克霉挫阴片用了更痒:统一场论
来源:百度文库 编辑:偶看新闻 时间:2024/03/29 20:07:59
统一场论 目录1. 场的本质是什么。 2. 统一场论基本原理。 3. 时间的物理定义。 4. 物质为什么会运动。 5. 三维螺旋时空方程。 6. 光速为什么不变。 7. 对质量的解释。 8. 对动量的解释 9. 对相对论质速关系的解释 10. 对力的解释 11. 对万有引力的解释 12. 对正负电荷和库伦定理的解释。 13. 电磁场和重力场的数学关系。 14. 电磁力和万有引力的关系。 15. 对能量的解释。 16. 光子模型和电磁波的本质。 内容提要场的本质是运动变化的空间而不是一种特殊物质,空间本身时刻都在运动变化,相对于我们观察者运动的形式是个螺旋式波动过程,重力场是这个波动的根源,电磁场是波动的传播,传播的速度就是光速。时间、场、质量、电荷、动量、能量、力、光速------一切物理现象本质上都是空间运动变化形成的。我们认定宇宙中一个物体在运动,这个看法有着人为意识成分在里面。换句话,你觉得一个物体在运动,这个物体就运动,你觉得这个物体不运动,这个物体就不运动,这个物体以什么方式在运动,也有人的看法在里面,这个物体究竟在不在运动,以什么方式在运动,本质上完全是取决了我们人的看法,一旦把人的意识成分去掉,所谓的运动状态就是几何中的垂直状态而已。
人类物理学发展的最大思想障碍就是这个原因,可惜全世界知道这个道理的没有几个人。
1,场的本质是什么 物理学中主要有电磁场、重力场(亦称引力场)、核力场,这些场的本质是什么?我认为这些场的本质是物质运动变化所表现出的一种性质而不是一种特殊的物质。那又是什么物质在运动产生了场呢?我认为就是空间,空间相对于我们观察者时刻在运动变化。以下是我的分析。 以地球和月球的相互作用为例。 月球受到地球的万有引力作用在围绕着地球旋转?那么他们之间的相互作用力是如何传播的?现代物理学认为,他们之间是通过一种叫做重力场的特殊物质在传递相互作用力。如果认为地球和月球是通过一种特殊物质在传递作用力,这种看法表面看起来使问题简单化,但仔细分析起来,有更多困难令人难以解释。 一、这种特殊的物质内部有没有空间?有空间的话,他们在传递引力时是如何克服内部空间障碍的,我们总不能再假定另一类特殊物质在传递作用力吧。没有的话,电磁场和重力场都想填满空间是否发生空间争夺战?一种物质如果没有内部空间的话,它所表现出来的性质是怎么来的?
二、地球如果真是通过" 重力场" 这种特殊的物质来传递作用力给月球的话,月球向着地球这一面、反面、内部受到的作用力应该有所差异。但是人们看不到这种差异。 三、地球和月球是如何把场物质发射出去的,又是如何接受的? 四、将来人们如果通过某种实验,确实找到月球和地球之间传递引力的一种特殊物质,人们是否能够回答作用力为什么与它们之间的距离平方成反比,与他们之间的质量成正比?物体为什么会有质量,质量的本质到底是什么? 五、现代物理学家告诉人们,本质上物体的相互作用都是隔着一定的空间进行的。如果承认了地球和月球是通过一种特殊的物质在传递相互作用力。这样一来,到底哪一种是现象,哪一种是本质? 六、现在还有一种抛小球理论,即地球和月球之间抛出或接受一些小球而相互吸引着,仔细一分析,这种理论也是困难重重。这种小球的内部有空间的话,在传递作用力时是如何克服内部空间的?没有的话,那这些小球把作用力如何分摊到地球、月球每个原子甚至是每个电子上?我们能够有数学、物理来描述这些过程的细节吗?地球和月球是如何发射这些小球的、又是如何接受这些小球的?七、地球产生的引力场肯定是辐射式的,月球在围绕地球旋转运动时,在月球的前进方向上肯定有阻碍作用,即使这种阻碍作用很小,几十亿年下来,累积的效应也是巨大的,但是现实中月球的运动没有什么东西在阻碍。如果认为场这种物质不会在月球的前进方向产生阻碍作用,可以从月球中一穿而过,那我们又怎么理解月球在向着地球这个方向上又受到地球的引力场的作用? 认为地球和月球是通过一种叫" 重力场" 的特殊物质在传递相互作用力,实质上和以前的" 以太" 理论没有什么实质区别,人们应当怀疑它的正确性,这实际上是一种很平庸的思想。 如果不相信地球是通过一种特殊的物质把作用力传递给月球,那么余下的唯一答案就是地球是通过空间把作用力传递给月球的。如果一定要保留" 场" 的概念,那么场的本质只能是变化的空间而已,而决非什么特殊的物质。人们应当把目光从地球和月球之间转移到他们之间的空间上,人们应当搞清楚什么叫空间,它应当有些什么样的物理特性? 2, 统一场论基本原理 要想搞清楚空间的物理性质,让我们从讨论“事”和“物”开始。我们所生活在这个自然界,虽然形形色色,复杂到了极点,但是仔细地一分析,可以把它划分为两大类,一类为物,一类为事。物是产生事的根源,事是物的表现,通过事我们可以认识物,事是依据物而存在的。那么哪些是“事”,哪些是“物”?象我们眼前的一个人、一棵树、一条河可以看则是“物”,人的思想,树的生长、河水的流动可以看则是“事”。这就是我们常说的事物。我们在认识这个自然界时,应该要严格区分什么是物,什么是事。遗憾的是,我们有很多物理学家(不单单是普通人)常犯这方面的错误,他们常常把某些事说成是物,或者对某些事不了解,简单地认为是一种特殊的物质所起的作用。比如,历史上人们对热的认识,十七世纪,人们认为热是物体里所含的一种特殊的物质,称之为" 热质" 。甚至有的学者认为" 热质" 是守恒的,物体所得到的" 热质" 总是另一些物体所失去的而不是凭空产生的,现代人们很清楚" 热质" 说是错误的。热现象只不过是物体内分子无规则运动的结果,热只是一种现象而已,它属于" 事" 的范畴,把它看则是物,这就是典型的" 事" 和" 物" 不分的思想。相对论认为,一个电荷相对于某一个参照系运动,在这个参照系内观察,该电荷在周围空间除产生电场外,还产生了磁场,但在另一个参照系内观察,这电荷可能是静止的,它周围就不存在磁场了.那么在转换参照系时,磁场那里去了?如果把磁场看作是一种物质,怎么可能在一个人看来是有的,在另一个人看来是没有的?大家想想看,:自然界中有什么物质在一个人看来是有的,在另一个人看来是没有的? 有一个物体存在于空间中某个地方,一个人说它是真实存在的,一个人说它不是存在的,而且两人的说法都是正确的,这怎么可能呢? 我们说一条河相对于一个人是存在的,相对于另一个人是不存在的。这肯定是荒唐的。
我们说河水的流动相对于一个人是存在的,相对于另一个人是不存在的,这肯定是有可能的。把场的本质看成是“事”,磁场就像是上面所说的河水的流动,这样我们就很容易理解磁场相对于一个人是存在的,相对于另一个人是不存在的。 这个有关" 事" 和" 物" 的讨论有助于我们搞清楚物理概念是如何产生的。物理学是借助物理概念而展开的。物理学刚开始处于萌芽时也好,发展到今天也好,所有的物理概念无非是人们对自己所处的物质世界的认识结果。 我们是怎么认识这个物质世界的呢?首先是通过感觉,感觉到这个我们所处的物质世界的各种刺激,然后我们大脑把这些感觉加以分析、概括,最后再形成物理概念。 比如,人们用眼睛看到花草的红红绿绿,天空的湛蓝,人们再用头脑一加工,便有了颜色的概念。人们用皮肤去感觉冰的冷、开水的烫,大脑再一加工,便有了温度的概念。某处有物体振动,引发周围的空气发生振动,我们用耳朵去感觉到这空气的振动,我们再去用大脑这么一分析,这样又有了声音的概念。还有我们躺在床上,闭上眼睛、不去看、不去听,但却老是觉得一个东西在流逝,这样人们又有了时间的概念。 设想在一个房间里,正放着优美的C D 唱碟,人们常不加思索地认为只要这C D 唱机开着,而不管我们人在不在场,这个声音总会是客观的存在着。仔细地分析一下,房间里有声音时,房间的空气便出现一股纵波,没有声音便没有纵波,可见有声音没有声音的区别只是房间里空气的位置不一样。没有人在房间里去感觉,那里会有声音的概念。声音的概念是不能脱离我们人而独立地存在的,有声音比起没有声音并没有多出一件什么东西,所以你不能把声音看则是一个像物体那样具体存在的东西,声音只是一个现象而已。在前面讨论的" 事" " 和" 物" 中,声音明显属于" 事" 的范畴。 颜色也是类似的,我们看到眼前的花草的红红绿绿是电磁波经花草反射到我们眼球的结果,这个颜色的概念同样不能脱离我们人而独立地存在着。物体颜色的不同只是物体反射不同波长电磁波的原因造成。颜色不完全是物体自身的性质,而是由物体对照射到它的各种波长的光的反射和吸收决定的。 这个原理是牛顿最早发现的,历史上甚至现代有很多人固执地认为物体所呈现的颜色是物体固有的属性,与外界无关。比如德国诗人歌德就曾写文章以非常激情的语言叫人们不要相信牛顿的理论,但牛顿在光学中有关颜色理论的正确性实践证明无须怀疑。通过以上所列举的例子,可以得出这样的看法,我们所处的物质世界的某些现象给了我们人某些感觉,我们大脑对这些感觉加以分析,概括这样便产生了物理概念。这样说来,物理概念来自于我们对自己的某种感觉的描述。既然物理概念是人的一种感觉,脱离我们人而不能独立的存在,在前面有关" 事" 和" 物" 的讨论中,物理概念明显属于" 事" 的范畴,因而它不能像" 物" 那样客观的存在着,它的存在有它的虚假性,这一章节的标题上所说的物理世界存在的虚假性正是指这个。 但是,并非所有的东西它的存在都是虚假的,比如空间、各式各样的物体,它们不管我们人能否感觉到它们,它们总是客观地存在着。然而,空间、物体(也可称为物质点)这些都可以称为几何概念,在前面讨论的" 事" 和" 物" 中,它们明显属于" 物" 的范畴,它们不依赖于我们人的感觉而客观独立的存在着。 至此我们明白,物理概念来自于我们人的感觉,脱离我们人而不能独立地存在,而某些几何概念,比如空间、物质点不依赖于我们人的感觉而客观、独立地存在着。对此,物理学的开山鼻祖伽利略早就说过:我们五官感觉到的世界它的存在是虚假的,而真实存在的却是它背后的几何世界……这些用几何概念描述的空间、物质点和我们对感觉描述出来的物理概念有什么关系呢?对这些,笔者有着这样的看法: 宇宙中真正存在的只有物质点和它周围的空间,不存在第三种形态能与之并存的东西,一切物理现象只不过是点在它周围空间运动的一种表现而已。这些现象如能引起我们人的感觉, 我们对这些感觉加以分析, 概括便形成了物理概念。 前面有关" 事" 和" 物" 的讨论应该使我们明白只有物质点和它周围空间是物,客观存在的,而物理概念,比如声音、颜色、热、力、速度……等只不过是现象,是物的一种表现,属于" 事" 的范畴。我们一定要严格地区分它们,不能把" 事" 简单地看作是一种特殊的物质。 以上加粗的一段话非常重要,它是统一场论的核心思想和基本理论,这个基本原理又叫物理世界存在的虚假性定义, 它直接否定了" 场" 是一种特殊的物质,场要么是空间、要么是物质点! 值得注意的是该基本原理还否定了时间是客观独立于我们人而存在的,是构成宇宙的基本要素。时间也只是一种现象,脱离了我们人而不能独立地存在着,这一点可能绝大多数读者都不会相信,在下一章节《时间的物理定义》再来详细地分析时间。 以上加粗的一段话提到了:一切物理现象都是点在它周围空间运动形成的。点在它周围空间运动是什么运动?只是机械运动而已。这个原理如果是正确的话,可见机械运动虽是简单的运动,各种复杂的现象,以及各种复杂的运动,比如电力、磁力这都是由机械运动构成的。 这个定理还告诉我们,像时间、场、速度、能量、质量、电荷、力-----这些物理概念都是物质点在空间中如何如何运动形成的,运动刺激了我们观察者的感觉,我们观察者通过感觉而描述出来的,因而他们的存在是有虚假性的。
有了以上的看法,不管什么物理概念(物质点和空间除外),我们都可以认为是某个东西在空间中相对于我们如何运动所形成的。
质量是某某在空间中如何运动形成的。
电荷是某某在空间中如何运动形成的。能量是某某在空间中如何运动形成的。
力是是某某在空间中如何运动形成的。光是某某在空间中如何运动形成的。
-------------------场比较特殊,它是由空间本身运动变化形成的。时间也比较特殊,它是由我们观察者自己在空间中运动形成的。在我们的生活中,经验告诉我们物体表现出的各种性质都是来自物体的内部。这个物理世界存在的虚假性定理告诉我们,物质点所表现出的各种性质中,最为基本的性质反而最终取决于物质点在空间中的运动。卢瑟福的原子行星模型的巨大成功一直影响到今天的物理学家,为了解释物质粒子为什么会有质量、带有电荷这样最为基本的问题。现代物理学家建立了许多大型粒子加速器,希望把基本粒子打开,来找到答案。统一场论的基本原理----物理世界存在的虚假性定理给这些物理学家当头泼上一瓢冷水,他们的的努力方向错了。统一场论的看法是:物质粒子的最基本性质来自于物质粒子的周围空间,与这些粒子的内部没有关系。既然在物理学中这些基本概念都是物质点在空间中相对我们观察者运动形成的,这就意味着这些物理量都具有相对性,都应该随着参考系的改变而改变。这样我们把相对论中相对性原理扩展到所有的物理现象中。对于象光速、电荷为什么相对于不同的惯性系有相同的数值,这个原因是光速、电荷相对于不同的惯性系相应的有不同的表现,结果导致在不同的惯性系光速和电荷相应的有相同的数值。这个问题以后会详细的讲。 3, 时间的物理定义 时间的物理定义是什么?相对论没有下个定义,统一场论要求给时间下个精确的物理定义。按照前面的分析,不管什么物理概念,都可以认为是某某东西相对于我们观察者如何如何在空间中运动所形成的。因而时间可以这样定义:时间是某某东西在空间中运动引起我们观察者的一种感受。这个某某东西是什么?我认为就是我们观察者自己。怎么知道时间是我们观察者自己在空间中运动形成的?
我们设想用一个宇宙飞船,把一个人送到非常遥远的宇宙空间中,这处空间中没有一个物体,别的物体离这儿都有几百亿光年之遥。可以设想此时这个人仍然有时间的感觉,在他心目中时间一分一秒地在走。是什么物体引起了观察者这种感觉?这种情况下只有这个观察者的身体而已。因此,唯一合理的看法:时间是观察者对自己在空间中运动的一种感受。这个有关时间的物理定义留下两个问题,一是我们观察者为什么会运动,二是我们观察者会以什么方式运动?这两个问题我们以后会讨论的。这个有关时间的物理定义如果的确是正确的话,可能人们仍然有许多疑问。一、在人类没有出现之前的时间如何理解人在地球上生活也不过只有一百多万年历史,单地球形成至今就有四十六亿年,那么在人出现之前早就有了时间,如果认为时间是人的一种感受,这段时间在没有人的情况下存在着,那怎能说是人的感受呢?时间的过去和未来同样都是以现在作为参照系来定义的,换句话,只要有现在,便就有过去和未来。如果地球上从来没有人的话,那也就无所谓过去和未来。因为没有了人,又哪来的" 没有人之前" 或" 没有人之后" 的时间。时间的先后、现在,如同地理位置的东西南北,任何地方的东西南北都不是绝对的,都是相对于我们人来说的,想想看没有我们人,哪来的东西南北?哪来的上下左右?哪来的先后? 二、时间如何同一个运动的物体相联系我们描述一个物体在空间中运动,最简单我们需要了解某段时间在空间中移动了多远。在我们不清楚时间是什么尚不显露问题,一旦确认时间只是人的一种感受,我们的问题自然而然地讲出来了;这个运动的物体能够和我们这种感受联系得上吗?退一步问:我们不在这个场合,这个物体的运动就不能描述吗?或者说没有一个确定的运动形式吗?在物理学中强调的是效果。有一个物体在观测者我们看来是静止的,则完全能够把这个物体和我们合二为一看则是一个物体(尽管我们人有血有肉、头脑发达、化学性质同这个物体可能千差万别),对于我们描述一个物体相对于另一个物体来说完全可以的。这样的话,在描述一个物体在空间位置变动时,有观测者在场时,观测者会说它某段时间内该物体走了多远,观测者不在场时,观测者总会寻找一个参照性的物体,暗暗地把自己与之等同起来,认为这个参照物体与观测者合二为一,实际上大家也是这么做的,我们描述一个物体运动总要指出它相对于我们观测者的位置如何如何变化- - - - 或者相对于我们认为静止的物体(观测者把它同自己合二为一、看作一个物体)如何如何变化。
三、时间的公共尺度问题 时间可能是张三对自身在空间位置变动的一种感受,也可能是李四对自身在空间位置变动的一种感受,单地球就这么多人,大家怎么会有一个公共的测量时间的尺度?所有的运动的观测者、感知者对自身在空间位置上变动的感受理所当然会在头脑中记录下来,然后把它同地球的转动、太阳的运动、铯原子的振动、脉搏的跳动……等其中的某种运动等同起来,大家最后约定把自'身在时间位置上变动于其中某种运动等同起来,这样便有了一个公共的测量时间的尺度。四、如何重新看待相对论中关于描述单一物体在空间中运动是没有意义的相对论认为:描述物体在空间位置中运动变化必须相对另一个物体才具有物理意义,描述单一物体在空间中运动是没有物理意义的。而在以上的时间定义中,明确指出时间的概念的获得源自于观测者一个人在空间中运动,这二者显然矛盾,那么,究竟需要修改那一种思想呢?在笔者看来,要描述某个物体在空间中变化具有物理意义,必须指明相对于某个观测者而言的。描述物体在空间中运动只有相对于某个确定的观测者才具有物理意义。描述一个物体相对于另一个物体的位置变化未必就一定有物理意义。 在上一节曾提到过:一切物理现象只不过是物质点在它周围空间运动的一种表现而已,点在它周围空间运动引起了观测者的感觉,观测者对其加以分析,总结便形成了物理概念。一句话描述物体在空间位置中变化,只有相对于一个明确观测者才具有物理意义,在没有观测者或不指明哪一观测的情况下,描述物体在空间位置中运动都毫无意义。我们在描述地球上的物体(比如人造卫星)常以地球作为参照物,实际上我们观测者把自己所处的位置与地面所处的位置等同起来,换句话来说,我们人与地球合二为一看成为一个物体,在问题(三)中我们就讨论过这个问题。有关运动的牛顿力学相对性原理以及相对论的相对性原理都不够彻底,更彻底的运动相对性原理应该是:描述物体在空间位置中的运动变化只有相对于某一个确定的观测者才具有物理意义。 以上有关时间的物理定义如果确是正确的话,不说明我们对时间认识已经完成,而只是对时间的真实面目认识的第一步,因为在这以前绝大多数人都认为时间是一种客观存在的东西,是宇宙的组成部分。从以上的分析来看,这种看法是根本上错误的。 回顾一下历史, 牛顿力学认为时间自行流逝,于我们观测者无关。相对论力学认为时间于我们观测者的运动有关,在这里我们进一步指出, 时间不仅于我们观测者的运动有关, 而且就是我们观测者自己在空间中运动所造成的。
4, 物质为什么会运动 我们所看到宇宙中的物体都是在运动,物体为什么会运动? 前面的统一场论基本原理-----物理世界存在的虚假性定理指出,一切物理现象都是可以用几何语言描述的物质点在它周围空间运动所形成的,这个暗示客观存在的几何世界和我们五官感觉到的物理世界有一个对应关系。首先我们来判断一下在物理学中涉及到的运动现象所对应的几何图形是什么?我对此的假设为:物理学中所描述的运动现象和几何学中垂直状态是相对应的。也可叙述为:物理学中所描述的运动状态和几何中的垂直状态是等价的。 对于这个等价原理,我们在这里将进一步去分析和推理。现在我们设想某处空间区域里,只存在着一个物质点O, 我们观测者就住在这个物质点O上,这样这个物质点O和我们观测者就可以合二为一看则是一个物质点(实际情况在这里我们是在考虑单一物质点和它周围空间之间的关系)。 因为这个物质点处在三维空间中,这样经过这个物质点可以作三条相互垂直的线段,因而这个物质点毫无疑问处于垂直状态中,根据垂直状态和运动状态相等价原理(为简单起见,以后简称这种等价原理为垂直原理),这物质点将无疑会在空间中运动,它处于空间中位置将会变化,带着互为因果的思想,既然垂直状态决定了处于其中的物质点的位置会发生变化,而变化的结果肯定反过来又可以重新构成一个垂直状态。 我们进一步分析、推理出以下一条基本原理:在空间中任何一个处于垂直状态中的物质点的位置必然要发生变动,并且它运动的方向是不断地变化的,这些不断变化的方向又可以重新构成一个垂直状态。
对于真实存在于某处空间区域里的一个物质点,以上的基本原理告诉我们这个物质点它所处的位置必然要发生变化。但它将如何变化呢?一个处于三维空间中的物质点,它运动的方向不断地变化很显然不是走直线运动,只是走曲线运动方向才不断地变化。至于走什么曲线运动使得这个不断变化的方向可以构成垂直状态呢? 物体的运动轨迹是曲线的,常见的有抛物线、双曲线、圆和椭圆。其中只有圆和椭圆可以作两条相互垂直的切线。我们知道,过椭圆作两条相互垂直的切线,肯定是一条长一条短。而在这里,我们描述的是一个单一的物质点在空间中运动的情况,对于这个单一的物质点,它周围的空间对这个物质点来说没有哪个方向是特殊的,显然是均匀同向的,没有理由会出现两条切线一条长、一条短,因而合理的看法这个物质点走过的曲线肯定是正圆。 一个值得注意的问题是,过正圆只能做出两条相互垂直的切线,按照互为因果的思想,既然现实空间是三维空间的,即过一点可以作三条互相垂直的有向线段,那这个物质点运动走过的轨迹应该可以作三条相互垂直的有向线段,而不只是两条互相垂直的切线。因此合理的看法则是:这个运动的物质点走过的圆形轨迹不是封闭的,而是在圆的平面相垂直的方向上延伸。至此我们可以做出判断,在任意一处空间区域里,存在着一个物质点,它一定在这处空间区域里运动,并且走过的轨迹是条螺旋线。 5. 三维螺旋时空方程 以上分析认为:在空间中任何一个处于垂直状态中的物质点的位置必然要发生变动,并且它运动的方向是不断地变化的,这些不断变化的方向又可以重新构成一个垂直状态,结果使这个物质点走过的轨迹是条螺旋线。这个原理可以称为垂直原理,它解释了空间中的物质点为什么会在空间中运动。前面的物理世界存在的虚假性指出宇宙是由物质点和它周围的空间所构成,所以空间的存在和物质点是平等的,空间的存在是实在的,垂直原理应该同样适用于空间。由于在空间中任意一点都可以作出三条相互垂直的有向线段,这样垂直原理告诉我们空间本身是时刻运动变化的。对于空间本身运动我们如何去描述? 我们可以把一条线段看作是由无数个点构成,一个平面也可以看作是由无数个点构成, 同样道理物体周围的三维空间也可以看作是由无数个点构成. 由于这些点毕竟和普通物质点有着本质区别,因而可以取一个恰当的名字叫几何点,通过描述几何点的运动可以描述空间的运动。 设想在某处空间区域里,存在着一个物质点O,我们观测者就住在这个物质点O上。对于物质点O周围空间任意一个几何点P的位置,在我们看来总是在运动变化,并且运动所走过的迹径也应该是个螺旋线。这个实际上也解释了我们所生活的空间为什么是三维的。
我们知道,在数学上螺旋线的参数方程为:
x = Rcosf 5, 1 y = Rcosf 5, 2 z = kf 5, 3 其中 x y z 为 P 点在原点为 O的三维直角坐标系中的坐标值, R为失径OP在 x O y 平面投影长度, f是参数,也是 OP在 x O y 平面上投影直线于 x 轴的夹角, k为 Rtga = k 5,4 上式中 a 为螺旋线于 x o y 平面的夹角. 根据以上的看法,几何点 P的三维坐标x y z是随参数 f 不断地变化的
式中的x y z当然是随便取的,不是确定死的。 这样我们获得了一个崭新的空间概念----螺旋空间 在牛顿力学和相对论力学范围内认为上式中 x =常数 y =常数 z =常数 我认为空间这个螺旋式运动里面含着波动运动形式。我们知道,螺旋式运动和波动是有很大区别的,但是对于空间这个特殊的东西却有可能共同存在着。比如描述空间的运动,动力学是没有意义的,因为空间中的几何点没有质量,没有电荷,只有运动学才具有意义。空间中一个几何点做螺旋式运动当然不会有波动效应,但是一排几何点做螺旋式运动情况就不一样了。我们知道波动是振动位移形式在媒质中传播,而不是质点在空间中传播。由于空间的特殊性,一个几何点和另一个几何点是绝对没有区别的,一排几何点在做螺旋式运动和振动形式在一排几何点中传播是没有区别的。我们可以认定空间以螺旋式运动里面包含了波动形式。 以上的几何点P只是物质点O周围空间中任意一个几何点,O点周围空间肯定有许多个像P点那样的几何点,由于相同的原因使这些几何点运动,因而这些几何点的运动不会是杂乱无章的,而是以O点为中心,呈辐射状。由于O点相对于我们观察者是静止的,使得无论OP指向哪一个方向都不是特殊的,它周围的空间应该是均匀的。这样会使得O点周围空间的几何点螺旋式运动中的旋转量x和y消失,原因是在一块空间平面上有多少条几何点的旋转线穿过去,就有多少条几何点的旋转线穿出来。磁场的高斯定理告诉我们,磁场的磁通量包围积分为零。上面的5,1式和5,2式和磁场的情况类似,其结果是x= rcosf和y= rcosf在O点相当于我们静止时候不需要考虑 现在只剩下z = Kf 5,5 在以上时间的物理定义中,我们给时间下的定义为:时间是我们观察者对自己在空间中运动变化的一种感受。用数学表示为:时间与我们观察者走过的路程成正比。由于运动是相对的,我们观察者如果认为自己是静止的,这个观察者周围空间中任意一个几何点相对于我们都在运动。很显然,究竟是几何点在运动还是我们观察者在运动,这个不重要,只要几何点和观察者之间有相对运动。几何点的运动同样可以表示出观察者的时间来。因而也可以这样认为:观察者测得的时间与观察者周围空间中某一个几何点的位移成正比。这样我们有理由认为5,5式中参数f就是时间。将5,5式的参数 f 换成时间t , k 换成 C , 则5,5式可以换成 z = C t 5,6 在考虑O点周围空间中一个几何点的运动情况,5,1和5,2式仍然会有意义的,相应的5,1和5,2式可以改成 x = Rcosωt 5,7 y = Rcosωt 5,8 在以上5,6和 5,7、5,8式中ω是角速度,t是时间,C为速度,z是个直线位移,也可以看作是一条数轴,它也可以代表时间,这样一来,t和z是等价的,二者表示同样的物理意义。5,6式方程所表达的意思是-----时间的流逝等价于空间本身的延伸,这个方程反映了时间、空间的统一性,相对论中有时空相对性,与之相对应,统一场论中有时空统一性。时空统一性反映了这样一个物理思想,相对于我们一个观察者而言,发生的事件所在的空间范围约大,所经历的时间就越长。例如,地球绕太阳运动比起原子中电子绕原子核运动所在的空间范围要大得多,而运动周期相应的也大得多。可以看到,时空的统一性是最基本的,从时空的统一性可以导出时空的相对性,下一节我们将从时空的统一性来证明相对论中的时空相对性。5,6式中C在这种情况下也就变成了一个单纯的常系数,C既然只是个数字,它肯定不会因观察者的改变而改变,C在量纲上是个速度或者是个速率,联想到相对论中的光速那些特性,我们有理由相信这个C就是相对论中提到的光速。下面我们要来详细证明光速不变性。6, .光速为什么不变
狭义相对论中的光速不变是指:两个相互以匀速度v(v>0)直线运动的观察者测量同一束光的速度都是相同的。
相对论的基础就是光速不变性,但是相对论没有给出证明,只是把它作为事实接受了下来。
光速不变性的原因从以上分析来看,是空间本身运动所造成的。
有一个最为明显的例子是,一束光照射到水中,速度会慢下来,当光再次从水中出来时候,速度又恢复到原来的数值,在真空中不可能有什么东西给光再次加速,唯一的原因是空间本身时刻在以光速运动,光是静止于空间中,被空间运动带着向外跑。有了这种看法加上上面的时间的物理定义我们就可以证明光速不变性。
以上分析告诉我们,一个观察者处于空间中,他周围有无数个几何点以辐射状向外运动,这个就是产生时间的根本原因。由于运动的相对性,我们只要确定几何点和我们观测者之间的距离在变化就行了,不需要确定究竟是几何点在运动,还是我们观测者在运动,从这个角度看,可以认为观察者的时间于他周围空间中任意一个几何点运动走过的路程成正比。
设想有一个物质点O处于某处空间区域里,我们以 O点为原点作一个二维直角坐标系 xOy . 观测者甲相对于O点静止,当然相对于直角坐标系 xOy . 也是静止的。而观测者乙相对观测者甲以速度为v沿x轴作匀速直线运动,如图1所示。
设想在某个时刻,观察者甲乙和O点相互重合在一起,此时甲乙两个观测者选择这样一个几何点P来观测,该几何点在甲乙和O点重合时刻从O点出发,运动方向沿y轴,和x轴相垂直。
当然甲乙也可以选择一个沿x轴相平行的方向从O点出发的几何点来观察,但这样一来,该几何点所走过的路程甲、乙二个观测者可能有着不同的看法,而甲、乙二人选择一个沿x轴相垂直方向从O点出发的几何点,所走过的路程将于甲、乙二人的运动无关,这一切狭义相对论用火车钻山洞的假想试验给出了证明,我认为这个证明是可信的。
几何点过了一段时间后到达p点。这样观测者甲认为在时间为T内几何点P走了OP这么远的路程,而观测者乙在时间为t内自己从 O点出发到达B点,并且肯定认为该几何点走了 BP 这么远的路程,这样的话, OP和BP, vt 形成了一个直角三角形, 我们令A等于OP,令D等于BP,根据前面的看法,观测者所测得的时间与他周围空间中某个几何点所走过的路程成正比。
这样说来,则下式成立:
D/ A= t / T 6,1
将上式变形为:
D/ t = A/ T 6,2
这样,观测者甲认为自己周围空间这个几何点P在T这段时间内以一个恒定的速率走了A这么远的路程, 而观测者乙认为这个几何点走了D这么远的路程, 虽然比甲测得路程要长,但相应地所用时间也延长了,所以该几何点的速率在甲乙二人看来是不变的,是个常数. 如果认为以上的常数就是光速的话, 这就解释了光速为什么会不变.
我们要注意一个情况,我们在这里确定那一个观测者在运动,那一个观测者是静止的,都是相对于物质点O而言的,没有O点的存在,我们说运动、静止是没有物理意义的,空间、时间的所有性质唯一的来自于空间的运动和变化,而确定空间的变化必须要相对物质点才能够确定,我们应当清楚地看到,空间、时间的性质和物质点的存在是紧密的联系在一起的。某些特殊的情况下,没有物质点的存在,在描述观测者和时间、空间之间的关系时候,实际上是我们把其中一个观测者自己当作一个物质点,作为描述对象的。
以上所描述的同一事件(就是一个几何点从O点出发到达P点这件事), 观察者甲认为用了T这么长的时间,而观察者乙认为用了t这么长的时间,由于t大于T. 这在形式上符号相对论中观点: 运动的观察者(在这里是指相对于O点)所测得的时间延长.但在数量上和相对论是否一致呢? 由于:
D/ t = A/ T = 常数(光速c) 6,3
(5,6式给出了证明)
(√ A2 + v 2t2 )/ t = c
A2 + (vt)2 = c2t2
A2 = c2t2(1-v2/c2)
(cT)2 = c2t2(1-v/c2)
T2 = t2(1-v/c2)
T = t √(1-v2/c2) 6,4
从以上分析来看.,时间的的延长在数量上和相对论是一样的。
现在我们来考虑一下空间长度于运动速度之间的关系。
由于光速不变,在某个地方相对于观察者甲静止,发生了某一个事件,观察者甲认为,这个事件从开始到结束经历了一个小时,相对于甲以速度v (v>0) 匀速运动观察者乙认为这个事件从开始到结束经历的时间大于一个小时,这个叫相对论的钟慢效应,由钟慢效应我们又可以导出相对论的另一个效应----尺缩效应。
在上图2中,观察者乙相对于观察者甲以匀速度v直线运动,在乙所在的坐标系中,有一段空间长度AB=L,C是甲坐标系中一点,设想在某一个时刻,B点和C点重合在一起,我们开始计时,乙认为,经历了T这么长时间,A点也到达了C点,在乙看来,AB的长度L
L = vT 6,5
甲认为,在时间为t内,B点和A点相续经过C点,甲认为AB的长度L。
L。= vt 6,5
由于两个观察者对发生同一件事件所经历的时间的长短有不同的看法,所以L不等于L。
在观察者甲看来,A点和B点相继经过C点这两件事是发生在一个固定地点C点,因而甲的时间t小于乙的时间。根据时间减慢公式我们有
t = T√(1-v2/c2) 6,6
由此我们导出
L。= L√(1-v2/c2) 6,7
这样,乙所在的一段空间长度AB ,在在观察者甲看来收缩了一个因子√(1-v2/c2)
我们现在来考虑一下几何点的运动于观察者的相互运动方向一致的时间、空间变化情况。
仍然以观察者甲和乙为例。
观测者乙相对观测者甲以速度为v沿x轴正方向作匀速直线运动,设想在某个时刻甲、乙和O点相互重合在一起,此时甲乙两个观测者选择这样一个几何点来观测,该几何点在甲乙和O点重合时刻从O点出发,运动方向沿x轴,过了一段时间后到达p点。这样观测者甲认为在时间为T内该几何点走了op这么远的路程,而观测者乙在时间为t内自己从 O点出发到达B点,并且肯定认为该几何点走了 BP这么远的路程,如图3
,
我们令A等于OP,令D等于BP,根据前面的看法,观测者所测得的时间与他周围空间中某个几何点所走过的路程成正比。
这样说来,则下式成立:
D/ A= t / T 6,8
将上式变形为:
D/ t = A/ T 6,9
这样,6,9式告诉我们,观测者甲认为自己周围空间这个几何点P在T这段时间内以一个恒定的速率C (5,6式给出了根据) 走了A这么远的路程, 而观测者乙认为这个几何点P在时间t内走了D这么远的路程,。
根据前面的看法,时间与观察者周围空间中运动的几何点所走过的路程成正比,如果乙测得路程D比起甲测得路程A要长的话,相应地所用时间也延长了。如果乙测得的路程D比起甲测得的路程A 要短的话,相应的时间也要减少,所以该几何点P的速率在甲乙二人看来是不变的,仍然是个常数.C
这样一来,我们可以把6,9式写成
D/ t = A/ T = 常数(光速c) 6,10
这样我们根据时间的物理定义证明了,无论是几何点P的运动方向和x轴相垂直还是相平行,都可以使6,9式和6,10式成立,也就是我们证明了光速在不同的观察者测量有相同的数值。
我们现在的问题是,几何点P运动的方向和x轴相平行,所得到的钟慢和几何点P运动的方向和x轴相垂直所得到的钟慢在数值上是否一致?
从图3 中可以看到,观察者甲认为在某个时刻,自己周围空间任意一个几何点P的x坐标值x和观察者乙的x。轴的坐标值X满足以下关系
x = vT + X√(1-v2/c2) 6,11
10式中的T 是甲的时刻,X是观察者乙所在的坐标系的坐标值,根据尺缩、钟慢,在甲看来其长度是要收缩一个因子√(1-v2/C2)
在观察者乙看来,
X =x √(1-v2/C2)– vt 6,12
将同样成立。16,12式中的t是观察者乙的时刻,甲的坐标值x在乙看来,出于同样原因也要收缩一个因子√(1-v2/C2)。
从6,11式和6,12 式可以导出
t √(1-v2/C2)= T – vx /C2 6,13
以上方程反映了甲参考系中某一个时刻和乙参考系中某一个时刻之间的数学关系。
现在我们来考虑一段时间在甲乙两个参考系之间的关系。
设想在甲坐标系中某点x=s发生了一件事件,开始于时刻t1,终止于时刻t2,,所经历的时间是t = t 2– t1
在乙坐标系中,认为这件事所经历的时间是T = T2 - T1
根据6,13式,
T =T2 –T1 =(T2 –vs/C2)/√(1-v2/C2)-(T1–vs/C2)/√(1-v2/C2)= (t2– t1) / √(1-v2/C2)
亦即T = t / √(1-v2/C2)
由此我们导出,无论是几何点P运动的方向和x轴相平行还是相垂直,所得到的尺缩、钟慢在数值是一样的,和相对论中的结果也是一样的。
以上我们证明光速不变,根本没有提到麦克斯韦方程,这个使我们在直觉上觉得有点不对劲。光速不变性的本质是空间运动(空间运动产生了时间)造成的,它与光源的发射方式无关,于我们观察者、发光物体的运动和位置无关。
打个比方,机关枪发射子弹,如果弹药足,爆炸力强,子弹的速度就快一些,反之就慢一些。现在设想有一个皮带运输机高速运转,我们抓一把枪子弹放在上面,这个枪子弹的运动速度(包括了方向)只能由皮带运输机的速度决定了,与我们如何放的方式是无关的。
由于光的传播速度是由空间运动速度所决定的,由其我们可以导出一个推论:两个观察者相对无论作匀速直线、加速运动、旋转运动、变加速运动---无论如何复杂的运动,测量一束光的速度都是一样的。
7, 对质量的解释
质量在物理学中是个基本概念,它最早出现在牛顿力学中。
物体为什么具有质量,质量的本质到底是什么?统一场论基本原理告诉我们,质量是因为物质点在它周围空间中运动而产生一种性质,而不是物质点的内部什么原因引起的,这一点于常人的看法是大相径庭的。
从以上分析来看,宇宙中任何一个物质点O存在于空间中,垂直原理告诉我们会对周围空间施加影响,造成这个物质点O周围许多个几何点运动,产生许多条指向空间的位移矢量, 5,6式中z = Ct就是指这些矢量,我认为这些矢量就可以反映出物质点O的质量这种性质,物质点的质量大小就是指它周围空间中有多少条以光速运动的几何点的位移矢量。
根据以上5,6式的看法,我们在离O点距离为R远、以O点为中心作一个包围球面4πR2,这样有N条z = Ct的位移矢量穿过了这个包围面4πR2。
设想我们把包围球面4πR2分割成许多微小面积s,在s上,恰巧只能有一条几何点位移矢量z = Ct穿过去,则
1 / s = N / 4πR2 7,1
把以上我们对质量本质的看法带进7,1式中,设O点的质量为M,则7,1式可以写成
1 / s = kM 4πR2 7,2
7,2式就是质量这个物理概念本质的一种数学表达示。其中k是个常数,1 / s可以反映出物质点O的周围空间运动变化的一种性质,这种性质是由O点的质量所引起的,以后我们将看到1 / s可以反映出O点周围空间中某处的重力场场强。
从7,2式中可以看出,当包围面积4πR2和1 / s的值固定时候,O点的质量M值于个数N成正比,即
M∝ N 7,3
从7,1式和7,2式可以看出,当条数N取一个固定值, s的值大小固定,质量M将反比于包围面积4πR2
M∝ 1 / 4πR2 7,4
在7,2式中,4πR2取一个固定值,M将正比于1 / s
M∝ 1 / s 7,5
在牛顿第二定理中引出的质量我们应该怎么来理解?
牛顿第二定理的概念首先来自于动量。牛顿认为,任何一个物体相对于观察者都以匀速直线(包括速度为零的特殊状态)运动,因而有个运动量,简称为动量,这个动量于物体的速度成正比,这个我们好理解,于这个物体所带的质量成正比,这个我们就不好理解了。按照前面的分析,这里动量中的质量应该是指速度的垂直方向上,速度占据了多大的空间范围,这个话不好理解,在以后的《对动量的解释》还要分析牛顿第二定理中的质量。
8, 对动量的解释
动量概念首先来自于牛顿力学,牛顿力学认为一个质量为m的物质点,它以一个速度v相对于我们观察者匀速直线运动时,就有了一个动量
P = mv 8,1
前面我们分析过,一个物质点O相对于我们观察者静止,它周围空间中有许多几何点以光速向外运动,产生了许多条几何点的位移矢量,呈辐射状,物质点的质量的大小取决于这些几何点位移。
这样我们结合牛顿有关动量的思想,也可以认为一个物质点O相对于我们静止时有一个特殊的静止动量
p = MC 8,2
式中C为光速,由于它是O点本来固有的速度,我们可以认为O点相对于我们静止时候有一个固有的速度光速C。P 为O点相对于我们观察者静止时候的动量,我们可以称为静止动量,M为O点相对于我们观察者静止时候的质量。
实际上8,2式可以从5,6式中直接推导出来,我们把5,6式中z = Ct对时间t求导,结果是C, 我们很自然的认为O点周围空间有多少条Ct,就有多少条C,这个几何点的条数按理不会随时间变化。
但是,在这种情况下由于物质点的质量的大小取决于这个条数,而相对论又认为质量是可以随速度、随时间而变化的,这个是怎么一回事呢?
原因就是物质点的质量取决于物质点周围空间中多大面积内穿过了多少条矢量,这个条数虽然不变,但是这个空间面积可以变化,在式7,5中,可以看到M ∝1/s,质量的大小将随着这个面积变化而反比变化。
当O点相对于我们观察者以一个速度为v匀速直线运动时候,O点周围空间中任意一个几何点p相对于我们观察者的固有速度不变,仍然是光速C,(前面第6节《光速为什么不变》给出了证明),但是这样一来, p点相对于O点的运动速度对于我们而言将不是光速,而是C – v, 注意,如果O点上有另外一个观察者随着O点一同运动,在他看来,P点相对于O点的速度仍然是光速,请大家不要把光速不变搞混淆了。
根据以上分析,一个物质点O相对于我们观察者以速度v匀速直线运动时候,O点周围空间中任意一个几何点P相对于O点的固有速度C 将变成C– v, C– v可以反映出O点周围空间的变化性质,我们把上面的动量式p = MC扩展一下,变成
P = m(C –v) 8,3
式中P是O点相对于我们运动时的动量,m是O点相对于我们运动时的质量,注意P ,C ,v都是矢量。
这个动量式可以看成是统一场论的动量式,也是普遍的动量式,它比起牛顿力学多了一项mC,并且认为m是可以变化的。它比起相对论只是多了一项mC,其余相同。
我们还要注意,8.3式中的m如果是一个像前面提到的包围面积为4πR2内有N条z = Ct或者是有N条C –v的物理量,则12 式便没有物理意义,道理很简单,z = Ct或者C –v都是矢量,m 和他们相乘的结果就是许多矢量z = Ct或者C –v在相加,由于Ct或者C的分布都具有对称性,相加的结果是零,显然没有了物理意义,我们把包围面4πR2分割成许多小面积s,每一个小面积s只能有一个矢量Ct或者C –v穿过去,m在这里应该被看成是:
1/s = N / 4πR2∝ m 8,4
式中∝是正比的意思。我们用精确的语言来解释一下8,4式:
一个物质点O相对于我们静止时候,在离O点距离为R远处作一个包围面4π R2,有N条几何点的光速度矢量穿过包围面4π R2,呈辐射状,当O点相对于我们有一个以速度v匀速直线运动时候,有N条C-v矢量穿过包围面4π R2,我们把包围面4π R2分割成许多小面积s, 每一个面积s仅仅容一条C - v矢量穿过去,8,4式中m表示了O点的质量,它的几何意义是:一条C - v矢量在垂直方向占据了多大的空间范围,牛顿力学第二定理中的质量应该是这种情况下的质量,据此,8,3式也可以写成
P ∝ 1/s (C –v) 8,5
从这里的分析看,动量反映了物质点周围局部空间的性质,或者反映了物质点在某个方向上的空间的性质。
9, 对相对论质速关系的解释
相对论认为,一个相对于我们静止的物质点O,它的质量为M,当O点相对于我们以速度v匀速直线运动时候,它运动时的质量m随着速度v的增加而增加,并且满足如下关系
M= m√(1 – v2/c2) 9,1
统一场论有着与相对论不同的看法。统一场论认为宇宙中任意一个物质点O相对于我们静止时候,都不是真正静止的,而是以一个固有的光速在穿越空间运动,也可以认为是O点周围空间中许多几何点相对于O点在以光速辐射运动。
当O点相对于我们观察者以一个速度为v匀速直线运动时候,O点周围空间中一个几何点p如果和速度v相平行,相对于我们观察者的固有速度C不变,仍然是光速C,(前面第6节《光速为什么不变》给出了证明),但是这样一来,如果几何点p和速度v相垂直,相对于我们观察者的固有速度C在v的垂直方向上将要变化,变成J,并且
J = √(1-v2/c2) 9,2
9,2式从光速不变性很容易证明,设想物质点O相对于我们静止,一个几何点p从O点出发,以光速向外运动产生了一个位移OP,现在我们考虑O点以速度v沿OP垂直方向运动情况,在这种情况下,由于光速不变,几何点P相对于我们观察者的速度仍然是光速C,由于C可以分解成速度v和v相垂直方向的速度J,所以有了9,2式。
9,2 式使我们意识到,一个物质点O相对于我们静止,它周围空间中有一个几何点P相对于我们及相对于O点都是以光速向外运动,当O点以速度v相对于我们运动时,P点相对于我们观察者的位置速度仍然是光速,但是,相对于O点的位置,在我们观察者看来却是变化的,这种变化完全是光速不变决定的,光速这种变和不变的确让人很容易混淆。
当O点相对于我们以匀速度v直线运动时候,几何点P相对于O点在速度v相平行方向变成C –v,但是,在我们观察者看来,几何点P相对于我们的速度要加上速度v,结果C –v +v =C,但是,几何点P相对于O点在速度v相垂直方向变成√(C2 –v2),我们应当看到,几何点P相对于O点的光速可以随着O点的运动而变化。
统一场论对质速关系的看法是,统一场论认为宇宙中任意一个物质点O相对于我们静止时候,都不是真正静止的,而是以一个固有的光速C在穿越空间运动,也可以认为是O点周围空间中许多几何点相对于O点在以光速C辐射运动。当O点相对于我们以匀速度v直线运动时候,沿速度v相垂直方向上几何点的光速度将减小到√(C2 –v2),光速的减少将导致质量的增加,二者在数值上相互守恒,统一场论对此的看法是物体的动量总的来说是不变的,运动只能改变它的形式,这个可以看作是广义的动量守恒。
设O点相对于我们静止,质量为M,有一个特殊的静止动量MC,当O点相对于我们以速度v匀速直线运动时候,静动量MC在形式上变成了m√(C2 –v2),二者的量相等,
MC = m√(C2 –v2)
两边都除以C,变成了9,1式
M= m√(1 – v2/c2)
从这里可以看到,牛顿力学中的动量只是静止动量的一个变化量而已。
从统一场论认定的质量几何形式出发,可以简单、直观的证明质速关系。
设想O点相对于我们以匀速度v直线运动,在以上的7,1式中,使z =Ct垂直于v,面积s垂直于z =Ct,是球面积4πR2中的一小块,由于很小,可以看成是一个小正方形,由于相对论的运动方向长度收缩效应,s 将收缩一个因子√(1 – v2/c2),结合7,2式1 / s = kM 4πR2和7,5式M∝ 1 / s ,可知O点运动时候质量将增加一个因子√(1 – v2/c2),这样就解释了9,1式。
统一场论认为,当O点相对于我们有一个速度v运动时候,几何点相对于O点的速度J减少了,结果导致质量增加了,二者在数量上是守恒的,这种思想很重要,它使我们明白,物体在相互作用中,只是运动形式在变化,比如,两个物体相互作用的结果是速度可以转化成了质量,质量也可以转化成速度,只是运动形式在变化,他们之间并么有相互在传递什么实物粒子,这篇文章一开始,就强调了这种思想。
这种思想可以看出质量和速度都可以反映出物质的惯性,二者可以相互转化,也可以理解为更普遍的动量守恒定理。
10, 对力的解释
力的概念由来已久,定性定量的描述力开始于牛顿力学。
牛顿力学认为,任何一个物质点O相对于我们观察者都有一个匀速运动状态(包括速度为零的静止状态),因而由一个运动量,简称动量,用P表示
P = mv 10,1
式中m是质量,v是速度。
当有外力迫使O点运动状态发生变化,P = mv随时间变化率反映了O点的受力情况,数学表示为
d P /dt = F =ma 10,2
统一场论对力的看法和牛顿力学有相同的部分,都认为力是改变物体运动状态的原因,当然也可以认为物体的运动状态发生改变是产生力的原因,从统一场论的基本原理看,力也是物质点在空间中运动变化的一种性质,我们认为位物质点是静止的,它周围空间则发生变化,力也可以通过描述空间变化而表现出来。
统一场论在认识上所不同的是:认为任何一个物体相对于我们静止时候都不是真正静止的,都有一个穿越空间运动的光速C,它的动量式是
P = m(C-v) 10,3
当P = m(C-v) 随时间发生变化,这个变化率就可以反映出力的大小,将上式对时间求导,结果是
dP / dt = F = (C-v)d m/ dt + md C/ dt - md v / dt
上式中F是时间,由于光速不随时间变化,式中md C/ dt = 0,此式可以写成
dP / dt = F = (C-v)d m/ dt - md v / dt 10,4
10,4式可以看成是统一场论动力学方程,它比起牛顿力学多了一项(C-v)d m/ dt,比起相对论动力学方程dP / dt = F = vd m/ dt + md v / dt 多了一项Cd m/ dt.. 11, 对万有引力的解释
牛顿的万有引力指出,宇宙中任何两个物体都是相互吸引的,吸引力的大小与两个物体的质量成正比,于它们之间的距离的平方成反比,作用力在它们之间的连线上。这个定理看似简单,解释它却很困难,不过统一场论可以对此做出彻底解释。
第一步,我们来分析一下重力场。
在前面,我们分析过,场的本质是运动空间。
接下来,我们要搞清楚空间是如何运动产生了重力场。
以地球为例子。
我们知道重力场有一个基本的特性就是对存在于其中的物体施加作用力,观察者只要根据这个特性,就能够判断出自己是否处于重力场之间。
如果按照现代物理学看法,认为场的本质是一种特殊的物质的话。
设想有一个宇宙飞船,在地球上空围绕地球做旋转运动。站在地球上的观察者认为,这个飞船处在地球的重力场范围内,因而内部肯定有重力场这种物质。在飞船内部的观察者处于失重状态,因而他认为飞船内没有重力场这种物质。
飞船内部有还是没有重力场这种特殊的物质,到底是谁说了算?
一个自由下落的或者做抛物线运动观察者也有类似的情况。
总结以上看法,在地球表面重力场对存在于其中静止的物体产生作用,有一个以自由落体加速度g运动的物体就不起作用。是什么原因呢?有一个加速度g的运动能够完全抵消地球重力场所产生的效应吗?
合乎情理的看法是:重力场不是物质,它是一种性质,在前面的“事”和“物”讨论中,场明显属于“事”的范畴。物质点以加速度g运动(也可以说运动里含有加速度g)可以表现出重力场这种性质。
一个物质点O存在于空间中某个地方,某个观察者发现这个物质点O周围空间存在着重力场,有一个小物体在围绕物质点O做旋转运动,这个旋转物体可大可小,当这个旋转物体非常小,小到接近零,可以预见,测量这个旋转物体的加速度仍然可以知道O点的重力场的情况。我们进一步设想,在不存在物体的情况下,空间仍然以这种方式在运动,仍然可以反映出O点的重力场情况。
观察者要想测量O点周围某处空间中的重力场的大小,他只要在这里放上一个小物体,测量它的加速度,观察者就知道了这处重力场的大小和方向。总结一句话:物质点在它周围空间中产生的重力场中某一处场强,等于该处存在一个小物体的加速度。在不存在小物体的情况下,
物质点在它周围空间中产生的重力场中某一处场强,等于该处存在一个几何点的加速度。
a = A = dr / dt2 11,1
式中r是O点周围空间中的一个几何点的位移,A是重力场的场强,a是加速度,t 是时间。.
从以上分析来看,重力场就是空间本身加速运动的一种表现。在以上的螺旋式时空方程中,我们就论述过,任何一个物体存在于空间中,都有许多个几何点在以螺旋式围绕该物体运动。
认为空间本身在运动,我们很容易理解以上宇宙飞船绕地球的例子中,地球的重力场效应就是空间以加速度g扑向地球,宇航员随着空间一起以加速度g运动,当然感觉不到重力场效应,这就好像汽车扑向你,你肯定要受伤,当你随着汽车一同运动,你就不会受伤。
在牛顿万有引力定理F = GMm / R2中,设想有一个质量为m的物体绕质量为M的地球做旋转运动,它的加速度:
g = GM / R2 11,2
静电场的高斯定理给了我们一个启示,我们可以把上式变换成
g = (n / s )L 11,3
上式中n代表个数,s是一个微小面积,L是个从地球出发指向空间中的一个数量为1的单位矢量。(注意,式中的s在这里是标量,而静电场高斯定理中s是矢量)
11,3式表示的意思是:地球周围空间存在着许多矢量L,在空间某处(离地球距离为r)沿着L的垂直方向作一个小面积s,这个面积s内包围了n条矢量L。
这在里,g的大小只与n和s有关,L只是表示了方向。我们将2式中s面积换成一个包围地球的包围面积4π R2,个数n也变成N,这样11,3式变成
g = (N/ 4π R2)L 11,4
将11,4式和11,2式相比较,可得下式:
M = N / 4πG 11,5
11,5式中去掉了矢量L ,4πG是个常数,根据11,2式到11,5式的看法,地球的质量可以看成是地球周围空间总共有多少条像L这样的矢量。
接下来我们要明确矢量L是个什么样的矢量。
从以上的分析来看,物质点O相对于我们静止时候,它周围应该有无数个象z = ct这样几何点的位移直线均匀地分布在O点周围空间中,呈辐射状。设想O点周围有N条象z = ct的位移直线。我们在离O点距离为R远、以O点为中心作一个包围球面,这样有N条z = ct的位移直线穿过这个包围面,按照前面的分析,可以认为O点的质量取决于这个条数N。
这样我们可以看出的物质点O的质量与他周围空间中几何点的运动有关,当这些几何点的位移的大小和包围物体的包围面积4πR2一定时候,O点的质量M正比于条数N。
O点周围空间任意一个几何点运动情况可以用a=N / 4πR2来表示。
在上面的11,4式中,我们将g取一个固定值,N也取一个固定数1,这样,
4π将随之变小,L也将随着R的平方而变化,二者将有一个函数关系。11,4式可以改成:
g = (1 / cπ R2)L 11,6
11,6式中的cπ R2表示地球外某处(离地球的距离为R)一条矢量L所占用空间(在L垂直方向上)面积的大小, L随着R的平方而变化。
我们熟悉的一维波动方程为:
偏2L / 偏t2 = u2(偏2L / 偏r2) 11,7
将11,6式和11,7式相比较,可见二者有基本相同的物理意义。方程的左边都是位移量时间的平方变化,右边都是位移量随空间位置的平方变化。u2可以看作是个常数。
从以上分析来看,一个物体存在于空间中,垂直原理告诉我们会对周围空间施加影响,影响的结果是造成物体周围空间中几何点的运动,运动的位移随时间加速变化可以反映出重力场的大小和方向,运动的位移随空间位置的变化同样可以反映出重力场的大小和方向,二者应该是等价的。
我们知道物理量(这里是指几何点的位移量)随时间加速变化又随空间位置变化反映出波动性质。对重力场的分析就明确了重力场具有波动性。以上的螺旋三维时空方程中指出,物体周围空间以螺旋式和波动并存的方式在运动,空间的存在具有波动性,这样使我们有理由相信场的本质就是这个波动的表现。
我认为重力场是这个波动的根源,电磁场是波动的传播,传播的速度就是光速。
以后在电磁场和重力场之间的关系中还要论述这些。
前面分析了重力场,接着我们来分析万有引力。
按照前面的分析,任何一个物体O存在于空间中,由于垂直原理的原因,会对周围空间产生影响,结果使周围空间以螺旋式运动,在这个螺旋式运动中,几何点绕O点旋转运动所产生的效应就是万有引力。,
设想有A和B两个物质点存在于空间中,各自都有几何点在围绕旋转,图4中
可以看出几何点的旋转由于相同的原因,旋转的方向也应该是相同的。几何点在相互接触的那部分由于方向相反而相互抵消一部分,这样AB两点之间的空间要减小,表现为AB两点有相互接触的趋向,这个就是AB两个物质点产生引力的原因。
从上图中可以看出万有引力是靠旋转空间来相互作用的,普通的重力场我猜测是逆时针旋转空间造成的,也可以说是右旋空间造成的,当然这个需要试验确认。人类要想找到反重力,看来只有造出左旋空间来。
以地球和月球为例,以前我们认为万有引力的相互作用是
地球—重力场—月球
统一场论的看法是
地球—变化的空间—月球
在地球表面上,一个物质点P以加速度g从空中自由下落,按照前面的分析,是由于P点所在的空间本身以加速度g在扑向地球,P点是静止于空间中被空间运动带着跑。如果P点落在地球上不动了,它就等同于P点以一个加速度g相对于我们观察者在(不受引力影响的自由)空间中运动。
一个人要是跟随P点一同运动(不考虑空气影响),他是感觉不到地球的重力场效应的,这个可以这样理解,P点的运动已经把地球的重力场效应给表现出来了。
至此,我们可以做出判断:在地球表面,我们观察者看到一个质量为m的P点静止于地球的表面,P点所受到了地球的万有引力F引 = mg(g为地球表面重力加速度)。
如果将P点放在远离地球和其他星球的一处空间区域里,用外力迫使P点相对于我们观察者以加速度g运动,P点所受到的作用力F作 = mg完全等同于F引 = mg,亦即
F引 = F作= mg
一句话,在描述地球和月球的万有引力相互作用中,我们以地球为参考系,我们观察者站在地球上,只要描述月球的加速运动情况,就可以判断出地球和月球之间的万有引力。
说到底,万有引力仍然是一种相对运动,一个苹果掉在地球上,和地球撞上苹果是一回事。可是有的人马上就反驳:如果这种看法成立,和我们对称的巴西国家一个苹果会飞向空中,其实这个反驳需要一个前提----空间是静止不动的,空间就像一个海洋,地球、太阳、月球、行星、恒星、我们人等像鱼儿在空间海洋中运动,相对论和统一场论强力地否定空间是静止和不动的。这个也应了前面的统一场论基本原理-------一切物理现象都是物质点在空间中运动所形成的。
12, 对正负电荷和库伦定理的解释
库伦定理认为,质点所带的电荷有正有负,真空中任何两个同号电荷相斥,异号电荷相吸引,发生的作用力于他们所带的电荷呈正比,于他们的距离的平方呈反比,作用力在他们的连线上。
库伦定理可以改造成静电场的高斯定理,高斯定理认为一个电荷带的电量的多少取决于这个电荷周围空间中电场线的条数。我认为这个电场线就是几何点的光速度矢量,之所以这么认为,是由此产生的结果和我们已经掌握的知识相符合。
首先我们来考察一个点电荷Q相对于我们观察者静止的情况。人们已经掌握的电磁学知识告诉我们,点电荷Q周围空间中存在着静电场,是由于Q点带有电荷所造成的,静电场高斯定理告诉我们,Q点周围空间中某个地方能够反映出该地方静电场性质的场强E于电场线的密度有关。
E = KN / 4π r2 12,1
12,1式中K为比例常数,4π r2是以点电荷Q为中心,半径为r的一个包围面积,N是电场线的条数,把18式中KN 换成εq , ε是介电常数,q是点电荷Q所带的电量,这样可以把18式换成是教科书中的电场定义式
E =εq / 4π r2r 12,2
12,2式中r是个单位矢量,E也是矢量。 19
前面我们分析过,任何一个物质点O周围空间中都有许多条几何点的位移矢量z = Ct,将z = Ct对时间求导,
dz / dt = C 12,3
结果O点周围肯定有许多条几何点的光速度矢量C.,对于一个确定的电荷,它所带的电荷的多少,可以认为是它周围空间中有多少条几何点的光速矢量。
由于光速相对于不同的观察者有相同的数值,可以认为电荷相对于不同的观察者有相同的数值原因就是光速不变造成的,而光速不变前面已经说过,是时间空间的本性决定的,我们再一次看到,电荷的本性是时间空间决定,而时间空间则意味着运动,这个应了统一场论的基本思想:一切物理现象都是物质点在空间中运动产生的。
那么电荷有正有负是怎么一回事?
如果按照教科书的看法,点电荷Q带有负电荷是有许多矢量箭头指向Q点,点电荷Q如果带有正电荷,是由于许多矢量箭头从Q点出发指向空间中。这种看法违反了前面的螺旋时空方程,前面的螺旋时空方程告诉我们,Q点周围空间中的几何点z = Ct(5,6式)矢量总是从Q点出发指向周围空间。
电荷的正负应该是围绕矢量z = Ct(5,6式)的x = Rcosωt (5,7式)和y = Rcosωt (5,8式)的旋转运动所造成的,空间的顺时针和逆时针旋转运动造成了电荷具有正负。
在前面的螺旋时空方程中,我认为几何点绕z = Ct矢量的逆时针旋转运动是负电荷产生的负电场,顺时针旋转运动所产生的电场是正电场。这种看法在理论上是无法证明的,它只有从实验中去证实。如果运气好的话,电荷的正负可能被我的直觉猜中了。
这种看法对等量的正负电荷相遇就湮灭,电荷的同号相斥、异好相吸,可以做出很好的解释。
两个正负电荷相遇,它周围空间中的正负电场就是顺时针、逆时针旋转的空间在旋转的垂直方向上相遇,在某一个平面上有一些几何点位移线穿过去,有一些几何点的位移线要穿进来,自然相互抵消一部分,空间要减少,两个电荷有相互接触趋势,表现为相互吸引。
注意一下,两个物质点的万有引力所造成的旋转空间是在旋转的平行方向上相遇,而表现为空间相互减少,如图4。
当正负电荷所带的电量相等,旋转空间将消失,电荷将失去电性,表现为正负电荷相互抵消,也叫湮灭。
两个同号电荷相遇,几何点旋转方向相同,自然要相互叠加,空间要增加,两个电荷有相互离开的趋势,表现为斥力。
对于一个点电荷Q存在于空间中,相对于我们观察者静止,Q点周围空间中一个几何点P相对于Q点在以螺旋式向外运动,这个运动可以表现出Q点的电荷这种性质来,有可以说Q点带有电荷就是周围空间中几何点以螺旋式运动所造成的。
在5,7式 x = Rcosωt 和5,8 式y = Rcosωt 中,令矢量r =x + y
从以上的分析来看,矢量r是绕5,6式中z =Ct旋转运动的旋转量。
电荷Q所带的电量与Q点周围空间中的几何点P的运动量相关, P点的运动位移是
R= x+y+z
当以上的x和y为零时候,R=z=Ct
此时,电荷 Q的性质只能由R=z=Ct 决定了,也可以说,Q点以光速运动时候,Q点的电磁特性消失,这种看法和我们由实验得来的结果是一样的。
13, 电磁场和重力场的数学关系
从前面的分析来看,物理学中的场的本质是空间运动变化所产生的,而空间运动变化可以用螺旋式时空波动方程描述。
具体的讲,我们把空间看成是有许多个点构成,称之为几何点,通过对几何点运动描述可以揭示电磁场和重力场之间的关系。
任何一个物质点存在于空间中,都有许多几何点在围绕它作螺旋式运动,我们要想找到电磁场和重力场的数学关系,按理分析,我们只要明确了电磁场、重力场的几何形式,通过他们的几何形式就可以确定重力场和电磁场的数学关系,但是实际上不是那么简单。
在11节《对万有引力的解释》,我们断定一个物质点O存在于空间中,所产生的重力场(亦称引力场)的场强应该是:O点周围空间中围绕O点旋转运动一个几何点P的加速度。或者说几何点P运动时加速度可以反映出O点的重力场情况。在第11节中同时还指出,O点周围空间有许多条几何点的位移矢量z =Ct,在某个小面积范围内有多少条矢量z =Ct穿过这个小面积,同样可以反映出这个O点周围的重力场情况。
我们应当明白,电磁场和重力场之间的关系不只是一种关系。变化的电磁场可以转化成为重力场,反过来,变化的重力场也可以转化成电磁场。
我们的大致思路是:一个物质点O相对于我们静止时候,它周围空间中几何点以螺旋式离开O点向外运动,当这些几何点旋转的中心是个点所产生的是重力场,旋转的中心是条直线所产生的是电场,旋转的中心是个圆(或者曲线)产生的是磁场。这个可以称为电磁场和重力场的静态关系。
当O点相对于我们以一个匀速度v(v>0)直线运动时候,O点的电场可以产生磁场和重力场,这个可以认为随速度变化的电场产生重力场。
当O点由于加速运动或者别的物体存在于附近及其他原因,引起了周围空间几何点的运动形式发生变化,随时间变化的重力场可以产生电磁场。
如果从前面提到的电场和重力场的本质出发,也可以直接找到电磁场和重力场之间的一种关系。
前面提到过,一个物质点O相对于我们静止,他周围空间中有许多条几何点位移矢量z =Ct(5,6式),以辐射状分布在O点周围。
在O点周围空间中某一个小范围内,z =Ct可以表现出O点的质量这种性质来,而光速C可以表现出O点的电荷这种性质来。将z =Ct对时间t求导,等价于质量对时间t求导,结果就是C, 这样我们很容易看出随时间变化的重力场产生了电场,电场用E表示,
dm / dt ∝ E 13,3
由教科书中的电场力的定义式F电 =qE
和我们认定几何点以光速C运动可以表现出电场性质,我们可以认为Cdm / dt ∝qE
这样可以把13,3式改成
Cdm / dt ∝ q E 13,4
式中m是O点的质量,E是O点相对于我们静止时候所产生的电场。
在电磁场和重力场之间的关系中,还有一种随速度(也可以说随参考系)的变化的电场产生重力场。这个以后再详细的分析。
14, 电磁力和万有引力的关系
统一场论认为,一个物质点O相对于我们静止时候,O点周围空间中的任意一个几何点以光速离开O点向外运动,由此认为O点相对于我们观察者静止时候有一个特殊的静止动量P=mC, 当O点相对于我们以速度v匀速直线运动时候,P点相对于我们观察者的速度仍然是光速,这个就是光速不变,由这个光速不变可知,P点相对于O点的速度在我们观察者看来可是要减少的,变成了J = C-v, 注意J,C,v都是矢量,因而O点的动量变成了
P=m(C-v) 14,1
当O点由于加速运动或者别的物体存在于附近,引起了周围空间几何点的运动形式发生变化,随时间变化的P=m(C-v)可以反映出O点的受力情况,将P=m(C-v)对时间t求导,结果是
F = d [(C –v)m] /dt 14,2
F是O点受到的力,这个就是统一场论的动力学方程,注意,上式中C,v,F都是矢量。将上式展开由10,4式给出,
dP / dt = F = (C-v)d m/ dt – md v / dt 14,3
F = (C – v)dm / dt – mdv /dt 14,4
F = C dm / dt– vdm / dt – mdv /dt 14,5
14,4式中第二项和牛顿力学是一样的,我认为(C – v)dm / dt中这项力就是电磁力,mdv /dt这项力是惯性力,也是牛顿第二定理中的作用力。
(C– v)dm / dt可以认为是质量随时间变化的力,可简称为加质量力,加质量力就是电磁力,展开后是Cdm /dt – vdm /dt, 第一项力Cdm /dt从13,4式看应该是电场力,电场力用qE表示,有以下式。
Cdm /dt ∝ qE 14,6
物体相对于我们静止时候也有这种力,在某些情况下物体没有产生电场力是由于物体既产生了正电场,又产生了负电场,相互抵消了。
第二项力vdm /dt,应该是磁力,它与速度有关。磁场力用qB表示,有以下等式,
vdm /dt ∝ qB 14,7
一个质点相对于我们以速度v运动,我们认为它受到了磁力的作用,当然,不见得相对于我们有一个速度v运动的质点就一定受到磁力的作用,因为磁场有正有负,能够相互抵消。
无论是电场力还是磁场力,从上式看都是加质量(也就是质量随时间变化)引起的,由于质量是产生重力场的原因,也可以说是随时间变化的重力场产生电磁场。
当一个物体相对于我们静止,根据上式,它有一个穿越空间的光速运动,因而它有可能产生了电场,可以受到电场力的作用,当这个物体相对于我们运动时,既可能受到电场力作用,又可能受到磁场力的作用,从质速关系的互补性(质量的增加是一以光速度的减少为代价的)出发,可以认为随速度变化的电场既产生了磁场,又能够产生重力场,相应的随速度变化的电场力既产生磁力又可以产生引力。
相对论认为磁场力只是是电场力的一种相对论效应而已,统一场论认为一个质点O相对于我们观察者以速度v 匀速直线运动时候,O点周围一个点几何点p相对于O点以光速运动可以反映出O点的电磁场情况,按照相对论的看法,几何点P如果换成检验电荷的话,则p点在v的垂直方向所受到的电磁力为
f = Eq – vV。/C2Eq 14,8
相对论认为Eq是电场力,vV。/C2Eq 磁场力。
其中v是O点相对于我们观察者的速度,E是O点周围电场场强,q是检验电荷p点的电荷,V。是p点相对于O点的速度,在这里是光速,因而14,8式也可以写成
f =Eq - v/CEq 14,9
统一场论认为,O点周围空间中的几何点P以光速运动可以表现出O点周围空间中的电场性质来,当O点相对于我们观察者以光速运动时候,O点电磁特性将消失,这个可以这样理解,O点以光速运动,由于光速不变,O点可以追上P点,P点相对于O的的运动消失,而O点的电磁特性正是P点相对于O点的运动所产生的。
在11节《对万有引力的解释》中,我们指出地球表面一个物质点P以加速度g(g为地球表面加速度)运动可以反映出地球表面的重力场场强,在这个P点上重力将消失,生活在P点的人也将处于失重状态。对此可以总结一句话,P点以加速度g运动可以把地球表面的重力场表现出来。与其类似,O点周围空间中几何点P以光速沿某个方向运动可以反映出O点的电场情况。
当O点相对于我们以匀速度v(v>0)直线运动,在v的垂直方向的光速(可以反映出电场性质)将要变化,这个变化可以理解为电场的变化,在v的平行方向上,P点相对于我们观察者的光速不变,相应的O点在v的平行方向上电场不变。很自然的,磁场正是这个垂直于v的光速(表现为电场)变化而来的。这个和相对论的看法基本是一致的。
如果14,7 式中vdm /dt理解是磁场力,则由14,9式可知
vdm /dt ∝v/CEq 14,10
化简得
Cdm /dt ∝ Eq 14,11
14,11式和14,6式Cdm /dt ∝ qE一模一样,我们从不同的方向出发得到相同的结果。从这里可以看到,重力场和电磁场之间的关系,统一场论包含了相对论的思想。
我们来分析一下14,5式F = C dm / dt– vdm / dt – mdv /dt 的物理意义。
当O点在空间中相对于我们观察者由于加速运动,或者别的物体存在于O点附近,引起了O点周围空间的变化,这种空间变化就可以反映出O点的受力情况,C dm / dt这项力可以认为是电场力,vdm / dt可以认为是磁场力,电磁场力于O点的质量变化率成正比,于速度成正比,于质量大小无关,质量变化产生于高速运动,这个很好解释了微观世界中小质量高速度的微小粒子相互作用中主要是电磁力。
在宏观世界中,主要是大质量、低速度运动的物体在相互作用,所以力mdv /dt占主导地位。
15, 对能量的解释
统一场论基本原理认定能量也是物质点在空间中运动变化所表现出的一种性质,而不是想某些人猜测的那样是来自于物质点的内部原因。从这个思想出发,也可以认为自然界中一切能量形式都是动能的一种表现,动能是电能、磁能、核能、光能---所有的能量的本质。
前面我们论述过,一切物理现象都是物质点在空间中运动这种机械运动形成的,统一场论反复强调这一点。
从以上的分析来看,一个物质点所带有的能量于这个物质点周围空间中的几何点的运动情况有关。
牛顿力学认为,运动物体才有能量,一个质量为m的物体,以速度为v相对于我们观察者运动,有动能
K = ? mv2
相对论认为,一个质量为M相对于我们观察者静止的物质点O, 有静止能量E静 =MC
这种看法明显和牛顿力学相矛盾。
当O点相当于我们以速度v运动时,质量M会增大,变成运动质量m,因而运动时能量为
E动 =mC
而牛顿力学中动能K = ? mv2仅仅是运动能量和静止能量之差
MC –mC = ? mv2
统一场论认为,质量和速度有互补性,质量的增加是以牺牲速度为代价的,这个看法很重要,它表明两个物体在相互作用中,所产生的力只不过是运动形式的转移罢了,并不是把一个什么东西传给了对方。
统一场论还认为,相对于我们静止的物体,都不是真正的静止,而是以光速在穿越空间运动,如果认为这个物体是静止的,他周围空间中就有许多几何点在以光速呈辐射状向外辐射,也可以认为有一个特殊的静止动量
P静 = mC
上式中质量m的意思是指该物体周围有多少条几何点的光速度矢量。
方程两边都乘上光速C,
CP静 = mC2
如果认为CP静就是相对论中的静止能量E,我们对相对论中质能方程E =mC2
的来源就不那么意外了。
16, 光子模型和电磁波的本质
麦克斯韦的电磁方程认为光的运动是波动过程,但是,光的某些特性又必须认为光是粒子,这个就是光的波粒二象性。
爱因斯坦的光量子说认为光是一份一份的,称为光子。不管光是波还是粒子,总得有个微小东西去构成吧,借用爱因斯坦的看法,认为光是光子构成,那这个光子到底是什么东西?
我认为这个光子就是由电子构成的。光子的模型有两种。
一种是由单个电子相对于我们观察者以螺旋式远离我们运动,并且旋转的中心是条直线,在这个直线方向速度是光速。
第二种是两个电子绕一条直线旋转,同时又沿着这条直线以光速运动,结果是以螺旋式远离我们观察者运动,并且这两个电子在中心这条直线的垂直方向是对称的。
以上两种情况都是光源相对于我们观察者静止的情况下。
麦克斯韦方程组中一个重要的结论是:相对于观察者做加速度运动的点电荷向周围空间辐射电磁波。我们现在设想有甲乙两个观察者,甲相对于某个带电体是静止的,而乙相对于这个带电体做加速度运动,这样乙认为带电体向外辐射电磁波,而甲认为带电体没有向外辐射电磁波,这个带电体有没有向外辐射电磁波是个确定的物理事实,不应该与观察者有关。
以上是我们假设的情况,现实中也有这种情况,比如氢原子,中心一个质子,一个电子围绕质子旋转运动。根据麦克斯韦的理论,加速电荷向外辐射电磁波,那这个旋转的电子由于在做加速度运动,因而一定向外辐射电磁波,随着电磁波的辐射,电子的能量会逐渐减少,最后电子由于能量的减少,肯定会落入质子中。按照麦克斯韦的理论,经过精密的计算,氢原子亿分之一秒的寿命都不到。但是现实中氢原子的电子围绕质子快乐地旋转着,没有落入质子之中。原因一定很简单,氢原子中的电子没有向外辐射电磁波。
麦克斯韦的理论为现代大规模无线电通讯提供了理论根据,我们不能简单地认为是错误的,那么现代物理学家是如何看待这个问题的?现在比较流行的看法是,麦克斯韦的理论只适用宏观的,大范围的,一旦到了微观世界就失效了。这个解释显然是太勉强了。
一个带电的物质点,相对于我们观察者静止,他周围的电场线前面我们分析过,就是光速度矢量,是由几何点以光速辐射运动所形成的,这个就好像一个向四周匀速喷水的喷头,当这个喷头突然抖动一下,这个抖动肯定会使周围的水柱扭曲起来,并且这个扭曲状态以水流的速度向外蔓延。同样的道理,带电体的电场线是从带电体向外以光速发射的一些几何点,当带电体突然从静止状态加速度运动起来,比如突然抖动一下,这个抖动肯定使带电体周围的电场线扭曲起来,并且这个扭曲状态肯定以光速向外辐射运动,这种情况下,带电体还没有向外辐射能量,只有当这个扭曲状态扫到某个实物粒子,并且这个实物粒子被迫随着这个扭曲状态一同运动起来,这种情况下带电体才向外辐射能量,否则不会有能量向外辐射。
总结以上的看法,加速电荷以光速向外辐射的只是一个加速变化的电磁场,这个变化的电磁场迫使带电体周围某个实物粒子{比如电子}一同运动,这种情况下,加速电荷才向外辐射电磁波,才会有能量向外辐射。
一个带电的物质点{物理学上称为点电荷}相对于我们观测者静止,他周围的的电力线就是无数个几何点从点电荷出发,以光速匀速直线向外辐射运动,一旦这个点电荷抖动一下,它周围的电场线会扭曲起来,并且这个扭曲状态会以光速向外辐射。这很容易解释点电荷在这种情况下不会有能量辐射出去。当这个扭曲状态迫使点电荷附近某个电子向外辐射运动,这个时候点电荷才会有能量向外辐射。
一旦认为磁场的磁力线、电场的电力线的本质只是空间而已,甲、乙二人所看到的差别就是同一个物体有着不同的运动形式而已,这很容易让我们理解文中所提出的问题,甲乙二人本来就在做相对运动,当然认为带电体有着不同的运动形式。
对于氢原子的发光,应该是个集体行为,设想有许多个氢原子聚在一起。这些氢原子中电子在绕原子核旋转运动时,有的电子由于某种原因从高轨道降到低轨道,这个电子要放出能量,现代物理学认为放出了一个光子,反过来,电子从低轨道跃迁到高轨道会吸收能量,现代物理学认为吸收了一个光子。
无论是吸收还是放出能量,我认为都不是电子在放出或吸收光子,因为这个在逻辑上讲不通,光子是从电子里面跑出来,还是从电子上分裂出来的?这个让我们无法想象。
我认为电子在吸收和释放能量时,根本就没有释放什么光子,也没有吸收光子,只是向外辐射了变化的电磁场(相对于我们观察者),许多个电子共同作用,都在辐射变化的电磁场,这些变化的电磁场共同作用到某些电子,迫使这些电子随着这些变化的电磁场一同运动。由于变化的电磁场就是以光速向外辐射,这些电子随着这些电磁场运动变化,当然也以光速相对于我们运动,这些以光速运动的电子我们才可以称之为光子。
这些聚在一体的氢原子可以看作是一个系统,这些氢原子中的电子不停地辐射变化的电磁场,又不停地接受这些辐射来的变化电磁场,他们用变化的电磁场来交换能量,来维持某种平衡。
由于加速变化的电磁场相对于我们观察者是个螺旋式波动形式,所以这种原因产生的光子是以螺旋式相对于我们运动。
现代物理实验发现,光子不发生弹性碰撞。所谓的弹性碰撞就是一个粒子碰上另一个粒子被弹回来的运动,我们知道,粒子的碰撞表面看起来在接触的一刹那是相互贴在一起,但实际上仍然隔着一定的空间距离,他们不能够完全靠在一起,原因是粒子的电磁力不允许他们靠在一起。光子是电磁特性消失的电子,这个就很好的解释了光子为什么不会发生碰撞的原因了。
两个正负电子相遇,所产生的光子是由两个电子绕一条直线旋转,同时又沿着这条直线运动所构成,结果也是以螺旋式远离我们观察者运动,并且这两个电子在中心这条直线的垂直方向是对称的,在这个直线方向速度也是个光速。
人类物理学发展的最大思想障碍就是这个原因,可惜全世界知道这个道理的没有几个人。
二、地球如果真是通过" 重力场" 这种特殊的物质来传递作用力给月球的话,月球向着地球这一面、反面、内部受到的作用力应该有所差异。但是人们看不到这种差异。
力是是某某在空间中如何运动形成的。光是某某在空间中如何运动形成的。
-------------------场比较特殊,它是由空间本身运动变化形成的。时间也比较特殊,它是由我们观察者自己在空间中运动形成的。在我们的生活中,经验告诉我们物体表现出的各种性质都是来自物体的内部。这个物理世界存在的虚假性定理告诉我们,物质点所表现出的各种性质中,最为基本的性质反而最终取决于物质点在空间中的运动。卢瑟福的原子行星模型的巨大成功一直影响到今天的物理学家,为了解释物质粒子为什么会有质量、带有电荷这样最为基本的问题。现代物理学家建立了许多大型粒子加速器,希望把基本粒子打开,来找到答案。统一场论的基本原理----物理世界存在的虚假性定理给这些物理学家当头泼上一瓢冷水,他们的的努力方向错了。统一场论的看法是:物质粒子的最基本性质来自于物质粒子的周围空间,与这些粒子的内部没有关系。既然在物理学中这些基本概念都是物质点在空间中相对我们观察者运动形成的,这就意味着这些物理量都具有相对性,都应该随着参考系的改变而改变。这样我们把相对论中相对性原理扩展到所有的物理现象中。对于象光速、电荷为什么相对于不同的惯性系有相同的数值,这个原因是光速、电荷相对于不同的惯性系相应的有不同的表现,结果导致在不同的惯性系光速和电荷相应的有相同的数值。这个问题以后会详细的讲。
我们设想用一个宇宙飞船,把一个人送到非常遥远的宇宙空间中,这处空间中没有一个物体,别的物体离这儿都有几百亿光年之遥。可以设想此时这个人仍然有时间的感觉,在他心目中时间一分一秒地在走。是什么物体引起了观察者这种感觉?这种情况下只有这个观察者的身体而已。因此,唯一合理的看法:时间是观察者对自己在空间中运动的一种感受。这个有关时间的物理定义留下两个问题,一是我们观察者为什么会运动,二是我们观察者会以什么方式运动?这两个问题我们以后会讨论的。这个有关时间的物理定义如果的确是正确的话,可能人们仍然有许多疑问。一、在人类没有出现之前的时间如何理解人在地球上生活也不过只有一百多万年历史,单地球形成至今就有四十六亿年,那么在人出现之前早就有了时间,如果认为时间是人的一种感受,这段时间在没有人的情况下存在着,那怎能说是人的感受呢?时间的过去和未来同样都是以现在作为参照系来定义的,换句话,只要有现在,便就有过去和未来。如果地球上从来没有人的话,那也就无所谓过去和未来。因为没有了人,又哪来的" 没有人之前" 或" 没有人之后" 的时间。时间的先后、现在,如同地理位置的东西南北,任何地方的东西南北都不是绝对的,都是相对于我们人来说的,想想看没有我们人,哪来的东西南北?哪来的上下左右?哪来的先后?
三、时间的公共尺度问题
狭义相对论中的光速不变是指:两个相互以匀速度v(v>0)直线运动的观察者测量同一束光的速度都是相同的。
相对论的基础就是光速不变性,但是相对论没有给出证明,只是把它作为事实接受了下来。
光速不变性的原因从以上分析来看,是空间本身运动所造成的。
有一个最为明显的例子是,一束光照射到水中,速度会慢下来,当光再次从水中出来时候,速度又恢复到原来的数值,在真空中不可能有什么东西给光再次加速,唯一的原因是空间本身时刻在以光速运动,光是静止于空间中,被空间运动带着向外跑。有了这种看法加上上面的时间的物理定义我们就可以证明光速不变性。
以上分析告诉我们,一个观察者处于空间中,他周围有无数个几何点以辐射状向外运动,这个就是产生时间的根本原因。由于运动的相对性,我们只要确定几何点和我们观测者之间的距离在变化就行了,不需要确定究竟是几何点在运动,还是我们观测者在运动,从这个角度看,可以认为观察者的时间于他周围空间中任意一个几何点运动走过的路程成正比。
设想有一个物质点O处于某处空间区域里,我们以 O点为原点作一个二维直角坐标系 xOy . 观测者甲相对于O点静止,当然相对于直角坐标系 xOy . 也是静止的。而观测者乙相对观测者甲以速度为v沿x轴作匀速直线运动,如图1所示。
设想在某个时刻,观察者甲乙和O点相互重合在一起,此时甲乙两个观测者选择这样一个几何点P来观测,该几何点在甲乙和O点重合时刻从O点出发,运动方向沿y轴,和x轴相垂直。
当然甲乙也可以选择一个沿x轴相平行的方向从O点出发的几何点来观察,但这样一来,该几何点所走过的路程甲、乙二个观测者可能有着不同的看法,而甲、乙二人选择一个沿x轴相垂直方向从O点出发的几何点,所走过的路程将于甲、乙二人的运动无关,这一切狭义相对论用火车钻山洞的假想试验给出了证明,我认为这个证明是可信的。
几何点过了一段时间后到达p点。这样观测者甲认为在时间为T内几何点P走了OP这么远的路程,而观测者乙在时间为t内自己从 O点出发到达B点,并且肯定认为该几何点走了 BP 这么远的路程,这样的话, OP和BP, vt 形成了一个直角三角形, 我们令A等于OP,令D等于BP,根据前面的看法,观测者所测得的时间与他周围空间中某个几何点所走过的路程成正比。
这样说来,则下式成立:
D/ A= t / T 6,1
将上式变形为:
D/ t = A/ T 6,2
这样,观测者甲认为自己周围空间这个几何点P在T这段时间内以一个恒定的速率走了A这么远的路程, 而观测者乙认为这个几何点走了D这么远的路程, 虽然比甲测得路程要长,但相应地所用时间也延长了,所以该几何点的速率在甲乙二人看来是不变的,是个常数. 如果认为以上的常数就是光速的话, 这就解释了光速为什么会不变.
我们要注意一个情况,我们在这里确定那一个观测者在运动,那一个观测者是静止的,都是相对于物质点O而言的,没有O点的存在,我们说运动、静止是没有物理意义的,空间、时间的所有性质唯一的来自于空间的运动和变化,而确定空间的变化必须要相对物质点才能够确定,我们应当清楚地看到,空间、时间的性质和物质点的存在是紧密的联系在一起的。某些特殊的情况下,没有物质点的存在,在描述观测者和时间、空间之间的关系时候,实际上是我们把其中一个观测者自己当作一个物质点,作为描述对象的。
以上所描述的同一事件(就是一个几何点从O点出发到达P点这件事), 观察者甲认为用了T这么长的时间,而观察者乙认为用了t这么长的时间,由于t大于T. 这在形式上符号相对论中观点: 运动的观察者(在这里是指相对于O点)所测得的时间延长.但在数量上和相对论是否一致呢? 由于:
D/ t = A/ T = 常数(光速c) 6,3
(5,6式给出了证明)
(√ A2 + v 2t2 )/ t = c
A2 + (vt)2 = c2t2
A2 = c2t2(1-v2/c2)
(cT)2 = c2t2(1-v/c2)
T2 = t2(1-v/c2)
T = t √(1-v2/c2) 6,4
从以上分析来看.,时间的的延长在数量上和相对论是一样的。
现在我们来考虑一下空间长度于运动速度之间的关系。
由于光速不变,在某个地方相对于观察者甲静止,发生了某一个事件,观察者甲认为,这个事件从开始到结束经历了一个小时,相对于甲以速度v (v>0) 匀速运动观察者乙认为这个事件从开始到结束经历的时间大于一个小时,这个叫相对论的钟慢效应,由钟慢效应我们又可以导出相对论的另一个效应----尺缩效应。
在上图2中,观察者乙相对于观察者甲以匀速度v直线运动,在乙所在的坐标系中,有一段空间长度AB=L,C是甲坐标系中一点,设想在某一个时刻,B点和C点重合在一起,我们开始计时,乙认为,经历了T这么长时间,A点也到达了C点,在乙看来,AB的长度L
L = vT 6,5
甲认为,在时间为t内,B点和A点相续经过C点,甲认为AB的长度L。
L。= vt 6,5
由于两个观察者对发生同一件事件所经历的时间的长短有不同的看法,所以L不等于L。
在观察者甲看来,A点和B点相继经过C点这两件事是发生在一个固定地点C点,因而甲的时间t小于乙的时间。根据时间减慢公式我们有
t = T√(1-v2/c2) 6,6
由此我们导出
L。= L√(1-v2/c2) 6,7
这样,乙所在的一段空间长度AB ,在在观察者甲看来收缩了一个因子√(1-v2/c2)
我们现在来考虑一下几何点的运动于观察者的相互运动方向一致的时间、空间变化情况。
仍然以观察者甲和乙为例。
观测者乙相对观测者甲以速度为v沿x轴正方向作匀速直线运动,设想在某个时刻甲、乙和O点相互重合在一起,此时甲乙两个观测者选择这样一个几何点来观测,该几何点在甲乙和O点重合时刻从O点出发,运动方向沿x轴,过了一段时间后到达p点。这样观测者甲认为在时间为T内该几何点走了op这么远的路程,而观测者乙在时间为t内自己从 O点出发到达B点,并且肯定认为该几何点走了 BP这么远的路程,如图3
,
我们令A等于OP,令D等于BP,根据前面的看法,观测者所测得的时间与他周围空间中某个几何点所走过的路程成正比。
这样说来,则下式成立:
D/ A= t / T 6,8
将上式变形为:
D/ t = A/ T 6,9
这样,6,9式告诉我们,观测者甲认为自己周围空间这个几何点P在T这段时间内以一个恒定的速率C (5,6式给出了根据) 走了A这么远的路程, 而观测者乙认为这个几何点P在时间t内走了D这么远的路程,。
根据前面的看法,时间与观察者周围空间中运动的几何点所走过的路程成正比,如果乙测得路程D比起甲测得路程A要长的话,相应地所用时间也延长了。如果乙测得的路程D比起甲测得的路程A 要短的话,相应的时间也要减少,所以该几何点P的速率在甲乙二人看来是不变的,仍然是个常数.C
这样一来,我们可以把6,9式写成
D/ t = A/ T = 常数(光速c) 6,10
这样我们根据时间的物理定义证明了,无论是几何点P的运动方向和x轴相垂直还是相平行,都可以使6,9式和6,10式成立,也就是我们证明了光速在不同的观察者测量有相同的数值。
我们现在的问题是,几何点P运动的方向和x轴相平行,所得到的钟慢和几何点P运动的方向和x轴相垂直所得到的钟慢在数值上是否一致?
从图3 中可以看到,观察者甲认为在某个时刻,自己周围空间任意一个几何点P的x坐标值x和观察者乙的x。轴的坐标值X满足以下关系
x = vT + X√(1-v2/c2) 6,11
10式中的T 是甲的时刻,X是观察者乙所在的坐标系的坐标值,根据尺缩、钟慢,在甲看来其长度是要收缩一个因子√(1-v2/C2)
在观察者乙看来,
X =x √(1-v2/C2)– vt 6,12
将同样成立。16,12式中的t是观察者乙的时刻,甲的坐标值x在乙看来,出于同样原因也要收缩一个因子√(1-v2/C2)。
从6,11式和6,12 式可以导出
t √(1-v2/C2)= T – vx /C2 6,13
以上方程反映了甲参考系中某一个时刻和乙参考系中某一个时刻之间的数学关系。
现在我们来考虑一段时间在甲乙两个参考系之间的关系。
设想在甲坐标系中某点x=s发生了一件事件,开始于时刻t1,终止于时刻t2,,所经历的时间是t = t 2– t1
在乙坐标系中,认为这件事所经历的时间是T = T2 - T1
根据6,13式,
T =T2 –T1 =(T2 –vs/C2)/√(1-v2/C2)-(T1–vs/C2)/√(1-v2/C2)= (t2– t1) / √(1-v2/C2)
亦即T = t / √(1-v2/C2)
由此我们导出,无论是几何点P运动的方向和x轴相平行还是相垂直,所得到的尺缩、钟慢在数值是一样的,和相对论中的结果也是一样的。
以上我们证明光速不变,根本没有提到麦克斯韦方程,这个使我们在直觉上觉得有点不对劲。光速不变性的本质是空间运动(空间运动产生了时间)造成的,它与光源的发射方式无关,于我们观察者、发光物体的运动和位置无关。
打个比方,机关枪发射子弹,如果弹药足,爆炸力强,子弹的速度就快一些,反之就慢一些。现在设想有一个皮带运输机高速运转,我们抓一把枪子弹放在上面,这个枪子弹的运动速度(包括了方向)只能由皮带运输机的速度决定了,与我们如何放的方式是无关的。
由于光的传播速度是由空间运动速度所决定的,由其我们可以导出一个推论:两个观察者相对无论作匀速直线、加速运动、旋转运动、变加速运动---无论如何复杂的运动,测量一束光的速度都是一样的。
7, 对质量的解释
质量在物理学中是个基本概念,它最早出现在牛顿力学中。
物体为什么具有质量,质量的本质到底是什么?统一场论基本原理告诉我们,质量是因为物质点在它周围空间中运动而产生一种性质,而不是物质点的内部什么原因引起的,这一点于常人的看法是大相径庭的。
从以上分析来看,宇宙中任何一个物质点O存在于空间中,垂直原理告诉我们会对周围空间施加影响,造成这个物质点O周围许多个几何点运动,产生许多条指向空间的位移矢量, 5,6式中z = Ct就是指这些矢量,我认为这些矢量就可以反映出物质点O的质量这种性质,物质点的质量大小就是指它周围空间中有多少条以光速运动的几何点的位移矢量。
根据以上5,6式的看法,我们在离O点距离为R远、以O点为中心作一个包围球面4πR2,这样有N条z = Ct的位移矢量穿过了这个包围面4πR2。
设想我们把包围球面4πR2分割成许多微小面积s,在s上,恰巧只能有一条几何点位移矢量z = Ct穿过去,则
1 / s = N / 4πR2 7,1
把以上我们对质量本质的看法带进7,1式中,设O点的质量为M,则7,1式可以写成
1 / s = kM 4πR2 7,2
7,2式就是质量这个物理概念本质的一种数学表达示。其中k是个常数,1 / s可以反映出物质点O的周围空间运动变化的一种性质,这种性质是由O点的质量所引起的,以后我们将看到1 / s可以反映出O点周围空间中某处的重力场场强。
从7,2式中可以看出,当包围面积4πR2和1 / s的值固定时候,O点的质量M值于个数N成正比,即
M∝ N 7,3
从7,1式和7,2式可以看出,当条数N取一个固定值, s的值大小固定,质量M将反比于包围面积4πR2
M∝ 1 / 4πR2 7,4
在7,2式中,4πR2取一个固定值,M将正比于1 / s
M∝ 1 / s 7,5
在牛顿第二定理中引出的质量我们应该怎么来理解?
牛顿第二定理的概念首先来自于动量。牛顿认为,任何一个物体相对于观察者都以匀速直线(包括速度为零的特殊状态)运动,因而有个运动量,简称为动量,这个动量于物体的速度成正比,这个我们好理解,于这个物体所带的质量成正比,这个我们就不好理解了。按照前面的分析,这里动量中的质量应该是指速度的垂直方向上,速度占据了多大的空间范围,这个话不好理解,在以后的《对动量的解释》还要分析牛顿第二定理中的质量。
8, 对动量的解释
动量概念首先来自于牛顿力学,牛顿力学认为一个质量为m的物质点,它以一个速度v相对于我们观察者匀速直线运动时,就有了一个动量
P = mv 8,1
前面我们分析过,一个物质点O相对于我们观察者静止,它周围空间中有许多几何点以光速向外运动,产生了许多条几何点的位移矢量,呈辐射状,物质点的质量的大小取决于这些几何点位移。
这样我们结合牛顿有关动量的思想,也可以认为一个物质点O相对于我们静止时有一个特殊的静止动量
p = MC 8,2
式中C为光速,由于它是O点本来固有的速度,我们可以认为O点相对于我们静止时候有一个固有的速度光速C。P 为O点相对于我们观察者静止时候的动量,我们可以称为静止动量,M为O点相对于我们观察者静止时候的质量。
实际上8,2式可以从5,6式中直接推导出来,我们把5,6式中z = Ct对时间t求导,结果是C, 我们很自然的认为O点周围空间有多少条Ct,就有多少条C,这个几何点的条数按理不会随时间变化。
但是,在这种情况下由于物质点的质量的大小取决于这个条数,而相对论又认为质量是可以随速度、随时间而变化的,这个是怎么一回事呢?
原因就是物质点的质量取决于物质点周围空间中多大面积内穿过了多少条矢量,这个条数虽然不变,但是这个空间面积可以变化,在式7,5中,可以看到M ∝1/s,质量的大小将随着这个面积变化而反比变化。
当O点相对于我们观察者以一个速度为v匀速直线运动时候,O点周围空间中任意一个几何点p相对于我们观察者的固有速度不变,仍然是光速C,(前面第6节《光速为什么不变》给出了证明),但是这样一来, p点相对于O点的运动速度对于我们而言将不是光速,而是C – v, 注意,如果O点上有另外一个观察者随着O点一同运动,在他看来,P点相对于O点的速度仍然是光速,请大家不要把光速不变搞混淆了。
根据以上分析,一个物质点O相对于我们观察者以速度v匀速直线运动时候,O点周围空间中任意一个几何点P相对于O点的固有速度C 将变成C– v, C– v可以反映出O点周围空间的变化性质,我们把上面的动量式p = MC扩展一下,变成
P = m(C –v) 8,3
式中P是O点相对于我们运动时的动量,m是O点相对于我们运动时的质量,注意P ,C ,v都是矢量。
这个动量式可以看成是统一场论的动量式,也是普遍的动量式,它比起牛顿力学多了一项mC,并且认为m是可以变化的。它比起相对论只是多了一项mC,其余相同。
我们还要注意,8.3式中的m如果是一个像前面提到的包围面积为4πR2内有N条z = Ct或者是有N条C –v的物理量,则12 式便没有物理意义,道理很简单,z = Ct或者C –v都是矢量,m 和他们相乘的结果就是许多矢量z = Ct或者C –v在相加,由于Ct或者C的分布都具有对称性,相加的结果是零,显然没有了物理意义,我们把包围面4πR2分割成许多小面积s,每一个小面积s只能有一个矢量Ct或者C –v穿过去,m在这里应该被看成是:
1/s = N / 4πR2∝ m 8,4
式中∝是正比的意思。我们用精确的语言来解释一下8,4式:
一个物质点O相对于我们静止时候,在离O点距离为R远处作一个包围面4π R2,有N条几何点的光速度矢量穿过包围面4π R2,呈辐射状,当O点相对于我们有一个以速度v匀速直线运动时候,有N条C-v矢量穿过包围面4π R2,我们把包围面4π R2分割成许多小面积s, 每一个面积s仅仅容一条C - v矢量穿过去,8,4式中m表示了O点的质量,它的几何意义是:一条C - v矢量在垂直方向占据了多大的空间范围,牛顿力学第二定理中的质量应该是这种情况下的质量,据此,8,3式也可以写成
P ∝ 1/s (C –v) 8,5
从这里的分析看,动量反映了物质点周围局部空间的性质,或者反映了物质点在某个方向上的空间的性质。
9, 对相对论质速关系的解释
相对论认为,一个相对于我们静止的物质点O,它的质量为M,当O点相对于我们以速度v匀速直线运动时候,它运动时的质量m随着速度v的增加而增加,并且满足如下关系
M= m√(1 – v2/c2) 9,1
统一场论有着与相对论不同的看法。统一场论认为宇宙中任意一个物质点O相对于我们静止时候,都不是真正静止的,而是以一个固有的光速在穿越空间运动,也可以认为是O点周围空间中许多几何点相对于O点在以光速辐射运动。
当O点相对于我们观察者以一个速度为v匀速直线运动时候,O点周围空间中一个几何点p如果和速度v相平行,相对于我们观察者的固有速度C不变,仍然是光速C,(前面第6节《光速为什么不变》给出了证明),但是这样一来,如果几何点p和速度v相垂直,相对于我们观察者的固有速度C在v的垂直方向上将要变化,变成J,并且
J = √(1-v2/c2) 9,2
9,2式从光速不变性很容易证明,设想物质点O相对于我们静止,一个几何点p从O点出发,以光速向外运动产生了一个位移OP,现在我们考虑O点以速度v沿OP垂直方向运动情况,在这种情况下,由于光速不变,几何点P相对于我们观察者的速度仍然是光速C,由于C可以分解成速度v和v相垂直方向的速度J,所以有了9,2式。
9,2 式使我们意识到,一个物质点O相对于我们静止,它周围空间中有一个几何点P相对于我们及相对于O点都是以光速向外运动,当O点以速度v相对于我们运动时,P点相对于我们观察者的位置速度仍然是光速,但是,相对于O点的位置,在我们观察者看来却是变化的,这种变化完全是光速不变决定的,光速这种变和不变的确让人很容易混淆。
当O点相对于我们以匀速度v直线运动时候,几何点P相对于O点在速度v相平行方向变成C –v,但是,在我们观察者看来,几何点P相对于我们的速度要加上速度v,结果C –v +v =C,但是,几何点P相对于O点在速度v相垂直方向变成√(C2 –v2),我们应当看到,几何点P相对于O点的光速可以随着O点的运动而变化。
统一场论对质速关系的看法是,统一场论认为宇宙中任意一个物质点O相对于我们静止时候,都不是真正静止的,而是以一个固有的光速C在穿越空间运动,也可以认为是O点周围空间中许多几何点相对于O点在以光速C辐射运动。当O点相对于我们以匀速度v直线运动时候,沿速度v相垂直方向上几何点的光速度将减小到√(C2 –v2),光速的减少将导致质量的增加,二者在数值上相互守恒,统一场论对此的看法是物体的动量总的来说是不变的,运动只能改变它的形式,这个可以看作是广义的动量守恒。
设O点相对于我们静止,质量为M,有一个特殊的静止动量MC,当O点相对于我们以速度v匀速直线运动时候,静动量MC在形式上变成了m√(C2 –v2),二者的量相等,
MC = m√(C2 –v2)
两边都除以C,变成了9,1式
M= m√(1 – v2/c2)
从这里可以看到,牛顿力学中的动量只是静止动量的一个变化量而已。
从统一场论认定的质量几何形式出发,可以简单、直观的证明质速关系。
设想O点相对于我们以匀速度v直线运动,在以上的7,1式中,使z =Ct垂直于v,面积s垂直于z =Ct,是球面积4πR2中的一小块,由于很小,可以看成是一个小正方形,由于相对论的运动方向长度收缩效应,s 将收缩一个因子√(1 – v2/c2),结合7,2式1 / s = kM 4πR2和7,5式M∝ 1 / s ,可知O点运动时候质量将增加一个因子√(1 – v2/c2),这样就解释了9,1式。
统一场论认为,当O点相对于我们有一个速度v运动时候,几何点相对于O点的速度J减少了,结果导致质量增加了,二者在数量上是守恒的,这种思想很重要,它使我们明白,物体在相互作用中,只是运动形式在变化,比如,两个物体相互作用的结果是速度可以转化成了质量,质量也可以转化成速度,只是运动形式在变化,他们之间并么有相互在传递什么实物粒子,这篇文章一开始,就强调了这种思想。
这种思想可以看出质量和速度都可以反映出物质的惯性,二者可以相互转化,也可以理解为更普遍的动量守恒定理。
10, 对力的解释
力的概念由来已久,定性定量的描述力开始于牛顿力学。
牛顿力学认为,任何一个物质点O相对于我们观察者都有一个匀速运动状态(包括速度为零的静止状态),因而由一个运动量,简称动量,用P表示
P = mv 10,1
式中m是质量,v是速度。
当有外力迫使O点运动状态发生变化,P = mv随时间变化率反映了O点的受力情况,数学表示为
d P /dt = F =ma 10,2
统一场论对力的看法和牛顿力学有相同的部分,都认为力是改变物体运动状态的原因,当然也可以认为物体的运动状态发生改变是产生力的原因,从统一场论的基本原理看,力也是物质点在空间中运动变化的一种性质,我们认为位物质点是静止的,它周围空间则发生变化,力也可以通过描述空间变化而表现出来。
统一场论在认识上所不同的是:认为任何一个物体相对于我们静止时候都不是真正静止的,都有一个穿越空间运动的光速C,它的动量式是
P = m(C-v) 10,3
当P = m(C-v) 随时间发生变化,这个变化率就可以反映出力的大小,将上式对时间求导,结果是
dP / dt = F = (C-v)d m/ dt + md C/ dt - md v / dt
上式中F是时间,由于光速不随时间变化,式中md C/ dt = 0,此式可以写成
dP / dt = F = (C-v)d m/ dt - md v / dt 10,4
10,4式可以看成是统一场论动力学方程,它比起牛顿力学多了一项(C-v)d m/ dt,比起相对论动力学方程dP / dt = F = vd m/ dt + md v / dt 多了一项Cd m/ dt..
牛顿的万有引力指出,宇宙中任何两个物体都是相互吸引的,吸引力的大小与两个物体的质量成正比,于它们之间的距离的平方成反比,作用力在它们之间的连线上。这个定理看似简单,解释它却很困难,不过统一场论可以对此做出彻底解释。
第一步,我们来分析一下重力场。
在前面,我们分析过,场的本质是运动空间。
接下来,我们要搞清楚空间是如何运动产生了重力场。
以地球为例子。
我们知道重力场有一个基本的特性就是对存在于其中的物体施加作用力,观察者只要根据这个特性,就能够判断出自己是否处于重力场之间。
如果按照现代物理学看法,认为场的本质是一种特殊的物质的话。
设想有一个宇宙飞船,在地球上空围绕地球做旋转运动。站在地球上的观察者认为,这个飞船处在地球的重力场范围内,因而内部肯定有重力场这种物质。在飞船内部的观察者处于失重状态,因而他认为飞船内没有重力场这种物质。
飞船内部有还是没有重力场这种特殊的物质,到底是谁说了算?
一个自由下落的或者做抛物线运动观察者也有类似的情况。
总结以上看法,在地球表面重力场对存在于其中静止的物体产生作用,有一个以自由落体加速度g运动的物体就不起作用。是什么原因呢?有一个加速度g的运动能够完全抵消地球重力场所产生的效应吗?
合乎情理的看法是:重力场不是物质,它是一种性质,在前面的“事”和“物”讨论中,场明显属于“事”的范畴。物质点以加速度g运动(也可以说运动里含有加速度g)可以表现出重力场这种性质。
一个物质点O存在于空间中某个地方,某个观察者发现这个物质点O周围空间存在着重力场,有一个小物体在围绕物质点O做旋转运动,这个旋转物体可大可小,当这个旋转物体非常小,小到接近零,可以预见,测量这个旋转物体的加速度仍然可以知道O点的重力场的情况。我们进一步设想,在不存在物体的情况下,空间仍然以这种方式在运动,仍然可以反映出O点的重力场情况。
观察者要想测量O点周围某处空间中的重力场的大小,他只要在这里放上一个小物体,测量它的加速度,观察者就知道了这处重力场的大小和方向。总结一句话:物质点在它周围空间中产生的重力场中某一处场强,等于该处存在一个小物体的加速度。在不存在小物体的情况下,
物质点在它周围空间中产生的重力场中某一处场强,等于该处存在一个几何点的加速度。
a = A = dr / dt2 11,1
式中r是O点周围空间中的一个几何点的位移,A是重力场的场强,a是加速度,t 是时间。.
从以上分析来看,重力场就是空间本身加速运动的一种表现。在以上的螺旋式时空方程中,我们就论述过,任何一个物体存在于空间中,都有许多个几何点在以螺旋式围绕该物体运动。
认为空间本身在运动,我们很容易理解以上宇宙飞船绕地球的例子中,地球的重力场效应就是空间以加速度g扑向地球,宇航员随着空间一起以加速度g运动,当然感觉不到重力场效应,这就好像汽车扑向你,你肯定要受伤,当你随着汽车一同运动,你就不会受伤。
在牛顿万有引力定理F = GMm / R2中,设想有一个质量为m的物体绕质量为M的地球做旋转运动,它的加速度:
g = GM / R2 11,2
静电场的高斯定理给了我们一个启示,我们可以把上式变换成
g = (n / s )L 11,3
上式中n代表个数,s是一个微小面积,L是个从地球出发指向空间中的一个数量为1的单位矢量。(注意,式中的s在这里是标量,而静电场高斯定理中s是矢量)
11,3式表示的意思是:地球周围空间存在着许多矢量L,在空间某处(离地球距离为r)沿着L的垂直方向作一个小面积s,这个面积s内包围了n条矢量L。
这在里,g的大小只与n和s有关,L只是表示了方向。我们将2式中s面积换成一个包围地球的包围面积4π R2,个数n也变成N,这样11,3式变成
g = (N/ 4π R2)L 11,4
将11,4式和11,2式相比较,可得下式:
M = N / 4πG 11,5
11,5式中去掉了矢量L ,4πG是个常数,根据11,2式到11,5式的看法,地球的质量可以看成是地球周围空间总共有多少条像L这样的矢量。
接下来我们要明确矢量L是个什么样的矢量。
从以上的分析来看,物质点O相对于我们静止时候,它周围应该有无数个象z = ct这样几何点的位移直线均匀地分布在O点周围空间中,呈辐射状。设想O点周围有N条象z = ct的位移直线。我们在离O点距离为R远、以O点为中心作一个包围球面,这样有N条z = ct的位移直线穿过这个包围面,按照前面的分析,可以认为O点的质量取决于这个条数N。
这样我们可以看出的物质点O的质量与他周围空间中几何点的运动有关,当这些几何点的位移的大小和包围物体的包围面积4πR2一定时候,O点的质量M正比于条数N。
O点周围空间任意一个几何点运动情况可以用a=N / 4πR2来表示。
在上面的11,4式中,我们将g取一个固定值,N也取一个固定数1,这样,
4π将随之变小,L也将随着R的平方而变化,二者将有一个函数关系。11,4式可以改成:
g = (1 / cπ R2)L 11,6
11,6式中的cπ R2表示地球外某处(离地球的距离为R)一条矢量L所占用空间(在L垂直方向上)面积的大小, L随着R的平方而变化。
我们熟悉的一维波动方程为:
偏2L / 偏t2 = u2(偏2L / 偏r2) 11,7
将11,6式和11,7式相比较,可见二者有基本相同的物理意义。方程的左边都是位移量时间的平方变化,右边都是位移量随空间位置的平方变化。u2可以看作是个常数。
从以上分析来看,一个物体存在于空间中,垂直原理告诉我们会对周围空间施加影响,影响的结果是造成物体周围空间中几何点的运动,运动的位移随时间加速变化可以反映出重力场的大小和方向,运动的位移随空间位置的变化同样可以反映出重力场的大小和方向,二者应该是等价的。
我们知道物理量(这里是指几何点的位移量)随时间加速变化又随空间位置变化反映出波动性质。对重力场的分析就明确了重力场具有波动性。以上的螺旋三维时空方程中指出,物体周围空间以螺旋式和波动并存的方式在运动,空间的存在具有波动性,这样使我们有理由相信场的本质就是这个波动的表现。
我认为重力场是这个波动的根源,电磁场是波动的传播,传播的速度就是光速。
以后在电磁场和重力场之间的关系中还要论述这些。
前面分析了重力场,接着我们来分析万有引力。
按照前面的分析,任何一个物体O存在于空间中,由于垂直原理的原因,会对周围空间产生影响,结果使周围空间以螺旋式运动,在这个螺旋式运动中,几何点绕O点旋转运动所产生的效应就是万有引力。,
设想有A和B两个物质点存在于空间中,各自都有几何点在围绕旋转,图4中
可以看出几何点的旋转由于相同的原因,旋转的方向也应该是相同的。几何点在相互接触的那部分由于方向相反而相互抵消一部分,这样AB两点之间的空间要减小,表现为AB两点有相互接触的趋向,这个就是AB两个物质点产生引力的原因。
从上图中可以看出万有引力是靠旋转空间来相互作用的,普通的重力场我猜测是逆时针旋转空间造成的,也可以说是右旋空间造成的,当然这个需要试验确认。人类要想找到反重力,看来只有造出左旋空间来。
以地球和月球为例,以前我们认为万有引力的相互作用是
地球—重力场—月球
统一场论的看法是
地球—变化的空间—月球
在地球表面上,一个物质点P以加速度g从空中自由下落,按照前面的分析,是由于P点所在的空间本身以加速度g在扑向地球,P点是静止于空间中被空间运动带着跑。如果P点落在地球上不动了,它就等同于P点以一个加速度g相对于我们观察者在(不受引力影响的自由)空间中运动。
一个人要是跟随P点一同运动(不考虑空气影响),他是感觉不到地球的重力场效应的,这个可以这样理解,P点的运动已经把地球的重力场效应给表现出来了。
至此,我们可以做出判断:在地球表面,我们观察者看到一个质量为m的P点静止于地球的表面,P点所受到了地球的万有引力F引 = mg(g为地球表面重力加速度)。
如果将P点放在远离地球和其他星球的一处空间区域里,用外力迫使P点相对于我们观察者以加速度g运动,P点所受到的作用力F作 = mg完全等同于F引 = mg,亦即
F引 = F作= mg
一句话,在描述地球和月球的万有引力相互作用中,我们以地球为参考系,我们观察者站在地球上,只要描述月球的加速运动情况,就可以判断出地球和月球之间的万有引力。
说到底,万有引力仍然是一种相对运动,一个苹果掉在地球上,和地球撞上苹果是一回事。可是有的人马上就反驳:如果这种看法成立,和我们对称的巴西国家一个苹果会飞向空中,其实这个反驳需要一个前提----空间是静止不动的,空间就像一个海洋,地球、太阳、月球、行星、恒星、我们人等像鱼儿在空间海洋中运动,相对论和统一场论强力地否定空间是静止和不动的。这个也应了前面的统一场论基本原理-------一切物理现象都是物质点在空间中运动所形成的。
12, 对正负电荷和库伦定理的解释
库伦定理认为,质点所带的电荷有正有负,真空中任何两个同号电荷相斥,异号电荷相吸引,发生的作用力于他们所带的电荷呈正比,于他们的距离的平方呈反比,作用力在他们的连线上。
库伦定理可以改造成静电场的高斯定理,高斯定理认为一个电荷带的电量的多少取决于这个电荷周围空间中电场线的条数。我认为这个电场线就是几何点的光速度矢量,之所以这么认为,是由此产生的结果和我们已经掌握的知识相符合。
首先我们来考察一个点电荷Q相对于我们观察者静止的情况。人们已经掌握的电磁学知识告诉我们,点电荷Q周围空间中存在着静电场,是由于Q点带有电荷所造成的,静电场高斯定理告诉我们,Q点周围空间中某个地方能够反映出该地方静电场性质的场强E于电场线的密度有关。
E = KN / 4π r2 12,1
12,1式中K为比例常数,4π r2是以点电荷Q为中心,半径为r的一个包围面积,N是电场线的条数,把18式中KN 换成εq , ε是介电常数,q是点电荷Q所带的电量,这样可以把18式换成是教科书中的电场定义式
E =εq / 4π r2r 12,2
12,2式中r是个单位矢量,E也是矢量。 19
前面我们分析过,任何一个物质点O周围空间中都有许多条几何点的位移矢量z = Ct,将z = Ct对时间求导,
dz / dt = C 12,3
结果O点周围肯定有许多条几何点的光速度矢量C.,对于一个确定的电荷,它所带的电荷的多少,可以认为是它周围空间中有多少条几何点的光速矢量。
由于光速相对于不同的观察者有相同的数值,可以认为电荷相对于不同的观察者有相同的数值原因就是光速不变造成的,而光速不变前面已经说过,是时间空间的本性决定的,我们再一次看到,电荷的本性是时间空间决定,而时间空间则意味着运动,这个应了统一场论的基本思想:一切物理现象都是物质点在空间中运动产生的。
那么电荷有正有负是怎么一回事?
如果按照教科书的看法,点电荷Q带有负电荷是有许多矢量箭头指向Q点,点电荷Q如果带有正电荷,是由于许多矢量箭头从Q点出发指向空间中。这种看法违反了前面的螺旋时空方程,前面的螺旋时空方程告诉我们,Q点周围空间中的几何点z = Ct(5,6式)矢量总是从Q点出发指向周围空间。
电荷的正负应该是围绕矢量z = Ct(5,6式)的x = Rcosωt (5,7式)和y = Rcosωt (5,8式)的旋转运动所造成的,空间的顺时针和逆时针旋转运动造成了电荷具有正负。
在前面的螺旋时空方程中,我认为几何点绕z = Ct矢量的逆时针旋转运动是负电荷产生的负电场,顺时针旋转运动所产生的电场是正电场。这种看法在理论上是无法证明的,它只有从实验中去证实。如果运气好的话,电荷的正负可能被我的直觉猜中了。
这种看法对等量的正负电荷相遇就湮灭,电荷的同号相斥、异好相吸,可以做出很好的解释。
两个正负电荷相遇,它周围空间中的正负电场就是顺时针、逆时针旋转的空间在旋转的垂直方向上相遇,在某一个平面上有一些几何点位移线穿过去,有一些几何点的位移线要穿进来,自然相互抵消一部分,空间要减少,两个电荷有相互接触趋势,表现为相互吸引。
注意一下,两个物质点的万有引力所造成的旋转空间是在旋转的平行方向上相遇,而表现为空间相互减少,如图4。
当正负电荷所带的电量相等,旋转空间将消失,电荷将失去电性,表现为正负电荷相互抵消,也叫湮灭。
两个同号电荷相遇,几何点旋转方向相同,自然要相互叠加,空间要增加,两个电荷有相互离开的趋势,表现为斥力。
对于一个点电荷Q存在于空间中,相对于我们观察者静止,Q点周围空间中一个几何点P相对于Q点在以螺旋式向外运动,这个运动可以表现出Q点的电荷这种性质来,有可以说Q点带有电荷就是周围空间中几何点以螺旋式运动所造成的。
在5,7式 x = Rcosωt 和5,8 式y = Rcosωt 中,令矢量r =x + y
从以上的分析来看,矢量r是绕5,6式中z =Ct旋转运动的旋转量。
电荷Q所带的电量与Q点周围空间中的几何点P的运动量相关, P点的运动位移是
R= x+y+z
当以上的x和y为零时候,R=z=Ct
此时,电荷 Q的性质只能由R=z=Ct 决定了,也可以说,Q点以光速运动时候,Q点的电磁特性消失,这种看法和我们由实验得来的结果是一样的。
13, 电磁场和重力场的数学关系
从前面的分析来看,物理学中的场的本质是空间运动变化所产生的,而空间运动变化可以用螺旋式时空波动方程描述。
具体的讲,我们把空间看成是有许多个点构成,称之为几何点,通过对几何点运动描述可以揭示电磁场和重力场之间的关系。
任何一个物质点存在于空间中,都有许多几何点在围绕它作螺旋式运动,我们要想找到电磁场和重力场的数学关系,按理分析,我们只要明确了电磁场、重力场的几何形式,通过他们的几何形式就可以确定重力场和电磁场的数学关系,但是实际上不是那么简单。
在11节《对万有引力的解释》,我们断定一个物质点O存在于空间中,所产生的重力场(亦称引力场)的场强应该是:O点周围空间中围绕O点旋转运动一个几何点P的加速度。或者说几何点P运动时加速度可以反映出O点的重力场情况。在第11节中同时还指出,O点周围空间有许多条几何点的位移矢量z =Ct,在某个小面积范围内有多少条矢量z =Ct穿过这个小面积,同样可以反映出这个O点周围的重力场情况。
我们应当明白,电磁场和重力场之间的关系不只是一种关系。变化的电磁场可以转化成为重力场,反过来,变化的重力场也可以转化成电磁场。
我们的大致思路是:一个物质点O相对于我们静止时候,它周围空间中几何点以螺旋式离开O点向外运动,当这些几何点旋转的中心是个点所产生的是重力场,旋转的中心是条直线所产生的是电场,旋转的中心是个圆(或者曲线)产生的是磁场。这个可以称为电磁场和重力场的静态关系。
当O点相对于我们以一个匀速度v(v>0)直线运动时候,O点的电场可以产生磁场和重力场,这个可以认为随速度变化的电场产生重力场。
当O点由于加速运动或者别的物体存在于附近及其他原因,引起了周围空间几何点的运动形式发生变化,随时间变化的重力场可以产生电磁场。
如果从前面提到的电场和重力场的本质出发,也可以直接找到电磁场和重力场之间的一种关系。
前面提到过,一个物质点O相对于我们静止,他周围空间中有许多条几何点位移矢量z =Ct(5,6式),以辐射状分布在O点周围。
在O点周围空间中某一个小范围内,z =Ct可以表现出O点的质量这种性质来,而光速C可以表现出O点的电荷这种性质来。将z =Ct对时间t求导,等价于质量对时间t求导,结果就是C, 这样我们很容易看出随时间变化的重力场产生了电场,电场用E表示,
dm / dt ∝ E 13,3
由教科书中的电场力的定义式F电 =qE
和我们认定几何点以光速C运动可以表现出电场性质,我们可以认为Cdm / dt ∝qE
这样可以把13,3式改成
Cdm / dt ∝ q E 13,4
式中m是O点的质量,E是O点相对于我们静止时候所产生的电场。
在电磁场和重力场之间的关系中,还有一种随速度(也可以说随参考系)的变化的电场产生重力场。这个以后再详细的分析。
14, 电磁力和万有引力的关系
统一场论认为,一个物质点O相对于我们静止时候,O点周围空间中的任意一个几何点以光速离开O点向外运动,由此认为O点相对于我们观察者静止时候有一个特殊的静止动量P=mC, 当O点相对于我们以速度v匀速直线运动时候,P点相对于我们观察者的速度仍然是光速,这个就是光速不变,由这个光速不变可知,P点相对于O点的速度在我们观察者看来可是要减少的,变成了J = C-v, 注意J,C,v都是矢量,因而O点的动量变成了
P=m(C-v) 14,1
当O点由于加速运动或者别的物体存在于附近,引起了周围空间几何点的运动形式发生变化,随时间变化的P=m(C-v)可以反映出O点的受力情况,将P=m(C-v)对时间t求导,结果是
F = d [(C –v)m] /dt 14,2
F是O点受到的力,这个就是统一场论的动力学方程,注意,上式中C,v,F都是矢量。将上式展开由10,4式给出,
dP / dt = F = (C-v)d m/ dt – md v / dt 14,3
F = (C – v)dm / dt – mdv /dt 14,4
F = C dm / dt– vdm / dt – mdv /dt 14,5
14,4式中第二项和牛顿力学是一样的,我认为(C – v)dm / dt中这项力就是电磁力,mdv /dt这项力是惯性力,也是牛顿第二定理中的作用力。
(C– v)dm / dt可以认为是质量随时间变化的力,可简称为加质量力,加质量力就是电磁力,展开后是Cdm /dt – vdm /dt, 第一项力Cdm /dt从13,4式看应该是电场力,电场力用qE表示,有以下式。
Cdm /dt ∝ qE 14,6
物体相对于我们静止时候也有这种力,在某些情况下物体没有产生电场力是由于物体既产生了正电场,又产生了负电场,相互抵消了。
第二项力vdm /dt,应该是磁力,它与速度有关。磁场力用qB表示,有以下等式,
vdm /dt ∝ qB 14,7
一个质点相对于我们以速度v运动,我们认为它受到了磁力的作用,当然,不见得相对于我们有一个速度v运动的质点就一定受到磁力的作用,因为磁场有正有负,能够相互抵消。
无论是电场力还是磁场力,从上式看都是加质量(也就是质量随时间变化)引起的,由于质量是产生重力场的原因,也可以说是随时间变化的重力场产生电磁场。
当一个物体相对于我们静止,根据上式,它有一个穿越空间的光速运动,因而它有可能产生了电场,可以受到电场力的作用,当这个物体相对于我们运动时,既可能受到电场力作用,又可能受到磁场力的作用,从质速关系的互补性(质量的增加是一以光速度的减少为代价的)出发,可以认为随速度变化的电场既产生了磁场,又能够产生重力场,相应的随速度变化的电场力既产生磁力又可以产生引力。
相对论认为磁场力只是是电场力的一种相对论效应而已,统一场论认为一个质点O相对于我们观察者以速度v 匀速直线运动时候,O点周围一个点几何点p相对于O点以光速运动可以反映出O点的电磁场情况,按照相对论的看法,几何点P如果换成检验电荷的话,则p点在v的垂直方向所受到的电磁力为
f = Eq – vV。/C2Eq 14,8
相对论认为Eq是电场力,vV。/C2Eq 磁场力。
其中v是O点相对于我们观察者的速度,E是O点周围电场场强,q是检验电荷p点的电荷,V。是p点相对于O点的速度,在这里是光速,因而14,8式也可以写成
f =Eq - v/CEq 14,9
统一场论认为,O点周围空间中的几何点P以光速运动可以表现出O点周围空间中的电场性质来,当O点相对于我们观察者以光速运动时候,O点电磁特性将消失,这个可以这样理解,O点以光速运动,由于光速不变,O点可以追上P点,P点相对于O的的运动消失,而O点的电磁特性正是P点相对于O点的运动所产生的。
在11节《对万有引力的解释》中,我们指出地球表面一个物质点P以加速度g(g为地球表面加速度)运动可以反映出地球表面的重力场场强,在这个P点上重力将消失,生活在P点的人也将处于失重状态。对此可以总结一句话,P点以加速度g运动可以把地球表面的重力场表现出来。与其类似,O点周围空间中几何点P以光速沿某个方向运动可以反映出O点的电场情况。
当O点相对于我们以匀速度v(v>0)直线运动,在v的垂直方向的光速(可以反映出电场性质)将要变化,这个变化可以理解为电场的变化,在v的平行方向上,P点相对于我们观察者的光速不变,相应的O点在v的平行方向上电场不变。很自然的,磁场正是这个垂直于v的光速(表现为电场)变化而来的。这个和相对论的看法基本是一致的。
如果14,7 式中vdm /dt理解是磁场力,则由14,9式可知
vdm /dt ∝v/CEq 14,10
化简得
Cdm /dt ∝ Eq 14,11
14,11式和14,6式Cdm /dt ∝ qE一模一样,我们从不同的方向出发得到相同的结果。从这里可以看到,重力场和电磁场之间的关系,统一场论包含了相对论的思想。
我们来分析一下14,5式F = C dm / dt– vdm / dt – mdv /dt 的物理意义。
当O点在空间中相对于我们观察者由于加速运动,或者别的物体存在于O点附近,引起了O点周围空间的变化,这种空间变化就可以反映出O点的受力情况,C dm / dt这项力可以认为是电场力,vdm / dt可以认为是磁场力,电磁场力于O点的质量变化率成正比,于速度成正比,于质量大小无关,质量变化产生于高速运动,这个很好解释了微观世界中小质量高速度的微小粒子相互作用中主要是电磁力。
在宏观世界中,主要是大质量、低速度运动的物体在相互作用,所以力mdv /dt占主导地位。
15, 对能量的解释
统一场论基本原理认定能量也是物质点在空间中运动变化所表现出的一种性质,而不是想某些人猜测的那样是来自于物质点的内部原因。从这个思想出发,也可以认为自然界中一切能量形式都是动能的一种表现,动能是电能、磁能、核能、光能---所有的能量的本质。
前面我们论述过,一切物理现象都是物质点在空间中运动这种机械运动形成的,统一场论反复强调这一点。
从以上的分析来看,一个物质点所带有的能量于这个物质点周围空间中的几何点的运动情况有关。
牛顿力学认为,运动物体才有能量,一个质量为m的物体,以速度为v相对于我们观察者运动,有动能
K = ? mv2
相对论认为,一个质量为M相对于我们观察者静止的物质点O, 有静止能量E静 =MC
这种看法明显和牛顿力学相矛盾。
当O点相当于我们以速度v运动时,质量M会增大,变成运动质量m,因而运动时能量为
E动 =mC
而牛顿力学中动能K = ? mv2仅仅是运动能量和静止能量之差
MC –mC = ? mv2
统一场论认为,质量和速度有互补性,质量的增加是以牺牲速度为代价的,这个看法很重要,它表明两个物体在相互作用中,所产生的力只不过是运动形式的转移罢了,并不是把一个什么东西传给了对方。
统一场论还认为,相对于我们静止的物体,都不是真正的静止,而是以光速在穿越空间运动,如果认为这个物体是静止的,他周围空间中就有许多几何点在以光速呈辐射状向外辐射,也可以认为有一个特殊的静止动量
P静 = mC
上式中质量m的意思是指该物体周围有多少条几何点的光速度矢量。
方程两边都乘上光速C,
CP静 = mC2
如果认为CP静就是相对论中的静止能量E,我们对相对论中质能方程E =mC2
的来源就不那么意外了。
16, 光子模型和电磁波的本质
麦克斯韦的电磁方程认为光的运动是波动过程,但是,光的某些特性又必须认为光是粒子,这个就是光的波粒二象性。
爱因斯坦的光量子说认为光是一份一份的,称为光子。不管光是波还是粒子,总得有个微小东西去构成吧,借用爱因斯坦的看法,认为光是光子构成,那这个光子到底是什么东西?
我认为这个光子就是由电子构成的。光子的模型有两种。
一种是由单个电子相对于我们观察者以螺旋式远离我们运动,并且旋转的中心是条直线,在这个直线方向速度是光速。
第二种是两个电子绕一条直线旋转,同时又沿着这条直线以光速运动,结果是以螺旋式远离我们观察者运动,并且这两个电子在中心这条直线的垂直方向是对称的。
以上两种情况都是光源相对于我们观察者静止的情况下。
麦克斯韦方程组中一个重要的结论是:相对于观察者做加速度运动的点电荷向周围空间辐射电磁波。我们现在设想有甲乙两个观察者,甲相对于某个带电体是静止的,而乙相对于这个带电体做加速度运动,这样乙认为带电体向外辐射电磁波,而甲认为带电体没有向外辐射电磁波,这个带电体有没有向外辐射电磁波是个确定的物理事实,不应该与观察者有关。
以上是我们假设的情况,现实中也有这种情况,比如氢原子,中心一个质子,一个电子围绕质子旋转运动。根据麦克斯韦的理论,加速电荷向外辐射电磁波,那这个旋转的电子由于在做加速度运动,因而一定向外辐射电磁波,随着电磁波的辐射,电子的能量会逐渐减少,最后电子由于能量的减少,肯定会落入质子中。按照麦克斯韦的理论,经过精密的计算,氢原子亿分之一秒的寿命都不到。但是现实中氢原子的电子围绕质子快乐地旋转着,没有落入质子之中。原因一定很简单,氢原子中的电子没有向外辐射电磁波。
麦克斯韦的理论为现代大规模无线电通讯提供了理论根据,我们不能简单地认为是错误的,那么现代物理学家是如何看待这个问题的?现在比较流行的看法是,麦克斯韦的理论只适用宏观的,大范围的,一旦到了微观世界就失效了。这个解释显然是太勉强了。
一个带电的物质点,相对于我们观察者静止,他周围的电场线前面我们分析过,就是光速度矢量,是由几何点以光速辐射运动所形成的,这个就好像一个向四周匀速喷水的喷头,当这个喷头突然抖动一下,这个抖动肯定会使周围的水柱扭曲起来,并且这个扭曲状态以水流的速度向外蔓延。同样的道理,带电体的电场线是从带电体向外以光速发射的一些几何点,当带电体突然从静止状态加速度运动起来,比如突然抖动一下,这个抖动肯定使带电体周围的电场线扭曲起来,并且这个扭曲状态肯定以光速向外辐射运动,这种情况下,带电体还没有向外辐射能量,只有当这个扭曲状态扫到某个实物粒子,并且这个实物粒子被迫随着这个扭曲状态一同运动起来,这种情况下带电体才向外辐射能量,否则不会有能量向外辐射。
总结以上的看法,加速电荷以光速向外辐射的只是一个加速变化的电磁场,这个变化的电磁场迫使带电体周围某个实物粒子{比如电子}一同运动,这种情况下,加速电荷才向外辐射电磁波,才会有能量向外辐射。
一个带电的物质点{物理学上称为点电荷}相对于我们观测者静止,他周围的的电力线就是无数个几何点从点电荷出发,以光速匀速直线向外辐射运动,一旦这个点电荷抖动一下,它周围的电场线会扭曲起来,并且这个扭曲状态会以光速向外辐射。这很容易解释点电荷在这种情况下不会有能量辐射出去。当这个扭曲状态迫使点电荷附近某个电子向外辐射运动,这个时候点电荷才会有能量向外辐射。
一旦认为磁场的磁力线、电场的电力线的本质只是空间而已,甲、乙二人所看到的差别就是同一个物体有着不同的运动形式而已,这很容易让我们理解文中所提出的问题,甲乙二人本来就在做相对运动,当然认为带电体有着不同的运动形式。
对于氢原子的发光,应该是个集体行为,设想有许多个氢原子聚在一起。这些氢原子中电子在绕原子核旋转运动时,有的电子由于某种原因从高轨道降到低轨道,这个电子要放出能量,现代物理学认为放出了一个光子,反过来,电子从低轨道跃迁到高轨道会吸收能量,现代物理学认为吸收了一个光子。
无论是吸收还是放出能量,我认为都不是电子在放出或吸收光子,因为这个在逻辑上讲不通,光子是从电子里面跑出来,还是从电子上分裂出来的?这个让我们无法想象。
我认为电子在吸收和释放能量时,根本就没有释放什么光子,也没有吸收光子,只是向外辐射了变化的电磁场(相对于我们观察者),许多个电子共同作用,都在辐射变化的电磁场,这些变化的电磁场共同作用到某些电子,迫使这些电子随着这些变化的电磁场一同运动。由于变化的电磁场就是以光速向外辐射,这些电子随着这些电磁场运动变化,当然也以光速相对于我们运动,这些以光速运动的电子我们才可以称之为光子。
这些聚在一体的氢原子可以看作是一个系统,这些氢原子中的电子不停地辐射变化的电磁场,又不停地接受这些辐射来的变化电磁场,他们用变化的电磁场来交换能量,来维持某种平衡。
由于加速变化的电磁场相对于我们观察者是个螺旋式波动形式,所以这种原因产生的光子是以螺旋式相对于我们运动。
现代物理实验发现,光子不发生弹性碰撞。所谓的弹性碰撞就是一个粒子碰上另一个粒子被弹回来的运动,我们知道,粒子的碰撞表面看起来在接触的一刹那是相互贴在一起,但实际上仍然隔着一定的空间距离,他们不能够完全靠在一起,原因是粒子的电磁力不允许他们靠在一起。光子是电磁特性消失的电子,这个就很好的解释了光子为什么不会发生碰撞的原因了。
两个正负电子相遇,所产生的光子是由两个电子绕一条直线旋转,同时又沿着这条直线运动所构成,结果也是以螺旋式远离我们观察者运动,并且这两个电子在中心这条直线的垂直方向是对称的,在这个直线方向速度也是个光速。
知道什么是统一场论吗?
谁能给我解释下统一场论
请问现在有没有人把爱因斯坦的“统一场论”完成了呢??
有谁知道统一场论的最新进展,质子衰变的实验有没有开始在做?
什么是随机格子场论?
场论在什么时候出现的,比麦克斯韦早吗?
那种非线性的量子场论和扭理论贴切?
配位化合物晶体场论的一些问题``
物理中场论是在什么时候形成的?具体是什么?
经典场论有什么好的教材么?
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场论里有没有一种理论可以解释物质的存在性?
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