宇宙空间电磁波传播

白临武

北京航天自动控制研究所，北京100854

基于相对论、量子论、基本粒子理论和在空间有时观测到的某些异常现象，我们认为宇宙空间除去可见物质客体外，还应存在具有质量的物性客体，这里说的物性客体就是某些科学家说的暗物质，而且暗物质的最基本成员暗粒子dm 在宇宙空间个个都是全方位与其相邻者自行结合，因而暗物质在宇宙空间就是一个与宇宙虚空空间完全一致，并渗透进所有物质客体深层次之中的、稳定连续的、相对均匀的整体，我们称其为暗物质群体(DMG)。宇宙空间无限，物质客体在宇宙空间宇观范围内，又是相对均匀分布。所以在宇宙空间任意一点，一定都有暗物质的引力存在，但暗物质群体在该点的引力强度则始终等于0［1］。

处于常态的暗物质，不论其对内，还是对外，都不显示其引力效应，即便是向人类提供。宇宙空间有暗物质存在信息的Mm0－0其引力效应，也仅可在某些特定的条件下，才可有限的显示其引力，因而我们把暗物质空间密度定义为:单位体积内包含的暗粒子dm 的个数。

1 概念与符号［2］

1)暗物质

自由空间密度 Ddm0

引力空间密度 Ddma

弹性系数 h

剪切模量 H

2)空间引力强度 ga

物质客体光学质量 M0

物质客体引力半径 r

Ddma与Ddm0关系式［3］

物质客体A 以引力聚集暗物质围绕自身的数量用Mm－0表示:

2 电磁波空间传播

宇宙空间是暗物质群体的空间［4］，宇宙万物的行为理应受到空间的制约，制约的实施者是暗粒子dm，而且它们对宇宙万物的制约与物质客体引力场对客体作用等效，也就是说对处于同一空间范围内的客体是一视同仁的，即客体遭受到的制约力度与其化学成分、几何元素和所含质量多少无关，这就提醒我们讨论电磁波问题时，不仅要注意电磁波运行空间的物理环境，把时空看成一个有机整体，更重要的是电磁波涉及到的两个参数必须同时取自同一时空，否则所观测的结果就与电磁波传播实况不符，甚至可看到违反理论的现象。

2.1 自由时空

自由时空，就是在其涉及到的空间范围内不存在对处于自由态暗物质的干扰因素，或者说，其中暗物质密度始终保持Ddm0。

自由时空中电磁波的空间传播速度C0由下式表达:

C0是电磁波相对密度为Ddm0暗物质的传播速度，显然C0始终不变。

根据速度的定义

如把|C0|视为空间的度量单位，T0就是时间度量单位。T0的物理意义是电磁波在自由时空中行程为|C0|时，相应的时间流逝为T0。

宇宙空间是以自由时空为主。而Ddm0又是暗物质在宇宙空间的最小密度。故|C0|在宇宙空间既为常数，也是电磁波在宇宙空间的最大单位行程。对于|C0|与T0我们称宇宙空间时空最基度量标准单位。

2.2 引力时空

引力时空，即其涉及的空间范围内存在引力场，其中暗物质的密度受引力作用由Ddm0升至Ddma。电磁波相对密度为Ddma的暗物质传播速度Ca为:

2.2.1 立足于自由时空

把式(1)代入式(5)

进而有

对式(6)的说明:

1)如把引力时空视为自由时空的特殊部分，就用了相对性原理，式(6)说明了电磁波是隐形传播的;

2)电磁波的空间速度是相关空间范围内引力强度的函数，其取值区间为(0，C0］;

3)电磁波空间速度可变，这正好与我们看到的电磁波在水或剥离中传播的实况相符，而且后面也有早在上世纪50年代看到的相关事实;

4)|Ca|是电磁波在引力时空中运行时，对应T0的单位行程，|Ca|是|C0|的倍。

5)注意:

它可能破解2个困惑我们的重要概念:黑洞与核力。

2.2.2 立足于引力时空

式(6)表明电磁波空间速度可变，而下面推导的爱因斯坦光速不变原理的数学表达式则说明:在空间任意一点测量经过该点的电磁波速度时，得到的结果始终是C0。

1)引力时空中度量单位

令

在引力时空中Ta对应于自由时空中的T0，因而Ta是该时空的时间度量单位，|Ca|就是该时空的空间度量单位。

2)光速不变原理数学表达式

如果电磁波在该时空中经过某一距离La，而电磁波经过La的流逝时间ta由下式表达:

把式(10)的Ca代入式(11)

ta是计时器显示的数字;Ta是时间单位，对La的度量，以|Ca|为单位。

式(12)即爱因斯坦光速不变原理的数学表达式。

2.2.3 对式(12)的说明

1)具有物性基础

宇宙空间是暗物质群体的空间，电磁波在这样的空间内行走，它们呈有处处可借助的媒体，也不存在不可逾越的沟壑，但是它们时时遭受来自空间的制约，制约力度又是随着电磁波接触到的暗粒子数的增加而上升，所以电磁波在空间虽然可到达任何要去的地方，但也必须因受制约而相应放慢其运行速度。

2)具有理论依据

宇宙空间对其中万物的制约作用，与物质引力对有关客体的作用一样，因而，我们说爱因斯坦强等效原理是式(12)成立的理论之一。另一个理论是数学方面的，即对一个分数式的分子与分母同乘一个数后，其值不变。

3)式(12)成立的必要条件

时空的整体性必须时时受到保护，也就是式(12)使用的时间与空间2个参数必须同时取自同一个时空，只有这样，麦克斯韦方程才可在任何时空成立。

4)有关的实验

迈克尔逊—莫雷实验测量的是电磁波空间速度，而不是测试空间有无“以太”(暗物质)存在。因而实验结果只能说明爱因斯坦光速不变原理正确与否，不能作为判决暗物质空间存在与否的法律依据。

5)式(12)源于式(7)，式(7)源于式(3)，从式(3)到式(12)，我们仅作了简单的数学演算，实际上三者应无矛盾，式(3)决定了C0的物理意义，而式(12)是观测者在电磁波运行的时空内观测到的电磁波的传播速度，它从数学上证明了爱因斯坦强等效原理和时空具有整体性，式(7)是自由时空观测电磁波在引力时空中的运行，正因为如此，电磁波空间传播的真实机制才得以呈现，而这也使我们体会到爱因斯坦和波尔两人的学生惠勒的话“物质使空间弯曲，而空间给物质下达了前进的命令”［6］的确是广义相对论的真髓。显然，式(7)的含义也正好与惠勒的话一致。

6)式(12)不只属于电磁的空间传播，对宇宙万物来说，只要其在自由时空中获得的速度VT－S0，代替式(12)中的C0，任何一个客体，在任意的时空中运行都可使用式(12)。

3 速度时空

在自由时空中，如某一空间范围以速度V、相对密度为Ddmo的暗物质运动，显然这一空间范围就相当于在自由时空中划出的一个特殊的时空，对于这种由于空间范围具有速度V 形成的时空我们称其为速度时空，它们与引力时空等效，在引力时空中电磁波的空间速度Ca确定于Ddma，而在速度时空中，电磁波的空间速度Cv也应确定于速度时空的暗物质密度Ddmv，可以想象到Ddmv应由式(13)表示:

Ddmv为速度时空中暗物质空间相当密度。Cv则由式(14)表示:

为使式(14)和式(15)与式(16)和式(9)对称，用中的ε0与μ0代替C0

μ0为真空磁率，ε0为真空电介常数。从式(16)及式(17)可看出麦克斯韦电磁也应具有物性基础。另外，我们也给出与式(12)相应的表达式

4 时空变换方程

讨论这一问题至少涉及2个不同的时空，我们就以太阳与地球促成的2个时空为例:

太阳时空s Tas|Cas|

地球时空e Tae|Cae|

(1)对应单位变换

1)时间

根据式(9)

2)空间

根据式(7)

3)讨论与分析

①从式(19)和式(20)可知，对任意2个不同的时空，不论它们因引力不同，还是因两者相对自由时空中暗物质运动速度差异，如果把2 台相同的时钟调准分别放到2个时空中，或者使电磁波在它们之中运行，2个时空中的观测者肯定都说对方的时间流逝和电磁波的传播速度与己不同。

②他们的观测结论与客观相符，即宇宙空间的统治(暗物质群体)是授予时空的权限所致，另外时空之差异是其中暗粒子数的不同，因而不论自由时空还是引力时空或速度时空，它们之中都是暗物质群体的天下，自然在一个时空中可用的描述宇宙万物的科学规律，在其它时空中也可使用。

③不同时空可以沟通，即不同时空间物理量可以取得一致，它们的标准单位是固有的|C0|与T0。而不像地球上有24个时区，人为的规定标准时。

(2)2个时空的变换

根据式(12)

1)时间

2)空间

根据式(21)和式(22)，对于时空s 中的观测者来说，他们的时间是时空e 时间与空间的混合，他们的空间是时空e 空间与时间的混合，而对时空e，其中观测者的时间与空间相对时空s 来说与时空s 相对时空e 一样。

5 在电磁波运行时空外，观测到的电磁波空间速度

狭义相对论基础之一:光速不变原理，既有实验支持，而且最近也找到其数学表达式，据我们推导这一数学式的体会，对于光速不变原理，不能只有一个肯定的或否定的结论说原理对与错，它的确符合客观规律，原理是速度概念的相关数学逻辑和宇宙空间具有的统一物性及爱因斯坦强等效原理，三者联合促成的必然结果，如说它不对，原理实际上隐匿了电磁波空间速度的2个参数:电磁波空间行程和相应时间随时空变化的实况。另外，宇宙万物在任何一个时空中遭受到时空中暗物质的制约是个个平权［5］，也正因为这样，宇宙万物在自由时空中确立的它们之间的相对关系才不随时空更换变化，而这也正是爱因斯坦光速不变原理成立的基础。

如果观测者与电磁波运行不在同一个时空中，则光速不变原理赋予电磁波空间传播穿的隐形外衣应即刻失效，而电磁波空间传播的实况也就大白天下，为证明这一事实给出如下的试验。

5.1 试验框架

1)在时空e 与时空s 中选取相同的距离Les;

2)2个时空相互向对方发出电磁波并即时接收返回波;

3)2个时空都记录电磁波往返Les上的时间。

显然，

4)2个时空间的时间差

时空e

时空s

于是

因而，时空e 的观测者看到电磁波往返于时空中Les上时出现时间延迟［7］，相反时空s 的观测者看到电磁波往返于时空e 中Les上时出现时间超前。

5.2 电磁波空间传播速度变化的具体试验

地球至太阳的距离Aμ太阳表面附近直径为d，在太阳另一侧秋分点或者春分点附近向地球发射电磁波并在地面接收发射来的电磁波，则有如下方程:

tae来自计算，而taes则来自实际测量。早在上世纪50年代，人们已发现Δtaes＜O，也就是说电磁波经过太阳表面附近空间后出现时间延迟。

5.3 赝超光速

设在时空e 有某路程Les，对时空s 来说

首先有

进而有

如时空s 中的观测者看电磁波在时空e 中Les上运行，并用时空s 中的时钟计时

则

把tase代以式(27)

而

故

对一个了解牛顿力学的人，他看到一个人在月球上轻轻一跳，就越过了3m 的高度，但他绝不会相信这个人同样在地球上一跳也达到3m 的高度。如果Cse是处于时空s 中的观测者把电磁波在时空e 路程Les和该时空中时钟记录的电磁波在Les上的运行时间taes主观撮合的结果，那么，在时空e 中，电磁波在Les的速度将超过光速C0，因此，对于由式(28)得到的Cse，我们称赝超光速。

6 引力时空中的折射现象

根据式(1)可知，暗物质围绕星体密度的分布应当是同一等势面上密度相等沿星体引力半径由里向外递减，因而电磁波一旦进入星体引力范围，不仅要发生路径折射，而且可用折射定律的数学式表达:

式(32)中虽然具有变数。但我们认为进入星体引力范围内的电磁波路径发生弯曲，并不是星体引力的直接作用，而是电磁波进入星体引力范围内遇到暗物质，空间密度规则变化出现的一种正常折射效应，这里星体引力作用仅仅是促使暗物质围绕星体聚集为电磁波折射创立了必要的条件。

7 对2011年9月23日欧洲核子研究所公布的超光速中微子的认识

2011年9月23日欧洲核子研究所公布:中微子的运行速度可能超过了光速(C0)。自那时起，又刮起质疑相对论的风，而且至今尚未平息，对于这问题，我们很难明确说明超光速中微子是在由日内瓦到格兰萨索的途中何地出现的，但可以肯定的说，那些中微子运行的时空与观测者所在时空不属于相同的时空所致，也就是说被公布的超光速中微子是2个不同时空供给参数促成的赝超光速中微子，并且还应指出中微子由日内瓦至格兰萨索途中似乎有类似管道中心线的一段路程，否则被观测到的中微子就不可能具有概率性。

“超”光速中微子不仅可以出现在欧洲核子研究场所，对于那些把实验精度推进到纳秒范围内的地方都可出现这种情况，尤其当把精度再提高到皮秒甚至飞秒范围时更应出现，因为越是提高精度越促使时空的个性膨胀，即要求对促成时空的因素须准确把握，对引力时空来说就是要求ga具有极高的均匀性，否则就不可能确保式(13)两个参数的同地、同时性，否则式(13)给出的结果将成为异常现象。

［1］白临武，王永平. 试用暗物质理论解释惯性和惯性力的物理机制［J］. 航天控制，2011，29(5):90-95. (BAI Linwu，WANG Yongping. The Analysis of Dark Matter Principle for the Formation of Inertial Physics Mechanism and Inertial Force Physics Mechanism［J］. Aerospace Control，2011，29(5):90-95.)

［2］白临武“先驱者”轨道异常分析［J］. 航天控制，2002，20(2):75-80.

［3］助哈勃望远镜和计算机模拟技术首次绘制出宇宙暗物质分布图［N］.科技日报，2005，12，12.

［4］白临武，王永平. 论广义相对论以太［J］. 航天控制，2003，21(4):72-76.

［5］科学出版社名研室合编. 物理学词典［M］. 科学出版社，1988.

［6］丹尼斯·奥弗比.环宇弧心［M］.中信出版社，2002，2:107.

［7］P.M.贡德哈勒卡布若.抓住引力［M］.孙洪，译.中国青年出版社，2007，1:224.