物理学的物理大综合-挑战相对论-西陆网

[楼主] [31楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/05/27 08:18

第二节力的精确定义
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。后来偶然在上课时听到老师讲碰撞，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节结束的一段话：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。

[楼主] [35楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/05/29 14:46

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第四节力的交换机制和碰撞机制
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。
有序的交换是极为复杂的，要有智慧的生命才能完成。而无序的碰撞则十分简单，什么时候碰撞怎样碰撞完全可以自发地完成，碰撞的过程中正好互相交换了动量。

[楼主] [42楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/02 09:26

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第八节弹性力与表面张力
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。

[楼主] [43楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/03 10:12

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第九节万有引力的的物理本质
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。
二、万有引力的碰撞机制
乔治•利萨如提出的碰撞机制是非常合理的，用“万有引力是超粒子对物体的碰撞”，就能自然和简单地解释万有引力是如何产生的，它为什么是吸引力，万有引力大小为何是平方反比率以及万有引力为什么是一种体力。
在天文学上，人们根据光度定出的质量总比根据力学定出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。例如，根据星系周围的物质转动曲线，发现宇宙大尺度范围内存在暗物质。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。
假设从地球周围，一直延伸到很远的空间中各向同性地分布着许多非常小的粒子，它们是以很高的速度作直线运动的正负电子对，能与原子核和电子发生碰撞。虽然目前还不能直接探测到这些正负电子对，但是这些正负电子对对物体的碰撞还是会显露出来。对此，我们具体地讨论如下。
三、万有引力定律的证明
将一小球置于空间，对于比小球分子更小的正负电子对来说，小球有相当大的空隙。不断向小球飞来的正负电子对中，其大部分毫无阻挡地从小球中穿过。但也有少部分会与小球中的原子核发生对心弹性碰撞而按原来的方向弹回。还有少部分因频繁的碰撞作用而被散射或因受到阻碍而逐渐减速，仅有个别正负电子对被小球所俘获。因此，小球会受到正负电子对的碰撞。由于正负电子对的各向同性，单个小球所受的碰撞合力为零。但在空间存在两个或多个物体，情形就有所不同。

[楼主] [47楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/03 18:41

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当物体处于静止状态时，由于各向同性的缘故，所受的合力为零。当物体运动起来后，各向同性被破坏，前方正负电子对的相对速度比后方大，相同时间里从前方进入的正负电子对也比后方的多。而且物体运动速度越大，这两种差别也越大。考虑到物体和正负电子对的碰撞，物体会受到阻力。很明显，物体运动速度越快，这种阻力也越大。就象一艘船在水中航行一样。人们已经发现电子在高速运动时有这种情形。因此，把我们周围的空间看成是什么东西也没有的绝对真空，会导致我们认识不到正负电子对的存在。
万有引力的这一起源需要人们从更深的物质层次去找原因。要求有一个至今尚未确认的正负电子对的存在。在正负电子对的存在未证实前只能是一种猜想。但是，这一碰撞机制是简单和实在的，除了一个目前还无法证实的正负电子对的假设外，一篇几千字的文章就能将万有引力的本质描述清楚，虽然看不见正负电子对的碰撞，但它给人的感觉是实在的，看不到它的存在并不等于它真的不存在。只不过人们看不到它们罢了。
这一碰撞机制需要正负电子对的存在，也就是它能预计到空间中有正负电子对。这正是广义相对论的缺陷，广义相对论认为空间的弯曲程度取决于物质的质量及其分布，如果它是对的，那么它必须能预计到空间中暗物质的存在。可惜实际上并不是这样。
这一碰撞机制提出了引力屏蔽效应和引力波不存在的预言，提供了通过实验进行验证的方法。更加引人注目的是：这一碰撞机制简单地证明了等效原理并排除了引力佯谬。
五、问题讨论
万有引力的这一起源会使爱因斯坦的广义相对论全面崩溃。其理由如下：
1、引力波的存在问题
引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一。引力的本质是什么？它是不是以波动的形式向四面八方传播的呢？爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，发现了引力场方程，早在1916年，爱因斯坦对引力场方程取近似值后得到了波动解。尔后在三十年代，他和罗森曾在引力场方程中求得严格的柱面波解。引力场的波动解表明：时空的波动作为一个独立的实体，以光速在真空中传播。因此，为了描述时空中某点的弯曲，需要有20个坐标的函数来描写，其中10个函数对应于以引力波形式自由传播的弯曲部分，即“弯曲的涟波”。
但是，对引力波作出预言是一回事，引力波的存在又是另一回事。人们虽在地球上建造了许多探测宇宙引力波的实验装置，却均未捕捉到有关引力波的可靠信号。半个世纪以来验证引力波一直是科学家们困惑的难题。虽时有探测到引力波的报导，但用更高灵敏度的试验装置却不可重复。
用正负电子对的碰撞来说明万有引力，实质上是因为两个物体的存在，破坏了正负电子对的各向同性。根本上就不存在引力波。
2、正负电子对的存在问题
人们根据质量和光度的比值测量出的质量，总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。这是一个普遍的规律。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。
几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜。
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹•扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了。普通发光物质占了宇宙总物质的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近96%。
　　本世纪30年代，瑞士天方学家兹威基用两种和法测量了星系团的质量。一种是光度方法，即通过测量星系团中星系的光度，根据星光度和质量关系，推出星系的质量，然后将各个星系的质量加在一起，得出整个星系的团的质量。另一种方法是动力学方法，即测量各个星系之间的相对运动速度，由此推知星系团的总质量。结果发现，用这两种方法得出的质量差别极大。拿后发星系团来说，动力学质量要比光度质量大400倍。这个结果只能解释为：后发星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的，而是由其中大量不可视物质提供的。用光度方法只能测出发光区的质量。因此含有大量不可视物质的不发光区的光度质量，自然会比动力学质量小得多。兹威基把光度方法测不到的质量称为“下落不明的质量”。
但是直到70年代，一些相当有影响的天文学家仍然相信星系是宇宙中的主要成分，认为下落不明的质量根本不存在，质量并没有短缺。1987年，通过星系的转动曲线证明了暗物质的存在，在这一事实面前，这些天文学家开始慎重考虑暗物质问题。
所谓星系的转动曲线是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。转动曲线描述了物体距星系中心不同距离时，在星系盘里的轨道速度。速度是通过多普勒效应得到的——我们接收到的光的波长变化与物体接近我们还是远离我们的速度成正比。然而观测结果却发现，在星系发光区域之外，物体的转动速度与距离无关。也就是说，不同距离上的物体竟有相同的转动速度。对于这个反常结果唯一的解释是，星系周围的空间并不是真空，而是存在着质量可观的晕，这个晕不发光，是不可视的。
此后，天文观测又发现许多能证明暗物质存在的证据。譬如，我们附近的恒星运动反映出银盘里的物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，允许我们探测不同温度的气体，计数光度只及太阳十万分之一甚至更暗的单颗恒星，尽管如此，银河系的密度仍和天文学家经理论计算所预期的相差甚远。
一些科学家确信，宇宙中实际存在的物质总量是发光部分的1000倍。
在银河系周围，有六七个矮球状星系，它们距离银河中心大体在20—60万光年之间。它们处在银河系的引力场中，而不被银河系的潮汐力所瓦解，可见它们的质量不可能太小。另外，矮球状星系光度不大，可知其中发光物质不多，暗物质一定不少。还可进一步推断，构成暗物质的粒子的质量必定较大，否则就不可能留在这种矮小的星系里。由此猜测这种暗物质十有八九是引力微子或光微子。
暗物质的存在会严重威胁到广义相对论，爱因斯坦在创立广义相对论时，显然是没有考虑到这些暗物质的，作为一个精确的理论，是没有理由不预见到这么多的暗物质的。
而用暗物质对物体的碰撞来说明万有引力，正是需要部分暗物质与物体的碰撞，破坏了暗物质的各向同性。因此，在某种意义上，这种万有引力的起源，已经预见到了暗物质的存在。
3、奇点问题
爱因斯坦和 D.希耳伯特几乎同时在1915年得到了完整的引力场方程。
方程左边是描述引力场的时空几何量，右边是作为引力场源的物质能量动量张量。显然，这个方程反映了爱因斯坦的马赫原理的思想。
1917年，受因斯坦在对宇宙进行考察时，引进了宇宙常数项，对方程进行了修改。
不久之后，他本人放弃了这一项。但是近年来，不少物理学家认为常数项的引进是有必要的。
1927年爱因斯坦等人提出，质点系统的运动方程应该包括在引力场方程之中。1938年，爱因斯坦及其合作者完成了这一理论。他们采用后来称为后牛顿近似的方法，在对质点系能量动量张量的简单假定下，从引力场方程中推导出了质点系的运动方程，这就是著名的广义相对论的运动理论。
60年代以来，彭罗塞等人系统地运用整体微分几何的方法来研究广义相对论。彭罗塞和霍金等人建立的奇性理论，提示了广义相对论时空结构的重要性质和问题。
早已知道在广义相对论中存在奇性。例如，史瓦西度规在ｒ=2MG/C2以及ｒ＝0处是奇异的。直到1959年才发现,只要引入两个坐标系来覆盖时空,就可以避免ｒ=2MG/ C2处的奇点。但是ｒ＝0处的奇点却不是这种由于坐标选取不当而带来的虚假的奇异。又如,弗里德曼－罗伯孙-沃耳克宇宙度规在宇宙时ｔ=0处奇异，这也不是由于坐标选取不当带来的。
在时空等于零时,广义相对论的引力方程就出现一个奇点,在奇点处包括相对论在内的一切物理定律都失效。
在广义相对论中是否一定存在这种同坐标选取无关的奇性，彭罗塞和霍金等人建立的奇性理论回答了这个问题。他们证明，只要关于物质、能量、以及因果性等一些合理的物理条件成立，在广义相对论中就不可避免地存在着奇点。在这类奇点处，时空流形达到尽头。不仅在宇宙模型中起始的奇点是这样，在星体中引力坍缩终止的奇点也是这样。由于不知道奇性所遵循的规律,物理学、包括广义相对论，将随着奇点的出现而失效。
一般认为，出现这种运动起始或终止于奇性的现象反映了广义相对论理论上的某种不完善，并不一定是客观世界所固有的。当前，有关奇性的深入研究以及如何避免这类奇性的问题，是一个很活跃的领域，克服广义相对论的这个重大疑难，将会使物理学对于时间、空间和引力的认识达到更高的境地。
在奇点处，曲率和密度无限大、一切物理规律都已失效。对于这样一种只在数学定义中出现却威胁到物理学的东西，是不受物理学家欢迎的。人们普遍相信，考虑到引力场在微观尺度上的量子效应，奇点应该是可以避免的，就像当年用量子论来解释黑体辐射从而避免了紫外发散一样。
然而，目前基于广义相对论的量子引力理论却是不成功的。究其原因，在于引力场本质上是弯曲的时空背景，充当供其他物质场“表演”用的舞台；而当对它进行量子化时，又把它作为演员来看待。同一事物充当两个互为矛盾的角色，这在哲学概念上可以辩证地理解，但在物理理论的具体操作中却存在无法克服的困难。
用正负电子对对物体的碰撞来说明万有引力，不存在任何奇点，不需要弯曲的空间，没有密度无限大的物质、一切物理规律也都不会失效。

[楼主] [48楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/05 11:21

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第十节静电力、强力与弱力
一、历史概述
静磁现象和静电现象很早就受到人类注意。公元前6、7世纪发现了磁石吸铁、磁石指南以及摩擦生电等现象。系统地对这些现象进行研究则始于16世纪。1600年英国医生吉尔伯特总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。
静电现象的研究要困难得多，因为一直没有找到恰当的方式来产生稳定的静电和对静电进行测量。只有等到发明了摩擦起电机，才有可能对电现象进行系统的研究，这时人类才开始对电有初步认识。
1750年米切尔提出磁极之间的作用力服从平方反比定律，1785年库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律，使电学和磁学进入了定量研究的阶段。
1780年，伽伐尼发现动物电，1800年伏打发明电堆，使稳恒电流的产生有了可能，电学由静电走向动电，导致1820年奥斯特发现电流的磁效应。于是，电学与磁学彼此隔绝的情况有了突破，开始了电磁学的新阶段。
电现象是与正负电子和以太的存在分不开的。彻底弄清正负电子和以太的特性，才能掌握电的物理本质。所以这里仅对静电力、强力和弱力作一简单的说明。后面的几章会作进一步的讨论。
二、静电力
什么是静电力？静电力是质子或电子与电磁以太的相互作用而引起的一种表面现象。我们知道，液体与固体之间存在“润湿”与“不润湿”的作用，例如水和玻璃是“润湿”的，水和蜡则是“不润湿”的。类似地以太和正电子是“润湿”的，而和负电子则是“不润湿”的。
在正电子的周围会产生这样一种现象：靠近它周围的电磁以太的密度会比离它较远的地方要大，或者说在质子周围吸附有较密集的以太。我们把这种现象叫做正电子带有正电荷。同样地，靠近负电子周围的以太的密度比离它较远的地方要稀疏。或者说，因电子排斥作用其周围只有较少的以太，于是我说负电子带有负电荷。也就是说，以太和正电子和负电子之间存在着一种类似表面张力的静电力，显然，这种静电力是通过以太来传播的。
如果物质与以太不发生吸附或排斥作用，或这种吸咐与排斥作用恰好抵消，我们就说这种粒子是中性的。
历史上，已经有人根据电磁理论严格地证明了点电荷之间的库仑定律。
如果有人问，什么是静电力？我们可以这样回答：静电力是正电子或负电子与以太之间的“润湿”和“不润湿”的表面现象。
三、电子的发现
当将阴极射线管抽成部分真空并与高压电源连结时，便有电流从管内流过。伴随着电流流动，阴极射出一束射线。此射线撞在玻璃管壁的屏上，即显荧光。利用荧光现象可以知道有射线的存在。
在19世纪后三十年内，人们对阴极射线的特性进行了充分的研究。特别是，人们发现这种射线在电场或磁场作用下都会发生偏转。
1897年汤姆生（J.J.Thomson，1856—1940）在阴极射线的荷质比实验中，测定了阴极射线的电荷与质量的比值e／m（后来称做电子的“荷质比”），并通过在卡文迪许实验室进行的电磁场偏转实验和威尔逊云室的轨迹观察，对偏转的性质进行了仔细研究之后，他于1897年宣称：这种射线是由带负电的粒子流组成的。这种带负电的粒子就是电子。之后电子理论便在物理学界引起了人们极大的重视，并为现代物理学的发展起了重大的促进作用。电子的发现与汤姆生的名字是紧紧联系在一起的。
四、强力就是静电力
质子和中子是由正负电子对组成，不是由夸克组成的。还有许多证据。质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构。在30年代，理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。但出乎意料的是，实验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子，中子磁矩也不是零，而是-3.82个单位核磁子，与点粒子理论相悖。这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内部结构的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构。既然核子并不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒，象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状。具体属哪一种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。
有人提出，原子核中有许多质子，每个质子都带正电荷，而正电荷有很强的斥力，原子里一定存在着把质子束缚在一起的强力。如果质子主要是由正负电子对组成的，这个问题就不存在了。正负电子本身有强大的静电引力形成一个极性很强的粒子对，质子中有九百多个正负电子形成一个有固定结构的综合体。在这里正负电子之间的静电力是质子保持一体的力，由多个质子组成的原子核仍然是正负电子之间的静电力保持它们成为一体的力，所以强力就是正负电子对之间的静电力。
五、弱力的历史由来
1895年，德国的一位物理学家威廉•康拉德•伦琴发现置于真空放电管附近的密封底片，虽然没有暴露在光线下，但却变成了灰色。伦琴断定，放电管内一定存在着能穿透底片的“光线”。他抓住这一现象追踪下去，并将涂有铂氰酸钾磷光质的屏幕，置于放光管附近，屏幕闪闪发光。他又将金属厚片置于放电管和磷光屏中间，屏幕后便出现了金属的阴影。倘使再换上轻质的薄铅片或木片，屏幕几乎看不到这种阴影。当用这种射线来观察人体时，更为神奇的现象发生了：人体在屏幕后除剩下骷髅般的骨骼外，其它的一切都不见了！
无独有偶，继神秘的X射线发现之后，1896年，法国的亨利•贝克勒尔，想起了有一种天然铀盐矿石，经太阳曝晒之后，在暗室中观察，矿石会发出一种浅绿色的荧光。他为了考察新发现的X射线，将一块天然铀盐矿石放在一张用黑纸包起来的照相底片上，打算放在太阳下曝晒，看底片是否也会像X射线那样感光。十分不巧，天气阴雨，贝克勒尔只得把底片连同矿石一起锁在不见光的抽屉里，并无意地在底片上放了一把钥匙，许多天过去了，贝克勒尔灵机一动，不妨把这张底片也冲出来看看。又一桩神奇的现象出现了：底片早已感光了，还呈现出一把钥匙的清晰阴影。进一步考察表明，这种射线是一种新的、穿透力也很强的射线。
1900年，居里夫妇开始有系统地从元素、化合物、天然矿物中寻找这种效应。他们从沥青铀矿和其它几种含铀矿物中，发现了比钠盐更为活跃的元素。居里夫人和贝蒙特合作，从沥青铀矿中制取了放射性元素镭。另几位学者还发现了钋和锕。
这一连串的新奇发现，引起了科学家们的震惊和注意。原来，原子量很大的元素，几乎都具有放射性。经过一段研究之后，人们才弄清了放射出来的射线具有三种不同的成分：一种叫α射线，这是由两个质子和两个中子组成的、质量为氢原子质量四倍的带正电荷粒子流，经过质量和电荷测定，确定α粒子就是氦的原子核，具有强电离作用，在电场中偏向负极；一种是β射线，也就是贝克勒尔发现的射线，它其实就是一种高速运动的电子流0/-1e，贯穿能力很强，电离作用弱，在电场中偏向正极；还有一种射线叫γ射线，这是一种比X射线穿透力还要强得多的射线，它是一种不带电的高能电磁波，波长很短（0.001-0.0001nm），穿透力强，射程远，一次可照射很多材料，而且剂量比较均匀，危险性大，必须屏蔽（几个cm的铅板或几米厚的混凝土墙），在电场中不偏向。
物理学家们开始把注意力集中到原子核内部。那些来自原子核深处的神秘射线显示出：物理学中尚有一块未被开恳的“处女地”。到底是什么力量把α、β、γ射线中的粒子从原子核内部抛出来的呢？直到20世纪30年代，人们对原子核内部有了一个初步了解之后，才发现了支配微观世界规律的，又有一种新的自然力——弱力。
从上世纪末开始，人们的视野穿透到了另一个天地——微观世界。人们弄清了原子是由很小的原子核和绕核旋转的电子所组成。随后，人们又弄清了原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。还搞清了它们之间的一些变化关系：中子发射一个电子就变成质子；质子又可发射一个正电子变成中子。表面看来，人们已弄清了一些新奇的、微观粒子的“换身术”。
中子→质子﹢电子
质子→中子﹢正电子
天然的β衰变，正是原子核内的中子放出电子，衰变成一个质子的现象。当人们想进一步弄清β衰变时，物理学竟在微观领域遇上了一场生死存亡的挑战。按照物理学中最重要的能量守恒定律，β衰变过程中，原子核内部中子衰变成质子而失去的能量，应该等于它所放出的电子带走的能量。然而，实验结果表明，电子所带走的能量，总比原子核应该放出的能量少得多。直接观测的β衰变过程表明，电子具有从零到某一上限的不同动能。这说明原子核所失去的能量并不恒等，有多有少。物理学家们为此提出了种种假设，但都无法解释这桩怪事。
正在这个紧要关头，在玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所里，有位大胆的青年物理学家泡利，于1933年提出了一个崭新的理论：在微观世界，确实存在着一个“窃能贼”，把原子核内释放的一部分能量偷走了。泡利假设：它可能不带电，质量也非常小，同周围的相互作用力很弱，所以就不知不觉地从测量仪器下溜走了。
恩里科•费米紧紧抓住泡利关于“中微子”的假设，继续向纵深思索：如果中微子真的存在，那么，在原子核里出现的β放射性行为，就可以解释为这样一个道理：原子核中的中子在衰变成质子的过程中，不仅是放出一个电子，同时还放出一个中微子。这就是说，前面所讲的那种“换身术”不对，正确的方法应是：
中子→质子﹢电子﹢中微子
究竟是一种什么力促使这种变化呢？仔细分析，电磁力不可能产生这个过程，因为电磁力的传递者是光子，而在这种衰变中没有光子参加。费米作了一个大胆的尝试，他假定：从质子到中子的衰变过程，是由于自然界中某种新的力引起的。经过一番琢磨，费米得出了几个新颖奇特的结论：
1、这个力要比电磁力弱10的11次方倍，但比万有引力要强得多；
2、这个力只能发生在四个自旋为二分之一的基本粒子之间；
3、这个力的作用力程非常短，几乎为零，即参与相互作用的粒子彼此一离开，力就迅速地消失了。
弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和浮获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。
人们认为自然界果真是存在着一种新的自然力——弱力。费米也因创立了弱力理论而闻名天下，他的理论得到了举世公认。

[楼主] [49楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/06 08:52

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第十一节弱电统一的历史综述
一、“V－A”理论
1958年，费曼和盖尔曼与马尔萨克和苏达珊两组理论家几乎同时提出了“V－A”理论，修改费米理论。
按照V－A理论，中子与质子或中微子与电子不仅形成了矢量流(V)，而且还形成了一种轴矢量流(A)。流－流耦合还是对的，只不过现在的流是矢量流与轴矢量流的组合。V和A在空间反射变换下符号的变化刚好相反，所以“V—A”理论中的拉格朗日函数包括的两项在空间反射变换下符号的变化相反，变换后的拉格朗日函数与变换以前不再相同，不变性不再存在。
V—A理论尽管有许多成功之处，但它没有改变四个粒子点作用的基本形式，因而费米理论的一些严重的困难问题仍然没有得到解决。其中包括不可重整化和在高能下破坏几率守恒。理论家们继续探索克服这些困难的可能性。有的人建议弱作用中的这两个流不是直接接触，而是通过交换重的带电粒子发生作用。这些带电粒子自旋和光子一样，都是1，称为中间矢量玻色子，记为W+和W-。还有的人认为弱作用和电磁作用既然这么象，它们应该有更深刻的联系。
二、施温格的理论
最早给出弱作用与电磁作用统一形式的是施温格。他在1957年建议光子和弱作用中间玻色子W+和W-是一个家族的三个成员，以非常直接的方式把弱作用与电磁作用统一了起来。但是W非常重，光子没有质量，它们怎么能看成一个多重态的成员，对此他不能给出令人满意的解释。V－A理论发表后，施温格让他的学生格拉肖继续这项工作。格拉肖对规范不变性和重整化极为欣赏。他在规范理论的基础上重新思考这个问题。1959年，格拉肖觉得自己已经建立了一个弱作用与电磁作用的统一理论，于是十分得意地把自己的想法告诉了当时正在做同样研究工作的萨拉姆(A．Salam)。谁知，令他十分沮丧的是，萨拉姆很快就发现了他的几处严重的数学错误。1961年他终于发表了一个模型，成为后来居主导地位的理论。
此外，在他们给出的模型中，粒子的质量问题没有能自然地解决，都是人为加上去的。这样做与规范不变性矛盾，因而成为这个模型的一大障碍。要克服这一障碍，看来需要有某种突破性进展，使得人们既能给规范粒子以质量，又能不破坏规范不变性。
三、南部的相关研究
1961年，芝加哥大学南部(Y．Nambu)的工作朝这个方向迈进了一步。
南部既是场论专家，又是一位超导理论专家。他熟悉高能物理与固体物理两大领域。他的研究工作侧重于量子场论在粒子物理和多体问题中的应用，很善于把一些概念从一个领域“翻译”到另一个领域。1961年，他和一位博士后焦纳－拉西尼奥(G．Jona-Lasinio)一起，把在超导理论研究中起了重要作用的“对称性自发破缺”的概念引入到了粒子物理中。
正如我们在前面指出的，在粒子物理的各种对称性中，有些只是近似成立。如同位旋对称性只对强相互作用成立，电磁相互作用和弱相互作用使它发生破坏。这类近似的对称性称为明显破缺的对称性。南部的贡献在于，他根据与固体物理中的一些现象的类比，指出在粒子物理中还可能有另一种对称性。它不是明显破缺的，其拉格朗日函数有着准确的对称性。但是由于系统的基态或真空态不具有这种对称性，使拉格朗日函数具有的对称性表现不出来。人们称为对称性被自发破缺了。萨拉姆举过一个很有趣的例子。假定人们已经在圆形餐桌前入座，准备进餐。每人面前有一个盘子，两个盘子之间有一块餐巾。于是每个人的面前有两块餐巾，一块在左，一块在右，但谁也不能肯定哪块餐巾属于自己。这就是说餐巾的摆放表现出左右对称性。这时，突然有一个人拿起了他右边的餐巾，大家也就随着他拿起了自己右边的餐巾。结果，左右的对称性被破缺了。
我们再来设想生活在一块大铁磁体的内部，其中有无数个小磁针。当温度很高，又没有任何外加磁场时，这些小磁针的取向完全杂乱无章，整个磁体有着绕空间任何方向的转动不变性，我们感受不到有任何特殊的方向性。但是，一旦温度降低到所谓的居里温度以下时，磁体内部的这些小磁针会自发地沿某一方向排列起来，出现了整块磁体的自发磁化。结果使绕任意轴的转动对称性遭到了破缺，只剩下了绕磁化方向的转动不变性。在磁体内部的我们，凭着指南针可以觉察出空间出现了一个特殊的磁化方向。实际上描写磁体的拉格朗日函数并没有改变，它仍然具有绕任意轴的转动不变性，只是由于这时的最低能量态或基态变成了自发磁化态，它不具有绕任意轴的转动不变性。结果，对称性明显地降低了。人们把这种原因造成的对称性破缺称为对称性的自发破缺。由于原来的对称性被遮盖了，故也有人称之为潜藏的对称性。
南部的文章发表以后，很多理论家认为，自发破缺对称性很可能是解决规范粒子质量问题的关键。但是，就在人们开始进行尝试时，剑桥大学的戈德斯通 (J．Goldstone)发表的一篇文章使这一工作遇到了意想不到的困难。在这篇文章中他给出了一个定理，人们称之为戈德斯通定理。它说：一个连续的对称性如果发生了自发破缺，则一定伴随出现一些零质量的粒子。人们称这些粒子为戈德斯通粒子。它们是自旋为零的玻色子。这些粒子所以不受欢迎是因为在自然界中人们发现的零质量玻色子只有光子。我们不需要再多的零质量粒子。
为了解决规范粒子的质量问题，理论家们发现，既需要对称性的自发破缺，又必须消除零质量的戈德斯通玻色子，这一难题吸引了很多人的兴趣。美国的超导理论家安德森向粒子物理的同行们提过一个建议，他认为应当存在一种方法使这些无质量粒子不出现。因为在超导理论中，对称性的自发破缺没有带来任何无质量的粒子。找到了这一问题的一个相当吸引人的解决办法的，是一位英国理论物理学家希格斯(P．W．Higgs)。
四、希格斯机制
在1964年和1966年，希格斯在南部和戈德斯通的工作基础上，以一种最简单的场论模型为例，建议了一种所谓的希格斯机制。他讨论的是满足定域 U(1)规范不变性的一个复标量场与电磁场的相互作用。人们很早就认识到，由于光子的质量为零，所以它只有两个与其动量方向垂直的横极化方向。而一般的有质量的矢量粒子应该有三个极化方向，其中两个是横极化，一个是沿运动方向的纵极化。此外，在通常的情况下，复标量场的两个实分量，都具有非零的质量，场的真空态也是具有定域的U(1)规范不变性的。但希格斯惊奇地发现，当理论中的参数取一种特殊选择使真空态的U(1)规范不变性遭到破坏的同时，光子不再是零质量，它的纵极化分量出现了。而标量场只剩了一个有质量的分量，另一分量不见了。原来，由于对称性发生了自发破缺，标量场的一个分量转化为一个零质量的戈德斯通玻色子，它被光子“吃”掉了，变成了光子的纵分量，这就是希格斯机制。标量场剩下的有质量粒子被称为希格斯粒子。
温伯格的文章解决了弱电统一理论中规范粒子的质量难题，但从1967年这篇文章发表到七十年代初，极少有人对它感兴趣。原因之一是，人们认为它只是希格斯机制与拉格肖的弱电统一模型的一种结合，并没有对于一直困扰人们的这个理论是否可以重整化给出任何讨论。原因之二是温伯格的模型只涉及到轻子的弱相互作用。这方面的实验数据非常少。把这个模型简单的扩充，使其可以处理强子并不困难，但得到的结果与实验相矛盾。这样一来，这个模型似乎没有什么应用可言。萨拉姆几乎与温伯格同时完成了完全类似的工作，他也未能解决重整化以及中性流问题。
五、维特曼证明弱电统一规范理论的可重整性
弱电统一规范理论的可重整性是由荷兰乌德勒支大学维特曼(M．Veltman)教授的博士生特•霍夫特(G．’tHooft)于1971年给出证明的。维特曼从1968年起就研究规范理论的重整化问题。他发现：当令矢量粒子的质量等于零时，他从有质量规范理论导出的结果，不能回到已经确立的无质量理论。他想不出为什么会有这种怪现象。维特曼仔细地核对了自己的计算，并更新了方法重新进行推导，最后他终于证明了人们通常的看法是对的，即一个靠手放进去规范粒子的质量的杨－米尔斯理论是不可重整的。而且有质量的矢量介子有三个极化自由度，无质量的只有两个极化自由度。多余的这个自由度引起了奇怪的现象。
就在这时，特•霍夫特成了他的研究生。他给特•霍夫特建议了几个选题，特•霍夫特都不感兴趣。特•霍夫特想要一个特别困难的、富有挑战性的题目。维特曼同他谈到了自己正在做的规范理论重整化的问题，但他觉得这个题目对特•霍夫特不合适。一个原因是特•霍夫特将会在一个没有人感兴趣的领域上工作。另一个理由是这问题太难，维特曼自己也还不会做。特•霍夫特听了这些介绍非常感兴趣，认为这正是自己要找的挑战性的工作。由于特•霍夫特有过关于对称性自发破缺方面的一些研究经验，他把标量多重态引入了杨－米尔斯理论，实际上重新发明了希格斯机制。他很快就证明了，通过对称性自发破缺使矢量玻色子获得质量的杨－米尔斯规范理论是可以重整的。维特曼听了他的结果之后，最初有些怀疑。刚好，维特曼设计了一套程序，可以用计算机进行复杂的解析运算。他验算了特•霍夫特的结果，发现它完全正确，这使维特曼极为惊讶。他一直想要的一个物理上现实的、有质量矢量玻色子的可重整化的理论终于找到了。
他安排了特•霍夫特于1971年夏天在阿姆斯特丹的一次高能物理会上给出了一个报告，但与会代表并没有完全相信这一结果。这是因为，特•霍夫特采用的所谓“路经积分”方法，人们认为数学上存在一些含混之处。此外，特•霍夫特是一个不知名的研究生，似乎不是能够解决困扰了许多主要的场论专家近二十年的难题的人。1972年美籍韩国理论物理学家本杰明•李(B．W．Lee)以人们更熟悉的数学工具重新证明了这个结果。李一直从事规范场理论的研究，完成过一些很有影响的工作。他的权威性使人们相信了特•霍夫特的结论：规范玻色子通过希格斯机制获得质量的规范理论是可以重整化的，因此是一个物理的现实的理论。
在这以后，温伯格和萨拉姆的文章重新引起了人们极大的兴趣。温伯格的文章在1967到1970年之间只有一次被引用。而到1973年，一年被引用的次数高达162次。人们除了计算更高阶微扰修正外，许多还尝试构造替代模型。一般的做法是：选择更大的统一群，更复杂的对称性破缺方案以及不同的多重态的安排。怎样来判断一个模型优于另一个模型呢？温伯格在1974年的一篇评论文章中提出了两个标准：一个是自然，另一个是现实。所谓的自然是指理论中包含的参量不是手放进去的，而是可以计算的。所谓的现实，是指理论的预言能得到实验的支持。温伯格在文章中指出：“我们需要一个理论既是自然的又是现实的。迄今，这一点远没有做到。”
六、其他研究
电弱统一模型的一个新奇之处是预言存在中性流。例如电子和中微子散射过程，在普通的弱相互作用V-A理论中只有如图2．11(a)所示的由W+传递的带电流过程。而按照电弱统一模型，还应该同时存在图2．11(b)所示的，由Z0传递的中性流相互作用过程。在这个过程中，入射粒子和出射粒子的电荷没有发生任何变化。这两个图对散射过程的贡献是近似相同的。还有一类反应过程，只能由Z0传递，它们在V-A理论中是不存在的。例如，vμe→vμe的弹性散射，其费曼图如图2．12所示。如果实验上能找到这种类型的事例，无疑是对中性流存在给出最可靠的证据。1973年在西欧中心(CERN)的实验家们分析了两年中拍摄的一百四十万张云室照片，终于发现了三个这样的事例，从而证明了纯轻子的弱相互作用中性流的存在。这使得电弱统一模型得到了充分的肯定，并促成了1979年温伯格、萨拉姆和格拉肖三位理论物理学家共享了诺贝尔物理奖。
当时在他们建立的模型中一些重要的角色特别是传递弱相互作用的媒介，W+、W-和Z0三个规范粒子，还没有发现。理论家们相信它们一定存在，而且预言W粒子的质量大约为80GeV，Z粒子约为90GeV。它们比质子重将近100倍。寻找这样重的粒子成为实验家面临的一个重大的难题。
实验家们深知，电子－正电子对撞机是寻找新粒子的最好的工具。可惜的是，到70年代末，已建成的e+e-对撞机中最大能量的是欧洲的PETRA，它能达到的最高能量只有38GeV，远远低于所需要的能量。当时运行的质子加速器，最大的有两台，一台是在美国费米实验室，最高能量是500GeV，另一个是西欧中心(CERN)的SPS，其最高能量为450GeV。表面上看，这两个能量值都比所预言的W和Z的质量高得多，似乎是可用的，但其实不然。原因是这两台机器都是把质子加速去轰击固定的靶中的质子。一方面，高速运动的质子束流与固定的靶质子碰撞时，很大的一部分能量要转化成靶质子的功能；另一方面，质子与质子碰撞产生新粒子靠的是质子中的组分夸克之间的相互作用，它们仅能分得质子总能量的一部分、所以有效的能量其实是很小的。费米实验室的质子加速器的有效的能量最高只有32GeV，而SPS不超过30GeV，因此都远远低于所需要的能量。
西欧中心(CERN)当时正在设计能量为100GeV的电子正电子对撞机LEP，它无疑是最理想的。但它要到八十年代末才能建成，CERN的实验家鲁比亚不甘心等待。这是一场激烈的竞赛，拖延时间意味着会有更多的人能抢先得到发现这些重要粒子的荣誉。
1976年，鲁比亚(C．Rubbia)等开始探索一条捷径。到1981年他们成功地把超级质子加速器SPS改造成了270GeV×270GeV 的一台质子与反质子的对撞机。其后实验家们又经过一年多的努力，使亮度提高了一百多倍。1982年底，UA1组得到了140000个碰撞事例，经过计算机筛选，终于找到了5个事例可以确认为W粒子的产生。能量为81±5GeV，与理论预言完全一致。W粒子终于被他们找到了。不久，UA2组也找到了四个事例，质量与UA1组的结果完全一致。1983年1月25日，他们正式发布了关于发现W粒子的消息。同年的5月份，6个Z0粒子产生的事例也被鲁比亚发现。 6月份，找到Z0粒子的消息正式公布于众。它们的质量也完全符合理论预言。由于这两项重要的发现，鲁比亚于1984年得到了诺贝尔物理奖。
毋庸置疑，上述的弱电统一已经是量子力学的内容。粒子自旋数的1/2或者1的物理意义是什么？不知道！量子力学是研究大量粒子运动的统计规律，有些东西是数学上的，其物理意义暂时还不明确。

[楼主] [50楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/07 08:27

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第十二节力的概念的起源
一、中国古代力学的成就
二千多年前的春秋战国时期(公元前403年—公元前221年)，生产关系的变革促使社会面貌发生了重大的变化。随着冶铁手工业的出现和铁制工具的使用，农田水利的发达，都邑建筑的兴盛，特别是各种原动力和简单机械的应用，劳动人民在生产实践中积累了相当丰富的关于力学的生产技术经验，作为中国古代物理学的最早分支之一的古代力学，也就随着生产的发展而发展起来了。
力和力矩的概念是古代人在长期劳动实践中，在应用简单机械如杠杆、滑车、轮轴、桔槔、辘轳等的过程中发展起来的。有关的论述集中在战国时期墨翟（约公元前478—392）及其子弟所著的《墨经》一书中。《墨经》是以鲁国人墨翟为首的墨家的著述。对运动和力有明确的定义。在力的概念及许多力学知识方面，走在同时代的前列。墨家学派的成员多数是一些直接参加生产劳动的劳动者。墨子本人就是极精于机械制作的能工巧匠。因此，他们的著作中有许多自然科学知识，闪耀着中华民族智慧的光辉。
墨家考察了人体对周围环境的作用，看到人们通过肌肉的动作，如举、持、掷、踢、蹬，可以使别的物体发生位置移动，从而总结出肌肉力的概念。《经》第二十一条指出，：“力，刑之所以奋也。”这里“刑”同形，指人体，物体；“奋”，指克服阻抗而运动。奋字在古汉语中的意义是很丰富的，诸如由静到动，由慢到快；由下而上等等都叫做奋。因而墨家的这句话可理解为：力是物体由静而动，由下而上，或由慢到快的原因。这是对力下的一个很正确定义。由于力不易见，而重是显而易见的，人人都能看得到，所以，墨家又以举重为例加以阐明。同条《经说》指出：“力，重之谓。下、与，重奋也。”这里“下”是指物体下坠；“与”是举物向上。意思是说，重是一种力，力和重相当，物体下坠、上举，都是基于重的作用的运动。
墨家把力和物体运动的原因联系起来，初步认识到了力可以改变物体的运动状态。在当时，这是对力的概念的很了不起的很重要认识。特别是墨家已把力和重联系起来，把重看成一种力，可以说这是人类对力的最早的理性认识。《经》第一百二十七条的《经说》还指出：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗却，则直下。”即认为自由落体的轨迹必坚直向下。说明墨家对重量产生的力观察研究得十分深入。
《墨经》的论述，讲的是外力，有一些古籍还涉及内力的概念，这就是内力不能使物体产生运动变化的问题。几本古籍都有关于能够举起千钧(1钧=15kg)的大力士不能举起自己的议论。公元前3世纪的《荀子•子道》写道：“孔子曰：虽有国士之力，不能自举其身，非无力也，势不可也。”东汉思想家王充(27年—97年)在《论衡•效力篇》中写道：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举，不能离地。”意思是说，一个力大无比的人，即使他能身负千钧，折断牛角，拉直铁钩，但他却“不能自举”，使自己离地。这个说法和近代动力学中关于质点组内诸内力的总和等于零的原理是一致的。
墨家对阻力、惯性，浮力以及墙体和梁的受力等都有精细的分析。对力的平衡，扛杆、滑轮、轮轴和斜面的力学知识也有深入的理解。
在汉代人们已注意到了力的作用点的重要性。在淮南王刘安(公元前179年—公元前122年)主编的《淮南子•主术训》中写道：“故得势之利者，所持甚小，其存甚大；所守甚约，其制甚广。是故十围之木，持千钧之屋；五寸之键，制开阖之门。岂其材巨小足哉，所居要也。”这意思是，十围大的木柱，可以支撑千钧重的屋宇；五寸小的门闩，可以拴住开阖的房门。这并不是材料的大小足够，而是它们所处的位置很关键。《淮南子》由此做出一般结论：只要力作用点处在关键位置上，那么，支撑物很小，也可以支撑住很重的东西；控制物很短，也可以控制很大的东西。《淮南子》把这个道理称之为“得势之利”。的确，如果木柱支撑在重心位置上，房屋就不易倾斜，倒塌；如果门闩不是安放在门的开启处的中间，而是安放在上方或下方，那么，不用多大力气就可以把门推开或毁坏。
合力概念大约起源于汉代，在那时已有相当于合力概念的“积力”一词。在《淮南子•主术训》中这样写道：“积力所举，则无不胜也。”意思是说，当力小于物重时，将几个力合在一起，必定可以举起重物。明代茅元仪在1628年所著的《武备志》中，描述了和《淮南子》几乎相同的，但较具体的力学现象，提出了“合力”一词。他写道：“合力者，积众弱以成强也。今有百钧之石，数十人举之而不足，数人举之而有余，其石无加损，力有合不合也。”意思是说，合力是将几个弱力相加成为一个强力，为什么数十人不能把一个重三千斤的石头举起，而数人能将它举起还有余力呢？这与力的合与不合有关。从力学观点看，就是与力的方向有关。力的方向一致，则合力加强；力的方向相反，则合力减弱。这说明茅元仪关于合力的概念，即合力不仅与分力的大小有关，而且与分力的方向有关，可惜在茅元仪的著作中没有进一步涉及力的方向问题。
在中国古代的典籍中记载的力学知识是极为丰富的，除了关于力和力矩、杠杆原理、滚动摩擦、弹性定律外，还有相对性原理和相对运动的表述，功和能的概念以及在科学技术上对惯性和角动量守恒的应用等等。其中许多力学知识都居于同时代的世界领先地位。
二、古希腊时期的力学成就
古希腊劳动人民在生产中也积累了不少力学知识。亚里士多德和阿基米德是古希腊力学知识的集大成者。
亚里士多德(Aristotle，公元前384年—公元前322年)是古希腊伟大的思想家，他是柏拉图的学生，曾做过亚历山大一世的教师。公元前335年，亚里士多德回到雅典建立了他的学院。据说，由于他和弟子们常在散步时进行哲学讨论，所以被称为“逍遥学派”。他的遗著很多，包括著名的《形而上学》、《物理学》、《伦理学》、《工具篇》等，被称为古希腊思想史上的“百科全书”。
亚里士多德的力学理论着眼于对“运动的原因”的探索，属于动力学性质的。他把运动分为两类：自然运动和受迫运动。他认为地上万物是由四个基本元素“土、水、气、火”组成的。它们都有一个自然的运动，轻的元素火与空气趋向于上升的运动，重的元素土与水趋向于向下的运动。他认为由于重的物体包含的土元素比轻的物体更多，所以重物落向地面的倾向性也更大，经过相等的时间，重的东西比轻的东西运动得快一些。在《论天》一书中他写道：“一定的重量在一定的时间内运动一定的距离；一较重的重量在较短的时间内走过同样的距离，即时间同重量成反比。比如，一物的重量为另一物重量的二倍，则它走过一给定距离只需一半的时间。”这就是说，物体下落的快慢，与它的重量成正比。
亚里士多德认为除了重物的下降和轻物的上升之外的一切运动都是非天然运动，而一切非天然运动(包括匀速直线运动在内)都只能在外力作用下才能进行，没有外力，运动就会停止。例如箭是在弓弦的作用下飞出的，然而脱弦之后又是什么力在支持箭的飞行呢？亚里士多德对此的解释是，由于周围的空气挤向被箭排开的尾部真空，对箭产生了一个推力，推动着箭前进。
亚里士多德的理论同对运动现象的观察是有着一定联系的。例如，较重的物体比较轻的物体下落得更快，维持物体运动需要外力推动等等，也是今天人们看到的现象。但是只根据这些表面的观察所得到的零散的经验材料，凭直觉的推理方法是不能得出正确的结论的。
阿基米德(Archimedes，公元前287年—公元前212年)的工作主要在静力学方面，他在《论平面的平衡》中，仿照欧几里得的方法，从一系列他所谓的不证自明的公理出发，推证出他的杠杆原理。这些公理是：在无重量的杆的两端离支点相等的距离上挂上相等的重量，它们将平衡；在无重量的杆的两端离支点相等的距离上挂上不相等的重量，重的一端将下倾；在无重量的杆的两端离支点不相等的距离上挂上相等的重量，距离远的一端将下倾；一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替，只要重心的位置保持不变。相反，几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替。
他证明，重量成整数比的两物体，如果到杠杆支点的距离反比于它们的重量，将彼此平衡。可以看出，上述证明是非常巧妙的，在科学史上它也是十分重要的，因为它开辟了用数学方法研究物理学问题的道路，对数学、物理学的发展起到了推动的作用。据说，阿基米德在叙拉古王宫里曾以这样的豪语评价杠杆的作用：“给我一个稳固的支点，我就能把地球挪动！”
阿基米德在为希罗王检验制造者自称是用纯金制成的王冠是否掺了银时，得出了“比重”的概念。在《论浮体》中，他同样从一些明晰的公理出发，推证出浮力定律。即浸在水中的物体所失去的重量，等于它所排开的水的重量；浮体所排开的水的重量等于它自身的重量。
总的说来，希腊人主要是从整体上对自然界进行观察，他们看到了自然现象的相互联系，但还未能对自然界进行分析研究。所以，虽然在他们关于世界的朴素观念中包含着真理的内核，但是在知识的细节上却是不够正确的。古希腊的力学还未能超出萌芽的、片断的经验范围。在研究方法上，还停留在对自然的直接观察和简单的抽象与推理，它的理论常常带有猜测的性质。
三、冲力说的概念
远在公元前，古原子论奠基人之一伊壁鸠鲁（Epicurus 公元前342¬—270）就正确地提到碰撞：“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与它们碰撞时，它们一定以相等的速度运动。”用今天的观点来看，这里所说的碰撞显然有着力的含义。
德谟克利特（Democritus,公元前460-370）是一个很博学的人。他到过巴比伦、波斯、埃及、印度和埃塞俄比亚。在他的原子论中包含着这样的一种思想：原子在本质上都是相同的，它们之间的作用是通过碰撞、挤压而传递的。
前面提到的古希腊的亚里士多德认为物体的运动只有在外界的不断作用下才能产生，也就是说，他认为力是产生运动的原因。但这种说法解释不了抛射运动，于是出现了冲力说。冲力说的早期代表是六世纪亚历山大的一个学者，名叫约翰•斐劳波诺斯（John Philonos）, 所谓冲力，就是和物体运动具有同一方向的动力。物体运动速度越大，物体得到的冲力就越大。很显然，这里所说的“冲”就有碰撞的含意，冲力其实就是一瞬间的碰撞力。正是由于冲力说把力与碰撞联系起来，才使得力的概念向着正确的道路前进。
斐劳波诺斯认为上帝创世之初就赋予天体一种“冲力”，即一种不随时间消逝的动力。这种动力可以维持物体永远运动下去。因此，运动的物体一般并不需要经常有个推动者和它接触，直到这种冲力耗尽为止。
1327年，任巴黎大学校长的琼．比里当（Jean Buridan）也是冲力说的拥护者。他持有这种观点：在运动的物体上存在一种冲力，天体正是由于冲力而运动的。只是由于天空中没有空气阻力，冲力作用不会减退，所以天体就一直运动下去，从而否定天神推动天体运转。
四、碰撞过程的研究
碰撞问题是17世纪力学中心问题之一。随着对碰撞过程研究的不断深入，力的定义也日趋完善。
1、伽利略对碰撞的研究
冲力说对伽利略（Galilea）的影响很大，他本人早期就是冲力说的信奉者。他通过对落体运动的研究，提出了如下想法：唯有重量才是物体产生运动或变化的原因。伽利略关于碰撞的论述保留在《新科学对话》的草稿上，对话原稿的第六天内容《碰撞的力》后来发表于1718年。从这本著作中可以了解到伽利略已经把碰撞和力联系起来，并作过了各种努力,想把碰撞问题以某种数学形式加以归纳,但没有完全获得成功。
伽利略曾经用天平观测过下落水柱的冲击力，他认为冲击力与物体质量以及它下落中获得的速度有关。并试图确定碰撞过程中冲击力的作用与质量和速度的关系。
2、笛卡儿的碰撞理论
笛卡儿（R•Descartes）就比伽利略更进了一步，特别值得强调的是，他提出过这样两条原理：
a.用反复给予的小冲击来代替作用于落体上的重力；
b.一旦开始运动的物体，只要没有受到妨碍，就会不断地继续运动下去。
很明显，从笛卡儿所用的“冲击”、“妨碍”两词来分析，他已经把重力分解成一种连续不断的碰撞，并且认为物体不受到碰撞就不会改变运动状态。他认为：所谓力就是特定的物体所具有的实在的西，它的大小由动量mv给出。
笛卡儿1644年在《哲学原理》第二部中论述了有关碰撞的7条定律：
⑴.两个以大小相等、方向相反的速度碰撞的同样物体，在碰撞后交换速度。
⑵. 如果物体A比物体B大得多，那么碰撞后它们以同一速度沿A原来的方向运动。
⑶. 如果物体A和物体B大小相等，但A速度大，那么A把超过B的速度的一半传给B。
⑷. 如果物体B大于物体A，（即使大得不多），而且物体B静止，则碰撞时物体A将不能推动B，而自己反弹回去。
⑸.如果物体A大于物体B，且B静止，则无论A的速度多么小，都将推动B沿着自己运动的方向以同样的速度运动，其中物体A将把与物体B相应的部分运动传给B。
⑹.如果两物体相等，且物体B静止，则B将部分地被推动，A也部分地被弹回。如果A的速度为4，则A留其3，B得其1。
⑺. 如果物体B大于物体A，而A的速度大于B的速度运动方向相同，则可能有三种情况：
若两物物体质量之差小于两速度之差，则A将传给B一部分运动；
若两物物体质量之差大于两速度之差，则A反弹回来，不传递增运动；
若两物物体质量之差等于两速度之差，则A将传给B一部分运动，而自己以剩余的运动反弹回来。
用今天的观点来看，这7条定律中当然存在一些缺陷和错误。
在笛卡儿看来，空间是充满着物质的，其各部分的运动只因相互发生碰撞才发生变化。他否认了隔开一定距离发生作用的那种力。把碰撞理论放在动量守恒的基础上来处理。
因为笛卡儿的碰撞理论有缺陷，他也没有能正确地解决碰撞问题，他的力的概念也有严重的缺陷。例如，莱布尼兹(Leibniz)曾经通过一个具体的碰撞例子发现了这些缺陷。
尽管笛卡儿的碰撞理论还有不少的缺陷，但惠更斯（C.Huygens）和牛顿（Newton）在此基础上展开了碰撞问题的正确研究，从而开始奠定了近代力学的基础。
3、惠更斯的碰撞理论
惠更斯的碰撞理论被认为是在1656年前完成的，但他的碰撞理论在他死后(1703年)出版的《物体碰撞运动》一书中才首次发表。和惠更斯同一时代的沃利斯(J•wallis),雷恩(C•wren)和胡克（R.Hooke ）也发表了有关碰撞问题的论文。他们所得的结论基本相同，但以惠更斯最为完整。他提出了作为论述碰撞问题的几个公理,周密地论述了弹性体的对心碰撞。人们认为，1673年马略特（E.Mariotte）发表的《论物体的碰撞》和惠更斯的《物体碰撞运动》是关于弹性碰撞理论的经典名著。
惠更斯的碰撞理论是以下述三个假设（公理）作为基础的：
⑴.“运动起来的物体，在未受到阻碍作用时，将以不变的速度沿直线继续运动。”
⑵.“两个具有相同质量的物体，以相同速度相向作对心碰撞后，两者都以相同的速度向相反方向运动。”
⑶.“当两个物体碰撞时，即使它们同时参与另一匀速运动，在也具有这个共同运动的观察者看来，两个物体的相互作用就好象不存在这个共同运动一样。”
特别需要指出的是，惠更斯在碰撞过程的研究中得出许多重要的力学原理。例如：
其一，两个物体所具有的运动量在碰撞过程中都可以增多或减少，但是它们的量值在同一方向的总和却保持不变，如果减去反方向的运动量的话。
其二，在两个物体的碰撞中，它们质量和速度的平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变。
4、牛顿对碰撞的研究
牛顿在不知惠更斯结果的情况下，也对碰撞问题进行了深入的研究。在他的手稿中，把碰撞作为具体问题进行论述。他论述了质点的弹性碰撞问题、有广延性物体的非对心碰撞问题以及旋转着的许多物体的碰撞。这是极为复杂的，但结果是正确的，这就充分说明了牛顿对碰撞问题的研究已经达到了多么深入的程度。
牛顿认为，所谓力就是使物体运动状态发生变化的动力。他说明，作为定量的定义，力是和动量的变化成正比例的。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中把作为产生加速度原因的力和惯性力、碰撞、压力、向心力相提并论，似乎领悟到力和碰撞的某些联系。不过，牛顿提出的作用力和反作用力定律肯定是通过对碰撞过程的研究而得出的。
实际上，牛顿通过对碰撞过程的深入的研究，不自觉地总结出力具有大小、方向和作用点三要素，发现了碰撞过程的三个基本特性，即牛顿三大定律。他从根本上把握了惯性定律、力的大小和动量的变化率成正比以及作用力与反作用力等大反向。从此，力的定量概念就逐渐明确起来。这也是牛顿能成为一颗明星的根本原因。
五、结论
从上述讨论可知，力是与碰撞密切相关的概念，正确的碰撞理论未被建立以前，力的定量概念也没有确立，在正确的碰撞理论（弹性碰撞）完成以后，力的定量概念也逐渐明确。对力学作出重大贡献的科学家中，无一不深入细致地研究过碰撞。因此，我们完全有理由认为：力的概念是从碰撞过程中抽象出来的。也就是说，力的概念起源于碰撞。
历史上最近一段相当长的时期，由于牛顿三大定律正好掩盖了碰撞过程，人们对碰撞过程研究的热情冷却下来，力的本质的研究也一直没有什么进展。至今，力的概念仍然难以被人理解、物理意义不确切、其本质也没有被揭示出来。尽管人们知道力是物体间的相互作用，是物体运动状态发生变化的原因，但人们无法进一步弄清力究竟是一种什么样的作用，力的产生是一种什么样的具体原因。即使被人们称之为最伟大的科学家爱因斯坦，连把万有引力与电磁力统一起来都毫无办法。
因此，力的精确定义至今仍未彻底解决，这也是力的统一问题长期攻克不了的根本原因。

[楼主] [51楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/08 07:36

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第十三节碰撞在自然界中的地位
一、碰撞是一种普遍的自然现象
大到星系，小到到基本粒子，都会发生一种普遍的自然现象——碰撞。人们的每一次呼吸，每一次心跳，每一个步行都包含着无数次碰撞。下面举出几个颇有影响的碰撞事例。
1、慧木大碰撞
由美国卡罗琳×苏梅克和尤金×苏梅克夫妇以及大卫．列维在1993年3月共同发现的SL9慧星，碎成了21块，串珠般一字排开，长达16万公里以上，就像一辆有21“节”车厢的“慧星列车”，在1994年7月17日凌晨4时，风驰电掣地径直朝木星碰去。
源远流长的人类历史长河中，人类破天荒头一回在自已预测时间里静静守候这场慧木大碰撞。
7月17日4时15分，第一块A块，速度60公里/秒所产生的能量却相当于当年1000万颗投在日本广岛原子弹所释放的能量，或相当于2000亿吨TNT，立即产生了一个蘑菇云，和一个高达1000公里的大火球。撞击时的温度相当于太阳表面温度的5倍——30000℃。在木星表面留下了直径约1900公里的暗斑。而A块是所有碎块中最小块之一，估计直径大小不过1公里。
碎块G15号是最大：直径在3．5公里以上，产生的烈焰升到1600公里高度，形成的撞击点面积相当于地球的80%，产生的能量更是惊讶，相当于3亿个原子弹同时爆炸，释放出6万亿吨“TNT”，产生强烈的红外辐射，这是最沉重的一击，最为壮观。
7月22日16时12分，碎块W完成最后一击，这次长达5天半的前后共达21次的慧木大碰撞才最终结束。
经过慧星一连串的攻击，木星留下了巨大“创面”，直径在1万公里以上的就有8个，最大一个暗斑由G块形成直径约30000公里。
2、通古斯大爆炸
1908年6月30日凌晨7时左右，在印度洋上空，一个巨大的怪物从九天之外，迅猛闯入地球大气层,接着以风驰电掣般的速度向着遥远的地球北方冲去。过不了多久，俄罗斯西伯利亚通古斯地区上空传来了震天撼地的巨响，天空中发出强烈的白光，一团蘑菇状烟云直冲20公里高空，远在450公里之外都能看见；灼热的气浪此起彼伏地席卷着整个浩瀚的泰加森林，大地震颤不已，熊熊的林火连日燃烧着，爆炸中心2150平方公里范围内的6000万棵树木全被烧焦夷平；60公里外的一位农民回忆说，一股强大的热浪冲到面前，他顿时失去知觉；160公里外的一位工人，被热浪一下推到旁边的河里。
800公里以外的火车开始摇晃震荡，行李包纷纷掉下来，旅客们惊慌失措，司机发现铁轨和车头都在晃动。
在1000公里左右的范围内，人们都听到了那声巨响，在1500公里范围内，人们看到了天火呼啸而过。
在东至勒拿河、西至爱尔兰、南至塔什干、波尔多一线的北半球，广大地区连续出现了白夜现象。
这次大爆炸波及的范围奇大，远在数千公里外的英国也受到此次爆炸的影响，当时英国伦敦的许多电灯竟突然熄灭。因爆炸而产生的地震还波及到美国的华盛顿、印度尼西亚的爪哇岛等地，地磁场也受到了扰动。这就是历史上有名的通古斯大爆炸。
这次大爆炸，使西伯利亚的北欧的上空布满了罕见的光华闪烁的银云，每当日落后，夜空便发出万道霞光。远在西欧的人在爆炸后的几天内，竟然能在夜间不用灯火看报！据测算，这次奇怪爆炸的能量相当于1000万吨至1500万吨TNT炸药，这是三十多年后爆炸的广岛原子弹能量的1000倍！当它那强大的冲击波横渡北海，曾使英国气象中心监测到大气压持续20分钟左右的上下剧烈波动。
由于没有找到中心陨星坑的情况，有人认为与地球碰撞的是一颗慧星，因此只能产生尘爆，而无法造成中心陨星坑。
3、冰、船大碰撞
1912年4月15日，载着1316名乘客和892名船员的豪华巨轮“泰坦尼克号”与冰山相撞而沉没，这场海难被认为是20世纪人间十大灾难之一。
该艘豪华邮船于1912年4月10日从英格兰的南安普敦起航，四天后，它在加拿大纽芬兰海岸沉没到冰冷的北大西洋海底。1513名乘客和船员葬身大海，只剩下695名生还者。
1912年4月15日23时45分，在纽芬兰的大浅滩以南九十五公里，也就是北纬四十一度四十六分，西经五十度十四分处，一座冰山的山嘴此时像一把利刃一样突出水下。“泰坦尼克”号向它压来，相撞发生了。冰山山嘴就像一把锋利的罐头刀切开罐头一样，把“泰坦尼克”号船身割裂。仅仅十秒钟，冰山已在吃水线下切进了船体，撕开一道三百英尺长的口子，割裂了三个底舱和两个锅炉房。冰山在“泰坦尼克”号龙骨之上三米、船身的前三分之一处，撕开了一个大口子。过了约三十秒钟，传来了“吱吱嘎嘎”的声响，紧接着海水就从裂开的壳板涌进了锅炉房。该锅炉房在船的最底部。随着“轰”的一声巨响，翻着泡沫的海水一下子从船体的侧壁、离地板大约二英尺的地方涌进来。“泰坦尼克号”开始下沉。
凌晨二时十五分，突然，一声巨响，锅炉爆炸，飞离底座。“泰坦尼克”号猛烈颤抖起来，船尾翘起，几乎与海面成直角，所有可移动的东西都挣脱出来，二十九个大锅炉、四万六千件瓷器、二万七千瓶啤酒和矿泉水、五个大钢琴、二万六千个银碟和银托盘、四十四吨肉禽、四十吨马铃薯、三十箱高尔夫球棍和网球拍、五吨白糖、三万五千吨鸡蛋，以及若干吨煤和若干粗大的锚链，尽数轰隆隆地倾泄入水中。
从碰上冰山经过两个多小时，到4月16日2时20分海水淹没了船尾的旗杆，发出了一声轻轻的吞没声，“泰坦尼克”号彻底沉没。
泰坦尼克安息在漆黑的海底，被一片恐怖的寂静包围着，身上带着它的悲剧留下的狞恶伤疤。它沉重地停泊在沉积层上，向左舷微微倾斜，艄楼朝南。
冰船大碰撞在人们思想中所产生印象是极为深刻的。
二、碰撞过程在哲学中的地位
碰撞过程为哲学上的对立统一的规律提供了一个物质基础和实在的物理模型。
碰撞是这样的一对矛盾：碰撞双方处于同一时空之中，向同一点运动。它们相互依存，缺少任何一方都不会形成碰撞。因而是统一的；
碰撞双方要同时通过某一位置，占有该位置的一方又不让对方通过，因此，它们相遇时总是在不断地相互斗争着、排斥着，因而是对立的。
在碰撞过程中，双方都在把自己的动量与对方交换从而使各自的动量在不断地减少。也就是说，双方动量在向自己反面转化。这里，是把碰撞前各自速度的方向作为其动量的正方向。
碰撞过程与哲学上的对立统一规律，是完全相似的，比较如下：
对立统一规律：在一定的条件下，矛盾双方在斗争过程中各向自己的反面转化；
对心碰撞过程：在同一时空中，碰撞双方在碰撞过程中其动量各向自己的反面转化。
因此，完全有理由认为对立统一规律是从碰撞过程中抽象出来的。因此，碰撞是自然界最基本的矛盾。
中国矛盾一词正是碰撞过程的生动写照。不是吗？楚国卖矛和盾的人先拿起矛夸口说：我的矛能戳穿任何盾。又举起盾夸口说：任何矛都戳它不穿。旁人所说的用你自己的矛戳你自己的盾，实质是矛和盾的碰撞。“戳”的过程主要地就是矛和盾的碰撞过程。戳到就是碰撞。因此，矛盾的实质就是碰撞。矛不戳盾，如何产生矛盾？
三、碰撞过程在自然界中的地位
1．碰撞是自然界三大要素之一
人们普遍认为世界是物质的，物质是运动的。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。在物质和运动这两个要素的基础上，再加上第三个要素¾¾碰撞，我们就可以得到任何层次都适用的原理：
自然界是由物质所组成。物质在不断地运动着。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。
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。碰撞是自然界三大要素之一。
2．碰撞是物质间唯一的相互作用
把与相互作用等价的力定义为物体间的碰撞，那么碰撞就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确定物体间的相互作用了。
物体间为什么会有相互作用？只能理解为是物体的本能。物质具有占据空间的性质，它自然地反抗别的物质侵占它已经占据的地方，它可以用“让开”的方法来防止这种侵占。“让开”就是运动状态发生了变化，就是相互作用。由于这种侵占实际上是相互的，碰撞双方只能“互让”。“互让”的结果就是双方的运动状态都发生了变化，也就是说，双方在碰撞过程中都受到了相互作用，所谓的力不过是碰撞过程产生的结果。
3．碰撞是自然界发展变化的唯一动力
由于在碰撞过程中会产生新的运动或新的物质，碰撞会使自然界不断地发展和变化。又由于碰撞是物体间的唯一相互作用，因此，碰撞是世界发生变化的唯一动力。
有人认为碰撞理论是机械唯物主义，这当然不对。因为碰撞过程不是重复永远不变的机械运动，发生相互碰撞物质之间会而产生新的运动或新的物质。随着碰撞条件的不同，新产生的运动状态或物质结构是千变万化的。因此，碰撞理论不是机械唯物主义。
尽管碰撞是世界发生变化的唯一动力，但它产生的结果是错综复杂的。

[楼主] [52楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/09 16:13

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第三章以太物理本质
第一节 19世纪物理上空的一朵乌云
德高望重的开尔文勋爵，在世纪之初做了一场题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。他谈道：“动力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”。物理学里的两朵“小乌云”。其中第一朵是指迈克尔逊一莫雷以太漂移实验中的零结果，第二朵则是人们在黑体辐射中的“紫外灾变”。人们坚持认为：第一朵“小乌云”催生了相对论，第二朵“小乌云”催生了量子力学。
这两朵小小的、令人不安的乌云实在是太出名了！以致几乎每一本说到这个时期的物理学科普都会提到这两朵小乌云。
好了，我们现在就对这一时期的物理学史作一些回顾。
“以太”是作为一种特殊的物质被引进物理学的，在物理学思想的发展中起到重要的作用。我们知道，十七世纪的法国哲学家和科学家笛卡尔为了解释物体之间的作用力，特别是万有引力现象，最先赋予了以太以某种力学性质。在他看来，空间不可能是虚无的，它为以太这种连续的媒质所充满，物体之间的所有作用力都是通过它的应变和运动来传递的，不存在任何超距作用。
当胡克和惠更斯提出光的波动说时，以太又充当了光波的荷载物。因为按照当时的力学理论，任何波动都是某种媒介物质的力学振动的传播。但是任何真空对于光都是透明的，即光可以在真空中传播，因此传播光波的媒介物质必然是充满全部空间的，包括真空和通常的物体之中。
牛顿本人虽然也承认以太的存在并反对超距作用观点，但他的力学体系却是建立在他的时空的基础上的，他的万有引力定律隐含着瞬时超距作用的思想。十八世纪，由于牛顿引力理论在天体力学方面的成功以及光的微粒说得到广泛承认，超距作用观点得以流行。十八世纪末叶电荷之间和磁极之间相互作用力的平方反比关系的发现，把超距作用观点也引进了电学。因此，整个十八世纪“以太”几乎被遗忘了。
十九世纪初以来，托马斯•杨和菲涅耳的工作使光的波动说得到了复兴，此后则是光的波动说的节节胜利。于是，作为传播光波的媒介，以太又成为物理学所不可或缺的一种客观实在。随着电磁学的发展，以太在电磁学中也获得了地位。法拉第把以太看作是力线的荷载物；而麦克斯韦则设想用以太的力学运动对电磁现象作出解释。他所提出的光的电磁理论，又把“产生电磁现象的媒质”和光以太统一起来。电磁波以光速传播的预言被证实后，使以太的存在在物理学界获得了广泛的承认。
十九世纪九十年代所产生的洛仑兹的电子论，也把以太当作电磁波的荷载物和绝对参照系。这样，到十九世纪中叶以后，以太就成了理论物理学家们关注的中心问题之一，形成了一门“以太学”。
但是，为了解释光和电磁现象，必须赋予以太一些奇妙的性质。实验表明光和电磁波是横波，而横波只能在对切变产生阻力的介质内传播，所以应该把以太想象为一种固态弹性介质。从光速的巨大数值看来，这种以太应该具有极大的刚性。但为了解释天体在以太中的运动并不受到阻碍的事实，还得假定以太极其稀薄，质量极轻甚至没有质量，可以无摩擦阻力地让一切物体透过。而且，它除了产生横波外不会产生任何纵波。……
所以，当时人们这样认为：这些性质不是任何已知物质所能具备的。在十九世纪，人们提出了种种以太模型，但都无法摆脱以太的神秘色彩。
另一个带有根本性质的问题是：如果光或电磁波是靠一种媒质以太传播的，那么就象声波在空气里的传播一样，相对于静止的以太，光或电磁波的传播速度必是各向同性的。事实上，在麦克斯韦方程组里出现了一个常数c，它表明电磁扰动在真空中总以不变的速度c向各个方向传播，是各向同性的。但按照经典速度合成法则，在不同的惯性系中，电磁波沿不同方向的速度不会是总等于c的。因此，应该存在一个特殊的惯性系，在这个惯性系里，麦克斯韦方程组才取标准形式；而对于其他惯性系，麦克斯韦方程组都不应成立。如果真的如此，从电磁现象的研究，就可以定义一个最优惯性系，即相对于以太静止的参照系。人们认为，这实际上就是牛顿的绝对空间。所以，充满整个空间的绝对静止的以太的存在，就成了牛顿的绝对时空观的物质框架。
既然光（电磁波）相对予以太的速度是各向同性的，而且恒等于c，那么人们就可以通过在不同实验室（如地球）里观察光在不同方向速度的差异，即观测“以太风”，以判定实验室相对于静止以太的运动状态，并反过来确定以太的存在。
这样，“以太漂移”的实验观测，就被广泛地进行着。
1728年英国天文学家布莱德雷所发现的光行差现象可以看作是探索“以太漂移”,的早期观测。他发现从地球上观测一颗遥远恒量，在地球的绕日公转周期内，望远镜的方向也作相同周期的改变。由于地球以速度v= 30公里／秒绕日公转，所以望远镜应向地球运动的方向倾斜一个角度α，而且
tgα=v/c
c为光在真空中的传播速度。由c=3×10^ 5公里／秒，可求出α= 20.5"，与实际的观测的结果完全相符。这个结果意味着，太阳相对于以太是静止的，地球则以绕日公转速度v在以太海洋中自由穿行，丝毫不对以太有拖曳作用。因为如果以太被地球拖曳着一起运动，望远镜也就不需要沿地球运动的方向倾斜了，光行差现象就不会出现。
1818年，菲涅耳导出了光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式，得出公式

[楼主] [57楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/11 11:55

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这只不过是开尔文的一面之辞，读完下面一节，你就会发现，实际情况是人们所始料不及的。
第三节迈克尔逊以太漂移试验的物理本质
一、迈克尔逊的以太漂移试验中的原理问题
迈克尔逊的以太漂移试验中有这样一条不言而喻的原理：以太对光来说是流体。但是这条原理并没有证明，只是一种推测：因为以太比空气要稀薄得多，既然空气是流体，那么以太理所当然的也是流体了。
于是有人把迈克尔逊试验的设计原理作了这样的类比：光在以太风中的运动好似小船在河流中的运动，光好似小船，以太风好似流水。速度相同的两只小船，一只在河流中往返横渡的距离和另一只上下来回的距离相同，计算的结果显示它们所花的时间有所不同。同样的计算，光在通过在地球运动方向上两个互相垂直的相同距离所用的时间也应当不同。在迈克尔逊的实验中，设定合适的尺寸，只要把仪器转动90°，根据计算就会产生一定的光程差，从而观察到定量的干涉条纹的移动。
但试验的结果是干涉条纹没有任何移动，后经多次重复试验结果仍然相同，后来把这个没有条纹移动的现象称为“零结果”。并认为这一结果否定了以太漂移和以太风。以太风不存在，以太当然也就不存在了。零结果使洛仑兹极为困惑，一再追问： “在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗”？在这种无奈的背景下，为了挽救以太理论，他提出了长度收缩假设。
迈克尔逊原本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，想不到结果却是适得其反，它从根本上否定了以太。但迈克尔逊是一个坚定的以太论者，并不认为实验否定了以太，而是试验某个环节出了问题。他至死念念不忘“可爱的以太”。
是什么地方出了问题呢？是试验原理有问题还是试验装置有问题？如果是试验装置的问题，为什么后来经多次重复试验结果仍然相同？如果是试验原理有问题，以太对光不是流体那就只能是固体。
以太对地球是很稀薄的流体，因为地球在以太中几乎是可以无阻力地运动。地球可以看成是一个很大的粒子，没有波动性。以太对地球不是固体，那么以太对光能不能是固体呢？因为光具有波动性。因此，迈克尔逊试验中这条不言而喻的原理就值得深究。
人们普遍认为：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一定成立。
波实际上是由一种往复振动形成的。往复振动时，介质的受力或力是交变的，当交变力或力矩的频率太快，介质向一个方向受力或力矩运动后，几乎马上又要受同样大的力或力矩向相反方向运动，频率越快，介质向一个方向受力或力矩的时间就越短。介质因惯性的缘故根本就来不及作这样的运动。于是，流体介质的微粒象固体分子一样只在平衡位置振动而传播波。此时传播波的地方的介质的流动性自动消失了，或者说此时传播波的介质变硬了。这里所谓的“硬”，实际上是指介质微粒的活动范围小到和固体分子活动范围一样，波在流体介质中的传播就变成像在固体中传播一样。由于波在固体中的传播速度要比在液体中快得多，所以只要波的频率足够大，波在流体里的传播速度就可以和在固体中一样快。这就是高频率波动介质变硬说。
由于介质的受力是交变的，分析质点位移会很复杂。如果假设平均作用力是不变的，就简单得多了。我们下面就简单地模拟分析一下，以使读者作一番比较。
假设物体在某种不变力作用下运动的幅度在半周期时间里等于逐渐变小的波动力作用下的运动幅度，在这个不变力作用下介质作初速为0的匀加速运动。其移动的距离为波的振幅S：

[楼主] [59楼] 作者:-叶波- 发表时间: 2013/06/11 17:28

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的高速传播的现象适合这一理论。
虽然上述两理论对超声波在水中高速传播现象的解释相一致，但在解释超声波由正常传播到高速传播的过渡方面却完全不同。意大利物理学家的实验成功解释了这一现象。
进行这样的实验非常困难，因为，目前科学家还没有研制出能产生实验所需高频超声波的设备。为此，研究人员利用间接的方法来测量超声波的速度。在实验中，研究人员用中子流或者X射线辐射水。它们与水分子发生作用，在微小区域产生高速振动，同时发生能量与频率的传递。根据能量与频率这两个数据就可以间接计算出声音的传播速度。
在研究光波与紫外光子的散射过程中，研究人员观测了频率从1吉赫到100吉赫范围内声音的传播，首次得到了该频段声音传播速度的资料。实验准确表明，在逐渐增大频率(或者降低温度)的情况下，声音的传播速度也逐渐偏离“正常”速度，开始增大。将实验数据与上述两个理论对比后，研究人员认为，高弹性介质理论是正确的，二元理论则不成立，从而在实验上成功解释了超声波在水中的高速传播现象。
这一高弹性介质理论的解释和我们的解释是不同的。我们是超声波介质变硬说。水在传播超声波时，如果超声波的频率高到某一限度，波动介质就会由液态水自动地变成固态冰。当然，这种变化只从超声波的传播速度突然变快才知道，也就是由液体水中的传播速度变成固体冰中的传播速度。我们眼睛是看不到的。高弹性介质理论不能说清为什么波的频率低时，传播速度不快，频率高到某一了限度，传播速度才突然加倍。
三、声和光的比拟
由于真空中的以太是传播光的介质，真空中的以太和水一样，对地球来说是一种流体；而光和声音都具有波动性，光的频率又非常之高，频率最小的红光都超过了400特。因此，有理由认为光在以太中的传播类似于频率达到几个特的超声波在水中的传播，因为它们的物理本质是一样的。我们就得到这样一个推论：以太对光的传播就好象固体一样。
一个严重的问题出现了。迈克尔逊是根据以太对光来说是流体的前题来设计他的试验的，以太对光的传播好象固体一样就说明他的前题是错误的，这个试验的所有的具体计算也都错了。
如果以太对光的传播的地方好象固体一样，对迈克尔逊——莫雷试验的零结果就可以重新作出如下解释。
从迈克尔逊干涉仪中半反镜中发出的光，是在半反镜中传播后射出的，半反镜无疑是固体。对从半反镜中射出而进入干涉臂中以太的光来说，传播此光的以太又象固体一样。这样一来，半反镜和相连的传光以太就分别是固体和类固体，从而它们好象是两种固体连结在一起。而半反镜又是同地球固联在一起，对于光而言，相当于地球和传播此光的以太也是连结在一起。于是，对从半反镜中所发出的光来说，地球和传播此光的“类固体”的以太之间没有相对运动，没有以太漂移，也就没有以太风。光在迈克尔逊干涉仪的水平臂和垂直臂的相同路程上花的时间相同，没有光程差。将迈克尔逊干涉仪转动90°，干涉条纹当然不会有任何移动，试验出现的零结果也就是必然的了。或者简单地说，以太对光而言是没有以太风的，尽管以太对地球是有以太风，但迈克尔逊——莫雷试验是用光来探测以太风的，这个试验当然是测不到以太风的零结果。我们要把地球对以太是流体和光对以太是固体严格地区分开来。
迈克尔逊——莫雷试验令人信服地和漂亮地证明了真空中的以太对光传播的地方好象固体一样。这就是说以太的确是传播光的介质，以太在传播频率很高的光时能“变硬”，也就是证明了以太的组合（进一步研究表明，对光的传播来说以太介质不是单一的以太微粒，而是一团以太的涡旋）具有惯性。我们在这里就找到了以太的组合是一种有惯性的物质的确凿证据。所以迈克尔逊——莫雷试验正好证明了以太是一种有惯性的物质，以太的确是存在的。

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