刘泰祥 编著2010年11月完稿 自古以来，壮丽星空天象令人惊奇，从而进行观察、思索和研究，试图了解其奥秘。人类对宇宙的认识是不断发展的，尤其是人类认识宇宙的几次大飞跃影响深远。
第一次飞跃是认识到地球是球形的。公元2世纪，托勒密在其名著《天文学大成》中阐述了宇宙地心体系（即地心说），认为地球静止地位于宇宙中心，各行星在其特定轮上绕地球转动，且跟恒星一起每天绕地球转一圈。因为否认上帝，直到1215年教会还禁止讲授他的理论，后来教会才把地心说作为统治工具。
第二次大飞跃是1543年哥白尼在名著《天体运行论》中提出宇宙日心体系（即日心说），形成太阳系概念。正如书名中“revolution”一词有运行和革命双关意思，从此自然科学开始从神学中解放出来。17世纪初，伽利略制成天文望远镜观测星空，提供了太阳系的新证据，分辨出银河由密集的恒星组成，开创了近代天文学。
第三次大飞跃是万有引力定律和天体力学的建立。开普勒发现行星运动三定律，牛顿总结前人成果，写出名著《自然哲学的数学原理》，由开普勒定律导出万有引力定律，奠定了天体力学基础。哈雷彗星的回归和海王星的发现显示了牛顿理论的威力。
第四次大飞跃是认识到太阳系有其产生到衰亡的演化史。在牛顿时代，绝对不变的自然观占主导地位。在这种僵化自然观上打开第一个缺口的是康德和拉普拉斯，他们先后提出两种太阳系起源的
星云假说。演化观的建立对自然科学和哲学的发展都有深远的影响。
第五次大飞跃是建立银河系和星系概念。哈雷把当时的星表和古星表比较，发现某些恒星有移动。后来，天文学家测出各恒星离我们远近不同。这样就打破了恒星固定在天球上的错误概念。继而在赖特、朗伯特提出的扁盘状银河系的基础上，赫歇耳研究得出银河系的粗略结构图。
第六次大飞跃是天体物理学兴起。19世纪中叶以来，照相术、光谱分析和光度测量技术相继应用于天文观测，导致天体物理学兴起。孔德在1825年断言“恒星的化学成分是人类绝对不能得到的知识”，但不久光谱分析就可以得知天体的化学组成了。随着原子物理的创立和发展，破解了天体的物理状况和化学组成。但其成因研究还仅仅是个开始（作者注）。
第七次大飞跃是时空观的革命。20世纪初，爱因斯坦创立相对论，把时间、空间与物体及其运动紧密联系起来，打破了牛顿的绝对时空观，建立“相对论时空观”。他建立的质能关系方程，成为天体、核能等的理论基础。
近半个多世纪以来，天文学和微观研究进入迅猛发展的新时代，新发现接踵而至，出现大量新课题，面临新的飞跃，乃至孕育自然科学新的革命①。
这些大量的新课题，为我们提供了打开宇宙大门的钥匙。我摒弃物理学现有的时空观和认识论，用怀疑的眼光重新审视我们的物理学体系，抽取出各种物理现象和实验数据，进行系统的分析研究，
提炼出了系统时空观，然后将其反复放到更多的物理现象和现有实验数据中进行验证和不断修正，最终初步建立了较为完整的系统时空观，并在此基础上架构了系统相对论体系的框架。
我期望《系统相对论》是吹响自然科学的新的伟大革命实践的号角。当然我也深深知道突破旧的藩篱是何等的艰难，但我坚信建立在更广泛的现象、实验和实践基础上的系统相对论，有着更加坚实的基础和先进性。
本文力求简洁明了地介绍系统相对论的基本原理，并用系统相对论时空观理解和解释我们的宇宙，论述中难免会对现有物理理论提出质疑和对事物作出不同的解释，但对先贤和经典理论绝无冒犯和轻视之意，也无哗众取宠之念，唯求真理而已。
系统相对论体系极其庞大，涉及范围极其广泛，几乎包括当前所有学科。显然全面架构系统相对论，绝非一人一时之功能够完成的。同时由于本人时间仓促、掌握数据有限以及知识水平所限，难免显得粗浅和缺乏理论的完整性，甚至出现解释或定义性的一些错误，敬请读者给予谅解和批评指正。
刘泰祥
2010年11月 人类物质观的发展史主要体现在时空观和光的波粒争论两大方面。 人类的时空观主要经历了两个阶段：绝对时空观和相对时空观。 光的波粒争论贯穿于整个时空观的发展史。
1. 绝对时空观
绝对时空观是牛顿力学的时空观，即认为时间和空间与物体的运动状态无关，并且时间和空间也无任何联系。伽利略变换是这种绝对时空观的数学体现，它在解决宏观、低速现象的问题中，取得了辉煌的成就。在17世纪下半叶，随着光的波动理论的建立，基于波动需要在介质中传播的经验，当时把这种传递光波的介质取名为以太。以太具有许多特殊的性质：不具有质量；它无处不在，充满整个宇宙并渗透到一切物质的内部；对物体的运动没有任何托拽。
19世纪下半叶，随着麦克斯韦电磁理论的建立，导出了光速c在真空中是恒定的。但根据伽利略的速度变换公式，在以速度v相对以太做匀速直线运动的参照系中，光的传播速度应在c+v和c-v之间。即电磁规律不满足伽利略相对性原理。为此物理学家做了许多观测和实验，其中比较典型的是光行差现象和迈克尔逊-莫雷实验，其结果是否定了以太的存在。这一系列的观测和实验构成了狭义相对论的实验基础①。
2. 相对时空观
相对时空观是爱因斯坦相对论的时空观，即认为时间和空间彼此联系又都与运动有关；时空是弯曲的，宇宙在空间上是均匀各向同性的。爱因斯坦引力场方程是这种相对时空观的数学体现，它正确预言了质点和光子在弯曲时空中的运动，把人类的观测范围延伸到100多亿光年②。
由爱因斯坦引力场方程、能量守恒方程和物态方程导出的宇宙标准模型，即弗里德曼模型。根据从星系观察到的宇宙能量密度现在值ρ0，要比临界值ρc小两个数量级，得出宇宙是开放的结论；但从宇宙学红移观察得到的减速参数的现在值q0，又大于1/2，得出宇宙是封闭的结论。这种矛盾的结果还有待于进一步努力去解决。
广义相对论存在奇性，具有时空曲率为无限大的奇点。这种奇点，不仅反映为令人费解的时空无限弯曲，而且也将破坏因果关系。一些学者认为，这一困难是由于广义相对论引力场没有量子化造成的，这推动了量子引力理论的研究。 但引力场的量子化遇到了一个严重的困难：圈图发散，不可重整化。 近来基于广义相对论是规范场的超引力理论，量子化后解决了圈图发散问题。 但不可重整化的困难能否最终解决，还需继续研究③。
3. 光的波粒争论
关于光是粒子还是波，从十七世纪就有以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说。波动说认为光是一种弹性波，特殊的弹性介质—以太充满空间，以太具有密度极小、弹性模量极大的属性。当时波动说不仅实验上无法得到证实，理论上也显得荒唐。
微粒说差不多统治了17、18两个世纪。直到19世纪中叶，随着“光在水中的速度应小于在空气中的速度”被傅科的实验所证实，和麦克斯韦电磁理论的建立，波动说才最终战胜了微粒说。后来，瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁理论建立了黑体辐射公式，从该公式导出短波长极限的辐射能量趋于无穷大的“紫外灾难”。当时物理学界权威开尔文爵士把光以太和能均分定理的困难，比喻为笼罩在物理学晴朗天空中的两朵乌云（正是这两朵乌云催生了相对论和量子论这两个革命性的理论）。有趣的是这两个问题都与光有关。
为解决黑体辐射理论中的矛盾，1900年普朗克提出了能量子假说，从而解决了光的发射问题。1905年爱因斯坦发展了量子理论，解释了光电效应。光究竟是粒子还是波？这个古老的争论又重新摆在了我们的面前。近代科学实践认为，光是个十分复杂的客体。对于它的本性问题，目前只能从它所表现出来的性质和规律来回答：光的某些行为象经典的“波动”，另一些行为象经典的“粒子”，这就是所谓“光的波粒二象性”④。
对于波粒二象性的困境，自量子论诞生以来，许多物理学家和哲学家都顽强的拼搏过这个问题，遗憾的是都无果而终。
4. 系统时空观
由于光的波粒二象性问题没有从根本上得到解决，使得建立在这个不稳固的基础之上的相对论和量子论，随着实践的不断深入而暴露出越来越大的局限性。这就是系统时空观产生的背景。系统相对论认为，空间和时间都是量子化且有密度分布的。
广义相对论认为空间和时间都是均匀的，但通过空间弯曲理论，建立了与空间密度分布的等价关系，进而导出时间弯曲及时钟佯谬，这极大的推动了人类对宇宙的认识。但因未承认空间的量子化，导致进入奇点误区；同时因认为时间是的均匀的（光速恒定），导出了因果关系颠倒的错误。
牛顿力学认为空间是绝对的且与物体无关联，但通过确立物体具有惯性性质，间接承认了物体体外涡环的存在，但因为没有认识到惯量的可变性，不得不通过定义各种性质不同的力来解决。
因此我们当前的物理学是有条件的（空间密度均匀）、局部适用的（地球系），称为地球物理学；与之相对的无条件的、普遍适用的称作系统物理学。当然，物理量的测定是与科技水平相对应的，科技水平的有限性决定了我们几乎无法建立真正的系统物理量。对于我们有限的空间观察来讲，建立相对物理量就足够了，但必须通过系统时空观确定它的适用范围和看清事物的本质，这就是系统时空观的意义所在。
因此，基于系统时空观下的物理理论体系统称系统相对论。 系统相对论的基本假设是基于五个前提条件建立的，这五个条件包括：
1）宇宙是可认知的；
2）一切物理现象都是客观存在；
3）因果关系是不可颠倒的；
4）本性具有波粒二象性的物质是不存在；
5）一切与前四项相矛盾的推理和现象解释，一般都是因为突破了理论的隐含条件，超范围运用理论及其概念造成的，而不是理论自身或推理方法的问题。
当然，基于上述前提条件建立的系统相对论，因概念定义的不同理论上会有差异，但其原理是相通的、是具有唯一性的。因此系统相对论建立的概念并不具唯一性。
基于上述五项前提条件，系统相对论有四个基本假设。
1. 空间是有密度分布的
由于光电效应用光波理论无法给出解释，而光子理论能够给出解释，因此系统相对论认为光是粒子即光子，而不是波。有关光的波现象解释见第五章第一节的光学部分。
我们知道，光子在真空中是以光速运动的，但进入介质中的光子速度会比较低，这个较低的速度在介质中保持恒定，与介质的厚度无关；离开介质后又恢复到光速。如果认为光子进入介质后，因介质的阻力导致光子减速，那么介质越厚光子的速度就会降得越低，但光子在介质中速度是恒定的。另一个问题是：光子在进入和离开介质前后，瞬间减速和加速的机制是什么？
另外，广义相对论的空间弯曲是不争的事实，而基于空间均匀的广义相对论导出因果颠倒和奇点困惑都是与事实不符的。
因此得出系统相对论第一个假设：空间是有密度分布的。
2. 光子是由基本粒子构成的
我们知道，电流会使钨丝发热发光，通常的解释是：经过钨丝的电子的动能转化为电磁能--光子，电流越大，钨丝辐射的光能越强。但问题是：随着电流的增大，会有更高频率的光子辐射出来，而不是一定频率光子的强度增加。显然这些光子不是电子带来的，也不是从钨丝中的钨原子激发出来的。
从黑体辐射理论中我们得知，原子具有辐射的特性。因此，系统相对论认为钨丝中的每个钨原子都是一台“光子加工机器”，这台机器的原料就是空间，电流是它的外部动力。当电子经过钨原子时，“光子加工机器”利用电子提供的动力将空间加工成更多和能量更高的光子，而辐射出去。当电流增大到一定程度时，可见光子产生并辐射出来。
结合普朗克的能量子假说，得出系统相对论第二个假设：光子是由基本粒子构成的。基本粒子就是普朗克理论中的能量子，是个恒定的常数。
3. 空间是由能量子构成的
如上所述，无论电流大小，作为“光子加工机器”的钨原子始终能够精确“切割”出等值的空间、再加工成能量子的合理解释是：空间是量子化的，即空间是由能量子构成的。“切割”出的等值空间就是指一个能量子。
这就是系统相对论的第三个假设：空间是由能量子构成的。空间就是历史上所说的以太。
4. 电荷没有正负之分
常识告诉我们，孤立物体上的自由电子都聚集在表面曲率大的地方，而表现出自由电子的相吸特性；而不同物体上的自由电子之间表现出相斥特性（如油滴试验）。从下一章中电子的结构和场的知识中我们知道，电子间的相斥或相吸取决于它们间的场方向。
这就是系统相对论的第四个假设：电荷没有正负之分。
上述四个假设是系统相对论的基石，在后续章节会陆续有进一步的解释和说明。 自然界是物质的，物质是量子化的；物质具有流体态和刚体态两种状态，流体态物质的量是用能量表征的，刚体态物质的量是用质量表征的；这两种状态的物质是相互依存的，在一定条件下是可以相互转化的。这就是系统相对论的基本物质观。
1. 物质的基本概念
物质具有流体态和刚体态两种状态。刚体态的物质称作物体（或粒子）；流体态的物质史称以太，由于它充满整个空间因此又称作空间（下同）。但从本质上讲，以太和空间是不同的概念。
一切物质都是由能量子构成的。能量子是物质的最基本单元，每个能量子具有一份的能量e0。流体态的能量子称作爽子，用S（取shuang首字母）表示；刚体态的能量子称作基本粒子，用cn（取自china）表示。爽子和基本粒子都具有一份的能量e0。
爽子是构成空间的基本单元。如同肺泡结构，爽子是一个14面的四面-六面体，又称十四面体⑤。如图1.1所示。它是有极大弹性的无核的均匀的近球体（为便于分析计算，在后文一般按球体考虑）。基本粒子是构成物体（或粒子）的最基本单元。如同手镯，基本粒子是一个环状的刚体⑥。
2. 空间与物体的关系
空间与物体是相互作用、相互依存和相互转化的。引用量子理论的概念，空间是物质的基态，物体是物质的激发态⑦。因此，空间和物体的关系是一般与特殊的关系。
空间与物体的相互作用、相互依存关系在后文会陆续介绍。在一定条件下，爽子和基本粒子是可以相互转化的。爽子转化为基本粒子的过程称作爽子的跃变，基本粒子转化为爽子的过程称作基本粒子的湮灭。
3. 爽子S的跃变
图1.2 基本粒子示意图ωcVcSN rc根据流体理论，空间的不规则运动会产生空间漩涡。进入空间漩涡的爽子，不断被挤压、拉伸和加速旋进，最终自闭形成一个涡环，而从漩涡中游离出来。这个过程称作爽子的跃变。爽子跃变成的刚体式涡环就是基本粒子cn。如图1.2所示。
4. 基本粒子cn的湮灭
相向运动的两个基本粒子，如果它们的自旋相反，一旦碰撞就会发生湮灭。由于自旋相反，碰撞瞬间彼此抵消了对方的内部应力，而使它们的体积都急剧增大，刚体式的环变成了弹性的球，基本粒子反跃变为爽子。
当然，自旋相反的基本粒子碰撞需要克服它们的相斥力，这个条件在黑洞中或视界附近能够提供。
5. 物质的对称性
爽子的能量守恒和基本粒子的质量守恒（见下一章）是对称的，物体的绝对速度守恒和爽子的时间守恒（见第三章）是对称的，爽子和基本粒子又是可以相互转化的。因此物质是CPT对称的，物质是守恒的。
宇宙是由物质构成的，宇宙是守恒的。
注释
① 引自黄新民、张晋鲁主编《普通物理学》第六章，南京大学出版社出版。
② 引自杨桂林等主编《近代物理》第十四章，科学出版社出版。
③ 引自徐龙道等编著《物理学词典》广义相对论，科学出版社出版。
④ 本小节内容引自赵凯华编著《光学》第一章，高等教育出版社。
⑤ 参阅冯元桢著《连续介质力学》第八章，清华大学出版社出版。
⑥ 参阅童秉纲等著《涡运动理论》第六章，中国科学技术大学出版社。
⑦ 参阅徐龙道等编著《物理学词典》热学部分，科学出版社出版。