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"爱因斯坦的所谓相对论是从迈克尔逊-莫雷试验中推导出来的，迈克尔逊-莫雷试验的零结果用到一个数学假设，从而至使洛仑兹变换是错误的，狭义相对论也就全部错了。"
这话精辟！ 其中的"数学假设"只是假设相对以太风的风速（实质是地球的自转速度）光速不变（即：C+U=C；实验证明U等于零） 而狭相假设的"光速不变"是假设相对观察者（或参考系的的运动速度）光速不变（即：C+U=C；客观事实是U大于零） 至于爱因斯坦及其信徒们用来证明其"光速不变"假设的相对运动光源的光速不变（即：C+U=C；U也大于零但不可加） ※※※※※※ 即别轻信人说的，也别坚信己学的，更别迷信书写的；只信亲眼能见的，而且亲手能算的，关键亲身能验的；科学事实 |
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谢谢老朋友
狭义相对论中有一条光速不变的假设。其实，光速不变原理也是爱因斯坦根据迈莫试验推导出来的。迈克尔逊认为：站在地球上，与地球运动方向相反的光的速度是c+v，与地球运动方向相同的光则是c-v。按照这一观点可以预计迈莫试验仪器上有0.4个干涉条纹移动，但实际上干涉条纹没有任何移动。这就说明光的速度与v无关。或者说，光的速度与惯性系的速度无关。这就是光速不变原理。 有了迈克尔逊试验零结果的物理解释，光速不变原理就不成立了。因为尽管站在地球上，与地球运动方向相反的光的速度是c+v，与地球运动方向相同的光则c-v，但迈莫试验根本无法测出v。因为以太传光似固体，对光而言，根本就没有流体的以太风。迈克尔逊干涉仪两干涉臂上的光没有光程差，干涉条纹根本就不会移动。这就不能证明光的速度与v无关，光速不变原理当然就不成立了。 继续 第一节 物质的世界 在生命和人类诞生以前，物质就是存在的，世界和人类都是因为物质的存在而存在。物质构筑了纷繁美丽的大千世界。因此，世界是物质的。这就是唯物论的根据。 什么是物质？ 列宁给物质下了一个哲学定义：“物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在的，为我们的感觉所复写、摄影、反映。” 在哲学中，物质是不依赖人的意识而存在的客观实在。物质是第一性的，意识是第二性的，物质决定意识，意识从属于物质。 意识是有了人类以后才有的。即使没有意识，物质也照样存在。因此，不应该把物质同意识扯在一起。没有意识，什么是物质？所以，应该在客观世界中去寻求物质的定义。 什么是物理意义上的物质呢？ 只要全面认真地考察一番，不难知道物质是对空间的占有。这里占有空间的泛指石头、水、原子、中子等任何一种客观实体。 具体地说，已占据了某空间的物质就会反抗别的物质来占领该空间，这就是碰撞。因此，凡是能相互碰撞的双方都是物质。 在碰撞过程中，总动量保持守恒。这就是动量守恒定律，也是碰撞过程的规律。当然，这里的碰撞包括人们宏观上看得见的和微观上看不见的。 我们知道，意识或精神是不会占有空间，它们是不会发生碰撞的，因此它们不是物质。 物质的这一定义是不会产生任何矛盾的，而且和人们哲学上的物质概念也是兼容的。 人体是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉来感知物质世界的。人体的感觉并不一定是完全可靠的，同时人体的感觉只能感知自然界很少的一部分。例如，我们看到的影子、虚象、海市蜃楼等就不是物质，因为它们不会占有空间，不会发生碰撞。但是它们是客观存在，可见客观存在的东西并不一定是物质。只有客观实在的东西才是物质。我们看到的世界只是客观世界的很少的一部分。原子分子和暗物质我们就看不到。人们听到的声音不是物质，是空气分子运动而产生的声波。嗅觉、味觉和触觉所感知的当然是物质，但也只是物质中很少很少的一部分。 质量是物质一个重要属性，质量是对物质的量化，也就是物质的多少。物质和质量是互为存在的，没有无物质的质量，也没有无质量的物质。 怎样来求出质量的多少呢？实际上，可以根据动量守恒定律来测量物质的多少。可用“千克原器”的仿制品作为质量的基准，使它去碰撞待求质量的物体，只要测出它们碰撞前后的速度，就可以用动量守恒定律公式求出另一个物体的质量。 质量基准是由人们规定的。1791年法国政府规定1（分米）3的纯水在4℃时的质量为1千克，并于1799年用铂制成质量与此相等的圆柱体，叫做标准千克，保存于法国档案局。因此也称之为“档案千克”。1872年经过精确测量发现，档案千克比4℃时1（分米）3的纯水质量小0.04克。此后就选取了档案千克作为质量单位的基准器。 1883年，用铂铱合金制出的质量基准器1千克原器是仿照档案千克制定的。它是一个高和直径都为39毫米的圆柱体。当时共制成41个千克原器的质量基准，现在在国际单位制中仍采用千克原器作为质量的基准。 测量物体质量最简单的方法是利用受力平衡，例如使用天秤或弹簧秤。称量的方法归根到底仍然是在使用碰撞的方法，只不过这种碰撞是人们看不到的。因为力是物体间的相互碰撞，我们会在第二章中详细地讨论这一问题。 占据空间、客观实体、能碰撞和有质量是同一个意思。“实”就是占据了一定的空间。有质量，就意味着有碰撞能力。反过来，占据空间的多少、碰撞能力的大小就含有质量多少的意思。质量是通过碰撞过程来测量的。物质和质量是整体和部分的关系，有质量的地方就一定有物质。空间和物质也是整体和部分的关系，因为物质只占有空间的一部分，另外一部分空着。 物体这一概念可以看作是不言自明的，如果硬要下个定义，则物体是由各种物质和各种层次构成的某个整体。其实物质也是有一定层次的，因此物体和物质并没有一个严格的界线。只不过在物体和物质这两个名词同时使用的时候，似乎物体的层次和结构要更大一些，所包含的物质种类要更多一些。 从所掌握的资料来看，物质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。目前，有人认为可分为微观、宏观和宇观三个大的层次，每个大的层次又可以再分为若干个小的层次。 1、微观系统的层次 微观系统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。 2、宏观系统的层次 宏观系统包括地球上的物体、卫星、行星和恒星所构成的物质系统。 3、宇观系统的层次 宇观系统一般是质量或尺度很大物质系统。它包括星团、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。 物质的种类极其繁杂，性质也千奇百怪。就拿恒星来说吧，太阳只是一颗普通的中等恒星。恒星中有光度比太阳亮几十万倍的巨星，也有光度只及太阳几十万分之一的矮星；有的恒星体积比太阳大千、百倍甚至百亿倍，但密度只有地面空气的千、万分之一，有的恒星体积比地球甚至月亮还小，但密度却大到水的密度的几万倍甚至于上亿倍；恒星的质量有比太阳质量大或小几十倍的，恒星的表面温度有几万到十几万度的，也有表面温度只有几百度的红外星；中子星的直径只有20到40公里，质量却同太阳相当，密度大到每立方厘米上亿吨，表面温度高达一千万度。 在自然界中，物质以各种形态出现。例如大家熟知的固、液、气以分子或原子为基本单元的三种不同的聚集状态。此外还有由高速运动着的正离子和电子组成的等离子态、有由中子构成的中子态、有弥漫于较大空间的各种场态物质、还有所谓的由正电子反质子反中子构成的反物质等等。 总之，辽阔的大地，巍巍的群山，无边的星辰，微微的粒子都是由物质组成的。 |
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发错，此帖应在8楼之上
第五节 狭义相以论时空和迈克尔逊-莫雷试验 狭义相对论认为：牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义思想。他承认时间、空间的客观存在，但却把它们看成是与运动着的物质相脱离的。他所提出的形而上学的绝对时空观，虽然在解决宏观低速下运动物体的运动规律时能很好的适用，但在离开宏观低速的条件时，便无能为力了。也就是说，牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。绝对空间和绝对时间是形而上学唯物主义的时空观。它虽然承认空间和时间的客观性，但认为时空与物质运动无关，可以脱离物质的运动而独立存在，时空的具体特性不受物质运动的影响，是绝对不变的。 在狭义相对论里，时空不能脱离物质的运动而独立存在，时空的具体特性受物质运动的影响，按照洛仑兹变换，随着物体速度增大会产生尺缩钟慢和质增。这是牛顿时空观所不能相容的。 其实，时间和空间是两个物理概念，不同的物理概念在相互关系上风、马、牛不相及多的是，这并不奇怪。那种时间与空间一定要相及是没有任何道理的，时间和空间研究的是运动两个不同的方面，时间是研究运动的过程，空间是研究运动的位移。这两者不相关是可以理解的。它与哲学上的辩证法并没有一点矛盾。 不过，人们普遍认为洛仑兹变换是对的，狭义相对论也是对的，爱因斯坦的时空观是对的，牛顿的绝对时空观当然也就错了。但实事上完全相反呢，洛仑兹变换是错的，狭义相对论也是错的，爱因斯坦的时空观是错的，牛顿的相对绝对时空观当然也就有一定道理了。 这个问题涉及到方方面面，三言两语根本解决不了问题。好在这涉及到以太的存在性问题，在本书的第三章中有详尽的论述。 |
| 马克思主义的哲学思想对研究物理学很有帮助。突破物理学基础理论的必将是中国人，必将是掌握了马克思主义哲学思想的中国人。 |
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第六节 时空的精确定义
中国在纪元前二世纪左右，有本叫《准南子》的书写着以下的句子：“上下四方谓之宇、往古来今谓之宙”。据说这就是宇宙二字的起源。无论是上下前后左右或是过去现在未来，一切都总括为宇宙。这里的“宇”显然就是空间的意思；这里“宙”则是时间的意思了。古人曰，光阴似箭，日月如梭。这里就有时间的概念。时间这一本来十分简单的概念已被有些人弄得玄而又玄，无法理解。 从认识和测量时间的发展历史来看，人类在白天和黑夜的循环过程中，逐步产生了“日”的概念；从月亮的圆缺循环过程中产生了 “月”的概念；从寒暑的循环中产生了“年”的概念。 现在人们已经清楚，地球自转一周是一日；月亮绕地球一周是一月；地球绕太阳一周是一年。 让我们给时空下个精确的定义。空间是物体运动的位移及其各向有限或无限延伸；时间是对物体运动周期的计数及其计数过程的前后的有限或无限延续。为什么是这样的呢？因为时空是从运动中抽象出来的。从这一定义我们可以看出时空是运动的两个方面，时空和运动存在着必然的联系。 从本质上来说，具体的时间和空间是对运动的量化，时空是用来说明运动的。如果位移的空间和时间同时具体地确定了，物体的运动也就随之确定。反之亦然，物体运动的具体位移如果确定了，具体的空间就随之确定。物体运动位移的无限延伸如果确定了，某一抽象的空间也就随之确定。所有物体运动位移的无限延伸的总和就是抽象的总体空间概念。由具体空间到抽象空间就是由有限到无限的转变。时间也是这样，如果对周期运动的周期的计数是具体的，就是具体时间。历史上有人说时间是一列数字，这就是对这一系列周期运动的周期的计数结果。如果对物体运动周期的计数变成无限延续，那就是抽象时间了。牛顿也明确指出抽象时间也就是无限延续。因此时空的这一定义既包括了具体时空同时也包括了抽象时空，由相对时空到绝对时空正是由有限到无限的转变，这与数学上也是不谋而合的。 时空的有限和无限性和运动的有限和无限性质是一致的。运动是可以有限的也可以是无限的，由运动的有限性和无限性可以推导时空是可以有限的也可以是无限的。无限是由无数个有限组成的，因此时空的有限和无限的问题就是非常必要的，时空的精确定义正好如此。 中国历史上一直持有两种观点。盖天说和浑天说主张空间有限，而宣夜说主张宇宙无限，宣夜说是我国历史上宇宙无限论的思想。最早出现于战国时期，在汉代就已明确提出。 宣夜说打破了固体天球的观念，创造了天体漂浮于气体中的理论，认为天体自身、包括遥远的恒星和银河都是由气体组成。认为宇宙在空间上是无边无际的，在时间上也是无始无终的。 我国古代的哲学思想中，宇宙无限论占有绝对优势。张衡《灵宪》曰：“宇之表无极，宙之端无穷”。《庄子•庚桑楚》曰：“有实而无乎处者，宇也；有长而无剽者，宙也。”都主张宇宙无限。 古代诗文中经常流露出宇宙无限的观点。王勃《藤王阁序》中有云：“天高地迥，觉宇宙之无穷；兴尽悲来，识盈虚之有数”。陈子昂《登幽洲台歌》更有绝句：“前不见古人，后不见来者，念天地之悠悠，独怆然而涕下。” 应该说， 在宇宙无限问题上，中国人所形成的这种深厚的文化心理对于今日宇宙无限论者是有相当大的影响的。 在西方哲学史上，康德首次提出，宇宙在时间和空间上有限（正题）与宇宙在时空上无限（反题）这两个命题都可以成立，都可以得到证明，因此，在宇宙的有限无限问题上存在着一个矛盾，一个二律背反。这就是康德著名的“四个二律背反”中的第一个。 正题：世界在时间上有开端，在空间上也有界限。 证明：如果我们假定世界在时间上没有开端，那么在任一给定的时刻，一个永恒已经逝去，事物状态前后相继的一个无穷系列在世界上已经过去。但一个系列的无穷性正在于它不可能通过连续的综合来完成。因此，一个无穷的世界系列已经过去是不可能的，故而世界的开端是世界存在的必要条件。这是需要证明的第一点。 关于第二点，让我们再假定其反面，即，世界是一个并存事物的无穷既定整体。一个量如不是在某种界限之内被直观到，则其大小只能通过对其各部分的综合才可设想，而且，只有通过这样的综合，即，一个单位一个单位的反复添加直至完成，这种量的总体才能被设想。因此，为了设想作为整体的、充满所有空间的世界，对一个无限世界各部分的连续综合就必须被看成已完成了，也就是说，在历数所有并存事物时，一个无穷的时间应被看成已经过去。但这是不可能的。所以，现存事物的无限汇集不能被看成一个给定的整体，也不能被看成同时给定。因此，世界在空间广延上不是无限的，而是有界限的。这是争论的第二点。 反题：世界无开端，也没有空间界限；它在时间和空间上都是无限的。 证明：让我们假定它有一个开端。由于开端是这样的一个存在，在它以前有一个时间事物不存在，所以，必定有一个在前的时间，那时世界不存在，即，必定有一段空的时间。但在一个空的时间中发生事物是不可能的，因为这种时间的每一个部分，与其它部分相比，都不拥有存在而非不存在的特殊条件；而且这不论对事物自已发生还是通过其它原因发生都成立，在世界中，有许多事物的系列的确能够发生，但世界自身不可能有一个开端，因此，世界在过去的时间方面是无限的。 关于第二点，让我们从假定其反面开始，即，世界在空间上是有限且有界的，因而存在于一个无界的空虚空间中。这样，事物就不仅在空间中相互关联，还与空间关联。由于世界是一个绝对总体，它外头将没有直观的对象，因此，就没有世界与之关联的东西，世界与空虚空间的关联将是一种与无对象的关联。但这种关联，从而空虚空间加于世界的界限，是空无。所以世界不可能在空间中有限，也就是说，它在广延方面是无限的。 很明显，康德对此二律背反提出了一个数学和逻辑学的证明。 康德的二律背反羞涩难懂，不好理解。宇宙空间无论是有限还是无限都是不可能的还有如下更简单的证明。 宇宙空间是有限的，那么宇宙空间存在有一个边界。假设边界附近有一物体由界内向界外运动，在穿越边界的时候，如果运动不能发生，说明界外另有物体阻碍该物体的运动，如果运动能够发生，物体就会穿越边界，在这两种情况下边界都是不存在的。这就是宇宙空间是有限性的说法存在逻辑上的问题。或者说，宇宙空间不可能是有限的。 宇宙空间是无限的，也就是宇宙空间是无所不包的。那么，宇宙空间包不包含宇宙空间自身呢？如果说宇宙空间不包含宇宙空间自身，那就和“宇宙空间是无所不包的”相矛盾。如果说宇宙空间包含宇宙空间自身，包含宇宙空间自身的实质等同于有一个界面把宇宙空间包围起来，这又和“宇宙空间是无所不包的”相矛盾。因此“宇宙空间是无所不包的”这个说法有逻辑问题，也就是宇宙空间无限性的说法在逻辑上有问题。从而我们无法给宇宙空间的无限性下一个合符逻辑的定义。或者说，宇宙空间的无限性也是不存在的。 总之，宇宙的有限性和无限性从数学和逻辑学上是不可能证明的。诗人海涅说得好：“宇宙是有限的，还是无限的？一个白痴才指望有一个答案。” 哥白尼的宇宙边界是太阳系，随着人们观测水平不断地提高，视界在不断地扩大。实际上，望远镜可以越造越大，视野越伸越远，总可以观察到以前没有观察到的空间，自然而然地形成无限无边的宇宙概念。 自伽利略和牛顿之后，人们普遍接受了时空的无限性。特别有了空间坐标系以后，可以很直观地把宇宙的体积看成是无限的，无论沿宇宙空间中任何一点的任何一个方向看过去，都不能找到它的边界，宇宙空间是欧几里德几何中的三维的无边和无限的空间。 无限、无边的观点之所以被普遍承认，除了天文观测事实以外，还有一个这样无法解答的问题：若承认宇宙是有边界的，或有限无边的，界限的外面又是什么？ 无限、无边的宇宙观和牛顿的无限的时空相吻合。牛顿力学为无限、无边的宇宙观点提供了依据。因为按万有引力的规律，一个有边界的宇宙将不能保持稳定，在边界上的星球将处于特殊位置，星际间的万有引力将把它拉向中心。于是，一个无限无边的宇宙模型又从牛力学找到了根据。 在观测中，宇宙是高度均匀的。物质的物理性质和分布都是均匀的。无限数目的星体以均匀的密度分布在宇宙空间中，无论哪个天体，哪处时空和哪个方向都不居于特殊地位，它说明宇宙的结构是如此一致，我们有可能以一种极为简单的方式建立全宇宙的模型。 但是，无限的空间和时间带来了许多佯谬，首先一个佯谬是所谓光度佯谬，它是由德国天文学家奥尔伯斯在1823年提出的，所以也称奥尔伯斯佯谬。它指出，如果太空中均匀地分布着无穷多个恒星，那么这些星光积累起来，宇宙空间里将处处光辉夺目，宇宙中任何一点都将会感受到无穷大的亮度，地球上也没有白天黑夜之分；然而这一推论与事实不符，事实上，我们看到的并不是这样的，黑夜和白天还是很分明，这就构成了光度佯谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法，即星际尘埃遮住了大部分星光，但这一解释是不够的，即使考虑星际消光，因星际物质将被星光加热产生辐射，结果天空仍应是无限亮。这一佯谬其实是人们没有考虑到辐射能可以转变为其它能，如果考虑到辐射能可转变为暗物质的暗能量，光度佯谬就不会发生。 1894年德国的另一位天文学家西利格尔指出：如果星球无限多而且均匀分布，那么宇宙中任一有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为无限大)所吸引，有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体，因为恒星会受到宇宙中所有其它恒星的引力，虽然这些引力或强烈、或微弱，但最终的合力将是无穷大，从而将恒星撕成碎片。然而实际情况并不是这样。这就是所谓的“引力佯谬”。 在以后我们将详细讨论万有引力实质上是两个物体的存在，破坏了空间中正负电子对各向同性而产生的。如果考虑到空间中正负电子对之间的互相碰撞，这种差异不可能保持到无限远。就象水面上航行的船只所激起的浪花不可能伸向无限远处的道理一样。因此，万有引力平方反比律在空间尺度上有一定的适用范围，超出这个范围以后，引力不再是与距离的平方成反比地减小，而是减小得更快一些。在相当遥远的距离外，万有引力实际上已不存在了。很明显，这种万有引力的机制根本不存在“引力佯谬”。 因此，认为宇宙是无限的观点是合理的。尽管人们能测察到的宇宙是有限的，但这种界限一次次被打破，趋于无限。同时，这种有限性并不能否定宇宙是无限的这一逻辑推理，更不能否定客观宇宙就是一个无限宇宙这样一个事实。因为无限的宇宙是存在于主观之外的客观实在，人们无法最终确定，因而宇宙的无限性与人们是否能最终确定无关。 完全可以这样理解：无限性是时空的属性。这种属性是客观存在的和无法证明的。在物理学研究的宇宙概念中，因为物理学不等于数学和逻辑学，所以物理学中的宇宙概念不完全是数学和逻辑学中的宇宙概念。不用考虑数学和逻辑学中关于它们的宇宙不可能是无限的所谓证明。 |
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第八节 空间与法辩证法
一、实空和虚空 1、实态和虚态 如果桌子上有个玻璃杯，其内部可有两种状态：一种状态是装有东西，另一种状态则是空的。我们把这两种状态分别称为实态和虚态。 2、实态和虚态的可检验性 这两种状态可以用手来加以检验，如果杯内是实态，手是伸不进杯内或在伸入时要排出杯内的东西；如果是虚态，则手可以很容易伸入杯中而不排出杯内的东西。 3、实空和虚空 空间任何指定的范围内，都是由这两种状态组成。我们把实态的空间范围称为“实空”把虚态的空间范围称为“虚空”。实空是指该部分空间已被某种东西占有，能阻碍其它东西进入。虚空即是该部分空间可以看成基本上未被占有，对其它东西进入的阻碍可以忽略不计。 4、实空的基本性质 实空能阻碍其它东西进入。我们把实空的这一特性称为实空的基本性质。 5、实空和虚空的量化 如果把实空记为1，把虚空记为0，那么就得到了数学中二进制的两个数字。由实空和虚空组成的各种物体有一定大小，是可以量化的，能用相应数学方法进行描述。实际上，长度就是空间的具体量化。 如果把某一区域截面的实空处涂黑，虚空处涂白，我们就得到了该区域截面的黑白图片。 6、实空和虚空的相对性 实空和虚空是相对的而不是绝对的，随着选取的实空参照物不同而不同。 如果把人体不能进入的地方称为实空，人体能进入的称为虚空，那么自然界的图景就是一幅幅活生生的人类世界：有高山、大海、天空、地面、高楼大厦、动物、植物等等。 如果把中子不能进入的地方作为实空，中子能进入的地方作为虚空，那么以上的人类世界图景就完全消失了，而是质子、中子、介子、轻子、重子，以及由它们组成的原子、分子等等。于是，一幅幅基本粒子世界的图象就出现在我们面前。 如果把星星看成实空，星星以外的空间看成虚空，这时自然界的图象就变成了由恒星、行星、卫星、慧星组成的太阳系、银河系等星系世界了。 由此看来，作为参照的实空不同，得到的世界图象可以是完全不同的。 实空和虚空并不是绝对的和一成不变的，例如地球对于人体而言，它是实空，而对于中微子而言，则是空空如也，可以忽略不计；地球表面大气层对于人体而言，可以看成虚空。而对于气体而言，它并不是虚空，而是充满了空气。它能使螺旋浆飞机上天，能产生破坏力巨大的台风。因此，不同的实空，其对应的虚空也是不尽相同的。 7、实空和虚空的不可分性 实空和虚空是互相联系和互相依赖的。不难想象，实中有虚，虚中有实。一种被认识到的实空是由更小的实空和虚空所组成；从任何虚空中总可以找到更小的实空。总的来说，没有纯粹的实空和虚空，也就是不存在不含任何虚空的实空，也不存在不含任何实空的虚空。实空和虚空相互穿插，相互渗透。 8、实空和虚空的不连续性 因为实空被虚空所隔开，虚空又被实空所隔开，因此实空和虚空都是不连续的。 二、空间的本质 实空和虚空都是不连续的，把它们合在一起才组成一个连续的空间。从这种意义上也可以说：空间是实空和虚空的组合。这种组合自然包括了它们的界限和它们之间的位置关系。空间可以用以下公式表示： 空间 ＝ 实空 + 虚空 从某种意义上讲，数学是自然界的抽象。可以这样形象地理解：实空和虚空分别对应于数轴上的有理数和无理数，具体的空间对应于数轴上的线段，宇宙或自然界则对应于整个数轴，即整个实数集。这样有理数和无理数的互相穿插和不连续，就好似实空和虚空的互相穿插和不连续。 三、空间、物质和自然界的关系 具体的物质或物体都是由实空和虚空构成的一个整体。很明显，整体的物质具有实空的性质。但对于比它更小的层次而言，物质内部是有空隙的，也就是物质的内部也存在着虚空。严格地说：物质是由实空和虚空组成。 归根结底，自然界也是由实空和虚空组成的。那么，空间、物质和自然界都是由实空和虚空组成的，它们之间的区别是什么？一般而言，有限的空间和物质是等同的，物质是某一具体的有限空间。自然界的物质层次在大的和小方面都是无限的，无限的空间等同于自然界。 把空间归结为由“实”和“虚”两个要素组成是科学的和必要的。因为这样就最简单地抓住了自然界中最本质的东西。这不仅是合乎辩证法的，而且为辩证法提供了一个坚实的物质基础。 这样定义的空间和以往的空间有所不同。显而易见，这种空间是无限可分的，因此，在任何一种具体的实空中，都有存在着无限个层次的实空和虚空。也就是说，在我们周围的空间中，分布着无限个层次的物质，它们中间的大多数是我们所看不到的，被统称为暗物质。这一点，极其容易被人们所忽略。人们总是根据自己的经验认为，看不到的就是不存在的，认为看不见的空间是一种什么东西也没有的绝对真空。空间的这一定义就正好克服人们绝对真空的错误认识。 四、实空和虚空无限可分性 我们以上提出的实空和虚空无限可分只是一种猜想，以下提出具体说明。 可以这样认为，引力是由复杂的碰撞过程所产生（在第二章中会详细讨论）。例如一个钢球，它的引力主要地是由内部粒子的碰撞才能产生。比较大的粒子是进入不了钢球内部的，必须由更小层次粒子的碰撞，才能产生钢球各分子之间的引力，以保持钢球的形状。同理，一个分子、原子和电子也必须由比其更小层次的碰撞才能保持其形状。由此类推，只要有一种粒子存在，为了能保持其形状，就必然受到另一种更小的粒子的碰撞。只要把这种碰撞的粒子作为该层次的实空，这种粒子肯定又是在运动着的，因为只有运动着的粒子才能发生碰撞。考虑到运动是在虚空中进行，该层次中必须有虚空才行。因此，实空和虚空的层次是无限的。也就是说，物质是无限可分的。 实空和虚空层次的无限性用反证法很容易证明。假设实空和虚空的层次是有限的，其最大值为N。对于第N+1层次来说，它也必须由更小层次粒子的碰撞，才能产生粒子各部分之间的引力，以保持其形状。于是N+1也成立，这与假设N相矛盾。因此，实空和虚空的层次是无限的。 五、空间的量度和维数 空间的量度方法是使用尺子来进行，尺子的长度是人为地规定。这种规定为了便于复制和使用也在不断地改变。 1791年，法国政府决定把通过巴黎的地球子午线的四千万分之一作为长度单位，叫做米，后来根据测量结果用铂制成了长度基准器称为“档案米”，保存于法国档案局。 1889年，国际计量局仿照“档案米”，用90%的铂和10%的铱的合金制成国际米原器，当时共制成了31根，取其中在的0℃长度最接近于“档案米”的一根，定为国际米原器，并保存于法国巴黎的国际计量局中，其余30根分发给有关国家，作为各国的国家米原器。 由于米原器作为基准存在许多缺点，如容易变形，复制困难，精度不高，一旦毁坏不易恢复等。因此在1960年第十一届国际计量大会上，规定一米等于氪-86在真空中（在2P和5d二能级跃迁时）所发射的橙色光波波长的16570763.73倍。这种基准性能稳定，容易复现，精度高。但是，随着激光技术的发展，可以更准确地复现米的长度。 在1983年第十七届国际计量大会上又作出决定，废除了1960年以来使用的米的定义，将米定义为真空中的光在1/299792458秒的时间间隔内所经过的距离。 因此，小尺度的空间一般是用各种尺子进行量度，大尺度的空间一般则用各种雷达或光来进行量度的。 空间直角坐标系可以包容任何物质及其位置，而空间直角坐标系是三维的，因此空间是三维的。空间只要三维就够了，数学中极为复杂的多维空间，在物理世界中是不必要的。 六、空间的42级阶梯 不知从猿到人进化到哪个阶段，人类才开始学会数数。在澳大利亚和南美洲的某些仍处于原始状态的土著中，人们只会数一、二，也许还能数到三、四，然后就是许多、非常多，或数不清的多。可能最早促使人们去学会数数的原因，是游牧民族需要监视羊只的数目。譬如，清早把卵石垒成堆，一块卵石代表一只羊。傍晚可用这堆石块来检查羊只是否都从牧场回来了。拉丁文里calculus的第一个意思是卵石，第二个意思是算盘珠，在英文里才引伸为计算、微积分等现代的含义。这也可算得上是个佐证。 随着人类社会的发展，人们逐渐学会数比较大的数目。当数目大到十个手指头不够用时候，人们创造出十进位记数法。在现代社会里数一般的数字已算不得什么困难。“日行八万里”指地球的周长；“上下五千年”指人类文明史。若要问，以地球直径对太阳所张的角度有多少？或问，从考古遗址发掘出的标本中，有多少个放射性同位素碳14的原子发生了衰变？即使答案误差不到十倍就算是正确的，恐怕也很少有人能较快作出回答。在一般人心目中，像一千万和一亿都是很大很大的数目，究竟有多大，是没有具体概念和感受的。然而在物理学和其它一些自然科学中，往往要和比这还要大得多的数字打交道，例如在1摩尔物质中包含六千万亿亿多个分子（阿伏伽德罗数），写成阿拉伯数字，是6.23后面跟23个0。无论哪种写法都很不方便，于是人们创造出一种“科学记数法”，用10的正幂次代表大数，用10的负幂次代表小数。于是六千万亿亿多个分子就写成6.23×l0^23，等等。把一个物理量的数值写成一个小于10的数字乘以10的幂次，还可将其有效数字的位数表示出来，例如把2300写成2. 30 ×l0^3，就表明这数值有三位有效数字。在科学记数法中指数相差l，即代表数目大10倍或小10倍，这叫做一个“数量级”。就现代科学研究过的空间尺度来说，从核子10^-15大小到哈勃半径10^26大小差不多跨越了42个数量级，有人把这称做“宇宙的四十二个台阶”。 |
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一、牛顿的绝对和相对时空观
牛顿指出： “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其它外界事物无关地流逝着。它可以名之为期间”。这就是牛顿的绝对时空观。 牛顿还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的” ；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间。”这就是牛顿的相对时空观。 牛顿的绝对时空概念，只是牛顿对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出。其中‘数学’二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。 牛顿的相对时空概念，是整个牛顿力学体系中的不可分割的组成部分。从牛顿力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的 “不动”；物体的匀速运动，就要求空间 “平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。 在牛顿的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以。在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原物体。牛顿完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事。不过，牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢?牛顿设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就是著名的水桶实验。 “水桶实验”是牛顿提出的著名的实验。实验的大意如下：一个盛水的桶挂在有条扭得很紧的绳子上，然后放手，如图所示，于是： （1）开始时，桶旋转得很快，但水几乎静止不动。在粘滞力经过足够的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样。 （2）水和桶一起旋转，水面变成凹的抛物面。 （3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹的抛物面。 |
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第十三节 自然界结构与统一原理
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。”老子认为，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。于是： 自然界 = 时空 = 时间 + 空间 二、空间的结构 广阔无限的三维空间中存在有“实”和“虚”两种状态。已被某种东西占有，能阻碍其它东西进入的空间称为实空。否则是为虚空。我们知道，物质是对空间的占有，因此，物质的整体就是一种实空。物质是客观实在，虚空是客观存在，根据经验，物质只能在虚空中运动。因此虚空的存在是物质运动的必要条件。在这里，虚空不再等同于空间，虚空只是空间的一部分。这是要特别强调指出的。因此有： 空间 = 实空 + 虚空 确定一个点的方位需要三个坐标，一个点在空间中有三个自由度。因此空间是三维的。空间的任何一维都是可度量的，其单位是长度。实质上长度就是对空间的量化。 实空和虚空是可以用一种已知的实空来加以检验的，例如用手。如果杯内是实空，手是伸不进杯内或在伸入时要排出杯内的东西；如果是虚空，则手可以很容易伸入杯中而不排出杯内的东西。 实空和虚空是相对的而不是绝对的，随着选取的实空参照物不同而不同。 如果把人体不能进入的地方称为实空，人体能进入的称为虚空，那么自然界的图景就是一个人类生活的世界。 如果把中子不能进入的地方作为实空，中子能进入的地方作为虚空，那么 一幅基本粒子世界的图象就出现在我们面前。由此看来，作为参照的实空不同，得到的世界图象可以是完全不同的。 实空和虚空并不是绝对的和一成不变的，例如地球对于人体而言，它是实空。而对于中微子而言，则是空的；地球表面大气层对于人体而言，可以看成虚空。而对于气体而言，它是实空。因此，不同的实空，其对应的虚空也是不尽相同的。 实空和虚空是互相联系和互相依赖的。不难想象，实中有虚，虚中有实。一种被认识到的实空是由更小的实空和虚空所组成；从任何虚空中总可以找到更小的实空。因此，总的来说，没有纯粹的实空和虚空，也就是不存在不含任何虚空的实空，也不存在不含任何实空的虚空。实际上，实空和虚空相互穿插，相互渗透，不能分离。 因为实空被虚空所隔开，虚空又被实空所隔开，因此实空和虚空都是不连续的。实空和虚空合起来才是连续的。 空间是无限可分的。因为空间中任一线段、有限的面积或有限的体积都有是有一定大小的，有大小的东西无论怎样分，仍然有大小，只不过更小一些。因此，线段无论怎样分仍然是线段；有限的面积无论怎样分仍然是面积；有限的体积无论怎样分仍然是体积。 三、时间的结构 时间是对运动过程的量化，是表示运动过程长短的物理量。 具体地说，是通过对某一具体运动周期的计数来对运动过程进行的量度。因此，具体时间的本质是一种特殊的连续的周期运动。现实中时间的量度正是通过对一个具体运动周期的计数来实现的。所有测量时间的钟都是由一个特殊的周期运动和对其周期多少进行计数的机构所组成的。 时间 = 运动周期 周期数 时间具有单向性和不可逆性，运动周期的计数过程是从小至大的顺序进行的。同时，一般而言，不同的运动物体之间只有运动顺序的相互对应的关系，不存在动力学的关系。一个物体的运动与其它物体的运动无关。不可能一个物体的运动反过来，其它所有物体的运动也全反过来。因此，时间不能反演。 由物质不灭可知，自然界是永恒存在的。由一切物质都在不停地运动可知，自然界是永恒运动着的。因此，自然界既无起点又无终点。也就是时间无始无终。 四、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。 五、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。 实空和虚空是互相联系和互相依赖的。不难想象，实中有虚，虚中有实。一种被认识到的实空是由更小的实空和虚空所组成；从任何虚空中总可以找到更小的实空。因此，总的来说，没有纯粹的实空和虚空，也就是不存在不含任何虚空的实空，也不存在不含任何实空的虚空。实际上，实空和虚空相互穿插，相互渗透，不能分离。 因为实空被虚空所隔开，虚空又被实空所隔开，因此实空和虚空都是不连续的。实空和虚空合起来才是连续的。 空间是无限可分的。因为空间中任一线段、有限的面积或有限的体积都有是有一定大小的，有大小的东西无论怎样分，仍然有大小，只不过更小一些。因此，线段无论怎样分仍然是线段；有限的面积无论怎样分仍然是面积；有限的体积无论怎样分仍然是体积。 六、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。 七、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。 八、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。 |