王习加: 能量体是在一定的参考系中静止质量等于零的存在体

http://www.tech110.net/html/?uid-3030-action-viewspace-itemid-19902


物理统一的实质公理系统(上)
上一篇 / 下一篇 2009-01-13 19:07:55

查看( 89 ) / 评论( 0 ) / 评分( 0 / 0 )
1900年，希尔伯特在“物理学的公理化”的著名问题中，建议用公理化方法推演出全部物理。但到目前为止，在物理学基础理论的公理化方面尚无重大进展。本文用数学的公理化方法，建立了一个统一的物理学基础理论的实质公理系统。

一、基本概念和公理

由于本文建立的是实质公理系统，我们会用到一些默认而不予定义的原始概念。在实质公理系统中，虽然每个概念都有特定的物理意义，但我们更注重它们之间的逻辑关系。

定义1：质量体是在一定的参考系中静止质量大于零的存在体。

定义2：能量体是在一定的参考系中静止质量等于零的存在体。不依赖于质量体的能量体称为本体能量体，如光；依赖于质量体的能量体称为属性能量体，如动能。

在本公理系统中，质量默认为质量体的惯性；参考系默认为惯性参考系。质量体和能量体是宇宙间两种基本存在形式。将质量体携带的能量归入能量体，是因为质量体的静止质量与能量无关。上述定义表明能量体是一切运动和变化的原因，因为在一定的参考系中，除了能量体，就只有静止的质量体。

定义3：空间是质量体广延性质的认知映象。

定义4：时间是能量体运动性质的认知映象。

我们从已有的科学认识中综合形成三大假定，作为本公理系统的三条公理：

公理1（统一性公理）：宇宙间质量体与能量体可以互相转化。时间与空间因分别对应于能量体和质量体，在质量体与能量体互变时也会相应转化。质能互变揭示了质能的统一性，时空互变则揭示了时空的统一性。质能互变是相对论的重要发现。

公理2（连续性公理）：宇宙间存在体是量子化的和普遍联系的。与存在体的量子化对应的是时空的量子化。根据数学连续统模型，量子化宇宙的幂集系统为连续统。而据幂集的数学意义，只要假定宇宙间的存在体是普遍联系的，可以任意组合，就可形成宇宙连续统。量子化是量子理论的基础。

公理3（完备性公理）：宇宙系统的局部演化服从于整体演化。宇宙系统的子系统的演化只是母系统演化的一部分，所以局部演化服从于整体演化。换言之，宇宙系统的局部完备性服从于整体完备性。整体思想是系统科学的基本观点。

二、运动和力

定理1（极限运动定理）：在一定的参考系中，本体能量体处于极限运动状态，其时间不流动。

证明：据关于定义2的讨论，能量体是一切运动和变化的原因，而本体能量体是不依赖于质量体的能量体，其运动不为质量体拖累，所以其速度是极限速度。而据定义4，时间是能量体运动性质的认知映象，由于本体能量体处于极限运动状态，位于时间的起点，所以时间不流动。

该定理证明了相对论关于光速c是极限速度的假设。

定义5：在一定的参考系中，质量体静止时的时间状态称为时间常态。在时间常态，存在体的时间流动用时钟测量。

定义6：在一定的参考系中，本体能量体的时间不流动，位于时间的起点，称为时间基态。

定义7：在一定的参考系中，当存在体运动时，其常态时间量与流动时间量之差称为时间位移。

定理2（时间位移定理）：在一定的参考系中，存在体以速度v运动时，其流动时间量t与常态时间量t0之间存在关系：

t =t0√1-v 2/c 2 ，即存在体发生了(t0-t)的时间位移。

证明：设存在体m以速度v运动，经时间t发生了s的空间位移，据动能公式E=mv2/2=ms2/(2t2)，则能量的变化与v2成正比，与t2成反比。由定义5、定义6，当存在体处于时间常态，则当v2=0时，t2=t02（t0为常态时间量）；而当存在体处于时间基态，则当v2=c2时，t2=0，即时间不流动。于是我们得到两个坐标点P1（0,t02）和P2（c2,0）,取线性关系，得到t=t0√1-v2/c2 。由于当v＜ c时，t＜t0，说明存在体产生了(t0-t)的时间位移。

该定理揭示了相对论关于在运动状态下“时钟变慢”的实质，使我们能够用经典方法处理“尺缩质增”问题。

定理3（时空当量定理）：存在体运动时发生1秒的时间位移，相当于发生c千米的空间位移：1秒～c千米。

证明：据关于公理2的讨论，时空是量子化的。假设基本空间量S基=1/k千米，据定理1，kc（S基/秒）为极限速度，故在1/（kc）秒内不可能发生任何变化，否则将超出极限速度，即1/（kc）秒是基本时间量，设为T基。而据公理1，时空是统一的，应有S基～T基，即1/k千米～1/（kc）秒，亦即1秒～c千米。

定义8：力是引起存在体时空位移的能量变化，其方向由能量变化时对存在体的作用方向确定。

定理4（力本质定理）：存在体所受的力的大小f用该存在体的能量变化与时空变化的比值来衡量：f=dEs/dS=dEt/dt。其中dEs为在空间维的能量变化，dEt为在时间维的能量变化，dS表示空间位移，dt表示时间位移。

证明：由定义8，力是引起存在体时空位移的能量变化，所以能量变化越大，所受的力越大；而时空位移越大，越能分解能量的作用，使存在体受力越小，用数学式表示即f=dEs/dS=dEt/dt。空间位移和时间位移之间的关系由定理3决定。

f=dEs/dS正是经典力学公式的形式。而f=dEs/dS=dEt/dt则可使相对论力学经典化。

定理5（质能当量定理）：质量体m全部转化为能量时，相当于一个能量为E =mc2的能量体。

证明：据公理1，质量体与能量体可以互变。计算质量m的能量当量，相当于求质量体m以极限速度c运动时的能量变化，因为只有本体能量体能达到极限速度。而当质量体m的速度为c时，动能为Es=（mc2）/2。据定理2，当m以速度c运动时，其时间量为0，而设常态时间量为t0，则质量体m发生了t0的时间位移，据定理3，则相当于发生了t0c的空间位移，与质量体m发生的空间位移t0c相同，这说明在时间维上的能量变化Et与在空间维上的能量变化Es相同，这样，质量体m的总能量变化就是:E=Es+Et=2 Es =mc2。

该定理与相对论得到的结论一致。

定理6（动态平衡定理）：在不被外部能量体作用破坏的前提下，一个宇宙系统的整体结构、中心坐标、存在量总量和运动状态都将保持不变。

证明：据公理3，宇宙系统的局部演化服从于整体演化，表明一个宇宙系统的内部演化保持一种动态平衡。而据关于定义2的讨论，能量体是一切运动和变化的原因。因此，一个宇宙系统的动态平衡只有在受到外部能量体作用破坏的情况下才会被打破。否则，一个宇宙系统的中心坐标、存在量总量、系统结构和运动状态等都将保持不变。

该定理揭示了宇宙系统的结构规律、几何规律、质能守恒规律和惯性规律等。