|
|
|
|
|
二、马赫的批判
但是，绝对时间和绝对空间毕竟是人为的抽象，经不起实践的检验和严密的审查。二百多年来，引起过不少人的怀疑和争议。到了 19世纪末，奥地利物理学家马赫在他的《力学史评》中深刻地分析了牛顿力学的基本概念以及由其反映的机械自然观，并作出了深入的批判。例如：马赫不同意把惯性看成是物体固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的，提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。他针对牛顿的绝对时间和绝对空间，驳斥道： “我们不应该忘记，世界上的一切事物都是互相联系、互相依赖的，我们本身和我们所有的思想也是自然界的一部分。”“绝对时间是一种无用的形而上学概念”，“它既无实践价值，也无科学价值，没有一个人能提出证据说明他知晓有关绝对时间的任何东西。”马赫还指出，绝对运动的概念也是站不住脚的。他写道：“牛顿旋转水桶的实验只是告诉我们，水对桶壁的相对转动并不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球的质量和其他天体的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，最后达到好几海里厚时，那时就没有人能说这实验会得出什么样的结果。” 1883年，马赫在《力学的科学》一书的第二章第6、7节《牛顿关于时间、空间和运动的观点》中写道：“没有必要在这里提出的回顾中来评论牛顿，说他的行动又一次与他所提出来的只研究实在的事实的意图相矛盾。” 马赫的批判存在着三个问题。其一，牛顿很清楚绝对空间和绝对时间是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。因为牛顿把书取名为《自然哲学之数学原理》，绝对空间和绝对时间当然也是数学抽象了。而且他直截了断地把绝对时间称为数学时间；其二，牛顿不仅有绝对空间和绝对时间的概念，而且也有相对空间和相对时间的概念。牛顿的相对空间和相对时间的概念和我们实际上的时间和空间的概念没有什么根本区别，很清楚，牛顿的相对时空是绝对时空的一部分，是对绝对时空的量度。马赫用相对时空去否定绝对时空并不高明；其三，马赫和牛顿一样，并不明白牛顿力学中最根本的问题是力的本质没有解决。如果弄清了力是物体的相互碰撞，我们只要把碰撞迭加到所研究的对象上，没有碰撞或碰撞正好能相互抵消的就是惯性系，否则就是非惯性系了。 因此，牛顿水桶中水面的形式，并不一定反映水桶是否相对于绝对空间有转动，只要反映水桶相对于某一惯性系是否有转动就行了。如果水桶中的水相对于近似惯性系的地球有转动，水一定会受到向心力，水面变凹这正是水桶中的水受到向心力的表征。那种认为宇宙间物质相对于水桶在转动，水面也会变凹的说法是没有任何道理的。宇宙间物质相对于水桶在转动，并不等于宇宙间物质不动，水桶沿相反方向转动。作匀速运的物体具有相对性，因为作匀速运动的物体不受力的作用。从受力的角度来看，转动不具有相对性，宇宙间物质在转动表明宇宙间物质受到向心力，水桶在转动只是水桶受到向心力，宇宙间物质在转动和水桶在转动是完全不同的两个事件。只要水不转动，无论宇宙间物质如何转动，水就不会受到向心力的作用，水面就不会变凹。例如，把地球和水桶一起放到银河中心，如果水桶本身不转动，水桶中的水面决不会无缘无故地变凹。 因此，自然规律的形式就只同碰撞有关而和坐标系的选择无关，一切参照系具有同等的地位，没有一个参照系处在特别优越的地位，从而根本无法探测到参照系本身的运动。只有这样，才能把惯性系、绝对运动、绝对空间真正地驱逐出实验科学的范围。 三、绝对时空观的实际意义 我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进。也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移。这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角。称为恒星的视差。恒星的视差很小，只有零点几个角秒。一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着。这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动。 因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间。 同样地，时间的精度也在不断地提高。第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒。 在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下。但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次。相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位。美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平。 如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达10的14次方的光学振动相比，原子的10的9次方振动频率差了5个数量级。而伽玛射线的上限频率目前还未发现。我们以后得到的时间精度会更高。 总而言之，尽管绝对时空并不存在，随着科学技术的不断发展，人们发现的恒星会越来越远，恒星坐标系也会越来越远；同时，时间精度会越来越高。也就是说，人们正是由相对时空向绝对时空无限靠近。这就是绝对时空的实际意义。 |
|
宗荣：
找出自然界结构与统一原理是人们梦寐以求的事，你对此有何见解？ 葛新： 找出自然界结构与统一原理是非常困难的事。下面就谈谈个人浅见。 一、自然界的结构 按照中国人的理解，自然界也就是宇宙。大约在2500年前后，老子曰：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”庄子认为，四方上下是无边无际的，古往今来是没有穷尽的，也就是说，宇宙在边界上是无穷无尽的，在时间上是无始无终的。世人见到的只是宇宙变化的一个个瞬间，在这一个个瞬间中，到处是有形可见，有物可感的实体。这些物体千姿百态，形象各异。上面是天，下面是地，天地之间，有万事万物。 四方上下就是前后、左右和上下三个方向。古往今来是过去、现在和将来一个顺序。古人把广阔无限的三维空间称为“宇”；把无始无终的一维时间名为“宙”。宇宙是时间与空间密切相连的一个整体，也就是自然界是由时间和空间构成。空间是一个个瞬间的客观存在，时间则是把这一个个瞬间的客观存在按照某种顺序运动起来。 二、物质的结构 物质也是由实空和虚空所组成，物质是空间的一部分，物质和空间一样也是无限可分的。 物质的结构有一个重要的特点，那就是物质以不同的层次分布，这种分布是不连续的。通常把物质分为微观、宏观和宇观三个层次。微观是指目前已知的分子、原子、原子核和基本粒子所构成的物质系统；宏观包括地球上的物体、卫星、行星和恒星所构成的物质系统；宇观是由星团、星系、星系团、超星系团和总星系所构成的物质系统。 物质的层次是互相联系和无限可分的。任何一个物质层次无不都是上有更高的层次，下有更深的层次。层中有层，层层相联。任何一个物质层次只是无穷层次系列中的一个“关节点”，从而形成层次的等级性。某个层次总是由下一个或下几个层次所组成。 三、自然界量化原理 质量是物质的量化，长度是空间的量化，速度是运动的量化，时间是运动过程的量化，动量和能量是运动物质的量化。因此时空是可以量化的，也就是说具体的时空是可以用数学的方法来描述的。可以量化也是时空的重要属性之一。物质不灭，动量和能量守恒，这就是自然界中最基本的量化原理。 任何方程的解，可归结为是一些特殊的点线面。实际上，任何物质都是有大小的，严格地说，数学上没有大小的点，没有粗细的线和没有厚薄的面，在物理世界中都是不存在的。因此，点、线、面的概念甚至数学方程，在物理学上是建筑在沙滩上的，只能近似地去分析和理解它们。它不过是一种数学的抽象。除了那些计数值的测量以外，任何计量值的测量都不是绝对精确。因此任何过程是不可绝对精确地测量的。绝对精确的物理方程是不存在的。可以这样说，物理方程只是对具体过程的近似和模拟。那种认为物理方程的解一定是精确的看法是错误的和有害的。可以这样说，自然界是可以量化的，但是自然界是不能精确地量化的。 四、物质相互作用原理 物质是对空间的占有，空间已被一种物质占领，它就会阻碍另一种物质对同一空间的占领。由于物质是运动的，物质经常会运动到一起，也就是说，两种物质要同时占领同一空间。但两物质又不允许同时占有同一空间，即是说两物质不能互相通过，于是一个碰撞过程就会随之发生。物质避免占有同一空间的方法是相互让开，这一让开的结果是改变了原来的运动状态。于是我们说，物质受到了力的作用。因为只要物质的运动状态有改变，它就一定受到力的作用。我们完全有理由认为物质间的相互作用就是碰撞，力就是物体间的相互碰撞，碰撞是物体间唯一的相互作用，这就是物质相互作用原理。下一章马上就会接着详细讨论。 五、自然界统一原理 人们普遍认为世界是物质的，物质是运动的。列宁认为除此以外再也没有其它东西了。显然，这种对世界的认识是不完整的，因为还有碰撞。碰撞不是物质，它是物质间的相互作用；碰撞不是运动，它是运动的干涉。碰撞并不完全属于物质或运动的范畴。显然，在碰撞过程中会产生新的运动或新的物质。因此碰撞是世界发生变化的唯一动力。 因为物质是由实空和虚空组成的。在物质和运动这两个要素的基础上，再加上第三个要素碰撞，我们就可以得到任何层次都适用的自然界统一原理： 自然界是由物质和虚空所组成。物质在虚空中不断地运动着。运动到一起的物质之间会发生相互碰撞，从而产生新的运动或新的物质。物质不灭，动量和能量守恒，碰撞是物质间唯一的相互作用。 不难看出：有物质没有运动的世界是一个静止的抽象的世界，仅有物质和运动的世界是一个没有动力的世界。这种自然界不含有力的因素，不能解释运动状态发生变化的原因。只有包括物质、运动和碰撞三个要素的自然界才是一个简单、和谐、自洽和真实的自然界。 六、一个有中国特色的宇宙观 以上的宇宙观是由中国2500年前的老子最先提出，后由中国人不断完善的。它是一个具有中国特色的宇宙观。 这个宇宙观除了带有强烈的物理色彩外，还有以下两个特点： 1、这个宇宙观把自然界分为空间和时间。又把空间分成实空和虚空。这样一来，就把等同实空的物质和虚空同时纳入空间之中，没有绝对的实空又没绝对的虚空，把实空和虚空巧妙地结合在一起，避免了真空、绝对真空等模糊概念。其实，空间实和虚就是辩证法的物理基础。 2、这个宇宙观把物质定义为对空间的占有，其实质就是引入了物质间的相互作用——碰撞。从而使得宇宙间有了发生变化的动力，这才是一个真正的自洽的宇宙。不难理解，对心弹性碰撞的双方共处于同一时空之中，碰撞时它们相互斗争，它们的动量在向各自反面变化，这正好又是对立的统一规律。在这里，碰撞正好是对立的统一规律的物理基础。 |
|
宗荣：
你在《科学中国人》杂志不是说过低频电磁波的速度应就比光速小，人们已经有试验证明了这一点。因此波动介质变硬说是能用试验证明的。更深入的论述请见《电磁波速度与其频率的曲线关系》一文。”我们就想听听你更深入的论述。 葛新： 人们认为真空中电磁波的速度是不变的。由于光也是电磁波，电磁波的速度也就是光速，约为每秒三十万公里。真空中电磁波的速度只由真空中电磁常量决定，与其频率等其它任何因素都无关。我们知道，形而上学用孤立、静止、片面的观点看世界，认为一切事物都是孤立的，永远不变的。真空中电磁波速度不变这一观点是不是也有点形而上学的味道呢？请看以下分析和事实。 通常情况下，声音在水中的传播速度为1450米/秒，但20年前人们惊奇地发现，当声波频率达到几个T（1T=1012）赫兹时，这一频率下的超声波在水中的传播速度竟增加了2倍多。意大利物理学家通过实验最终以高弹性介质理论成功地解释了这一现象，解决了困扰物理学20年的难题。 意大利的科学家的高弹性介质理论认为，超声波的频率越高，水的弹性越高并更难移动，成为一种高弹性介质，超声波在这种介质中的扩散就像在固体中传播一样，而声音在固体中的传播要比在液体中快得多，例如声音在冰中的速度约为3160米/秒，这正好是1450米/秒的2倍多。也就是说，水对超高频超声波的传播有点象固体冰。 人们认为：固体永远是固体，流体永远是流体。但是这个成见对波的传播来说并不成立。 波实际上是由一种往复振动形成的。往复振动时，物体的受力是交变的，当交变力的频率太快，介质向一个方向受力运动后，几乎马上又要受同样大的力向相反方向运动，介质因惯性的缘故根本就来不及作这样的运动。于是，流体介质的振动象固体分子一样只在平衡位置振动而传播波。此时介质的流动性消失了，波在介质中的传播就变成像在固体中传播一样。 历史上人们认为以太是传播光的介质，以太和水一样，也是一种流体。光和声音又都是波。因此，有理由认为光在以太中的传播类似于超声波在水中的传播，因为它们的物理本质是一样的。由于可见光的频率非常高，就产生了这样一个问题：是不是以太对传光的传播也好象固体一样呢？如果真的是这样，真空中的电磁波的频率由低频增大到光频其传播速度也应增加。 但是，人们根据Maxwell的电磁波方程，电磁波在真空中的速度： |
|
黄宝：
传统的解释也可以是这样：爆发源在爆发期间快速向太阳外层运动，以观察者对太阳中心的视线为例，在t1 时刻的A点发出的辐射和运动一段时间后的t2时刻的B点发出的辐射都有蓝移，但由于太阳引力运动是减速的，在B点发出的辐射兰移要小一些，因此在B点的辐射频率比A点发出的低，而A点的辐射先到达地球，B点的辐射后到达，于是产生了频率飘移。 葛兴： 这种解释看起来是合理的，但存在两个问题。第一，如果是爆发源在太阳上减速造成的，那么不仅仅是米波频段才有爆发的频率慢慢地向低频漂移，所有频段的爆发都在作同样的运动，都应有同样的频率慢漂移。但频率漂移只在米波和分米波频段才有，而在微波以上频段上没有。第二，按传统解释，同一耀斑应是一样的，可是对同一耀斑在不同的段上的观测发现有频率快漂移和频率慢漂移两种，传统的解释是两种漂移的速度不同（相差100倍），这就与同一耀斑速度应是一样的相矛盾。 黄宝： 真空中光速对光频的依赖性是实验物理的一个重要课题，Phys. Rev.D 5，796(1972)中有文章说：从对脉冲星的天文观测数据中得出在无线波段（100MHz至400MHz）光速不变性的精度达到10-10； Phys, RevLett. 93，043901(2004)中也有人发表文章，从自然闪电事件的观察中认识到在极低频率段（50Hz及以下）光速不变性的精度达到5×10-4。这些数据直接说明 “真空电磁波速度与频率的关系曲线”是错误的，那个曲线中光速的改变可达百分之九十以上，这也直接推翻了以太说的根据。 理论物理学不是民间科技者工作的好方向，因为它是许多受专业训练的物理学工作者长期思考和琢磨的东西，已经是好几代非常优秀的物理学家建立起来的领域，没有特别原因，一个人不应认为他比爱因斯坦和他之后的几代物理学家的总和还聪明些，能看出他们工作的重大“缺陷”。 葛兴： 人们为了维护电磁波和磁场的传播速度是光速这一金科玉律，有时不惜采用一些虚假的材料和伪造的手段。我没有时间去考证这些发表在世界顶级刊物上的文章，我是从对太阳耀斑的观测中得出这个结论的，你要反对我的观点，则必须用事实来直接反驳我，而不是回避我提出的问题，而间接用发表在世界顶级刊物上的一两篇文章来否定我的观点。 至于民科中的少数人有重大发现的在物理史上比比皆是。如爱迪生、瓦特、法拉第等等，我就不多说了。 不过，由于传统习惯势力非常强大，电磁波的速度在频率很低时比光速小的观点在现阶段是很难为人们所接受的。例如有人认为，天文上观测到的超新星爆发是各个波段都同时观测到辐射突然增强，特别是Ⅰb型和Ⅱ型超新星观测到强射电辐射。但超新星大多在银河系外，距离我们在十万光年以上，如果电磁波传播速度与频率稍有关系，是决不可能同时观测到射电辐射的。这就与太阳耀斑的观测发生了矛盾。 但太阳离我们很近，太阳耀斑又能频繁地重复爆发，仪器测量也能精密地重复，其可信度应很高。超新星离我们太远，其中的变数很多，我们无法确切知道它爆发的具体时刻，同时它的可信度远没有太阳耀斑高。物理学是一门实验科学，任何理论必须接受实践的检验。 无独有偶，不但太阳耀斑能证明低频率电磁波速度较小，低频雷达回波也能证明同一问题。雷达波的频率也有低到米波频率的，事实证明，用这样的雷达波对准月球（或行星）反射的回波就比激光往返月球（或行星）的时间有所延迟。这就从另一个角度证明了低频电磁波的速度比光速要慢。虽然不能从太阳耀斑测出电磁波精确的速度与频率关系，但可以从月球（或行星）的雷达回波比较准确测出某种频率的电磁波的速度。 如果以太中的光和水中的超声波在传播时有同样的使它们各自介质变硬的特性，那么就从物质相互作用的角度上证明了以太是一种能变硬的物质，它的确是存在的。这正是踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。又因为只有波才能使传播它的介质变硬，粒子在介质中的运动不可能使介质变硬。因此，我们同时又证明了光的确是一种波。 好了，这些问题以后还要详细讲到。就到此为止吧！ |
|
黄宝：
传统的解释也可以是这样：爆发源在爆发期间快速向太阳外层运动，以观察者对太阳中心的视线为例，在t1 时刻的A点发出的辐射和运动一段时间后的t2时刻的B点发出的辐射都有蓝移，但由于太阳引力运动是减速的，在B点发出的辐射兰移要小一些，因此在B点的辐射频率比A点发出的低，而A点的辐射先到达地球，B点的辐射后到达，于是产生了频率飘移。 葛兴： 这种解释看起来是合理的，但存在两个问题。第一，如果是爆发源在太阳上减速造成的，那么不仅仅是米波频段才有爆发的频率慢慢地向低频漂移，所有频段的爆发都在作同样的运动，都应有同样的频率慢漂移。但频率漂移只在米波和分米波频段才有，而在微波以上频段上没有。第二，按传统解释，同一耀斑应是一样的，可是对同一耀斑在不同的段上的观测发现有频率快漂移和频率慢漂移两种，传统的解释是两种漂移的速度不同（相差100倍），这就与同一耀斑速度应是一样的相矛盾。 黄宝： 真空中光速对光频的依赖性是实验物理的一个重要课题，Phys. Rev.D 5，796(1972)中有文章说：从对脉冲星的天文观测数据中得出在无线波段（100MHz至400MHz）光速不变性的精度达到10-10； Phys, RevLett. 93，043901(2004)中也有人发表文章，从自然闪电事件的观察中认识到在极低频率段（50Hz及以下）光速不变性的精度达到5×10-4。这些数据直接说明 “真空电磁波速度与频率的关系曲线”是错误的，那个曲线中光速的改变可达百分之九十以上，这也直接推翻了以太说的根据。 理论物理学不是民间科技者工作的好方向，因为它是许多受专业训练的物理学工作者长期思考和琢磨的东西，已经是好几代非常优秀的物理学家建立起来的领域，没有特别原因，一个人不应认为他比爱因斯坦和他之后的几代物理学家的总和还聪明些，能看出他们工作的重大“缺陷”。 葛兴： 人们为了维护电磁波和磁场的传播速度是光速这一金科玉律，有时不惜采用一些虚假的材料和伪造的手段。我没有时间去考证这些发表在世界顶级刊物上的文章，我是从对太阳耀斑的观测中得出这个结论的，你要反对我的观点，则必须用事实来直接反驳我，而不是回避我提出的问题，而间接用发表在世界顶级刊物上的一两篇文章来否定我的观点。 至于民科中的少数人有重大发现的在物理史上比比皆是。如爱迪生、瓦特、法拉第等等，我就不多说了。 不过，由于传统习惯势力非常强大，电磁波的速度在频率很低时比光速小的观点在现阶段是很难为人们所接受的。例如有人认为，天文上观测到的超新星爆发是各个波段都同时观测到辐射突然增强，特别是Ⅰb型和Ⅱ型超新星观测到强射电辐射。但超新星大多在银河系外，距离我们在十万光年以上，如果电磁波传播速度与频率稍有关系，是决不可能同时观测到射电辐射的。这就与太阳耀斑的观测发生了矛盾。 但太阳离我们很近，太阳耀斑又能频繁地重复爆发，仪器测量也能精密地重复，其可信度应很高。超新星离我们太远，其中的变数很多，我们无法确切知道它爆发的具体时刻，同时它的可信度远没有太阳耀斑高。物理学是一门实验科学，任何理论必须接受实践的检验。 无独有偶，不但太阳耀斑能证明低频率电磁波速度较小，低频雷达回波也能证明同一问题。雷达波的频率也有低到米波频率的，事实证明，用这样的雷达波对准月球（或行星）反射的回波就比激光往返月球（或行星）的时间有所延迟。这就从另一个角度证明了低频电磁波的速度比光速要慢。虽然不能从太阳耀斑测出电磁波精确的速度与频率关系，但可以从月球（或行星）的雷达回波比较准确测出某种频率的电磁波的速度。 如果以太中的光和水中的超声波在传播时有同样的使它们各自介质变硬的特性，那么就从物质相互作用的角度上证明了以太是一种能变硬的物质，它的确是存在的。这正是踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。又因为只有波才能使传播它的介质变硬，粒子在介质中的运动不可能使介质变硬。因此，我们同时又证明了光的确是一种波。 好了，这些问题以后还要详细讲到。就到此为止吧！ 回复 引用 |
|
《关于几种物理观的对话》 第二部分 《关于两种力学观的对话》 葛兴： 伽利略曾经在《关于两种新科学的对话》一文中说：“探讨自然运动加速的原因，目前似乎不是适当的时候。许多哲学家对这问题发表了许多不同的见解，有的说，是由于向心的吸引，有的说，是由于物体内各个极小部分彼此之间的推斥，有的则认为，是由于落体周围媒质的某种应力，它驱使落体从一个位置移到另一个位置。这些幻想以及其他的见解，本应予以检查，可是，现在实在不值得去做。” 牛顿也曾经说：“我谈到吸引与推斥，正如我在同一意义上使用加速力和运动力的一样，对于吸引，推斥或任何趋向于中心的倾向这些词，我在使用时不作区分，因为我对这些力不从物理上而只从数学上加以考虑：所以，读者不要望文生义，以为我要划分作用的种类和方式，说明其物理原因或理由，或者当我说到吸引力中心，或者谈到吸引力的时候,以为我要在真实和物理的意义上，把力归因于某个中心（它只不过是数学点而已）。” 宗荣： 这说明伽利略和牛顿在当时的情况下对力的本质不清楚。即使在今天对力的本质仍然不清楚。 葛兴： 其实，牛顿力学有一个重大缺陷。牛顿对于重力的本质是这样讲的：“我已经用……重力解释了天体现象和海洋的运动,但还未有把这种力量归之于什么原因。……直到现在，我还未能从现象中发现重力所以有这些属性的原因。我也不想作任何假说。……而假说在试验哲学中是没有地位的，……重力实际上是存在的。它是按照我们已经阐明的定律在起作用，它对说明种种天体及海水的运动是很有用的，能达到这一点对我们来说已够满意了”。 美国诺贝尔奖金获得者R•费曼在他的《物理学讲义》中这样写道：“如果你坚持要得到一种力的精确定义的话，你永远也得不到它！” 于是，力学上存在着一种非常反常的现象：力学是一门精确的科学，而力学中最基本的概念力的物理本质，从伽利略到牛顿再到现在仍然是不清楚的！这当然是牛顿力学的一个重大缺陷。今天人们把力的物理本质定义为物体间的相互作用，但仍然说不清究竟是一种什么样的作用。 不是伽利略实在不值得去弄清力的物理本质，也不是牛顿只要满足于数学力就够了。实际上是人们当时还无法令人信服地弄清力的本质。所以费曼说，你坚持要弄清力的物理本质的话，永远也办不到！ 但是，力是物理学和力学的最基本最重要的概念之一，是物理大厦和力学大厦的基石。力的物理本质不弄明白，物理大厦和力学大厦的基础就是不牢固的，说不定某一天会倒塌下来。力一定有物理本质，只是力的物理本质隐藏得很深，很难发现。 人们认为力是探索世界的线索，力一定有统一的物理本质，各种力一定能统一起来。人们花费了大量的人力物力去解决这一问题，但是，力的统一的研究课题久攻不下，并处于这样一种难堪的局面：从伽利略和牛顿开始，一百多年来，世界上最优秀的科学家前扑后继，企图把四种力统一起来，结果谁也没有成功。爱因斯坦花了后半生的时间，就连把万有引力和电磁力统一起来的努力，也以失败而告终。因此力的统一问题就成了踏破铁鞋无觅处的老大难问题。 面对这样一个时旷日持久的老大难问题，人们显得有些束手无策，只好焦虑地、迫切地、一遍又一遍地发出这样的呼喊：力的物理本质，你在哪里？ |
|
黄宝；
力的物理本质，你能说清楚吗？ 葛兴： 力的物理本质，实际上是一个选择统一力的突破口问题。爱因斯坦把统一力的突破口建立在几何化的世界——统一场论上。事实证明这一突破口的选择是不成功的。 1916年爱因斯坦完成广义相对论以后，基于物质世界的统一性和内在和谐性信念，认为广义相对论只能描述引力场是不够的，应该将广义相对论加以推广，使它不仅能够描述引力场，同时也能够描述电磁场。既然广义相对论已经揭示引力场是一种弯曲空间，可以用几何化的方法来描述。那么，电磁场也应该可以用同样的几何化方法来描述。另外，爱因斯坦还认为，实物与场也应是统一的，实物与场没有本质的区别，它们之间的区别只是定量的。实物便是能量密度特别大的地方，场便是能量密度小的地方，场是唯一的实在。基于这种认识，爱因斯坦认为可以建立一种新的理论，它的最终目的就是要用随时随地都能有效的结构定律去解释自然界中的一切现象，亦即它不仅能够描述引力场，同时也能够描述物质和电磁场（在爱因斯坦提出统一场论时，人们只知道存在引力场和电磁场），这就是爱因斯坦的统一场论思想。 爱因斯坦于1922年1月完成第一篇关于统一场论的论文后，在他后半生的三十多年时间里，除了关于量子力学的完备性讨论以外，几乎把全部的精力都用于统一场论的探索。开始的前几年他非常乐观，以为胜利在望，但后来却发现困难重重。他认为现有的数学工具不够用，转而进行数学研究，但一直都没有取得真正具有物理意义的结果。但他不气馁，毫不动摇地走他所认定的路。由于他远离了当时物理学研究的主流—量子场论，使得他晚年非常孤立，但他无所畏惧，直到临终的前一天，他还在病床上准备继续他的统一场论的数学计算。爱因斯坦在临终前叹息说：“我完成不了这项工作了，他将被遗忘，但是将来会被重新发现” 。 爱因斯坦基于物质世界的统一性和内在和谐性信念，无疑是正确的。但是物质世界的统一性和内在和谐性，只能从物理世界中去寻找，不应该从几何中去寻找。那么，我们应该怎么样从物理世界中去寻找统一力的突破口呢？ 在前面我们已经谈到：物质是对空间的占有，空间已被一种物质占领，它就会阻碍另一种物质对同一空间的占领。由于物质是运动的，物质经常会运动到一起，也就是说，两种物质要同时占领同一空间。但两物质又不允许同时占有同一空间，即是说两物质不能互相通过，于是一个碰撞过程就会随之发生。物质避免占有同一空间的方法是相互让开，这一让开的结果是改变了原来的运动状态。于是我们说，物质受到了力的作用。因为只要物质的运动状态有改变，它就一定受到力的作用。我们完全有理由认为物质间的相互作用就是碰撞，力就是物体间的相互碰撞。 显然，这里是把碰撞作为统一力的突破口了。碰撞是物体间的排斥作用，力也是物体间的相互作用，在这一点上它们是非常吻合的。同时，碰撞不是几何问题，正好是一种司空见惯的物理现象。而且，研究碰撞问题不需要高深的数学知识，只需要描述动量守恒定律的一次方程就足够了。 黄宝： 你想得太简单了，如果这样人家早想到了。碰撞？静力是什么碰撞？支承力和压力是什么碰撞？万有引力又是什么碰撞？ |
|
葛兴：不是我想得太简单了，而是人们到目前为止没有找到正确的方法。力是物理学中最基本的概念之一，凡是物理概念，一定有一个物理模型，只有这个模型被我们把握了，这个概念的物理本质才能被我们所把握。就象一部机器一样，只有它的原理清清楚楚，才能把握它。所以，我们首先必须解决力的物理模型，然后分门别类地去研究各种力。力的物理模型是怎样的呢？我们知道力有大小、方向和作用点三大要素，这才是力的本质。让我们从力的三要素开始吧！
如果说碰撞就是力的话，那么碰撞过程必须具有力的一切特性。实际上正是这样的！ 假设有两个发生对心完全弹性碰撞的球A和B，这一碰撞过程有如下一些特点： 1、碰撞方向 因为A、B的运动是有方向的，它们之间的碰撞发生在其运动方向上。随着A、B运动方向的不同，它们之间的碰撞方向也不相同。所以，碰撞具有方向性。 对碰撞的任意一方而言，如果它是运动的，它碰撞对方的方向和它的运动方向相同，它被对方碰撞的方向则和它的运动方向相反。如果它是静止的，它碰撞对方的方向和对方的运动方向相反，它被对方碰撞的方向则和对方的运动方向相同。 2、碰撞作用点 A与B碰撞时，总是相互碰击在双方的某个特殊位置。我们把A、B这种特殊的接触点叫做碰撞作用点。 3、碰撞剧烈程度 对不同的碰撞过程来说，有的进行得剧烈些，有的则缓慢些。一般来说，它们有着剧烈程度的差别。 由动量守恒定律可知，在只有两个物体碰撞的情况下，碰撞过程中一方增加的动量恰好为另一方减少的动量。只有这样，才能保证碰撞前后总动量保持不变。因此，碰撞过程的实质是碰撞双方交换了动量。 从碰撞开始到碰撞结束，有一个时间过程。我们把这一过程叫做碰撞时间。 一方面，在相同的碰撞时间里，碰撞双方的动量变化越大，碰撞也就越剧烈。因此，碰撞剧烈程度与碰撞任意一方动量变化的大小成正比。 另一方面，在动量变化保持不变的情况下，碰撞时间t越短，碰撞就进行得越迅速，碰撞也就越剧烈。因此，碰撞剧烈程度与碰撞时间成反比。 于是，碰撞过程任意一方的碰撞剧烈程度的大小等于其动量变化率。当然，其方向为速度变化的方向，也就是它被碰的方向。 4、碰撞的作用与反作用 在A与B的碰撞过程中，A碰撞了B，同时也受到B的碰撞。把这一特性叫做碰撞的作用与反作用。A对B的碰撞作用在B上，同时A受到B的碰撞则是作用于A上。换句话说，碰撞的作用与反作用是作用在两个不同的物体上。 碰撞作用剧烈程度与碰撞反作用剧烈程度的大小，根据碰撞作用剧烈程度的大小等于其动量变化率，其方向为速度变化的方向的定义，有如下结论：对心完全弹性碰撞过程中的碰撞作用与反作用，其剧烈程度相等，方向相反，在一条直线上，并且作用于两个不同的物体。 5、碰撞的作用方式 两物体只有相互接触才能发生碰撞，因此，碰撞的作用方式是相互接触。 6、碰撞的间断性 碰撞总是一次次地进行的，因而碰撞是间断的，不连续的。 不难发现，碰撞和力有着完全相同的性质。它们的方向、大小、作用点、作用和反作用、作用方式和连续性等特性一一对应。为了明确起见， 把碰撞与力的基本特性比较如下： （1）、方向：碰撞有方向，力也有方向。 （2）、作用点：碰撞有作用点，力也有作用点。 （3）、大小：碰撞有剧烈程度的大小，力也有大小。 （4）、作用与反作用： 碰撞作用与反作用剧烈程度相等，方向相反，在一条直线上，分别作用于两个不同物体。 作用力与反作用力大小相等，方向相反，在一条直线上，分别作用于两个不同的物体。 （5）、作用方式：碰撞时两物体互相接触，力没有“超距”作用。 （6）、连续性：碰撞是一次次进行的，力是不连续的。 碰撞与力还这样紧紧地连在一起：在碰撞时间里，两物体的速度在不断地变化着，因而两物体不断地受到力的作用。碰撞过程开始，力的作用出现；碰撞过程结束，力的作用消失。同时，物体的被碰方向就是它的受力方向，碰撞作用点恰是力的作用点，碰撞剧烈程度的大小又正好是力的大小。这一切决不可能是偶然的巧合。因此，我们完全有理由认为力起源于碰撞。 |
|
宗荣：
你这是从力的基本特点入手，特别是从碰撞过程中的碰击点来解释力的作用点很有说服力。如果能用碰撞模型来说明静力、支承力、压力、万有引力、电磁力、强力和弱力那就更 完美了。 葛兴： 好吧，我尽量争取这样做。因为微观世界不尚不很清楚，你不能太苛刻了啊！ 在物理学中通常使用归纳——演绎法。归纳法是从个别到一般的认识方法，演绎法则相反，它是从一般到个别的认识方法，即从已知的一般原理出发来考察某一特殊对象，从而推演出有关这个对象的结论的方法。归纳和演绎是科学认识过程中两个相互独立又相互依存的思维方法，都是科学认识过程中不可缺少的。下面我们就使用归纳——演绎法来寻找力的本质。 人们抽象地认为力是物体间的作用，但是没有说清楚力究竟是一种什么样的具体作用。我们不禁要问：力是如何产生的？其本质到底是什么？为什么力有共同的特性？它究竟有没有精确定义？ 辩证唯物主义告诉我们：矛盾的普遍性即寓于矛盾的特殊性之中。因此，力的普遍性也应存在于一个特殊过程之中。首先必须找到这个产生力的特殊过程，才能说明力的本质问题。 尽管力的具体作用过程一定是存在的，但是这个过程由于科学技术水平问题和有很多的伪装而隐藏得很巧妙，故很难发现。 我绞尽脑汁，花了三十年的时间去寻找和分析一个又一个过程，一次又一次地被自已所否定，一无所获。后来偶然看到一本碰撞的书，突然触发了我的灵感：在碰撞过程中，碰撞双方的运动状态都会改变，不是从而产生一对碰撞力吗？正所谓：踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。 从对碰撞过程进行认真深入的解剖中，发现了碰撞过程具有力的一切特点。不但大小，方向，作用点，作用与反作用一一对应，而且能证明牛顿三大定律，我终于得出了力是物体间的相互碰撞的结论。 这里有必要再重申上一段话：碰撞与力紧紧地连在一起。在碰撞时间里，两物体的速度在不断地变化着，因而两物体不断地受到力的作用。碰撞过程开始，力的作用出现；碰撞过程结束，力的作用消失。同时，物体的被碰方向就是它的受力方向，碰撞作用点恰是力的作用点，碰撞剧烈程度的大小又正好是力的大小。这一切决不可能是偶然的巧合。因此，我们完全有理由认为力起源于碰撞，并给力下个精确的定义： 力是物体间的相互碰撞。物体受力方向是它被碰方向，力的作用点是碰击点，力的大小是碰撞剧烈程度的大小。 这一定义不是头脑里固有的，而是对碰撞过程的客观抽象，是从碰撞这一个特别的过程归纳出力的一般特性。因此，它是一个归纳法的典型案例。 |
|
力的这一定义能解决如下问题：
1、能具体地说明力的大小、方向和作用点。 2、因为碰撞是相互的，这一定义能清楚说明作用力与反作用力。 3、因为碰撞时物体相互接触，这一定义能说明为什么力没有超距作用。 4、因为两物体碰撞的实质是双方交换大小相等方向相反的动量，可以将任一方的动量交换率的大小定义为碰撞的剧烈程度，因此，这一定义可直接得出F=mdv/dt=ma，从而将力是物体间的相互作用这一定性定义和力的定量定义F=ma有机地结合起来。 5、力的新定义仅将原定义“力是物体间的相互作用”更改了两个字，即将其中模糊不清的“作用”一词更换为物理意义明确的“碰撞”一词，并由此认为：物体间的相互作用只有唯一的一种——碰撞。提出了力的大统一的物理模式。 6、我们知道，牛顿第二定律只有在惯性系中才成立。因此，牛顿力学体系需要有一个绝对惯性系存在。而在碰撞过程中，只须把所有的碰撞迭加在一起，在碰撞结束后使用动量守恒定律就够了。不需要牛顿第二定律，不用管它是不是惯性系，一般地，所谓非惯性系就是该系统中正在发生物体的相互碰撞。因此，力的精确定义，就自然而然地解决了绝对惯性系问题。 人们认为，简单、对称、统一就是物理学之美。从某种意义上讲，它们是评价物理学理论的最高标准。自然界的现象是错综复杂的，然而背后隐藏的规律则是简单的。物理学正是建筑在这一基础之上，任何物理理论，归根到底只有少数几条基本的假定。下面我们就从简单、对称、统一的角度上，将力的碰撞理论和几何场论作一比较。 力的碰撞理论是简单的。第一、碰撞过程可以从物质运动到一起自然而然地产生，不需要任何其它的假设；第二、它能简单形象地说明力的一切特性；第三、它不需要高深的数学知识，只需要描述动量守恒定律的一次方程就足够了；统一场论是复杂的。第一、几何场论不能从物质运动过程中自然而然地产生，需要假设一个弯曲的空间；第二、它不能简单形象地说明力的基本特性；第三、它需要极为高深的数学知识，爱因斯坦认为现有的规范场和非欧几何还不够用，迫使他不得不进行数学研究。 碰撞过程的图象是两个物体沿同一直线的两端向同一点运动，如果碰撞双方的质量和速度都是一样的，那么碰撞过程任何时候都是关于相遇点是完全对称的！将两物体互换位置也无影响。这一对称的平直空间要比弯弯曲曲的非对称性空间要优越得多。 统一就是要求理论在不附加太多的基本假定的基础上尽可能前后一致地解释更多的物理现象。统一场论只争取统一万有引力和电磁力，而碰撞理论是要争取统一所有的力！在统一的目标上统一场论也远远不及碰撞理论。 根据简单性原则：如果有两个理论，几乎能解释同样多的事实，谁简单，物理学将选择谁。显而易见，物理上的碰撞理论比几何上的统一场论要优越得多。 众所周知，目前自然界普遍存在四种力：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用，它们决定了现今自然界的各种物质运动。物理学的目标就是要将四种力统一成一种力，即所谓的大统一。 如果认为只要有了力的精确定义，力的大统一就完成了，那就错了。因为我们仅完成了归纳——演绎法中归纳的一步，还有演绎——从已知的一般原理出发来考察某一特殊对象的一步还没有完成。也就是凡是发现一种力，都得建立一个具体的碰撞模型来加说明。 事实上，这样作是非常困难的。因为宏观上的碰撞人们很容易识别和认可。但是微观上的许多粒子一时还无法直接观察到，这就给碰撞过程的识别增加了意想不到的巨大困难。具体的碰撞过程是客观存在的，决不是任凭人去设想一个。同时，有些过程由于有很多的伪装，隐藏得很巧妙，找到真实的具体碰撞过程也决非是件容易的事。 例如在万有引力问题上，伽利略说:“探讨自然运动加速的原因，目前似乎不是适当的时候。许多哲学家对这问题发表了许多不同的见解，有的说，是由于向心的吸引，有的说，是由于物体内各个极小部分彼此之间的推斥，有的则认为，是由于落体周围媒质的某种应力，它驱使落体从一个位置移到另一个位置。这些幻想以及其他的见解，本应予以检查，可是，现在实在不值得去做。” 牛顿对于重力的本质是这样讲的：“直到现在，我还未能从现象中发现重力所以有这些属性的原因。我也不想作任何假说……重力实际上是存在的。它是按照我们已经阐明的定律在起作用，它对说明种种天体及海水的运动是很有用的，能达到这一点对我们来说已够满意了”。 这就是说，对万有引力的起因众说纷纭，很难统一。限于当时科学技术水平的限制，一时难以找万有引力的起因，就连伽利略和牛顿也无何奈何，万有引力的起因已经远远地超越了时代的科学水平，即使在今天也是如此。因此我们必须承认，限于时代的科学水平，有些力我们一时还找不到具体的碰撞模型，寻找力的具体的碰撞模型将是一个长期的艰巨的任务。 尽管碰撞过程具有力的全部特征，要使“力是物体间相互碰撞”这一精确定义具有普遍性，还必须把人们已发现的四种力用具体的碰撞过程加以描述才行。这是一个涉及到各个力学领域的工程浩大的力学理论，也就是力的大统一的新理论。由此可见，一条从物质的碰撞而不是从几何上的力的大统一的新途径就展现在我们面前！当然，这需要全世界广大的力学工作者一起为之奋斗才能成功。 这些从一般到特殊的过程，有的其实并不难解决。在适当的时候，将会对一些力的碰撞过程进行详细的讨论。 |
|
宗荣：
力是物体间碰撞的定义能不能证明牛顿三大定律呢？那怕是说明一下也是好的，只要符合牛顿三大定律就行。 葛兴： 证明牛顿三大定律不是神话，用力是物体间碰撞的定义来证明它一点也不难。 牛顿在《自然哲学之原理》中提出的力，牛顿本人已经申明是数学力不是物理意义上的力。因此牛顿三大定律也是一种数学上的抽象，从这种意义上讲，牛顿三大定律是无须证明的。 实际上，人们现在的力不再是数学的力，而是物理上的力。例如人们认为力是物体间的相互作用，这种力就一定是物理力。物理力是物理学和力学的基石，因此对力这一概念和牛顿三大定律，就必须特别关注。 我们知道，牛顿第二定律只有在惯性系中才成立。因此，牛顿力学体系需要有一个绝对惯性系存在。所以惯性系的存在，是牛顿力学的基础，否则牛顿力学就变为谁也无法理解的空话。 现在的问题是能不能用试验来找到一个惯性系？若找得到，惯性系就是有科学内容的概念了，牛顿力学就有了坚实的基础；若找不到，那么我们设想的惯性系以及整个牛顿力学只是一种虚构。 实验能否判断出某一参照系是不是惯性系呢？粗略地看，是可能的： 1、判断物体是否不受力；2、判断物体是否作匀速直线运动。如果都是，则该参照系是惯性系。于是现在的问题就转化成能否独立地判断这两点呢？ 事实表明是不能够。 因为物理力的存在没有独立的判断方法。牛顿没有给出物理力的定义。 例如，在地球上观察物体自由落体运动这是唯一可以独立测量的。地球是不是惯性系，取决于下落的物体是否受力的判断。而我们又没有方法来判断这一点。 有人说，因物体加速下落，所以受力。这种说法是有问题的：在这里如果不把地球作为惯性系，怎么能判断物体加速下落？因此这一判断隐含了一个前提，就是首先承认地球是惯性系，所以牛顿定律才成立，有了加速度也就有了力。这样，就把要证明的东西（地球是不是惯性系）当作已知的东西引入了前提，造成逻辑上的循环。 因此，一个参照系是不是惯性系，是不能通过力学试验来检验或确认的，是我们的经验所无法达到的。我们根本无法知道连结某一物体的空间是不是惯性系。 一个严重的问题发生了：惯性系的概念是一个与经验没有关系的虚构，而整个牛顿力学的基础又是依赖于惯性系的存在，可以这样说：作为牛顿力学基础的惯性系是建筑在沙滩上，无异于物理学和力学的基础也是建筑在沙滩上。 有人责难：既然实验不能判断出某一参照系是不是惯性系，牛顿定律就没有证明，它为什么正确？ 看来，我们必须解决惯性系的问题，并给牛顿三大定律提供一种证明，才能去掉人们心中的疑团。 我们的思路是这样的，把力定义为物体间的碰撞，再根据碰撞是物体间的唯一相互作用，把所有的碰撞过程迭加在一起，在碰撞结束后使用动量守恒定律，不用理会这一参照系是不是惯性系。在这里，不需要力，不需要牛顿第二定律，也不需要绝对惯性系，只需要碰撞过程和动量守恒定律就可以了。因此，力的碰撞定义，就自然而然地解决了绝对惯性系问题。 牛顿三大定律是经典力学的三大支柱。一个精确的力的定义应该能证明牛顿三大定律。力的碰撞定义正是如此。 具体证明如下： |
|
牛顿三大定律就能自动地把力锁定在碰撞过程之中！在这里我们不得不由衷地敬佩牛顿的高明。因此，牛顿三大定律不愧是力学和物理学的基础。不难看出，力不过是碰撞的代名词。
请注意，牛顿三大定律与碰撞过程并不完全等价，严格地说，牛顿三大定律只是碰撞过程的主要部分，例如牛顿三大定律不能解决力的作用点问题，但碰撞过程就可以。因此把力还原为碰撞过程，就弄清了力的本质，解决了力的所有问题。 同时用碰撞过程和动量守恒定律证明了牛顿三大定律，就把牛顿三大定律融洽到碰撞过程之中，就使得力的碰撞定义有很强的说服力。 我们无法用力学的方法判断一个参照系是不是一个惯性系，因为惯性系所受的合力为0。用碰撞的方法从理论上可以不需要惯性系，但存在一个速度测量的问题。速度是相对的，也就是说运动要相对于一个参照物才有意义。那么这个参照物是不是惯性系呢？我们无法知道。如果参照物不是惯性系，速度的测量就有误差，会导致动量也有误差。 我们可以采取如下有效措施，把误差减小到可忽略不计。1、尽量选取大质量的物体作参照物，如太阳。在短时间里其速度难以变化，可近似看成是一个惯性系。2、碰撞前后对速度测量，尽量地选择在靠近它们发生碰撞的时候，碰撞前后测量的时间越短，参照物速度变化就越小。3、必要时，可以多选取一些参照物，然后取它们的平均值。由于参照物运动变化的随机性，也可减小这种误差。总而言之，要想绝对测准速度是不可能的，但总可以减少这种误差。 以上，我们仅讨论了两个物体相互碰撞。具体的碰撞过程不仅是两个物体的相互碰撞，而是非常复杂的。但无论怎样复杂的碰撞过程，只要测出碰撞前后各个部分的动量，运用动量守恒定律，就可求得对象的动量。 |
|
黄宝：
也不知道什么时候开始人们都是采用交换力的机制，你这完全抛弃了交换力的机制而是采用碰撞力的机制，这能行吗？ 葛兴： 当然可以。 1928年海森伯(Werner Karl Heisenberg)与狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，）同时提出交换相互作用概念，引入交换力。 许多物理学家相信，两个物体间的任何一种相互作用是通过交换粒子来实现的。例如认为强相互作用是交换介子。 1935年日本物理学家汤川秀树提出了核力的介子理论，这个理论认为核子之间的相互作用是通过一个核子放出一个π介子、另一个核子吸收这个π介子而形成的。π介子有三种带电状态：π+、π–、π0。质子和质子、中子和中子之间交换的是π0介子，交换前后各个核子电荷不变；质子和中子之间交换的是π+、π–介子。 人们普遍认为，电磁相互作用是交换光子；弱相互作用是交换中间玻色子；万有引力相互作用则是交换引力子。 力的交换机制把问题复杂化，存在许多令人困惑的问题。我们无法弄清楚交换的实质是什么和这一过程是如何实现的。只要稍微分析一下，就会发现如下问题： 1、对于万有引力而言，如果物质极小的话，组成它的粒子数总是有限的。但它周围物质的粒子数则可以是无限的，要和周围的每一部分物质发生作用，就必须与各个部分不断交换粒子。 如果引力子是有质量的话，这就有可能出现如下情况：对于一个较小的物质而言，它所含的引力子总是有限的，而空间的物质是无限的。就会出现这样的情况：把这种物质所有的粒子全部拿来和周围物质交换还不够用呢！也就是说，它只能与周围部分物质产生万有引力，而不能和所有的物质产生万有引力。同样地，从周围飞进的粒子数又可能要大于飞出的粒子数。它们如何平衡？ 如果引力子是没有质量的话，这种交换就更加令人不可捉摸了。因为力是物体动量的变化率，而动量是质量与速度的积，没有质量的引力子的交换为什么会产生含有质量因数的力（F=ma）？ 这种交换是极为复杂的。例如地球上的每一粒沙子，除了要和地球上相当于一粒沙子的质量交换引力子外，还要和太阳系、银河系……所有的星体上相当于一粒沙子的质量交换引力子。实际上这种交换是不可能的。 2、如果两物体的相对位置在不断地变化，用于交换的粒子还必须有一套复杂的“制导”系统。不然的话，由于物体的位置发生了变化，这些粒子怎么可能准确地到达预定要去的位置呢？因此，这些“粒子”就成了一颗颗名副其实的“粒子导弹”。 3、物体里还必须有一个指挥机构，以便把不断飞来的粒子按一定的顺序安排在适当的位置，并命令另外一些粒子按一定的顺序飞向指定的物体去完成“交换”的使命。 4、这些粒子还必须具有相应的动力和制动设备，以便粒子能起飞和降落。 5、粒子交换的实质是什么，究竟交换了什么东西？ 这些粒子的运动速度是多少，能运行多长时间，有不有寿命，任何恶劣的环境都畅通无阻？ 6、粒子的交换为什么有时是产生吸引力而有时又是产生斥力？ 7、交换过程如何体现力的方向、大小和作用点？怎样说明牛顿三大定律？ 所有这些问题都无法解释。这样一幅极端复杂而有序的交换过程，只有上帝才能完成。 然而，用“力是物体间的相互碰撞。物体受力方向是它被碰方向，力的作用点是碰撞作用点，力的大小是碰撞剧烈程度的大小。”这一精确定义来解释以上问题则简单得多。 1、碰撞能产生碰撞力是客观事实。力的碰撞机制是实实在在的。 2、碰撞随机自发无序地进行，是自然而然发生的事，碰到了就有力, 碰不到就没有力，不须要任何制导系统和指挥机构。也不须要动力和制动设备。它根本不需要上帝的存在。 3、物体某一部位受到碰撞，可以通过物体内部分子之间一连串的碰撞传到物体内部任何位置。因此，碰撞总是发生在物体的某一部位，不需要物体内部任一部分都受到碰撞。 4、碰撞过程具有力的一切特征，其碰撞方向、碰撞剧烈程度的大小与碰撞作用点恰好和力的方向、力的大小与力的作用点一一对应。用力的碰撞定义和动量守恒定律可以证明牛顿三大定律。 5、 碰撞过程既可以产生斥力也可以产生引力。两个物体直接碰可产生一对斥力，复杂的碰撞的总效果可以产生引力。例如把两个马德堡半球合起来抽去当中的空气，因两边空气分子频繁对半球的碰撞使得两半球紧紧地吸引在一起，几匹马都拉不开。 6、碰撞过程正好是一个相互交换动量过程。 由动量守恒定律可知，碰撞前的总动量和碰撞后的总动量是保持守恒的。在只有两个物体发生碰撞的情况下，其中一方增加的动量恰好为另一方减少的动量。只有这样，碰撞前后的动量才能保持守恒。因此碰撞过程的实质是碰撞双方自动地交换了动量。 再考虑到碰撞双方交换动量的时间也必然是一样的，碰撞双方的动量交换率当然是一样的了，动量交换率就是动量变化率，动量变化率又正好是力。因此双方相互交换动量过程就使得双方自然而然地产生了大小相等，方向相反的在一条直线上的作用力和反作用力，也就是说，碰撞过程不需要交换粒子而自动地交换力。 在此我们要反问一句：力不是正好要交换动量吗，为什么非得要去交换粒子不可呢？ 因此，力的碰撞机制比力的交换粒子的机制要简单得多合理得多，理所当然地成为我们统一各种力的内在根椐。 必需强调指出：根据力的精确定义，力仍然是物体间的相互作用。但这种作用不是别的什么，而是碰撞。因此，力是物体运动状态改变的原因，就等效于碰撞是物体运动状态改变的真正原因。实际上，力不过是碰撞的代名词而已。 脱离具体的碰撞过程，把力抽象地定义为物体间的相互作用，只能使我们对力感到难以捉摸。同时，这一定义转移了人们的视线。使人们忽略了对具体碰撞过程的深入研究，导致力的起源问题被长期搁置起来。 |
|
黄宝：
讲了这么多，你喋喋不休地在讲碰撞，至于碰撞产生力的具体例子一个也没有讲到，怎么能叫人相信呢？ 葛兴： 好了，这就正式进入引力、斥力、动力和静力的起源。 恩格斯指出：吸引和排斥，这是一对古老的矛盾。“吸引和排斥就象正和负一样是不可分离的”、“真正的物理理论应当给予排斥和吸引同样的地位，只有吸引为基础的物质理论是错误的、不充分的、片面的” 拉普拉斯认为太阳系是从一团原始星云中形成的。原始星云由于运动和质点的相互吸引而形成原始火球，原始火球进一步收缩，并且由于吸引和排斥的综合作用，逐渐分化形成太阳系各行星，最后构成了现在的太阳系。他对太阳系的特点进行推算，深刻地解释了太阳系各行星的运动和轨道。他的学说逐渐为科学界所承认。 人们认为，吸引和排斥是自然界发展的基本矛盾和动力。例如分子运动中的吸引和排斥、原子内部运动的吸引和排斥、原子核内部运动的吸引和排斥、化学运动中的吸引和排斥、电磁运动中的吸引和排斥、地球上物体运动的吸引和排斥和天体运动中的吸引和排斥等。因此，吸引力和排斥力就是自然界中至关重要的两种力，弄清它们的本质有着极其重要的意义。 如果认为力是物体间的相互碰撞，斥力是很容易产生的，因为碰撞力就是一对斥力。那么吸引力是如何产生的呢？两个物体为什么会无缘无故地相互吸引？同时，动力也是容易理解的，碰撞是在运动中发生，只有在运动中才会产生碰撞力。把一个物体放在另一个物体上，两个物体保持静止，没有发生碰撞，为什么也会产生出压力和支承力呢？下面我们就分别来论述这两个问题。% |
|
B分子对A的碰撞，使A受到支承力。这种力只有A、B靠近到分子运动所能达到的范围之内才能产生。一旦离开接触，它们之间的力就消失了。因此，宏观上的“静力”，其实是由微观粒子碰撞所引起的，只不过这种碰撞所产生的力恰好达到一种平衡状态。
“静力”实际上也是一种表观现象，它的本质仍然是碰撞所产生的动力，只不过人们还不能直接看到分子的碰撞罢了。 总之，无论是斥力和引力还是动力和静力都是一种碰撞力。 |
|
宗荣：
你用碰撞来作为力的机制当然可以。但碰撞和交换之间有某种默契，起码来说碰撞过程是一个动量交换的过程。所以说力是交换过程也没有大错。这种碰撞机制一个最大优点是能够说明力的作用点。 葛兴： 不是这样的。人们通常都是说力是物体间的相互作用，再深入一些就是四种相互作用即万有引力是交换引力子、电磁相互作用是交换光子、强相互作用是交换介子和弱相互作用是交换中间玻色子。 而碰撞并没有交换也不需要交换什么粒子，只是在碰撞过程中双方交换了动量，这个动量的交换过程是在碰撞中自然而然地发生的。星球、分子、原子、核子、电子都可以作为碰撞的一方。原子中的所有成分都被牢牢地束缚在一起，这些粒子根本不能被交换。 好了，我们现在就来谈谈压力和支承力。 一、压力与支承力 1、大气压力 众所周知，大气压力产生于空气分子频繁而连续不断地对物体的碰撞。 2、物体间压力和支承力 我们知道，碰撞在两个物体的运动过程中发生，由此而产生的力是一种动态力。把物体A放在物体B上，A对B有压力，B对A有支承力。这是一对静力。在A、B的接触处，它们分子会发生频繁碰撞。A分子对B的碰撞使B受到压力。B分子对A的碰撞，使A受到支承力。这种力只有A、B靠近到分子运动所能达到的范围之内才能产生。一旦离开接触，它们之间的力就消失了。因此，宏观上的“静力”，其实是由微观粒子碰撞所引起的。 |
|
如果把物体M放在液体中，则液体分子对物体M碰撞的合力就是浮力。
要验证这种力是由液体分子对M的碰撞而产生，是非常容易的，只要使M离开液面，浮力马上就消失了。 浮力的大小由阿基米德(Archimedes)原理决定。实验表明：浸在液体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于被物体排开的液体的重量，即： F =PVG 式中P为所浸入的液体的密度， V为物体排开液体的体积，也就是物体浸在液体中的体积，G为重力加速度。 物体在液体中位置只有以下三种情况：浮在液面、浸在液中和沉在液底。因为液体具有可以流动的特性，比液体密度轻的物体有一部分会浮于液体表面，浸入液体中的部分所排开液体的重量恰好等于物体的重量。物体放在液体中，和液体接触的地方会受到液体分子的频繁碰撞，这种碰撞力在水平方向上互相抵消，在垂直方向上碰撞力的大小等于物体的重量，也恰好等于物体排开液体的重量。只有这样才能保证把物体去掉后，再补充进恰好和其排开同样多的液体，就可以保证液面和原先恰好是平的，总的效果当然是完全一样的了。 如果物体的密度与液体一样，没有空腔结构，物体就会浸在液中，没有浮出液面的部分。同样地，和液体接触的地方会受到液体分子的频繁碰撞，这种碰撞力在水平方向上互相抵消，在垂直方向上碰撞力的大小也等于物体的重量。 如果物体的密度大于液体，物体会沉在液底。此时，和液体接触的地方会受到液体分子的频繁碰撞，这种碰撞力在水平方向上互相抵消，在垂直方向上碰撞力的大小恰好等于物体排开液体的重量，液体底部的固体对物体的支承力，则等于物体的重量减去物体排开液体的重量。 气体与液体一样，对浸在其中的物体也具有浮力的作用。氢气球和热气球上升也是利用气体的浮力。实验证明，阿基米德原理对气体同样适用，即：浸在气体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于被物体排开的气体受到的重力的大小。 五、分子力 分子之间的力，是一个非常复杂的碰撞过程，涉及到许多物质层次的运动和碰撞。分子间既存在斥力同时也存在引力。一般而言，当分子间的距离发生变化时，分子斥力的变化总比分子引力的变化来得快。在两个分子的距离为几个埃时，分子之间的斥力和引力达到平衡，从该距离开始，当分子间的距离减小时，分子间的斥力和引力都将增大，但直接碰撞的分子增加得更快，斥力的增大比引力的增大快，表现为斥力；当分子间的距离增大时，斥力和引力都将减小，但直接碰撞的分子减少得更快，斥力减小得比引力快，表现为引力。这就是分子力的特点。 |
|
宗荣：
按照你的逻辑，肯定是把分子之间的碰撞归在一类，摩擦力是一种分子之间的作用力。下一种力应是摩擦力了。 葛兴： 是的。摩擦力是一种非常复杂的力。摩擦现象，包括润滑现象，归根结底是固体和液体的表面现象。不论哪一种表面，以我们现有加工能力来说，不可能绝对地平，总是存在着凹凸。目前最精密的加工表面，其凹凸高度仍有0.0001mm上下。即使十分干净的固体表面，其实是由各种物质的薄膜复盖着。大约有如下几层：普通的脏污物质包括手指的油污或灰尘等各种脏污；来自大气中的分子吸附层组成的吸附分子膜；金属表面与空气中氧分子化合而形成的金属氧化膜；因车削或研磨而使金属发生的加工变质层。 库仑于1736年生于法国的昂古列姆。他的名字由于在静电学方面导出了著名的“库仑定律”而为人们所熟悉。但在他的后半生，在物理学和机械学的领域里又确立了“库仑摩擦定律”，这比起前者是有过之而无不及的业绩。当时的法国科学院对他出色的摩擦研究给予了奖励。由于他在罗什福尔港进行的摩擦研究——以“简单的各种机械理论”为题发表于1875年——而第二次受到了法国科学院给予的奖励。 以下三条被命名为库仑摩擦定律： （1）、摩擦力与作用于摩擦面的垂直力成正比，与外表面的接触面积之大小无关。 （2）、摩擦力（动摩擦的场合）与滑动速度的大小无关。 （3）静摩擦力大于动摩擦力。 关于摩擦力的机理主要有凹凸说和粘合说。凹凸说认为二面的凹凸部分主要是彼此以啮合的状态相接触。当一个面在另一个面上滑动时，上边的一个面被拱起，有些类似于斜面的摩擦。粘合说则认为二面的凹凸部分主要是彼此在凸部上以互压在一起的状态相接触。在接触面内，产生塑性流动。因高压和变形，少数脏污膜被子破坏、剥离或被贯穿，两表面的基质本身产生粘合。 凹凸说和粘合说长期得不到统一。在这里我们提出的碰撞说，就能把凹凸说和粘合说统一起来。以下就作详细的论述。 |
|
由理论力学可知，若轮R在水平面上作纯滚动，则接触点C是速度瞬心，它与水平面的相对速度是零。对应于滑动摩擦力的第三部分，因为C点速度为零的缘故，要小很多。对应于滑动摩擦力的第二、第四部分，也因为破坏分子间剪切力和粘合力的方向不同于滑动时的情况，破坏这些剪切点与粘合点所需的力比滑动时也要小，因此，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。
实际上，宏观上的摩擦，必然导致微观上的碰撞。摩擦力实际上也是一种碰撞力。 |
|
宗荣：
说去说来，你这些碰撞力都不过是分子之间的碰撞力。你干脆把所有分子力都集在一起作一番说明。 葛兴： 好！那就把分子有关的力都集在一起，作一简要说明。 一、密封气体的弹性力 气体的弹性力产生原理都是相同的。其典型的基本模型是一个气缸活塞单元。 把一个顶部封闭有一定量空气的气缸活塞结构水平放置，且气缸在左活塞在右。如果活塞向左移动，则气缸体积缩小，气体密度增大，使得同样时间内部空气分子向右碰撞活塞的次数多于外部空气分子向左碰撞活塞的次数，它们的合力就使得活塞产生一个向右压力。如果活塞向右移动，则内部体积扩大，气体密度减小，使得同样时间内部空气分子向右碰撞活塞的次数少于外部空气分子向左碰撞活塞的次数，它们的合力就是活塞所受的向左的压力。气缸中活塞的弹性力是气体对活塞的碰撞力。 很明显，活塞所受的弹性力与活塞位移方向相反。而且位移越大，气缸体积变化也越大，活塞两边气体密度差别也越大，产生的弹力也越大。 设气缸的体积为V，大气压为P，压缩（或扩张）后的体积为V’，压强为P’，由气态方程 PV=P’’V ’ 这就是说，在温度不变时，活塞所受压强与其体积成反比，将活塞的压强乘以活塞的面积就是活塞所受的力。因此活塞所受的弹性力与其体积成反比，也可以说活塞所受的弹性力与其体积的变形成正比。在活塞的长度和其直径相比较要大得多的情况下，可近似认为弹性力的大小与位移的大小变化成正比。这就是虎克定律。 二、固体的弹性力 不难想象，一个密封的气球具有和气缸活塞结构同样的弹性功能。即当气球体积缩小时，气球就会受到向外的压力；当气球体积增大时，气球就会受到向内的压力。如果把一个个密封的小气球粘起来，就相当于把一个个小型气缸活塞结构相互串联或并联起来。显然这种粘在一起小气球也具有弹性功能。 物质是由分子组成的，有些物质的分子比较特殊，它的分子外表面有一层密封的分子膜，分子膜内密封有更小层次的粒子(分子气)，把它放大来看就象一个气球。这种具有分子膜结构的固体就是弹性体，当这种弹性体受压或受拉而产生形变，它自然地要反抗这种变形而产生弹性力。不难分析，这种弹性力也是产生于分子膜内或分子膜外的分子气对分子膜的碰撞。因此，弹性力也起源于碰撞。 三、表面张力 分子之间存在着引力和斥力共同作用。分子之间为什么会产生引力？可以想象分子外层有一层分子气，就象地球的大气层那样。当两个分子靠近，分子气相互碰撞时便会产生斥力，当两个分子进一步靠近到排开它们之间的分子气后，两个分子便会被两边的分子气紧紧地压在一起。就象两个合在一起中间抽空了的马德堡半球一样。这里的分子气是指分布在分子周围的高速运动着的比分子小得多的微观粒子。（如此类推，中子外层有中子气，电子外层有电子气，光子外层有光子气……。物质层次都是被两边的“气体”压在一起的。） 分子之间的力，是一个非常复杂的碰撞过程，涉及到许多物质层次的运动和碰撞。一般而言，当分子间的距离发生变化时，分子斥力的变化总比分子引力的变化来得快。在两个分子的距离为几个埃时，分子之间的斥力和引力达到平衡，从该距离开始，当分子间的距离减小时，分子间的斥力和引力都将增大，但直接碰撞的分子数量增加得更快，斥力的增大比引力的增大快，表现为斥力；当分子间的距离增大时，斥力和引力都将减小，但直接碰撞的分子数量又减少得更快，斥力减小得比引力快，表现为引力。这就是分子力的特点。 液体分子之间的距离较大，表现为引力。液体表面相邻两部分之间相互吸引的力，使液体表面有一种收缩到面积最小的趋势。表面张力之所以发生在液体和气体接触时的边界部分，是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层。表面层里的分子比液体内部稀疏，单位体积中气体的分子数比液体少几千倍，它们对液面上的液体分子的吸引力可以忽略不计。因此，一个液体分子在表面层中主要是受到来自液体一方的吸引力。由于各个方向上对液体表面分子的吸引力不能平衡，会受到一个指向液体内部的力，这个力相当于对液体表面的附加压力，也称为内聚力。 假设在液体内部任取一个分界面AB，那么AB两侧的分子在分界面上既有相互吸引的力，又有相互排斥的力，由于液体既没有自动扩张的倾向；也没有自动压缩的倾向，所以AB两侧分子间的引力和斥力大小相等，处于相对平衡状态，而表面层的情况就不同了，由于表面层里分子间的平均距离较大，于是分子间的引力和斥力比液体内部的分子引力和斥力都有所减小，但斥力比引力减小得快，所以在表面上划一条分界线MN时，两侧的分子在分界线上相互吸引的力将大于相互排斥的力，也就是液面上分子之间的吸引力要大于液体内部分子之间的吸引力。宏观上表现为分界线两侧的表面层相互拉引，使表面层像张紧的橡皮膜一样，这种液面各部分间的相互拉引的力就叫表面张力，表面张力使液面的任何部分跟相邻的部分相互拉引，所以液体表面有收缩的趋势。 表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直。表面张力的大小与液体的性质、纯度和温度有关。水银和水的表面张力较大。荷叶上的露珠，桌上的水银小滴等往往呈圆球状就是表面张力的作用。 表面张力是表面层内分子力作用的结果，它使液体表面犹如紧张的弹性薄膜具有收缩的趋势。表面张力的方向总是与假想直线垂直，其大小f与直线长度l成正比，这是因为直线越长，两边的分子也越多，表面张力也就越大。即 f ＝al 式中比例系数a称为表面张力系数，等于液面单位长度线段上的表面张力。 在等温条件下使液体表面面积增加时，外力必须克服表面张力作功，转变为表面层的内能，称为表面自由能。 分子之间的引力，不仅能产生液体的表面张力，而且也是形成固体、液体和气体的原因。如果分子之间的引力比较大，一个分子不能脱离相邻分子的束缚，这就是固体；随着温度的升高，分子间的距离增大，分子之间的引力减小，引力减小到有一部分分子能够脱离相邻分子的约束，就是液体；到了每一个分子都能脱离相邻分子的约束就是气体了。 |
|
四、润湿现象
在洁净的玻璃板上放一滴水银，它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上。把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来，玻璃上也不附着水银。这种液体不附着在固体表面上的现象叫做不浸润。对玻璃来说，水银是不浸润液体。 在洁净的玻璃上放一滴水，它会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来，玻璃的表面会沾上一层水。这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润。对玻璃来说，水是浸润液体。 同一种液体，对一种固体来说是浸润的，对另一种固体来说可能是不浸润的。水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡。水银不能浸润玻璃，但能浸润锌。 从分子间的吸引力看来，润湿现象的本质在于液体本身分子间的内聚力与液体对固体表面分子间的粘附力互相抗衡的结果。在内聚力大于粘附力的情况下，液体不可能完全润湿固体，形成一定的接触角。只有固体与液体间粘附力完全丧失时，液体才完全不能润湿固体。此时接触角为180度，粘附力的大小愈接近内聚力，液体对固体的润湿度就越大，当粘附力大到与内聚力相等时，液体就能完全润湿固体，此时接触角等于零。通常认为液面是凸的，接触角小于90度，才能说液体能润湿固体，如果液面是凹的，接触角大于90度，就说液体不能润湿固体。 五、毛细现象 浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象，叫做毛细现象。能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管。 液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?我们已经知道，液体表面类似张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的， 弯曲的液面由于弹性力的作用，它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉力，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。 最后指出，毛细现象和虹吸现象是液体中出现的两种不同物理现象，毛细现象是由于液体的表面张力所引起。虹吸现象是由于弯管内同一水平高度液体出现压强差而引起液体流动的现象。 |
|
黄宝：
你列出的力是碰撞的例子都无外乎是分子间的作用力。当今公认的四种力你一种力也没有沾边。所以你的论据是片面的没有什么力量的。 葛兴： 因为我不认为力是物体间交换粒子，而是物体间的相互碰撞。而分子力是人们能感受到的，先把这些力搞清楚了，再来理解四种力就很容易。好了，下面就开始讲万有引力。 一、万有引力的历史回顾 关于万有引力的起源，历史上有多种说法。惠更斯提出过旋动说，伽利略在《关于两种新科学的对话》一文中说:“许多哲学家对这问题（重力）发表了许多不同的见解，有的说，是由于向心的吸引，有的说，是由于物体内各个极小部分彼此之间的推斥，有的则认为，是由于落体周围媒质的某种应力，它驱使落体从一个位置移到另一个位置。这些幻想以及其他的见解，本应予以检查，可是，现在实在不值得去做。” 牛顿在不公开的场合认为重力的本质是以太流对物体表面的轰击。在公开的场合则是这样讲的：“我已经用……重力解释了天体现象和海洋的运动,但还未有把这种力量归之于什么原因。……直到现在，我还未能从现象中发现重力所以有这些属性的原因。我也不想作任何假说。……而假说在试验哲学中是没有地位的，……重力实际上是存在的。它是按照我们已经阐明的定律在起作用，它对说明种种天体及海水的运动是很有用的，能达到这一点对我们来说已够满意了”。 爱因斯坦认为物质的存在引起空间弯曲，他用弯曲的“曲率张量”来反映空间弯曲的性质，把描述物质性质的能量、动量和质量等合并在一起，建立一个描述物质的“能量张量”，在空间的曲率张量和物质的能量张量之间建立一个引力场方程，它是爱因斯坦的引力理论的核心，被称为广义相对论。 法国科学家乔治•利萨如在万有引力实质问题上表示了如下看法。他认为，物体的万有引力是由看不见的微小粒子——一种充满着空间的“超粒子”对物体的碰撞结果。具体地，物体从四面八方遭受到这些看不见的粒子大量撞击。倘若宇宙间只有一个物体，它受到来自各方的推力互相均衡，就保持静止。但在有两个物体的情况下，其中的每一个便变得象掩护另一个的挡箭牌那样。在彼此面对的表面上撞击必然较少，而在朝外的表面上，撞击则开始占有优势，于是均衡受到破坏，两个物体便被推向靠拢。这就是万有引力的起因。 |
