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王德春:《自然界基本力量的根源》
人们站在地球表面上,只能看到日出与日落现象,而不可能亲眼目睹地球绕太阳作公转运动这样一幅真实的自然场景。加上地面上自由落体等等宏观现象,可以在地面处于静止状态时得到最直接的理解,因而人们在认识中最先形成地静观念,则是不可避免的。太阳绕地球旋转、和地球相对于太阳自转,都会使地面上的人们看到日出与日落现象,地面无论处于静止还是运动状态,自由落体都会坠落在相同的位置上。只有当人们认识到还有第二种情况,同样也可以解释他们所观察到的这些自然现象时,人们才会考虑从更大的经验范围,来验证哪一种情况与客观事实相符,传统的地静观念是否应当放弃。它表明在对同一自然现象的解释,存在着不同可能性的情况下,先提出的理论观点,往往会因为知识背景的局限性,而未必就符合自然现象本身的真实情形。
  地面从静止状态到运动状态这一认识上的转变,不仅正确地调整了地球与太阳在天文学上的位置关系,更重要的是,人们在从地面处于运动状态不改变地面上原有运动现象的认识转变过程中,发现了物体运动“慢性”的存在。从此,力不再被认为是物体产生运动的原因,而是改变物体运动状态的因素,牛顿的F=m·a公式,以数学表述的方式,概括了物体的受力同物体运动状态改变的量化关系,它开辟了近代工业进入高速发展的道路。与此同时,牛顿将他的这一力学定律的运用范围,推广到天体的运动现象上,并提出了万有引力理论,使人们认识到地面上的运动现象,同天体的运动现象在自然规律上的统一性。
  但是,牛顿的力学理论,同以往的浮力定律和杠杆原理等等,那些纯粹是从经验中归纳出来的力学理论,是根本不同的。这些归纳出来的力学理论,只说明作用力在量度上变化的具体规律,它们不涉及作用力的本质、及其产生的物理原因。而牛顿的力学理论,正是关于作用力的本质,及其物理原因的基础性力学理论,它首先需要面对的是一个最广泛和最基本的理论问题,即对构成自然界的基本物质单元的认识、和对这种基本物质单元在自然空间中具体分布情况的了解。如果对这一本质性的问题是不清楚的,那么,也就没有根据来认为物体在密度上的不同,究竟是同体积的物质在量度上的不同,还是同体积物质所具有的某种其它物理量在量度上的不同。在当时的知识背景下,牛顿采用了德莫克利特的自然观点,认为自然界是原子和虚空组成的,即物质全部存在于原子之中,原子是不包含虚空的密实的物质个体,原子与原子之间的虚空领域没有物质存在,其物质量度为零。其中,原子是基本的物质单元,原子和虚空按照一定的体积之比占居自然空间,是物质分布的具体形式,同体积的物体所体现出来的量度上的不同,是同体积的物体所包含的原子数量的不同,也就是物质在量度上的不同。由此,牛顿首先确立了以“物质密度”为前提条件的质量概念,将他的力学理论,深入到自然界最基本的物质层次上。
  然而,现代科学所揭示的事实已经表明,德莫克利特认为的空无一物的虚空,在自然界中是不存在的,自然空间可以不包含原子或其它微观粒子,但它仍然是由物质所组成的。“真空”这一概念,在现代科学理论中的意义,已经不是指空无一物的场所,而是指同微观粒子相区别的物质领域,是与“场”的概念相等同的。同样,构成物体的基本物质单元即原子,在核反应中也被证明不是先天固有的永恒的物质个体,而是有生有灭的暂时性的东西,它不能代表最原始的“本原”物质粒子,来表示物体所含物质在量度的多少。根据已有的事实经验可以断定,物质在体积上是绝对不能被压缩的,这也是物质作为自然界基本组成之物的必然要求。将不可压缩的物质,充满在体积一定的空间中后,就不可能再向这个空间中增加物质,以提高这个空间中的物质密度。没有了空无一物的虚空,物质的密度概念便失去了理论依据,因为在理论上,原子中的物质和真实中的物质,不能被视为两种不同的物质,对于原子的产生和消失现象,还需要以真空中的物质,为产生原子时的物质来源,和原子消失时的物质去处。这是物质守恒原则的固有要求。继续将真空中的物质,在物质量度上看作为零,以保持牛顿的质量概念,显然在理论和事实两个方面,都面临着严重困难。
  在从微观层次到宇观范围上,自然界普遍存在着一种在量度上收缩或集聚的现象,所有构成物体的原子,都是这种收缩或集聚现象的产物。只有在认为这种收缩或集聚现象,是物质在量度上的收缩或集聚时,原子才能被认为是一个具有高密度物质的个体。但是,物质在集聚过程中,如何使原子中的物质不断增加,其周围真空中的物质不断减少,这在理论上已经是解释不通的。既然在已经充满物质的空间中,不能再增加物质,同样,在充满物质的空间中,也不能将物质抽走而使空无一物的场所出现,要想让物质从一个地方转移到另一个地方,而使空间中的物质密度产生变化,没有空无一物的虚空,是绝对做不到的。
  另外,原子是一个高度密集的能量个体,将原子的形成过程,理解为物质的集聚过程,也不能解释原子中隐含巨大能量的事实。物质释放能量,应当是原子中的内部能量,向其它外部形式能量的转化。认为物质可以消失、并能够以能量的形式而独立存在,这是与物质守恒这一最基本的自然观所不相容的。因此,对于原子的形成过程,将它理解为能量的收缩或集聚过程,是符合理论与事实的。在这一过程中,物质的密度是没有变化的,能够体现为原子而同真空中物质相区别的,是因为原子中的物质,集聚了真空中的物质所不具有的能量,而不是由于原子中的物质,同真空中的物质在物质密度上的不同。当考虑能量在空间中如何集聚成原子的问题时,完全没有原子存在的真空领域,便成为必然选择的基本研究对象,它预示着一系列极其重要的事实:即原子中所隐含的巨大能量,是来源于真空中的,而且,原子的形成过程,也是由真空中的某种最基本的规律来决定的。这种最基本的规律,同样也决定着星体和星系的形成,以及它们所具有的运动状态。这与当今天文学和宇宙学的几乎所有的观测数据所显示的事实,是不谋而合的。这些事实表明,“宇宙没有足够的质量使任何以物质为基础的理论能成立,某种从未被观测到,也没有被科学界想到过的巨大的未知力在宇宙中起着作用这个事实变得明白无疑。在看上去完全空的空间中有着大量的能量,我们不清楚这种能量,也不清楚它们来自何方。真空有某种负压力——与所有的科学不相容的某种东西。大自然的宝库中似乎有第五种力存在,一种从未被直接地观测到过的力。……这个结论错误的概率小于百万分之一”。【摘自阿米尔D阿克塞尔所著的《上帝的方程式》。】
  因此,放弃最为广泛的不可探测的真空领域,片面地用可见或可探测到的物体或微观粒子,作为自然界中的全体物质,来确定物质在物理学研究中的基本性质,已经明显地成为认识上的一种错误倾向。重新找回失去的真空,改变在物理学中对物质概念的错误理解,是当今整个自然科学基础理论摆脱困境的当务之急。特别是在微观领域的量子力学研究中,影响物理关系的几乎都是能量因素,质量概念已经是不起作用的一种“摆设”,它阻挡了作为基础的微观物理学前进的道路。
  在德莫克利特的自然观中,原子是先天固有的不变的物质个体,它不存在产生和消失的问题。但是在现代的科学自然观中,对于原子的形成过程,和决定这一过程的物理机制,是需要提供详细的解释的。特别是以质量概念为前提的自然科学基础理论,都不可避免地要面对这一根本性的问题。所有的质子、中子、电子等亚原子,以及其它的微观粒子,由于它们同原子一样,都是有生有灭的暂时性物质个体,所以,它们同样不能作为永恒不变的基本物质,来说明原子形成的根本性问题。按照空无一物的虚空存在的观点,最小的原始物质微粒,应当是弥漫于虚空中的,由于无处不在的万有引力的作用,这些物质微粒在不同的区域,开始向不同的中心点逐渐集聚,并最终形成现在的具有高物质密度的亚原子,然后由亚原子按照一定的结构,组合成现在的原子。在原子自身的形成过程中,因为万有引力的同时作用,原子与原子会被拉在一起而组合成元素和分子,分子同分子又会组合成物体、或直接组合成星体,然后再由星体组合成星系等等,整个宇宙的演化过程,是由万有引力来统一决定的。万有引力是与基本物质同时存在的最基本的自然力,核力与电磁力,是在核子和电子形成以后才出现的,因此,它们不是与基本物质同时存在的基本作用力。
  万有引力的作用效果,只能使物质或由物质所组成的物体,在直线距离上相互靠近或聚合在一起。对于微观粒子、星体、和星系的自旋状态,以及其中普遍存在的公转运动状态,用万有引力是无法解释的。核力和电磁力,都是短程的作用力,对于万有引力所不能解释的天体运动现象,它们提供不了任何帮助。在微观领域方面,万有引力所起的作用,是被忽略不计的,万有引力为什么能决定原子的形成,却不能决定原子的受力状态,这是谁也没有说清楚的事实。最突出的问题是,对于在体积上极其微小的原子,由万有引力公式计算出的引力,远远不能将高密度的物质,紧紧地拉住在原子体积范围内,并使原子内部的物质且有着巨大能量的。原子中隐含的巨大能量,必然是在原子的形成过程中逐渐集聚的,对于原子的形成过程、及原子在形成过程中巨大能量的来源问题,不是用“万有引力不适用于微观中的原子”这样一句话,就可以作为理由来回避的。作为与基本物质同时存在的万有引力,应当对由基本物质形成原子的过程,起着最直接的作用。在整个自然空间中,除了原子之外还会有其它的物质客体,适用万有引力吗?
  牛顿提出的万有引力理论,是以解释地面上的重力现象、和行星的动力平衡问题为出发点的,他当时不知道原子是可分的、虚空不存在、原子中隐含巨大能量等等,这些在后来才被科学所揭示的事实。如果当时牛顿知道原子是可分的、虚空是不存在的,他很难给出物质密度这一概念,对物体所具有的密度特征的本质理解,很有可能会成为牛顿建立他的力学理论的重要障碍。如果牛顿当时知道原子中隐含着巨大能量,他也许会倾向于认为原子是一个能量个体,而不会轻易地相信原子是一个高密度的物质个体。万有引力的产生,是以物体质量的存在为前提的,而原子几乎代表了所有可见物体的质量。如果当时牛顿知道原子与原子之间,只存在很短距离的相互作用,他一定会考虑到在远距离的情况下,连代表物体全部质量的原子与原子之间,都没有相互作用,完全是由原子所组成的物体与物体之间,也应当不会存在由质量所产生的万有引力。当原子与原子之间没有相互作用,即一个原子不是另一个原子受力的物质客体时,能够产生万有引力作用的两个物质客体,在自然界中肯定是不存在的。至于地面上的物体所受到的重力,毫无疑问地是组成物体的所有原子,共同受到了朝向地球中心方向的作用力。但是,这种作用力,绝对不是地球中的原子对物体中原子的吸引力,而是来自真空中的一种真实存在的自然力。这种自然力的明显特征,就是能够贯通于原子所存在的一切空间而不受原子阻挡,这种由真空对原子的作用力所具有的不可屏避的特征,是原子与原子或物体与物体之间的相互作用力,所不可能具有的。只有在虚空中孤立地看待原子,不考虑原子同真空之间存在的物理关系,才会将原子与原子或物体与物体之间的相互作用,看作是物体重力存在的唯一原因。
  按照牛顿对万有引力作出的定义,万有引力的大小,只与两个物体的质量和两个物体之间的距离有关,这是一种与物体的运动无关的作用力,用以描述物体运动状态的速度或加速度因素,是不能参与表述万有引力大小的。万有引力的物理学含义,就是指在两个具有质量的物体之间,无条件存在的一种相互吸引的力。而动力学中的作用力,是以惯性定律为前提而提出的,即物体在不受外力的作用下,会保持原有的速度或动量M·V。作用力F和作用时间t的乘积F·t,则表示受力物体动量的增加量,由F·t=m·v,可得F==m·a,这就是动力学的基本公式。这种用物体的运动来描述的作用力,其物理学含义为单位时间内动量的增加量。它同与运动无关的万有引力,在本质上就不是同一种作用力。运动力在物体的相互接触或碰撞过程中,会以动量的形式相互转移,并遵从动量守恒原则。而万有引力的大小,则与两个相互吸引的物体本身所具有的动量的变化是无关的。万有引力可以使被吸引的物体产生一定的运动加速度,并同时获得动量的增加,而且,万有引力在使物体获得动量增加的同时,不会导致自身在量度的减小、或在物体的质量方面存在损耗。正是由于这个原因,运动着的物体,便不能通过向两个正在相互吸引的物体转移动量的方式,来增大两个物体之间的相互吸引力。万有引力按其自身的定义,就是一种能源源不断地使物体的动量获得增加、而自身不需要任何损耗的作用力,它同以动量的形式可以相互转移的运动力,是截然不同的。因此,在运动力F动=ma的物理量单位取千克·米/秒2时,作为万有引力F引=的物理量单位,在理论上就只能按其定义取千克2/米2,它的大小是与物体的运动无关的。万有引力常数G,在事实上就是运动力单位物理量的大小,同万有引力单位物理量大小之间的比例关系。
  对于这两种由不同的物理原因所产生的不同性质的作用力,只有它们在现实中出现持续相等的情况下,才能准确地测出引力对物体所产生的动力效果,然后确定它们之间在量度上的具体关系。当将重力理解为地球对物体的吸引力时,重力加速度便是引力使物体所产生的动力效果,由F动=mg,可以计算出物体的运动力,由F引=可以计算出物体所受引力值的大小。由于此时F动和F引在事实上的大小是等同的,所以正好可以在这一情况下,来考虑运动力和万有引力在单位物理量上的比例关系。如果1千克·米/秒2的运动力的大小,是1千克2/米2的万有引力大小的G分之一倍,那么,由F动=F引×G可得mg=×G。其中,G只是一个纯粹的比例系数,它不能具有物理量单位。如果给G配置物理量单位,会改变万有引力F引的计算值按其本身的定义所具有的物理学含义,万有引力就不能被理解为在两个物体之间无条件存在的吸引力。通过G,可以将运动力的数值同万有引力的数值,在统一的物理量单位上进行相互转换,但在原则上,这两种作用力的物理学含义是永远不相同的。G的值,可以使运动力和万有引力在“等式”两边的具体数学值保持一致,但不能改变运动力的物理量单位和万有引力的物理量单位,在物理学含义上的区别。
  由于地球的质量是无法直接测量的,要想根据F引的具体数值,来计算出G的值是不可能的。如果在地面上通过两个质量已知的物体,来考虑F动=F引×G的情形,以求计算出G的值,这在理论上应当是可行的,但在实际中要准确无误地把握F动=F引×G这一具体过程,除了在重力同地球的引力相等、太阳对行星的引力同行星自身的离心力相等,这两种运动力和万有引力具有“持续”等同效果的情况下,才能够容易做到之外,在其它的情况下,万有引力很难以同等的大小,对某一物体进行持续的作用。这就使对受力物体的动力效果的测量,不象测量物体的重力加速度、和行星的离心加速度那样,能够得到基本不变的稳定数值。加上地面上两个物体之间的万有引力,其预计值十分微小,以至对物体所产生的动力效果可以忽略不计,因此,要想通过测出地面上两个物体之间引力的大小,来计算出G的值,也是不现实的。
  那么,G=6.67×10-11这个具体数值,是根据对万有引力的多次作用效果进行实际测量后,所得到的最佳数值吗?根据F动=F引×G=×G,和现有的数据,地面上1000kg物体所受太阳的引力值为5.9牛顿,这已经是一个相当明显的受力了,并不是象人们所认为的那样可以忽略不计。由于地面在面对太阳和背向太阳时,地球对物体的引力方向,同太阳对物体的引力方向正好是相反的,因而物体在面对太阳时的重力,应当减去5.9牛顿,在背向太阳时的重力,应当加上5.9牛顿,其正反差距为11.8牛顿。如果根据杠杆原理,将两个质量大小悬殊的物体,平衡地置于杠杆的两端,这种由正反差距所带来的变化,足以破坏杠杆原有的平衡。但是,这种由太阳对地面上物体的引力所造成的明显影响,在所有称量物体重量的过程中,都没有出现过。太阳没有根据牛顿的万有引力公式和现有的数据,正在对地面上的物体产生吸引作用,说明这种吸引作用要么是不存在的,要么所使用的数据与事实相差甚远。这种情况表明了现有的G值,是为了同时满足地面上物体的重力同地球引力的相等、和太阳对行星的引力同行星离心力相等的要求,刻意估算并进行调整而得来的。对于除了上述两种情形之外的其它情形,如太阳对地面上物体的引力,现有的G值和以此计算出来的太阳质量值,就不再是适合的。如果卡文迪许在实验室中真的测出了两个物体之间万有引力的大小,并以此计算出基本准确的G的值,那么,这一G值和太阳的质量值,对于太阳同地面上物体之间的万有引力作用,也应当是同样适用的,但事实并非如此。
  行星绕太阳的公转运动,是近似的匀速圆周运动,其向心加速度为a=,根据F=ma,可确定行星的向心力为F向=m行·,变形后得到F向=× 。向心力是物体在作圆周运动时所受到的单向作用力,当将这种单向力的方向反过来,将其理解为离心力时,太阳对行星的引力,正好可以作为平衡行星离心力的反方向拉力。在这里 ,运动力与万有引力持续相等的情形,再次出现了。由F动=F引×G,可得m行·=×G,经化简和变换为=Gm太,由于=K(开普勒常数),则有= Gm太的形式。因此,Gm太=不是为了建立万有引力公式,而有意设置后用来进行“黄金代换”的,它是太阳对行星的引力同行星的离心力相等时的必然结果。如果用Gm太来代换F向=×中的,Gm太恒等于,就会是F向=Gm太公式成立的必要条件,当G不变时,公式中至少要有一个质量因素m不能是变量,它需要同G的乘积恒等于。所以,用黄金代换得到的万有引力公式,不是对于任意两个物体都成立的。而且,用黄金代换得到的F向=Gm太公式,在事实上仍然是行星的向心力计算公式,其中,m行是作圆周运动的行星的质量,它不是一个无条件存在的物体的质量,R是行星作圆周运动时的半径,它不是任意两个物体之间的距离。在特殊条件下成立的物理学计算公式,是不能无条件地推广到一般情形的。同运动力F=ma一样,万有引力也是用定义来表述的作用力,其理论公式不可能从其它的前提条件中推导出来。只要抓住万有引力的定义,和万有引力的物理量单位同运动力的物理量单位,在基本性质上的不同,常数G在万有引力公式中所起的作用,是不难理解的。既然用黄金代换得到的万有引力公式是不成立的,用该公式反导出来的G的物理量单位牛顿·米2/千克2,同样也是无意义的。
  物体的匀速圆周运动状态,事实上是物体在受到大小一定的持续作用力下,所体现出来的速度不变的运动状态,虽然物体所受到的外来作用力,没有使物体的运动速度获得增加,但它却在始终改变着物体的运动方向,使物体围绕着一个固定中心作旋转运动,并使物体不断消耗的“动量”,以持续的“角动量”形式存在。同时,由于物体在作匀速圆周运动时,始终在消耗动量,物体在运动时的切线方向上,必然同时存在着一个持续的推力,以补充物体损耗的动量,维持物体原有的运动速度,使物体的匀速圆周运动能够继续下去。这就需要在切线方向上对物体的推力,和物体所受到的向心力始终相等,以使物体增加的动量和损耗的动量保持平衡。例如,当一个作匀速直线运动的物体,它受到一个与运动方向成135度夹角的外来持续作用力时,这个外来作用力会分解为两个分力。其中一个分力为垂直于切线方向的法向力即向心力,它将起着改变物体运动方向的作用,另一个分力为切线方向上的推力,它将会使物体持续地获得动量的增加或补充,以维持物体原有的运动速度。在这样的物理条件下,这个物体将以原有的惯性速度,做匀速圆周运动。
  据此,从行星绕太阳作公转运动的状况来看,目前还没有直接的事实证据,能够显示行星所受到的向心力,究竟是某种从外部将行星向太阳方向的持续推力,还是太阳从内部对行星的吸引力。但行星在切线方向上所受到的持续推力,是必须存在的,因为它是没有第二种可能性的单向作用力。所以,解释行星作公转运动时的动力平衡问题,首先要以能够解释切向推力的存在为前提,然后再考虑行星所受到的向心力作用,究竟是来自于太阳方向,还是外部方向。传统的观点,是认为行星在作匀速圆周运动时,行星首先受到离心力的作用,为了克服这种离心力而不使行星脱离轨道,就必须要有一种向心拉力来平衡行星的离心力,太阳对行星的吸引力,就是基于这样的考虑而假设它存在的。但是,当太阳对行星的引力平衡了行星的离心力时,引力就不能成为改变行星运动方向的向心力,使行星不断消耗的“动量”,以持续的“角动量”形式存在,从而使行星处于圆周运动状态。行星在上下两个方向上所受到的作用力,处于平衡的情况下,应当沿着直线方向运动,而不是作圆周运动。从这一情况可以看出,认为行星在作公转运动时受到离心力的作用,肯定是错误的,真正同假设的太阳与行星之间的引力,在大小上始终对等的,是切线方向上对行星的持续推力。这种持续的推力,是来自行星公转轨道外部的作用力,它与太阳对行星的吸引力是毫无关系的。当需要一种与切向推力在大小上始终等同的向心力时,这个向心力,绝对不是与切向推力无关的来自太阳方向的引力,因为两种来自相反方向上毫无关联的作用力,是不会无缘无故地始终相等的。根据太阳与行星都是由原子所组成的、以及原子与原子之间只存在短距离相互作用的事实,行星在作公转运动时所受到的向心力作用,应当是真空对行星中所有原子共同作用的结果,它同地面上物体重力存在的物理原因,是完全相同的。
  实际上,牛顿所定义的质量,是不能在现实中对它进行直接测量的,人们也不可能根据牛顿对质量概念所作出的定义,先测量出物体的物质密度,然后根据物体体积的大小,来计算出它的质量。理论上说物体质量的大小,是由物体的体积和密度来规定的,但在实际中,物体质量的数值,仅仅是可以测量的重力同重力加速度之间的比值,它并不是同时间和空间一样的,是对一个已知的物理因素所事先设定的基本物理量。在物理学意义上,这种通过重力和重力加速度来给出的质量数值,只能被理解为一种同力的大小成正比、同加速度的大小成反比的物理因素,而不能毫无根据的将这种未知的物理因素,直接理解为物体所含物质在量度上的多少。当物体处在不同的空间条件下,物体的受力同加速度的比值,是会发生改变的,对于这种改变,就更加不能被理解为物质在量度上的增多或减少。以公式F=ma所代表的动力学理论,只能在空间条件一定的情况下才会成立,因为公式中的质量m,并不是一个具体物体所含有的不变的物质量,它是由原子和真空来共同规定的一种物理因素。在这样的真空中,能量是从外部向内部同一个固定中心,按照有序的阶梯方式来进行分布的,其中所有的原子都处于具体的能量位置上,并且同时受到朝向同一个中心方向的作用力。当将原子理解为高度密集的能量个体时,通向真空领域的认识之门,便被打开了。
  王 德 春 著
  2015年7月30日于马鞍山   
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