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书1 5.1 物质存在及其运动的基本形式的探讨
宋文淼 （[e-mail]）　上传2007.10 浏览72




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《信息时代的物理世界——实物与暗物的数理逻辑》
第五章 实物与暗物

§ 5.1 物质存在及其运动的基本形式的探讨

科学家们总是抱着世界万物的运动应该可以用统一规律来描述的信念，这个信念正是科学发展的动力。但是现在看来，用把伽利略变换作为洛伦次变换的近似办法，使波运动和粒子运动这两种不同的运动形态“统一”起来，这一方法过于简单了。这一过于简单的方法反映了爱因斯坦时代的一个局限性。但是造成物理学混乱，并不是爱因斯坦相对论的“果”，它所结出的巨大的果实就是：对于牛顿自然哲学世界中，质量的不变性的否定；对于能量 (或光) 与质量作为两类独立存在的“物”的朦胧的承认。没有这些“果”，也许现在我们还停滞在牛顿力学体系的狭隘的框架下，而对于科学来说，停滞比“混乱”还要可怕得多。

在考虑了波与粒子的两种物质运动形态后，一种简单的相对性原理就不再存在了。通过一种特定的简单的时空关系的变换来使万物运动规律都保持不变性，从哲学逻辑上看也是谈不上有什么理由的事。实际上，满足伽利略变换的系统在宏观的物理状态下也不一定满足相对性原理。它只能保持牛顿的力学规律的不变性，而不能保持所有宏观物理运动规律的不变性。注意我们这里特别强调宏观的物理体系与牛顿物理体系 (或经典物理体系) 之间的与别，宏观物理体系是指对物理实在的一种规范，而牛顿物理体系则是以牛顿定律所描述的已经确定了的理论体系。只要在力学运动过程中伴随着波现象的出现，伽利略的相对性原理就不可能满足。当然从洛伦茨变换的时空关系更不可能保持所有物质运动规律的不变性。洛伦茨变换只能是一种纯数学的变换，这种数学变换下它能保持四维标量波动方程组在特殊形式下，即一维的平面波近似下的不变性。它连四维标量波动方程的解形式也不能保持不变性，那里谈得上把牛顿方程与标量波动方程统一起来。这一点在力学波的研究中实际上已经得到了明确的证明 [11]。在那里同样存在类似的四维协变不变性，但是对应于洛伦茨变换中的光速 c被声波的速度所代替了。而且同样在飞行体速度为某一特定范围内，在特定的飞行条件下，可以得到飞行体的形式上的质量与系数 之间的类似爱因斯坦的公式，但是这里c 不再是光速而是声波的速度。所以爱因斯坦两个对现代科学的巨大贡献：质量的可变性与能量质量可以相互转换，并不一定要与相对性原理联系在一起。关于洛伦茨变换所隐含的物理内容还没有真正的揭示出来，洛伦茨变换和由此导出的质量速度关系表示了在某种近似条件下以速度 c传播的平面波与实体物质之间的相互作用关系，这种相互作用的引入将改变牛顿所定义的质量、速度等物理量的内容。这样我们就可以把相对论中的合理内涵与时空相对关系相分离，把时间和空间恢复逻辑时空的不与任何物质运动相联系的性质。

没有了可以制造方程的那种时空关系以后，我们的首先要做的事就是重新探讨物质存在和运动的形式，以便在此基础上建立物质之间相互作用的方程式。方程式总是要的，不从时空关系中制造就得从对物质的相互作用过程的理解中来求得，这虽然看起来比从时空关系中制造要困难得多，但是人类的科学技术的发展实际上一直是这样做的。而为了从物质相互作用过程中获得合理的方程是最重要的就是首先探讨物质存在及其运动的形式。在这里我们提出的 物质存在及其运动存在形式是为了强调物质有自身存在形式和它的运动形式这样两种不同的概念。以后为了简化起见我们仍以物质运动形式，表示物质自身存在及其运动这样两种形式 。

在牛顿理论中物质的自身存在形式是以质量来表示的，对于某种有一定形状的和密度分布的刚体物质则以局域的密度分布来表示；而对于物质运动则是以速度和速度的变化 (加速度) 来表示；或者说是以动量和动量的变化 (力)来表示。但是对于物质存在及其运动形式的这种表示方法是连牛顿本人也不满意的。这不仅是因为哲学观念上的原因，而是因为超距作用的力除了对质点或均匀刚体球以外的物质，均存在计算上的困难。对一个确定形状和密度分布的物体，实际上只能对均匀的引力才能够计算出它的质心，也就是说超距作用实际上并不能计算两个任意形状物体之间的作用力。 所以引入引力场不只是一种形式，而是实际的必须，也就是说，如果要精确地描述物质存在的特性，光有局域分布的物质形式是不够的。同时还必须有与实体物质不可分离地联系在一起的背景场，对于用质量 (或质量密度)来定义的实体物质这个背景场就是引力场。尽管不同的理论体系对于引力场有不同的理解，但是实际上有一点是共同的，那就是引力场只是实体物质的背景场，它与实体物质保持瞬时的互动关系。 从牛顿理论的超距作用和爱因斯坦把引力场作为空间来处理都为了保持瞬时的作用，因为如果引力存在传播速度，为了计算地球的运动就要计算太阳引力的时间滞后，而这又必须知道太阳的绝对速度，这正是相对论所必须避免的。当然后来发展起来的广义相对论的引力理论中又引入了光速 c，这只是广义相对论中数不清的逻辑矛盾中的一个而已。

我们把背景场作为物质自身存在的另一种形式，它与质量和质量密度一样是作为物质自身存在的两个相互依存不可分离的形式。背景场的存在可以进一步理解物质存在与空间的关系：物理空间就是物质存在的广延性。 也许有人对此存在怀疑，引力场能够被当作一种充满整个空间物质吗？从逻辑上说应该是这样，或者从数学上说，我们不能确定引力场的边界，虽然从物理上说，说每一个小小的物体它的引力场都可以充满宇宙，是有点不切实际，但是由于引力场的可叠加性，引力场，或者所有其它的场，相互之间只有线性叠加，而不会发生相互作用，所以说每一个引力场都存在与整个宇宙也不会再对物质的存在形式产生任何影响。只是一个小物体，例如地球，在某一范围以外它的引力早就远远小于其它物体的引力，当然也可以认为地球的引力在那里已经不存在了。从人类认识自然界来说，总是通过观察或实验，如果人类所有的测量手段都无法感知这类物质的存在了，我们当然也可以说它不存在了，但是在逻辑上说起依然存在也没有什么不对的。也许这就是我们对以太的一种新的理解，以太是充满整个空间的物质，但是这是一种非常复杂的物质，它不是由实体物质组成的连续介质，而是由空间连续的场与波所组成的特殊的物质形式，这类全空间连续的物质形式的最基本的性质就是它们的空间叠加性，这种性质使它们之间不会产生相互作用。也就是说，场与波是与实体物质的自身存在和运动形式相依存的，实体物质自身存在的多样性以及运动形式的多样性造成了场与波的更加复杂和多样性，但是他们都有一个基本特点就是布满整个空间和相互间的线性叠加性，这种特性使不管有多少种场与波它们都可以互不相干地存在于整个空间，所为以太实际上就是所有这类特殊的物质形式的总和，我们把这类物质统称为“暗物”。而把相应的实体物质称为“实物”；不论实物和暗物都只是一种统称，它们有各种不同的形式。如我们已经指出的暗物不管有多少种，都相互各不干扰地存在于全空间中，这也就是说所谓以太既不是单一的也不是均匀的物质，它是由性质各不相同的物质的复合体，但是对于每一种暗物来说，其它暗物的存在并不影响它自身的存在和运动特性。暗物只能与实物进行相互作用。 实物的最主要特点就是它对于空间的占有性(或爱因斯坦所说的局域性 )，它占有一个特殊的局域空间，两个同一类的实物不能存在于同一空间，当它们接近时就会通过各自的背景场和波产生相互作用。一般说来背景场产生的是引力，这是一种粗略说来与平方呈反比的短程力，所以实体物质的存在形式必然有一个最小空间的极限，超过这一空间极限，强烈的相互作用会使物质产生非线性的或不可逆的变化。与实物的运动相联系的波一般说来会产生实物之间的斥力，这种斥力是长程力，它随距离的变化要比引力缓慢得多。

同样物质运动是一种与物质自身存在不一样的形式，物质自身存在从时空逻辑上说是可以与时间分离的，我们可以在每一个瞬时 t来描述物质的自身存在形式。但是任何一种真实物质的运动形式都不可能在一个瞬时 t上得到完整的描述，而只能在包含瞬时t的一个时间间隔 dt内才能够获得关于物质运动的完整信息。牛顿理论中的物质不是真实的物体，而是一种理想化的物质——粒子， 对于这种理想化的物质来说，物质的运动简化为物质的位移，其实体物质的存在形式在运动过程除了位移没有任何其它的变化，如它的质量和形状都保持不变。在这种情况下它的运动形式在 dt足够小时，物质运动，它的位移是线性的，所以我们可以让 dt趋于零，同样也可以得到 t时刻的运动特性， 这就就是为什么牛顿理论框架下，时间和空间是可以分离的，并不是牛顿时空框架下假设了绝对空间或与运动无关的时间和空间等等，而是他定义的力和运动定律所决定的，或者说是因为它定义了物质的性质和运动定律所决定的，这三者中只要定义了其中两个第三个的性质也自然确定了。牛顿的物质定义可以使物质存在的空间可以趋于无穷小。

当我们考虑实际的宏观物质时，只要求这种宏观物质是电中性的，允许物质的形状和质量可以有线性范围内的变化，既允许在小的时间间隔内发生可恢复的变化，而不允许发生不可恢复的变化。 这样，这一物质的存在空间必须在大小上有一个限制，这是物质的物理存在所必须的条件。所以要精确描述物质运动不仅一定要有一个确定的最小空间和时间间隔。一超过这一极限范围，物质的性质也就变了。要描写宏观物质的运动性质，除了实体物质的位移外，还必须考虑宏观粒子的形变所产生的作用，正像在第三章这所讨论的那样，形变力会产生波。所以与物质的自身存在有两类互相依存的形式，实物 (局域上的质和形)和背景场(在全空间上连续分布的无旋场 )相类似，物质的运动形式也存在两类相互依存的形式：位移(矢量形式的动量 )和波(具有能量辐射的旋量场)。

实物也有各种复杂的存在形式，但是它是分层次存在的。与牛顿理论框架相联系的电中性的有质物质是人类直接观察得到的实物形式，所以也是物理学中首先形成自洽理论的那种物质存在形式。当然有质物质本身还有不同的层次，巨大的宏观物质如宇宙中的各种星体就是这类实物，牛顿的理论描述这类实物的运动有极高精度，这是由于和这类实物之间的更加巨大的宇宙空间相比，星体更像一个点，它由变形所产生的波对于实体物质运动的影响必然很小，所以宇宙中的引力波即使存在的话也只是一个衰减很快的波，对于宇宙运动直到现在物理学家们还无法测定它的存在。由于对于空间人类来说，太阳系不但是由间隔很大的粒子所组成的，而且也是很稳定的，所以牛顿理论在近四百年里一直被认为是整个自然界的普遍规律，但是实际上只要两个空间的实物发生碰撞，如小行星碰撞倒地球，牛顿定律马上就不适用了。但是在巨大的星体内部实际上还是由各种中性粒子所组成，不论固体、液体或气体基本上依然是由牛顿定义的电中性的有质物质所组成，在那里有质物质同样具有空间的占有性，粒子之间仍有比粒子大得多的空间，但是在那里碰撞是正常发生的，引力以外的力起很大的作用。实际上只有在气体中引力还发挥着主要作用，所以可以定义一种理想气体使牛顿理论依然适用，在液体和固体中单一的牛顿理论基本上都不能再用来描述它们的运动过程。在那里，不能再认为实物之间只存在牛顿引力，而必须加入非牛顿力。物体之间的非牛顿力的存在，或者说非牛顿力对于物质运动的影响被人们所观察到，实际上比牛顿引力更早，亚里斯多德的运动理论实际上就是从非牛顿力引申出来的。在人类的原始生活中，人们首先体验到的不但不是单纯的牛顿力，而主要是非牛顿了，但是这个力的形式太复杂了，人们无法把它描述清楚，牛顿把引力从非牛顿力中分离出来，标志着人类对自然界的观察和认识能力进入到了一个新的层次。而对非牛顿的力的描述则是更困难的一件事，连续介质力学本质上就是研究牛顿的电中性实物之间存在了非牛顿力时的物质运动情况，这时非牛顿力的物理内涵、它所引起的运动形式及其相应的有旋力和波就成了主要的研究对象。 这是一个极其复杂、及其重要的领域，其复杂性在于这时候实际上第二个层次的物质运动形式已经和第一层次的物质运动形式耦合在一起，而且是不可分离的联系在一起。所以，当第二个层次，即带电体、电磁力和波从宏观物质的复杂运动形式分离出来，并进行独立的研究时，情况反而要简单得多了。只有在电磁场理论的研究过程中，我们才真正了暗物的存在和运动规律，才建立起类似于牛顿理论框架的对于纯的场与波的逻辑自洽的理论框架。

与宏观物质不同，电磁场理论中的实物是带电体，由于宏观物质总体上上的电中性，使它的引力场具有整体的相加性，而波主要存在于介质之中，它的与波相联系的力实际上是与物质的第二个层次的作用耦合在一起的。而单独的电中性物质的引力波是衰减波。把第二个层次的物质运动形式独立出来后，我们可以看到，它的引力场 (即空间电荷场) 由于整体的电中性，而只存在于局部的电分离( 极化) 的区域，而它的波恰由于电的两极性而可以在真空中传播，成为物理世界中最重要的一种物质存在形式。 光是人类生活中最重要的物质基础，由于它是一种暗物，虽然它与牛顿的实物一样是人类生活中不可须臾离开的，但是人类对于它的了解比对有质物质要困难得多。

我们相信物质世界的运动形式是复杂的，从对于宇宙的观察和在高能加速器的实验观察中，我们已经观察到各种各样的琳琅满目的基本粒子世界，这些对于深层次的物质世界的观察无疑是我们今后深入了解自然界的复杂性的及其珍贵的感性材料。但是我们总是以为那些粒子是物质更深层次上的存在和运动形式，本来它们只是稳定地存在于物质的更深层次的内部，是强大的外力使它们从物质世界的深层释放出来，到宏观世界来作客。积累那些深层次的物质世界运动规律的资料是对于人类今后的科学发展基础，但是要真正了解它们是不可能从时空几何所制造的方程式所能够胜任的。

我们相信用复域的时空关系是可以把那些相对论的时空假设变为一种严格数理逻辑结构。在时空关系的复域分析中实轴上的运动规律就是牛顿的物质运动规律，所以我们把它叫做实物；在虚轴上的运动形式就是场与波，本来可以叫虚物，但是考虑物理学上习惯的暗物，觉得还是暗物的名词比虚物好，免得造成虚无缥缈不是真正物质的一种的错觉。最后把物质这个词表示哲学上的物质概念，或者作为物理上的所有物质的抽象的总称。对于实物和暗物，大部分问题在第二章和第三章中已有讨论。所以这里着重将讨论复空间中实物与暗物变换过程中的数学逻辑和相互作用的物理概念问题。

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2007.10　书1 3.3 流体力学中涡与波 5.53KB
2007.10　书1 3.2 流体力学中的两种分析方法 6.42KB
2007.10　书1 3.1 牛顿力学与引力场 9.18KB
2007.10　书1 3 宏观力学中的数理逻辑问题 3.98KB
2007.10　书1 2.4 关于光速、光速的测量和超光速问题 8.05KB
2007.10　书1 1 20世纪物理学进展与问题 2.15KB
2007.10　书1 信息时代的物理世界——实物与暗物的数理逻辑 目录 3.05KB
2007.10　书1 前言 10.08KB
2007.10　文1.6 终结——为后信息社会的到来做好真备了吗？ 10.35KB
2007.10　文1.5 画在水晶球面上的最后一个圆——悼章钧豪先生 10.14KB
2007.10　文1.4 微观世界的太阳系——氢原子光谱 10.87KB
2007.10　文1.3 基础科学研究决定国家和人类的未来 9.59KB
2007.09　文1.2 科学的品格——兼谈“科学共同体” 8.51KB
2007.09　文1.1 人类有史以来的几次自然哲学大论战 8.5KB