二,物理概念是怎么产生的?
除物质点和空间外,其余一切物理概念,像时间、场、质量、电荷、光速、力、动量、能量、-----都是物质点在空间中运动相对于我们观测者所表现出的一种性质。都是物质点在空间中运动形成的,因而与位移有关,可以认为时间、场、质量、电荷、光速、力、动量、能量---都是位移的函数。
在物理概念中,像声音、光、力这些物理概念是物质点在空间中运动触及到我们观测者,我们观测者对这些感觉加以分析、概括而形成的。
但是,时间和场有点特殊,时间是我们观测者自己在空间中运动引起的,场的空间本身的运动形成的。
三,宇宙中物质点为什么要运动?
在物理学中我们描述的运动状态,如果没有我们人去描述,其实就是几何中的垂直状态,任何一个处于垂直状态中的质点其位置相对于我们观测者一定要运动,并且不断变化的运动方向和走过的轨迹又可以重新构成一个垂直状态。这个可以叫垂直原理。
不断变化的运动方向一定是曲线运动,圆周运动最多可以作两条相互垂直的切线,而空间是三维的,其运动轨迹一定可以作三条相互垂直的切线,所以运动一定会在圆形的垂直方向上延伸,合理的看法是质点在空间中以柱状螺旋式运动。
四,螺旋规律
宇宙中所有的自由存在于空间中的物质点都以螺旋式在运动,包括空间本身
也是以柱状螺旋式在运动。宇宙中小到电子、质子,大到地球、月球、太阳、银河系----都是以螺旋式在运动。
五,平行原理。
物理学中描述的平行状态对应数学中的正比性质。两个物理量,如果可以用线段来表示,相互平行的话,一定成正比关系。
六,几何对称性等价于物理守恒性
物理学中描述的守恒性等价于几何中的对称性。一个物理量,如果能够用线段表示,在几何坐标上是线对称的,如果可以用面积表示,在几何坐标上是平面对称的,如果可以用体积表示,在几何坐标上是立体对称的。
七,空间可以无限存储信息
宇宙中任意一处空间可以储存整个宇宙的信息。
八,物理学中运动状态的描述不能够脱离观测者。
相对论认为时间、位移、力、质量等很多物理概念是相对的,对于相对运动的不同观测者可能有不同的数值。这“相对”两个字延伸一下,就是相对于观测者而言,如果没有观测者,或者不指明那一个观测者,时间、位移、力、质量---许多物理概念失去了意义。由于时间、位移、力、质量---这些物理概念来自于物质点相对于我们观测者在空间中的运动,所以讲,脱离观测者(我们人)描述运动是没有意义的。
咋一看,以上看法好像是一种唯心主义,不过,唯心主义认为一旦没有观测者,没有人,一切都没有了,这个也是不对的。正确的看法应该是这样的:宇宙中所有的运动都是相对于我们人而言的,一旦没有了人,宇宙给我们的景象就像照相机照相过程中的一个定格镜头,而不是不存在。
物理学中的运动状态从几何的角度看就是垂直状态,是同一个现象我们观测者从不同的角度看出现不同的结果。
有人认为,在没有人类之前的宇宙照样在运动,所以运动的存在于人是没有关系的。其实“没有人类之前”这句话是一个病句,没有了人类,哪来的没有人类之前。没有我们人哪来的前后,上下左右,东西南北?
注意,物理学中描述的运动,空间、物质点、观测者三个东西一个都不能少,否则,运动就失去了意义。描述时间的变化有点特殊,观测者和物质点变成了一个东西。
人类对运动的认识有一个发展的过程,牛顿力学认为描述一个物体的运动,必须要找一个认为是静止的参照性物体,作为参照物,运动的描述强调了在某一段时间里物体在空间中走过的路程。
牛顿力学认为时间和空间的长度的测量于观测者的运动没有关系。
相对论继承了牛顿力学基本看法,但是相对论强调了不同的观测者,测量的某些物理量的数值可能是不同的。
相对论认为时间和空间长度的测量于观测者的运动速度有关系。低速时候,关系不明显,接近光速时候,特别明显。
统一场论认为描述运动必须要相对于一个确定的观测者,没有观测者、或者不指明那一个观测者描述运动是没有意义的。选择一个参照物描述运动有时候是不可靠的。
统一场论认为时间是观测者自己在空间中运动形成的,物体在空间中运动的位移于观测者的观测有关,不同的观测者可能有不同的结果。
九,空间为什么是三维的?
我们知道,沿空间中任意一点最多可以作三条相互垂直的有向线段,称为三维空间。
一维空间决定了质点以直线运动,二维空间决定了质点以圆或者曲线运动,三维空间决定了质点以柱状螺旋式运动。或者说质点直线运动产生了一维空间,质点曲线运动产生二维空间,质点柱状螺旋式运动产生了三维空间,这两钟看法是我们人对同一个现象从不同角度理解而出现的。
十,如何描述空间的运动?
一条直线,我们可以看则是由无数个点构成,一个平面我们也可以看则是由无数个点构成,同样道理,我们可以把三维空间看则是由许多个点构成,称之为空间几何点,或者叫空间点。几何点运动所走过的路线叫几何线。描述这些几何点的运动,就可以描述出空间的运动。
我们要注意,几何点的运动是受垂直原理支配的,和我们描述普通物体的运动有相同的地方,也有不同的地方,比如,北半球的一个观测者看到一个卫星以逆时针绕赤道旋转运动,南半球的观测者一定认为这个卫星是顺时针绕地球旋转的。
现在我们把卫星换成几何点,北半球的观测者看到这个几何点在赤道上空逆时针绕地球旋转运动,南半球的观测者一定认为这个几何点也是逆时针绕地球旋转。
以上的垂直原理同样适用于空间,几何点的运动是受垂直原理支配的,是空间的本性决定的,两个观测者认为几何点由于相同的原因而运动,所以,运动的形式应该是一样的。
十一, 时间的物理定义。
前面指出,一切物理概念都是物质点在空间中相对于我们运动所形成的,很多物理概念首先来自于物质点在空间中运动给我们人的一种感觉。
时间也可以认为某某东西在空间中运动给我们人的一种感觉。什么东西在空间中运动给了我们时间的感觉?
我们把一个人用宇宙飞船送到几百亿光年远的一个空间区域里,把这个人丢下来后,飞船立即飞回来。这个空间区域里别的星球离得都非常非常的遥远,可以设想,这个人仍然有时间的感觉?是什么物质点运动使这个人有了时间的感觉?这个情况下,仅有这个人的身体而已。正确合理的看法是:
时间是我们观测者对自己在空间中运动的一种感受。
任何观测者周围空间相对于观测者都以柱状螺旋式以光速向四周辐射离开运动,柱状螺旋式运动可以看成旋转运动和直线运动的叠加,时间可以认为是这种空间的直线运动那部分给我们人的一种感受,与观测者自己在空间中直线移动的路程成正比。
借助几何点的概念,可以认为:时间是我们观测者周围空间以光速辐射式的离开运动给我们的感觉,于我们周围空间几何点走过的路程成正比。
有人认为,在没有人类之前的宇宙照样有时间,所以时间是人的感觉的观点是错误的。其实“没有人类之前”这句话是一个病句,没有了人类哪来的没有人类之前。没有我们人哪来的前后,上下左右,东西南北?
其实“时间”恰恰是人对空间运动的描述而产生出来的一个物理概念。
十二,三维螺旋时空方程
宇宙中所有的物质点包括空间本身都是以螺旋式在运动。
一个物质点O,相对于我们观测者静止,我们以O点为原点,建立一个三维直角坐标系xyz ,O点周围空间中任意一个几何点P的坐标值(x,y,z)随时间t变化,并且P点走过的轨迹是柱状螺旋式。
x = Rcosωt
y = Rsinωt
z = C t
式中R是O点到P点的距离,ω是P点绕O点旋转运动的角速度,C是常数光速。
以上可以叫三维螺旋时空方程,统一场论认为,宇宙的一切奥妙都是这个方程决定的,大到银河系、星球、小到电子、质子的运动,物体为什么有质量、有电荷----一直到人的思维,都与这个方程有关。
我们需要注意的是以上方程反映了O点周围一个几何点的运动情况,设想O点周围肯定有许多个像P点那样的几何点,设在ds面积上有dn条几何点的位移矢量x或者y,z垂直穿过去,在O点周围我们取一个包围O点的封闭面积S,有多少条几何点的矢量x,y穿进面积S,就会有多少几何点x,y穿出面积S,一进一出,相互抵消,原因是几何点矢量x,y是旋转量,结果
∮x dn/ds = 0
∮是包围面积S的积分。上式表示包围O点的包围面S上有0条几何点矢量x = Rcosωt垂直穿过去。
∮y dn/ds = 0
上式表示包围O点的包围面S上有0条几何点矢量y = Rsinωt 垂直穿过去。
∮z dn/ds = N
上式表示包围O点的包围面S上有N条几何点矢量z = C t垂直穿过去。
十三,光速的本质。
物理学的深入发展,光速概念的重要性越来越受到人们的重视,光速和时间、空间、质量、电荷、力、场这些基本物理概念变得同等重要。
人们一提到光速不由自主的就想到了发光,实际上光速比发光现象更能够反映出自然界的本质规律。统一场论中,认定光速反映了时空同一性,即空间的运动形成了时间,时间和空间是同一个本源,是光速把二者联系起来。
认定光速是一个常量,意味着空间延长、时间相应的延长,空间缩短时间相应缩短,这个就是时空同一性,和相对论的时空相对性一样反映了时空的基本特性。
原子中的电子生活在小空间范围内,运动速度极快,运动周期极短。而太阳系内,行星在大范围空间里运动,速度小,周期长,这一切的背后都是时空同一性造成的。
统一场论的时空同一性和相对论的时空相对性本质是不矛盾的,时空同一性是基本的,从时空同一性可以导出时空相对性,下一章我们将给出导出过程。
光速能不能看成矢量,相对论中没有深入讨论,按照相对论看法,光速与光源的运动速度无关,与观测者的选择无关,与时间无关,与空间位置无关,纯粹一个常数,所以,相对论倾向与认为光速不能够看成矢量,换句话,讨论光速的矢量性是没有意义的。
统一场论提出了与之不同的看法,认为光速在某些情况下可以表现为矢量,和光源的运动速度有关。
统一场论为了区分,把矢量光速叫光速度,用粗字体C表示,C可以变化。光速速率叫光速率,用细字体C表示,C不变。沿坐标的光速度叫光速,可以变化。
光速是怎么产生的呢?
出发点仍然是前面提到的三维螺旋时空方程。设想一个物质点O点,相对于我们观测者静止,对于它周围空间任意一个几何点P,由O点指向P点的矢径我们记为r,以上的垂直原理告诉我们,P点一定要运动。这样, r是时间t的函数,应该有下式:
r = r(t)
将式r = r(t)对时间t求导,按照前面的看法,这个结果是一个特殊的常数---光速度矢量。
光速度在直角坐标系中的三个分量为Cx,Cy,Cz.
很显然,√[(Cx)² + (Cy)² + (Cz)²] = C
统一场论认为,光速度和光速率都遵守相对论的速度变换法则。
统一场论对光速的看法,本质上不是和相对论相矛盾的,应该是相对论对光速的认识有缺陷。
下面我们来论证:统一场论对光速这些新认识和相对论本质是一回事情,并求出光速度C和光源速度v之间的关系。
在下图中,惯性参考系xyo和x’y’o’相互以匀速度v沿x轴正方向直线运动, |