劉泰祥 編著2010年11月完稿 自古以來，壯麗星空天象令人驚奇，從而進行觀察、思索和研究，試圖了解其奧秘。人類對宇宙的認識是不斷發展的，尤其是人類認識宇宙的幾次大飛躍影響深遠。
第壹次飛躍是認識到地球是球形的。公元2世紀，托勒密在其名著《天文學大成》中闡述了宇宙地心體系（即地心說），認為地球靜止地位於宇宙中心，各行星在其特定輪上繞地球轉動，且跟恒星壹起每天繞地球轉壹圈。因為否認上帝，直到1215年教會還禁止講授他的理論，後來教會才把地心說作為統治工具。
第二次大飛躍是1543年哥白尼在名著《天體運行論》中提出宇宙日心體系（即日心說），形成太陽系概念。正如書名中“revolution”壹詞有運行和革命雙關意思，從此自然科學開始從神學中解放出來。17世紀初，伽利略制成天文望遠鏡觀測星空，提供了太陽系的新證據，分辨出銀河由密集的恒星組成，開創了近代天文學。
第三次大飛躍是萬有引力定律和天體力學的建立。開普勒發現行星運動三定律，牛頓總結前人成果，寫出名著《自然哲學的數學原理》，由開普勒定律導出萬有引力定律，奠定了天體力學基礎。哈雷彗星的回歸和海王星的發現顯示了牛頓理論的威力。
第四次大飛躍是認識到太陽系有其產生到衰亡的演化史。在牛頓時代，絕對不變的自然觀占主導地位。在這種僵化自然觀上打開第壹個缺口的是康德和拉普拉斯，他們先後提出兩種太陽系起源的
星雲假說。演化觀的建立對自然科學和哲學的發展都有深遠的影響。
第五次大飛躍是建立銀河系和星系概念。哈雷把當時的星表和古星表比較，發現某些恒星有移動。後來，天文學家測出各恒星離我們遠近不同。這樣就打破了恒星固定在天球上的錯誤概念。繼而在賴特、朗伯特提出的扁盤狀銀河系的基礎上，赫歇耳研究得出銀河系的粗略結構圖。
第六次大飛躍是天體物理學興起。19世紀中葉以來，照相術、光譜分析和光度測量技術相繼應用於天文觀測，導致天體物理學興起。孔德在1825年斷言“恒星的化學成分是人類絕對不能得到的知識”，但不久光譜分析就可以得知天體的化學組成了。隨著原子物理的創立和發展，破解了天體的物理狀況和化學組成。但其成因研究還僅僅是個開始（作者註）。
第七次大飛躍是時空觀的革命。20世紀初，愛因斯坦創立相對論，把時間、空間與物體及其運動緊密聯系起來，打破了牛頓的絕對時空觀，建立“相對論時空觀”。他建立的質能關系方程，成為天體、核能等的理論基礎。
近半個多世紀以來，天文學和微觀研究進入迅猛發展的新時代，新發現接踵而至，出現大量新課題，面臨新的飛躍，乃至孕育自然科學新的革命①。
這些大量的新課題，為我們提供了打開宇宙大門的鑰匙。我摒棄物理學現有的時空觀和認識論，用懷疑的眼光重新審視我們的物理學體系，抽取出各種物理現象和實驗數據，進行系統的分析研究，
提煉出了系統時空觀，然後將其反復放到更多的物理現象和現有實驗數據中進行驗證和不斷修正，最終初步建立了較為完整的系統時空觀，並在此基礎上架構了系統相對論體系的框架。
我期望《系統相對論》是吹響自然科學的新的偉大革命實踐的號角。當然我也深深知道突破舊的藩籬是何等的艱難，但我堅信建立在更廣泛的現象、實驗和實踐基礎上的系統相對論，有著更加堅實的基礎和先進性。
本文力求簡潔明了地介紹系統相對論的基本原理，並用系統相對論時空觀理解和解釋我們的宇宙，論述中難免會對現有物理理論提出質疑和對事物作出不同的解釋，但對先賢和經典理論絕無冒犯和輕視之意，也無嘩眾取寵之念，唯求真理而已。
系統相對論體系極其龐大，涉及範圍極其廣泛，幾乎包括當前所有學科。顯然全面架構系統相對論，絕非壹人壹時之功能夠完成的。同時由於本人時間倉促、掌握數據有限以及知識水平所限，難免顯得粗淺和缺乏理論的完整性，甚至出現解釋或定義性的壹些錯誤，敬請讀者給予諒解和批評指正。
劉泰祥
2010年11月 人類物質觀的發展史主要體現在時空觀和光的波粒爭論兩大方面。 人類的時空觀主要經歷了兩個階段：絕對時空觀和相對時空觀。 光的波粒爭論貫穿於整個時空觀的發展史。
1. 絕對時空觀
絕對時空觀是牛頓力學的時空觀，即認為時間和空間與物體的運動狀態無關，並且時間和空間也無任何聯系。伽利略變換是這種絕對時空觀的數學體現，它在解決宏觀、低速現象的問題中，取得了輝煌的成就。在17世紀下半葉，隨著光的波動理論的建立，基於波動需要在介質中傳播的經驗，當時把這種傳遞光波的介質取名為以太。以太具有許多特殊的性質：不具有質量；它無處不在，充滿整個宇宙並滲透到壹切物質的內部；對物體的運動沒有任何托拽。
19世紀下半葉，隨著麥克斯韋電磁理論的建立，導出了光速c在真空中是恒定的。但根據伽利略的速度變換公式，在以速度v相對以太做勻速直線運動的參照系中，光的傳播速度應在c+v和c-v之間。即電磁規律不滿足伽利略相對性原理。為此物理學家做了許多觀測和實驗，其中比較典型的是光行差現象和邁克爾遜-莫雷實驗，其結果是否定了以太的存在。這壹系列的觀測和實驗構成了狹義相對論的實驗基礎①。
2. 相對時空觀
相對時空觀是愛因斯坦相對論的時空觀，即認為時間和空間彼此聯系又都與運動有關；時空是彎曲的，宇宙在空間上是均勻各向同性的。愛因斯坦引力場方程是這種相對時空觀的數學體現，它正確預言了質點和光子在彎曲時空中的運動，把人類的觀測範圍延伸到100多億光年②。
由愛因斯坦引力場方程、能量守恒方程和物態方程導出的宇宙標準模型，即弗裏德曼模型。根據從星系觀察到的宇宙能量密度現在值ρ0，要比臨界值ρc小兩個數量級，得出宇宙是開放的結論；但從宇宙學紅移觀察得到的減速參數的現在值q0，又大於1/2，得出宇宙是封閉的結論。這種矛盾的結果還有待於進壹步努力去解決。
廣義相對論存在奇性，具有時空曲率為無限大的奇點。這種奇點，不僅反映為令人費解的時空無限彎曲，而且也將破壞因果關系。壹些學者認為，這壹困難是由於廣義相對論引力場沒有量子化造成的，這推動了量子引力理論的研究。 但引力場的量子化遇到了壹個嚴重的困難：圈圖發散，不可重整化。 近來基於廣義相對論是規範場的超引力理論，量子化後解決了圈圖發散問題。 但不可重整化的困難能否最終解決，還需繼續研究③。
3. 光的波粒爭論
關於光是粒子還是波，從十七世紀就有以牛頓為代表的微粒說和以惠更斯為代表的波動說。波動說認為光是壹種彈性波，特殊的彈性介質—以太充滿空間，以太具有密度極小、彈性模量極大的屬性。當時波動說不僅實驗上無法得到證實，理論上也顯得荒唐。
微粒說差不多統治了17、18兩個世紀。直到19世紀中葉，隨著“光在水中的速度應小於在空氣中的速度”被傅科的實驗所證實，和麥克斯韋電磁理論的建立，波動說才最終戰勝了微粒說。後來，瑞利和金斯根據經典統計力學和電磁理論建立了黑體輻射公式，從該公式導出短波長極限的輻射能量趨於無窮大的“紫外災難”。當時物理學界權威開爾文爵士把光以太和能均分定理的困難，比喻為籠罩在物理學晴朗天空中的兩朵烏雲（正是這兩朵烏雲催生了相對論和量子論這兩個革命性的理論）。有趣的是這兩個問題都與光有關。
為解決黑體輻射理論中的矛盾，1900年普朗克提出了能量子假說，從而解決了光的發射問題。1905年愛因斯坦發展了量子理論，解釋了光電效應。光究竟是粒子還是波？這個古老的爭論又重新擺在了我們的面前。近代科學實踐認為，光是個十分復雜的客體。對於它的本性問題，目前只能從它所表現出來的性質和規律來回答：光的某些行為象經典的“波動”，另壹些行為象經典的“粒子”，這就是所謂“光的波粒二象性”④。
對於波粒二象性的困境，自量子論誕生以來，許多物理學家和哲學家都頑強的拼搏過這個問題，遺憾的是都無果而終。
4. 系統時空觀
由於光的波粒二象性問題沒有從根本上得到解決，使得建立在這個不穩固的基礎之上的相對論和量子論，隨著實踐的不斷深入而暴露出越來越大的局限性。這就是系統時空觀產生的背景。系統相對論認為，空間和時間都是量子化且有密度分布的。
廣義相對論認為空間和時間都是均勻的，但通過空間彎曲理論，建立了與空間密度分布的等價關系，進而導出時間彎曲及時鐘佯謬，這極大的推動了人類對宇宙的認識。但因未承認空間的量子化，導致進入奇點誤區；同時因認為時間是的均勻的（光速恒定），導出了因果關系顛倒的錯誤。
牛頓力學認為空間是絕對的且與物體無關聯，但通過確立物體具有慣性性質，間接承認了物體體外渦環的存在，但因為沒有認識到慣量的可變性，不得不通過定義各種性質不同的力來解決。
因此我們當前的物理學是有條件的（空間密度均勻）、局部適用的（地球系），稱為地球物理學；與之相對的無條件的、普遍適用的稱作系統物理學。當然，物理量的測定是與科技水平相對應的，科技水平的有限性決定了我們幾乎無法建立真正的系統物理量。對於我們有限的空間觀察來講，建立相對物理量就足夠了，但必須通過系統時空觀確定它的適用範圍和看清事物的本質，這就是系統時空觀的意義所在。
因此，基於系統時空觀下的物理理論體系統稱系統相對論。 系統相對論的基本假設是基於五個前提條件建立的，這五個條件包括：
1）宇宙是可認知的；
2）壹切物理現象都是客觀存在；
3）因果關系是不可顛倒的；
4）本性具有波粒二象性的物質是不存在；
5）壹切與前四項相矛盾的推理和現象解釋，壹般都是因為突破了理論的隱含條件，超範圍運用理論及其概念造成的，而不是理論自身或推理方法的問題。
當然，基於上述前提條件建立的系統相對論，因概念定義的不同理論上會有差異，但其原理是相通的、是具有唯壹性的。因此系統相對論建立的概念並不具唯壹性。
基於上述五項前提條件，系統相對論有四個基本假設。
1. 空間是有密度分布的
由於光電效應用光波理論無法給出解釋，而光子理論能夠給出解釋，因此系統相對論認為光是粒子即光子，而不是波。有關光的波現象解釋見第五章第壹節的光學部分。
我們知道，光子在真空中是以光速運動的，但進入介質中的光子速度會比較低，這個較低的速度在介質中保持恒定，與介質的厚度無關；離開介質後又恢復到光速。如果認為光子進入介質後，因介質的阻力導致光子減速，那麽介質越厚光子的速度就會降得越低，但光子在介質中速度是恒定的。另壹個問題是：光子在進入和離開介質前後，瞬間減速和加速的機制是什麽？
另外，廣義相對論的空間彎曲是不爭的事實，而基於空間均勻的廣義相對論導出因果顛倒和奇點困惑都是與事實不符的。
因此得出系統相對論第壹個假設：空間是有密度分布的。
2. 光子是由基本粒子構成的
我們知道，電流會使鎢絲發熱發光，通常的解釋是：經過鎢絲的電子的動能轉化為電磁能--光子，電流越大，鎢絲輻射的光能越強。但問題是：隨著電流的增大，會有更高頻率的光子輻射出來，而不是壹定頻率光子的強度增加。顯然這些光子不是電子帶來的，也不是從鎢絲中的鎢原子激發出來的。
從黑體輻射理論中我們得知，原子具有輻射的特性。因此，系統相對論認為鎢絲中的每個鎢原子都是壹臺“光子加工機器”，這臺機器的原料就是空間，電流是它的外部動力。當電子經過鎢原子時，“光子加工機器”利用電子提供的動力將空間加工成更多和能量更高的光子，而輻射出去。當電流增大到壹定程度時，可見光子產生並輻射出來。
結合普朗克的能量子假說，得出系統相對論第二個假設：光子是由基本粒子構成的。基本粒子就是普朗克理論中的能量子，是個恒定的常數。
3. 空間是由能量子構成的
如上所述，無論電流大小，作為“光子加工機器”的鎢原子始終能夠精確“切割”出等值的空間、再加工成能量子的合理解釋是：空間是量子化的，即空間是由能量子構成的。“切割”出的等值空間就是指壹個能量子。
這就是系統相對論的第三個假設：空間是由能量子構成的。空間就是歷史上所說的以太。
4. 電荷沒有正負之分
常識告訴我們，孤立物體上的自由電子都聚集在表面曲率大的地方，而表現出自由電子的相吸特性；而不同物體上的自由電子之間表現出相斥特性（如油滴試驗）。從下壹章中電子的結構和場的知識中我們知道，電子間的相斥或相吸取決於它們間的場方向。
這就是系統相對論的第四個假設：電荷沒有正負之分。
上述四個假設是系統相對論的基石，在後續章節會陸續有進壹步的解釋和說明。 自然界是物質的，物質是量子化的；物質具有流體態和剛體態兩種狀態，流體態物質的量是用能量表征的，剛體態物質的量是用質量表征的；這兩種狀態的物質是相互依存的，在壹定條件下是可以相互轉化的。這就是系統相對論的基本物質觀。
1. 物質的基本概念
物質具有流體態和剛體態兩種狀態。剛體態的物質稱作物體（或粒子）；流體態的物質史稱以太，由於它充滿整個空間因此又稱作空間（下同）。但從本質上講，以太和空間是不同的概念。
壹切物質都是由能量子構成的。能量子是物質的最基本單元，每個能量子具有壹份的能量e0。流體態的能量子稱作爽子，用S（取shuang首字母）表示；剛體態的能量子稱作基本粒子，用cn（取自china）表示。爽子和基本粒子都具有壹份的能量e0。
爽子是構成空間的基本單元。如同肺泡結構，爽子是壹個14面的四面-六面體，又稱十四面體⑤。如圖1.1所示。它是有極大彈性的無核的均勻的近球體（為便於分析計算，在後文壹般按球體考慮）。基本粒子是構成物體（或粒子）的最基本單元。如同手鐲，基本粒子是壹個環狀的剛體⑥。
2. 空間與物體的關系
空間與物體是相互作用、相互依存和相互轉化的。引用量子理論的概念，空間是物質的基態，物體是物質的激發態⑦。因此，空間和物體的關系是壹般與特殊的關系。
空間與物體的相互作用、相互依存關系在後文會陸續介紹。在壹定條件下，爽子和基本粒子是可以相互轉化的。爽子轉化為基本粒子的過程稱作爽子的躍變，基本粒子轉化為爽子的過程稱作基本粒子的湮滅。
3. 爽子S的躍變
圖1.2 基本粒子示意圖ωcVcSN rc根據流體理論，空間的不規則運動會產生空間漩渦。進入空間漩渦的爽子，不斷被擠壓、拉伸和加速旋進，最終自閉形成壹個渦環，而從漩渦中遊離出來。這個過程稱作爽子的躍變。爽子躍變成的剛體式渦環就是基本粒子cn。如圖1.2所示。
4. 基本粒子cn的湮滅
相向運動的兩個基本粒子，如果它們的自旋相反，壹旦碰撞就會發生湮滅。由於自旋相反，碰撞瞬間彼此抵消了對方的內部應力，而使它們的體積都急劇增大，剛體式的環變成了彈性的球，基本粒子反躍變為爽子。
當然，自旋相反的基本粒子碰撞需要克服它們的相斥力，這個條件在黑洞中或視界附近能夠提供。
5. 物質的對稱性
爽子的能量守恒和基本粒子的質量守恒（見下壹章）是對稱的，物體的絕對速度守恒和爽子的時間守恒（見第三章）是對稱的，爽子和基本粒子又是可以相互轉化的。因此物質是CPT對稱的，物質是守恒的。
宇宙是由物質構成的，宇宙是守恒的。
註釋
① 引自黃新民、張晉魯主編《普通物理學》第六章，南京大學出版社出版。
② 引自楊桂林等主編《近代物理》第十四章，科學出版社出版。
③ 引自徐龍道等編著《物理學詞典》廣義相對論，科學出版社出版。
④ 本小節內容引自趙凱華編著《光學》第壹章，高等教育出版社。
⑤ 參閱馮元楨著《連續介質力學》第八章，清華大學出版社出版。
⑥ 參閱童秉綱等著《渦運動理論》第六章，中國科學技術大學出版社。
⑦ 參閱徐龍道等編著《物理學詞典》熱學部分，科學出版社出版。