關(guān)系式，探討了光子的靜止質(zhì)量，引入了原初粒子—元子，分析了光子的結(jié)構(gòu)，得出了引力波速度大于光速的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：普適速度;光速—頻率關(guān)系式;光子靜止質(zhì)量;元子;光子結(jié)構(gòu);引力波速度

0? 引言

光速問(wèn)題在物理學(xué)中具有特殊的地位。光速不變是A·愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本假設(shè)之一。根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，光速在真空中速度恒為 。 為宇宙中的極限速度，沒(méi)有任何物體或信息運(yùn)動(dòng)的速度可以超過(guò)真空中的光速 。2003年年底，本人曾發(fā)表光速和頻率關(guān)系的論文[1]，提出光速是可變的，光子也是具有靜止質(zhì)量的。近段時(shí)間來(lái)，又對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了光子的結(jié)構(gòu)，并得出了引力波速度大于光速的結(jié)論。

1? 關(guān)于普適速度。

實(shí)驗(yàn)指出，光速或廣義意義上的電磁波速度，有隨頻率的增加而增大的趨勢(shì)[2]。盡管這種變化是不大的。由此可以得出，光速并不是一個(gè)不變量。在理論上，羅馬尼亞物理學(xué)家A·普洛卡于1930年提出了不同于光速的普適速度的概念，這個(gè)普適速度用常數(shù)C表示，并在麥克斯韋電磁場(chǎng)方程中，列入光子具有靜止質(zhì)量的數(shù)學(xué)項(xiàng)，得出了普洛卡電磁場(chǎng)方程組[3]。在這里，普洛卡得出的常數(shù)C是一個(gè)具有速度量綱的普適常數(shù)，這是一個(gè)理想化的極限速度。普洛卡認(rèn)為，當(dāng)光的頻率不斷增加、趨于無(wú)窮大時(shí)，其速度C也不斷增大，最后即趨于普適常數(shù)C[4]。在這個(gè)理論中，光速不變?cè)硪巡辉俅嬖凇Ｒ虼?，?yīng)用C代換A·愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論相關(guān)公式中的 。在此情況下，將得到新的運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度收縮公式、時(shí)鐘變慢公式、質(zhì)量隨速度增長(zhǎng)公式和質(zhì)能公式等。

4? 關(guān)于光子的結(jié)構(gòu)。

由于光子具有靜止的質(zhì)量，意味著光子具有一定的半徑和體積。就是說(shuō)，光子具有內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，光子是由亞夸克所構(gòu)成的。按照元子理論，元子是構(gòu)成物質(zhì)世界的原初粒子 。元子是一種亞夸克。元子以 表示?？梢约僭O(shè)，元子是費(fèi)米子，其自旋量子數(shù) ，電荷為 。元子具有陰子和陽(yáng)子兩個(gè)不同的荷電態(tài)。陽(yáng)子以 表示，陰子以 表示。陽(yáng)子有紅、綠、藍(lán) 種色荷，以 、 、 表示。陰子以 、 、 表示， 、 、 為 、 、 的反色。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，頂夸克 的質(zhì)量為? ，它由 個(gè)陰子和陽(yáng)子所組合而成。組合中的每一個(gè)陰子或陽(yáng)子稱為其組分。據(jù)此可得，陰子和陽(yáng)子的質(zhì)量為 。陰子和陽(yáng)子也是費(fèi)米子，自旋角動(dòng)量也為 。陽(yáng)子的電荷為 ，陰子的電荷為 。傳遞相互作用力的媒介子為粘子，以 表示。粘子 也包括正反粘子 和 。它們也各有 種色荷。粘子傳遞的相互作用力稱為粘力。電子等輕子的半徑為 。粘子作為亞夸克之間相互作用的媒介子，其力程應(yīng)當(dāng)在這一范圍之內(nèi)，是極短的。粘子將陰子和陽(yáng)子牢固地結(jié)合在一起，其作用力是一種極強(qiáng)力。由 可得，粘子的質(zhì)量為 。此值和質(zhì)量最大的頂夸克 的值相當(dāng)，是極大的。粘子的自旋為 ，電荷為 。元子 數(shù)等于陰子 數(shù)與陽(yáng)子 數(shù)之和， 。

元子的兩個(gè)荷電態(tài)——陰子和陽(yáng)子的 個(gè)、 個(gè)或超過(guò) 個(gè)，都可構(gòu)成夸克等粒子。對(duì)于1個(gè)、2個(gè)或多個(gè)陰子和陽(yáng)子組合在一起的情況，其組合數(shù)即粒子數(shù)為， 。其中 ; 。由此可見，陰子和陽(yáng)子可以組成63種粒子。其中包括粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的62種粒子和膠子的第9態(tài)。63種粒子可以組成介子和重子等強(qiáng)子。介子和重子可以構(gòu)成原子核。電子等輕子和原子核可以構(gòu)成原子。原子可以構(gòu)成分子。而原子和分子則可以構(gòu)成形形色色的各種物體。歸根結(jié)底，元子是世界萬(wàn)物的源頭，它構(gòu)成了整個(gè)的物質(zhì)世界。

按照元子理論，光子 的組分為? 。可以看出，它由2個(gè)陽(yáng)子 、 和2個(gè)陰子 、 所組成。陽(yáng)子的 ，陰子的 ，陽(yáng)子和陰子的電荷正好相反，相互抵消，故其總電荷為 。光子4個(gè)組分的的自旋量子數(shù)各為 ，可以設(shè)想，其中2個(gè)組分的自旋相反，其組合的效果為0，2個(gè)組分的自旋相同，其組合的效果為1，故其總的效果為1。如前所述，光子的靜止質(zhì)量則為 ?？梢钥闯?，這些結(jié)果都和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符合。

5? 關(guān)于引力波速度。

現(xiàn)在來(lái)求普適速度的物質(zhì)載體。任何速度都是物體的運(yùn)動(dòng)速度。同任何運(yùn)動(dòng)速度都有物質(zhì)載體一樣，普適速度也有其具體的物質(zhì)載體。在狹義相對(duì)論中，光速是基本公設(shè)，是最快的運(yùn)動(dòng)速度，是不變的。光速不變，是由四維時(shí)空的結(jié)構(gòu)決定的。至于近來(lái)認(rèn)為引力波的速度也是光速，這不是偶然的巧合，實(shí)際上是由愛(ài)因斯坦自己所定的。在狹義相對(duì)論里，由于測(cè)量結(jié)果已認(rèn)為光速不變，所以，愛(ài)因斯坦直接以此為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出統(tǒng)一的時(shí)空結(jié)構(gòu)。而廣義相對(duì)論完全沿用狹義相對(duì)論里統(tǒng)一的時(shí)空結(jié)構(gòu)。既然狹義相對(duì)論已經(jīng)定義了這個(gè)極限速度，那么作為時(shí)空自身幾何變化的引力波速度，自然也是這個(gè)極限速度了。因此，愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出引力波方程時(shí)，光速 實(shí)際上是作為一個(gè)參數(shù)，被添加進(jìn)去的。其引力波方程為 ?？梢钥闯?， 已經(jīng)在方程里面了。所以，引力波確實(shí)是廣義相對(duì)論的預(yù)言。引力波的速度就是引力速度。但是，對(duì)于引力波的速度是光速，其實(shí)并不是廣義相對(duì)論的預(yù)言，因?yàn)樗皇菑姆匠讨苯訉?dǎo)出的。

對(duì)于廣義相對(duì)論，似乎只是愛(ài)因斯坦一個(gè)人的戰(zhàn)斗。其實(shí)不然 。在廣義相對(duì)論的誕生歷史中，還是有過(guò)一段有趣的插曲，那就是廣義相對(duì)論中的核心方程—廣義相對(duì)論場(chǎng)方程的提出。這段插曲涉及兩個(gè)人，一位當(dāng)然是愛(ài)因斯坦，另一位則是當(dāng)時(shí)世界數(shù)學(xué)中心、哥廷根學(xué)派的領(lǐng)袖、被譽(yù)為數(shù)學(xué)之王的德國(guó)數(shù)學(xué)家D·希爾伯特。希爾伯特雖然是一名數(shù)學(xué)家，但他對(duì)物理學(xué)卻也涉獵頗深。

從1905年狹義相對(duì)論誕生之后，愛(ài)因斯坦就開始探尋廣義相對(duì)論，但卻遇到了困難，一直沒(méi)有找到完美描述其物理過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式。所以，愛(ài)因斯坦求助了希爾伯特。同樣，在1912年的時(shí)候， 希爾伯特在研究線性積分方程時(shí)，也曾和愛(ài)因斯坦有過(guò)信件的往來(lái)。在信件往來(lái)中，愛(ài)因斯坦向希爾伯特展示了自己的研究成果，并透漏過(guò)自己所遇到的困難。1915年11月7日，愛(ài)因斯坦曾和希爾伯特進(jìn)行過(guò)信件的交流，通過(guò)希爾伯特的反饋，愛(ài)因斯坦在11月11日提出了一個(gè)大致協(xié)變的等式。在此期間，他們兩人的研究工作都取得了突破。于1915年11月20日，希爾伯特在哥廷根皇家科學(xué)院作了有關(guān)引力理論的報(bào)告，介紹了他的研究成果。一、引力理論的作用量為 。其中 為曲率標(biāo)量，現(xiàn)代符號(hào)為 ， 為物質(zhì)場(chǎng)的作用量，對(duì)于希爾伯特來(lái)說(shuō)，特指德國(guó)物理學(xué)家G·米理論中的電磁作用量。實(shí)際上，這里的作用量即為最小作用量原理。二、引力場(chǎng)方程為 。其中 為里奇張量，現(xiàn)代符號(hào)為 ， 為度規(guī)張量， 為度規(guī)張量的行列式。這里，沒(méi)有引入光速是極限速度的假設(shè)。

愛(ài)因斯坦傳記作者—德國(guó)作家A·弗爾辛認(rèn)為，在11月，當(dāng)愛(ài)因斯坦專注于他的引力理論時(shí)，他基本上只和希爾伯特通信，向希爾伯特發(fā)送了他的出版物。希爾伯特也撰寫了他的文章草稿。11月18日，愛(ài)因斯坦感謝希爾伯特撰寫了他的文章草稿。愛(ài)因斯坦應(yīng)該在寫這封信之前，收到了那篇文章。雖然看似確信愛(ài)因斯坦和希爾伯特獨(dú)立得出了正確的形式，但愛(ài)因斯坦也許借鑒了希爾伯特的論文，發(fā)現(xiàn)了他自己方程式中仍然缺乏的術(shù)語(yǔ)。在之后和希爾伯特的多次信件交流后，愛(ài)因斯坦則在11月25日，提出了最終的廣義相對(duì)論場(chǎng)方程 。 是愛(ài)因斯坦張量， 是從黎曼張量縮并而成的里奇張量， 是從里奇張量縮并而成的曲率標(biāo)量， 是度規(guī)張量， 是能量動(dòng)量張量， 是萬(wàn)有引力常數(shù)， 是真空中的光速。其方程為二階非線性方程。其意義為，空間的彎曲狀況（ ） 空間物質(zhì)的能量動(dòng)量分布（ ）。

可以看出，雖然希爾伯特方程和愛(ài)因斯坦方程的形式不一樣，但都發(fā)現(xiàn)了正確的引力場(chǎng)方程。雖然后人經(jīng)常爭(zhēng)論愛(ài)因斯坦和希爾伯特究竟誰(shuí)先抵達(dá)，但多人認(rèn)為，希爾伯特的方程早于愛(ài)因斯坦的方程。美國(guó)加州理工學(xué)院的物理學(xué)家K·索恩在他的著作《黑洞與時(shí)間扭曲：愛(ài)因斯坦的離譜遺產(chǎn)》中明確指出：“值得注意的是，愛(ài)因斯坦并不是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)翹曲定律的正確形式的人。對(duì)第一次發(fā)現(xiàn)的認(rèn)可必須歸功于希爾伯特。”荷蘭裔美國(guó)物理學(xué)家A·派斯在他的愛(ài)因斯坦傳記《上帝是微妙的》里也表示：基本方程式的發(fā)現(xiàn)應(yīng)同時(shí)歸功于希爾伯特和愛(ài)因斯坦。這兩段話可以說(shuō)為希爾伯特和愛(ài)因斯坦在引力場(chǎng)方程的發(fā)現(xiàn)中所作出的成就，作了公正的評(píng)價(jià)。因此，引力場(chǎng)方程可以稱之為希爾伯特一愛(ài)因斯坦方程。希爾伯特的可稱為希爾伯特引力場(chǎng)方程，或引力場(chǎng)方程的希爾伯特表述，愛(ài)因斯坦的可稱為愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程，或引力場(chǎng)方程的愛(ài)因斯坦表述。

那么，引力波的速度是不是就是光速呢？那可不一定。根據(jù)廣義相對(duì)論，研究表明，對(duì)于雙星系統(tǒng)中的某一星體，其引力四極輻射所造成的軌道能量損失率為 ， 。其中符號(hào) 表示對(duì)軌道周期求平均。 ，為折合質(zhì)量，? ， 為總質(zhì)量， 為雙星系統(tǒng)中某一星體的速度， 為該星體軌道到質(zhì)心的距離，符號(hào)? ?表示求導(dǎo)。對(duì)于某星體，可以求得其軌道周期的變化率。對(duì)于脈沖星PSR1913+16，其軌道周期變化率為：

由此可見，引力波速度 大于光速 ，光速并不是極限速度，引力波速度才是極限速度。也就是說(shuō)，引力波速度應(yīng)當(dāng)就是普適速度具體的物質(zhì)載體。

6? 結(jié)論

自然界存在一種普適速度。這種普適速度并不是光速。它大于光速 。由此，可以得出光速隨頻率的變化，進(jìn)而求得光子的靜止質(zhì)量。由于光子具有靜止質(zhì)量，故其應(yīng)有內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。由于普適速度應(yīng)有物質(zhì)的載體，這種載體就是引力。普適速度就是引力波的速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱臨.光速與頻率的關(guān)系和光子靜止質(zhì)量的下限[C].牛子娟、郝亞平.自然科學(xué)專輯.蘭州：蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，2003. 93-96。

[2]A·P·弗里奇著，張大衛(wèi)譯.狹義相對(duì)論[M].北京：人民教育出版社，1979，11。

[3]A·Proca.Sur l'equation de Dirac[J].l'Académie parisienne：Comptes rendus： 1930，190：1377-1379.

[4]張?jiān)?狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1979，152。

[5]倪光炯、李洪芳.近代物理[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979，54—55。

[6]復(fù)旦大學(xué)《物理學(xué)》編寫組.物理學(xué)（下冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社第二版，1987，113—136。

[7]趙凱華、陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社第二版，1985，805。

[8]朱臨.元子和物質(zhì)世界的統(tǒng)一性[J]. 天津：科學(xué)與信息化：2017，2（9中）：196。

[9]維基百科，頂夸克，[EB/OL].zh.wikipedia.org/wiki，2014-09-10。

[10]朱臨.哲學(xué)的陰陽(yáng)理論和粒子的亞夸克模型[J]. 河北：科技風(fēng)：2015，28（6下）：258—259。

[11]百度，數(shù)學(xué)與物理天才之爭(zhēng)—愛(ài)因斯坦與希爾伯特的廣義相對(duì)論競(jìng)賽，[EB/OL].baijiahao.baidu.com，2020-01-28。

[12]秦榮光、閻永康.廣義相對(duì)論與引力理論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987，210，236-237。