自然系统的物理学基本原理
黄国有 广西北海剑桥研究中心 摘要 本文将自然物质系统分为微宇观、微观、宏观和宇观四个物质层次，展示了自然物质规律统一的途径：从微宇观到宇观的统一。径向膨胀收缩运动和自旋运动是物质系统运动的最基本模式，衰变辐射和逆衰变吸收是物质变化的最基本方式，它们共同决定着宇宙物质的相互作用规律。介绍了引力惯性等效、磁旋等效原理、系统统一性原理、系统完整性原理、声速不变性原理、光速不变性原理和光速可变性原理。这些基本原理对重新建立物理学理论框架具有重要的作用。 关键词：系统，自旋，衰变，可变光速，基本原理 1 对物质层次的定义
在现有物理学中，分子、原子、基本粒子或者更细微的物质单元称为微观物质世界，相对应的物质现象称为物质的微观现象；我们日常生活所及的物质世界称为宏观物质世界，对应的物质现象称为宏观物质现象；星系或星系以外更大层次的物质世界称为宇观物质世界，相对应的物质现象称为宇观物质现象。许多人不同意对宇观物质层次的划分，这些持不同意见的人认为宇观与宏观没有什么区别，物质范围从宏观扩大到宇观星系尺度上不会有什么明显不同的物质规律。我认为，尽管物质的规律是统一的，但不同尺度上的物质规律有着与其它尺度物质规律显著不同的特点，所以，对物质层次向上或向下的划分都还是必要的。宇观系统论根据不同尺度动力学规律的特点从小到大的范围划分为四个不同的物质层次：微宇观、微观、宏观和宇观。微宇观是基本粒子以下的物质层次，这一层次的动力学特点是它的动力学规律必须与整个宇宙系统的规律联系起来才能获得阐明。微宇观是一个从微观到宇观统一的物质层次，在这一层次中，粒子的动力学体系几乎不受微观电磁力和宏观万有引力的影响，它是宇宙学效果在最基本的物质元素上的直接体现。这是我将之称为微宇观的直接原因。通常，微观是指动力学体系主要由电磁相互作用支配的物质层次，宏观是指动力学体系主要由万有引力支配的物质层次，或者包括主要由万有引力和电磁力共同支配的物质层次。宇观则是动力学体系主要由万有磁力支配的层次，或者包括主要由万有引力和万有磁力共同支配的物质层次。现有的物理学理论仅仅是适用于微观和宏观的理论，它们在微宇观和宇观层次上将不再适用。宇观系统论则是一个同时适用于这四个物质层次的新理论，而且，一个真正的统一理论必须实现从微宇观到宇观物质规律的统一。 图1.1 物质世界的统一图景 物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象之间有着本质上的联系。但在目前，描述物质微观现象的物理理论与描述物质宏观现象的物理理论之间存在着无法逾越的鸿沟。譬如，描述物质宏观现象的牛顿动力学无法用于描述微观电子的运动规律，在描述宇观物质现象（如星系的动力学现象）时它也导致了很严重的暗物质问题等。描述物质微观现象的量子力学也无法用于描述宏观物质的动力学规律，更无法用于描述天体的运动。总而言之，在现有物理学理论体系中，物质的微观规律、宏观规律之间似乎是大相径庭、毫不相容的，这是现有物理学理论体系的主要缺陷。不管是从科学的角度还是从哲学的角度出发，我们都有理由认为物质世界是高度统一的。目前物质现象的差异以及物理理论之间的割裂状态主要是由于我们对物质世界还缺乏深入的认识，只有在物质现象和物理理论都统一之后，我们对物质世界的认识才算是彻底的。 目前，描述微观物质现象成功的理论是量子力学和狭义相对论，描述物质宏观现象成功的理论是牛顿的动力学理论。在宇观物质现象方面，基本上适用的是牛顿的引力理论，广义相对论也被广泛地应用于宇观物质规律的研究。但是，牛顿引力理论无法解释许许多多天体现象，如星系的结构和星系中恒星的运动问题，星系在星系团中的运动问题，更突出的还有环星系问题，旋涡星系中旋臂的形成、维持和演化问题。另一方面，广义相对论在宇宙学上得出的都是自相矛盾的结论，所以，宇观物理学直至现在仍然是一种需要填补的空白。 宇观系统论将物质规律的高度统一性上升为“统一性原理”作为它的基本假设。统一性原理要求物质世界遵循完全相同的物质规律，当前的物理学却并没有揭示这种统一的规律。宇观系统论研究的正是物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象之间的统一问题，它以现有的微观物理学、宏观物理学、天体物理学和宇宙学作为自己的基础，从微观本质上揭示物质的宇观现象及其规律。在宇观系统论中，微观粒子和宇观星系遵循完全相同的动力学规律。从宇观系统论得出的结论都是自然而合理的，它解释了宇观范围内的许许多多奇特的物质现象，初步实现了物质现象和物理理论之间的统一。 2 物质系统
凡是具有联系的物质整体都可以看作是一个系统，系统最主要的特性是它的物质性。以前的热力学对由大量粒子组成的宏观系统进行了深入的研究。与热力学系统相互作用着的环境称为外界。由系统与外界的关系，热力学把系统分成三类：（1）孤立系统：与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。（2）封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换的系统。（3）开放系统：与外界既有物质交换，又有能量交换的系统。热力学对系统的这种区分存在很大的局限性，热力学系统只有局部物质系统的意义。 除了热力学现象外,其它物理现象也必须对与之相连的系统进行具体的研究。为此，宇观系统论将物质系统分为两大部分：整体物质系统和局部物质系统。这里，我们把理想的、与外界没有任何物质相互作用关系和能量关系的物质系统称为整体物质系统。与之相对应，整体物质系统中任何一部分物质组成的系统称为局部物质系统。由于物质与相互作用和能量的不可分离性，更由于“外界”环境的物质性，有“外界”存在就必定有相互作用关系和能量关系，所以，严格地说，整体物质系统是一种没有“外界”的物质系统，而局部物质系统则是有“外界”的物质系统。 宇宙是一个完美的整体物质系统，它完全符合与“外界”没有任何物质相互作用关系和能量关系这一前提条件。或者说，宇宙完全没有“外界”，作为一个整体，宇宙不可能与宇宙之外的物质产生任何相互作用关系和能量关系。另一方面，如果某种物质与宇宙系统内部物质产生相互作用，这种物质必定是宇宙物质的一部分（即它不可能是“外界” ）。所以，整体物质系统又可以称为宇观系统（在以后，整体物质系统、宇观系统和宇宙这三个概念是等价的）。天体系统则是典型的局部物质系统，它是宇观系统中的一个组成部分。原子系统也是比较典型的局部物质系统。作为一种概念的延伸，地球生生态系统和人类社会系统等等都属于局部物质系统的范畴。 宇观系统由于没有“外界”，它的存在、运动和变化都只能被局限在本系统范围之内，它与局部物质系统有着本质上的区别。譬如，宇观系统遵循完整性原理；在宇观系统中，物质的运动状态只有吸收态而不可能有束缚状态和散射态；宇观系统中物质的分布和压力场的分布都是各向同性的，而局部物质系统则完全没有这种特性。热力学中的孤立系统也属于局部物质系统，由于“外界”物质的存在，任何孤立系统都不可能完全隔绝本系统物质与外界物质之间的场相互作用的联系，因而也无法隔绝与场相互作用有关的能量交换。 文[1]已经证明宇观系统的空间标度和温度的演化规律为 以上关系表明，宇观系统的膨胀和收缩运动规律与正常高温介质膨胀和收缩的规律完全相同。但是，宇观系统的一切物理过程都是“绝热”的等熵等质的过程,这是因为宇观系统不可能从“外界”吸收物质和能量,也不可能向环境释放物质和能量缘故。 3 物质系统的基本运动
旋转和直线运动是物质运动的基本模式，在物质系统上，它们表现为系统的自旋和径向的线性运动。根据相对性原理，系统整体在空间中的相对运动状态是无法确定的，因而对研究系统内部的物理规律来说没有意义。 为了区别，我们把系统质心不改变的自旋和径向运动称为绝对运动，把系统质心改变的运动把为系统的相对运动。虽然绝对运动和相对运动都无法在单一的实验结果中体现出来，但他们都可以通过对比实验结果的方法来确定。譬如，我们可以通过另一参考系的观测来确定系统相对于该参考率的速度。宇宙系统整体的膨胀-收缩运动和自旋运动会在宇宙星系或光的运动中体现出来，我们可以通过适当的宇宙观测手段观测到宇宙整体系统的运动状态。1929年，哈勃从天体光谱的多普勒红移规律发现了远处星系相对于银河中心的系统退行现象，证实了宇宙空间在向外膨胀。宇宙空间膨胀可以用哈勃定律表示如下： 宇观系统以物质辐射的速度即光速向外扩散（膨胀运动）或向内收敛（收缩运动）。宇观系统膨胀的哈勃常数等于系统光速与系统空间半径之比。 现代的大爆炸宇宙学就是在哈勃的发现基础之上建立起来的。宇宙系统的整体膨胀和收缩运动对宇宙物质的演化起着关键的作用。 宇宙系统整体的自旋运动对宇宙物质的起源和运动以及物质之间的相互作用起着决定性的作用。宇宙系统整体的自旋运动可以通过对星系光谱的多普勒红移或蓝移的精细观测研究来发现。我们从星系光谱的红移数据中减去哈勃红移和引力红移项就可以得出星系光谱或背景微波辐射的系统自旋红移和蓝移数据分布，获得如下图的宇宙系统自旋的红移图景。 图3.1 系统自旋光谱红移图 精确的宇宙自旋的红移图景可以从宇宙微波背景辐射的多普勒红移观测到。由于宇宙微波背景辐射是各向同性的，辐射频率仅受宇宙系统整体运动的影响，因而从微波背景辐射精细结构中获得的宇宙系统自旋图更加清晰，更加准确。我们对微波背景辐射精细结构的观测会受到宇宙系统膨胀的影响，这是因为微波背景辐射源是占绝大部分宇宙物质质量的质磁波子，质磁波子总是以光速运动的，而地球或其它星系的运动速度则低于光速，所以，微波背景辐射的膨胀红移并不遵循哈勃定律而是近蓝远红的规律（9图3.2）。 图3.2 近蓝远红的背景红移 这样，用微波背景辐射观测到的宇宙自旋图景应该是图3.1和图3.2的结合，如图3.3所示。 图3.3 真实的宇宙背景红移图 我们惊奇地发现，宇宙系统的自旋图与中国古代的太极图完全相同，宇宙自旋图中的红移和蓝移区域组成了太极图上的阴阳两个极。可见，宇宙的整体运动不仅决定着宇宙物质的一切运动和变化，而且在人类漫长的演化岁月中影响着人的大脑和思维的结构，这使得思维朴素的古人在冥思默想的所谓真气修炼中感悟出宇宙整体运动的信息，形成了“天地一真气”、“太极生两仪”的朴素而深刻的宇宙观。 宇宙系统整体的运动直接决定着宇宙物质的物理规律，宇宙系统的膨胀收缩和自旋运动是基本粒子和电磁相互作用产生的根本原因，是自然界一切相互作用的根源。 4 物质系统的基本变化
衰变是粒子与它的环境介质之间保持的一种动态的动力学平衡体系，所以，衰变是系统物质存在和变化的最基本的方式。任何物质都有其产生和衰亡的变化过程，这就是物质的衰变。物质的衰变现象是普遍存在的，经典物理学概念下的基本粒子以及构成基本粒子的更细微的结构单元都无一例外地存在着衰变相互作用。 物质在发生衰变辐射的同时，也发生着逆衰变吸收的过程，衰变和逆衰变是同时存在的可逆的反应。在一定的条件下，物质的衰变辐射和逆境衰变吸收保持动态平衡状态。这种动态平衡使物质保持相对稳定的性质。当物质条件发生改变时，物质的衰变-逆衰变平衡就会发生移动，当物质的衰变平衡移动到一定程度时还会引起物质性质的根本性变化。 可以想象，宇宙中所有的物质必定存在某种最基本的衰变相互作用。这种最基本的衰变建立在粒子和宇宙物质的最小衰变基元即背景质磁子气体之间，它是事物腐败、生命衰老、原子裂解和基本粒子衰变的根源。我们把宇宙物质的最基本的衰变称为质磁衰变，把质磁衰变辐射的最小微粒称为质磁波子。质磁衰变是物质一切运动和变化的基础，是一切物质产生相互作用的根本原因。 原子物理学和高能物理学已经初步揭示了原子核和基本粒子的衰变现象，人们正是通过对原核衰变现象的研究才认识了原子内部复杂的微观结构，认识了电磁相互作用和强相互作用，发展了完整的电磁学理论体系和原子物理学体系，认识了弱相互作用，并且发展了弱电统一理论和量子色动力学。基本粒子的衰变暗示着基本粒子具有更复杂的微细结构，对基本粒子衰变现象和规律的研究是了解基本粒子细微结构唯一可行的方法。 在一定的条件下，物质的衰变和逆衰变保持动态平衡状态。在衰变-逆衰变这一对立统一的相互作用体系中，衰变辐射是导致物质衰亡的相互作用，逆衰变吸收则具有维持物质原有性质的作用。假如没有逆衰变吸收过程，一切物质都将是瞬息瞬灭的，不可能有很长的寿命和稳定的性质。衰变导致了物质的运动和变化，逆衰变保持了物质的稳定状态。当物质的衰变-逆衰变平衡向吸收方向移动时，物质的寿命将延长，当平衡向衰变辐射方向移动时，物质的寿命将会缩短。如果基本粒子辐射的是寿命很短的场波子，基本粒子一般很难吸收到这种波子而发生逆衰变过程，使衰变平衡向衰变辐射方向移动，所以，这种基本粒子的寿命一般是很短的。物质的运动能提高背景衰变辐射波子的相对密度，或者，基本粒子在加速场中吸收了大量的场波子时，衰变平衡向逆衰变吸收放向移动，这就导致了基本粒子寿命的延长，甚至分蘖产生出新的粒子来。这是高能粒子寿命延长的真正原因。爱因斯坦把基本粒子寿命的延长看作是一种由物质之间的相对运动状态改变而产生的相对效应，这种观点是错误的。对物质衰变-逆衰变平衡的研究是解决许多物理学问题的有效途径。 5 系统相对性原理
相对性原理首先是由伽利略提出来的。伽利略根据密封船仓中的力学实验规律总结出力学的相对性原理：任何惯性系中的力学规律是完全等价的，不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系，在惯性系内部所做的任何力学实验都不能确定该参考系的运动状态。伽利略相对性原理只表明通过力学实验无法确定实验所在的惯性系的运动状态，1881年的迈克尔逊-莫雷实验结果表明，人们通过电磁实验也无法确定实验所在惯性参考系的运动状态，不能确定该参考系是静止的或是作匀速运动的，所以，一切彼此作匀速直线运动的惯性系对于描写运动的一切规律来说都是等价的，在所有惯性系中物理定律都有完全相同的形式。这是爱因斯坦建立相对论时使用的相对性原理，它可以看作是伽利略相对性原理的推广。 不管是在伽利略的力学相对性原理还是在爱因斯坦相对性原理中，惯性系都有着特殊地位，然而在现实的世界中既不可能找到一个严格的惯性系，也不可能找到一个绝对的参考系，那么我们的物理定律到底是相对于哪一个参考系而言的呢？这一问题并没有引起人们的注意，这样，我们一方面不承认绝对参考系和真正的惯性系，另一方面却毫无在意的使用所有建立在惯性系基础上的物理学定律。那么，惯性系在物理学中是否真的具有特殊的地位呢？我认为，惯性系在物理学定律的描述上并没有特殊的地位，在描述物理学定律方面，所有的参考系都是等价的，在所有先驱者系中物理常委都有相同的形式。物理定律不仅在所有参考系上等价，而且在所有的物质系统中等价。这就是系统相对性原理。 爱因斯坦相对性原理只表明在惯性系上做任何物理实验都无法确定惯性系的运动状态，系统相对性原理则表明，在任何参考系上都无法通过物理实验直接确定该参考系的运动状态。这里的任何参考系包括所有的惯性系和非惯性系，这里的非惯性系包括所有的直线加速参考系和所有的旋转或自旋参考系。事实上我们可以通过傅科摆等实验推断地球的自转运动，简单地看起来，系统相对性原理似乎是错误的，其实不然。系统相对性原理隐含了两条物理学中的等效原理，一是爱因斯坦总结并在广义相对论中使用的引力和惯性力等效原理，它使直线加速系与惯性系没有区别。一是我们总结并在宇观系统论中使用的磁旋等效原理，它使自转参考系与惯性系没有区别。在非惯性系中，只要我们在物理学定律中使用引力(包括电磁力)的概念，重新建立起动力学平衡体系，就可以使任何非惯性系回归到惯性系中，使我们无法通过物理实验结果来确定非惯性系的运动状态（这并不等于说我们无法通过观测对比的方法确定参考系的相对运动状态）。所以，系统相对性原理包含了深刻的统一场思想。 我们知道，惯性系的运动状态是无法通过参考系内部的物理实验来确定的，而非惯性系通过引力的引入和使用回归到惯性系中，这意味着当我们接受引力的概念时我们将无法从非惯性系内部的物理实验确定参考系本身的运动状态。反对系统相对性原理的人会拿转动参考系中的角动量守恒或科里奥利力（这实际包含在角动量守恒中）作为可以确定参考系是否存在转动或自旋运动的依据，这类似于反对爱因斯坦等效原理的人拿全局时空中的引力与惯性力存在差异作为可以区别引力场和加速场的理由，其中所犯的都是先验论的错误。实际上，万有引力本质上是一种由动量变化引起的惯性力，电磁力本质上是角动量变化引起的惯性力，这样，我们不仅无法区别系统中物体的重力加速度是由引力产生还是由系统的加速运动产生，也无法区别系统中自旋物体的进动是由电磁力引起还是由系统的转动或自旋引起。 然而，系统相对性原理所关心的并不是能否通过参考系内部的物理实验确定非惯性参考系运动状态的问题，而是引力和各种加速度引起的惯性力是否完全等效的问题。既然自然界的力都是由系统的动量或角动量变化产生的，物质之间的力就只有相对的意义。也就是说，在描述物质之间的力时，首先要弄清楚是对哪一个系统或参考系而言的。引力不仅与物质系统的状态有关，而且与物质之间的相对运动状态有关。系统相对性原理否定了力、能量和动量的绝对性，肯定物质（包括它们的辐射场）的客观性，认为物质的质量才是真正守恒的物理量。质量守恒定律是物质世界严格遵循的一条基本规律。一个与外界没有发生相互作用的系统，不管系统物质的存在方式如何，也不管它们的运动速度有多大，系统物质的总质量既不会增加，也不会减少，更不会消失。物质不灭定律是物质世界（宇宙）遵循的最基本的规律之一。物质的存在状态和运动方式都可以改变，但系统物质的总质量则是不可能改变的。与之相对应，描述系统物质存在状态的空间和时间也是客观存在的，不会因为个别物质的运动（如人的思维或意志）状态的改变而改变，但系统的空间标度和时间进程是可以按一定的规律变化的。现在流行于物理学的唯心主义观点认为物质是虚无的，物质的相对运动可以改变物质的质量，甚至没有物质的真空也可以产生正物质和虚物质。物质可以从虚无的一个奇点创生出来，随着宇宙的演化，宇宙物质可以全部集中于一个奇点，甚至全部消失。英国邦迪和美国戈尔德提出的稳恒态宇宙理论就是这方面的代表。这种虚无主义的唯心观点既没有实验依据，也没有科学理论依据，它的最大害处是导致了科学的虚无主义，认为物质是虚无飘渺的，简直无法想象，更谈不上去认识它们或把握它们的规律了。广义相对论的黑洞理论，以及由相对论派生的虚质量、虚粒子、虚物质和虚宇宙理论就是这种科学虚无主义的进一步发展。 真正接受系统相对性原理可能要经过一段相当长的时间，关键的难处是我们要让接受了现有电磁理论与牛顿动力学理论存在巨大差别的众多物理学家相信象傅科摆和自旋陀螺这样简单明白的周期进动都与电磁相互作用没有任何区别。当这一天到来的时候，曾经是众多物理学家梦寐以求的统一场理论就真正实现了。 6 系统等效原理
系统相对性原理与各种引力的等效原理相关。经典动力学理论认为，牛顿力学的基本定律只对惯性系成立。惯性系是指没有加速度的参照系，非惯性系是有加速度的参照系。伽利略相对性原理表明，惯性系对于动力学问题是完全等价的，但惯性系和非惯性系并不等价，在描述物理规律方面，惯性系有十分特殊的优越地位。系统相对性原理表明，在描述一切物理规律方面，惯性系并没有任何优越性，它和非惯性系是完全等价的。我们将所有参考系在描述物理规律方面完全等价的观点上升为一条基本原理：系统等效原理。 系统等效原理的核心是：自然界所有的相互作用完全等效。自然界的相互作用虽然千差万别，但它们归根到底都有共同的来源。所有的引力都是物质系统衰变-逆衰变引起的动量和角动量变化产生的惯性力，他们归根到底都是用牛顿第二定律来描述。注意，这里的引力不仅仅限于万有引力，它同时包括库仑力和磁力。引力和惯性力等效已经为一般人所接受，电磁力与惯性力等效这点一般人还无法接受，它意味着万有引力和电磁力的统一。库仑力是角动量变化引起的动量变化产生的惯性力，磁力是物质的运动（动量）引起的角动量变化而产生的惯性力，它们都是用牛顿第二定律描述的。现代量子场论已经揭示了弱力和强力与电磁力的统一，这就为所有的力等效于惯性力提供了依据。惯性力是由物质的运动和变化引起的，这样，自然界的所有相互作用都统一于物质的运动和变化，统一于牛顿第二定律。力是虚构的，物质的运动和变化则是永恒的。 在牛顿动力学中，运动物质在惯性系中的加速度取决于外界对物质的所有合力之和，物质在非惯性系中的加速度除了取决于作用在物质上的合力外，还取决于惯性力。这个惯性力并不是客观实在的，它只是非惯系自身的加速度在物质（或质点）上的反映。爱因斯坦认为，如果要把惯性系和非惯性系看作是等价，关键的问题是如何看待惯性力，因而他认为惯性力是引力的一种表现形式。显然，他是从惯性力和引力“等效”现象出发得出这一结论的。我的观点是，如果要把惯性系和非惯性系看作是等价，关键的问题是如何看待包括万有引力和电磁力在内的引力。 爱因斯坦在等效原理的基础上对洛仑兹变换进行推广，建立了广义相对性原理，在此原理基础上，他建立了协变的引力理论，即广义相对论。基于引力和惯性力完全相同的本质，广义相对论中包含有我们需要继承的正确的物理学原理。我彻底抛弃引力和惯性力只是等效的思想，认为引力只是物质衰变状态改变引起的加速度在质点上的反映，它本质上也是人为虚构的惯性力。传统概念下由一个物体超越空间距离施加给另一个物体的力(包括引力和斥力)是不存在的，所谓“引力质量”和“惯性质量”完全是人为地区分的，它们之间不存在“等效”和“区别”的问题，它们是完全相同的物理量。这样，我们有必要给引力的概念增加新的含义。既然物质之间的引力是惯性力，惯性系和非惯性系完全等价，那么，我们在描述物质规律时，可以任意地选取一个系统作为参照系，不管系统的运动状态如何，我们都可以认为该参照系是一个惯性系，除了机械力之外，引起物质加速度的(包括自旋运动引起的科里奥利力等)都可以认为是引力。引入这种新的引力概念之后，所有的参考系都回到了牛顿的惯性系的框架之下，而且自然界所有的力都统一在牛顿第二运动定律的框架之内，统一场的梦想就这样简单的实现了。虽然要将这一简单明白的统一场思想用数学公式准确地表达出来还有很多具体的工作要做，但我们终于可以摆脱相当长一段时间以来多维物理理论给人们带来的无谓的重负，重新确立物理理论的研究方向。 7 磁旋等效原理
万有引力是物质动量变化引起的惯性力，电磁力是物质角动量变化引起的惯性力。与电磁力相关的是引起自旋角动量变化的力矩，力矩等于角动量的变化率。电磁力不仅与角动量的变化率有关，还与粒子的大小（半径）有关。电磁力与旋转体单位半径内的角动量变化率等效，这便是磁旋等效原理。 磁旋等效意味着任何具有自旋的系统都等价于一个电荷体，在自旋系统内部运动的自旋系统等价于在磁场中运动的电荷。 现在讨论一个问题：独立自旋系统内的观察者是否有可能从系统内部的任何实验来判断该系统的运动状态？一般人们认为，该观察者是有可能通过实验确定该系统的运动状态的。譬如说，他可以通过傅科摆或旋转陀螺的进动来判断该系统的旋转运动状态。实际上，这个观点是错误的，因为这种观点使用了先验论，认为傅科摆或旋转陀螺的进动是由参考系的自转引起的。如果允许使用这种先验论的话，我们也能在爱因斯坦的密封仓中发现惯性力和引力的区别。但实际上引力和惯性力无法通过动力学实验来区分，电磁力与自旋参考系中由于角动量变化所表现的力（包括科里奥利力）也无法区分，自旋参考系内的观察者无法区分到底是电磁力使傅科摆或自旋陀螺进动还是参考系的自旋运动使它们进动，因而他既有理由认为它们的进动是由参考系自旋引起的，也有理由认为是由磁力作用产生的。如果他不参考别的参考系(在宇观系统状态下他也无法参考别的参考系)，他是不能通过参考系内部的任何实验来确定该系统的运动状态的，除非他彻底放弃了电磁力这一物理概念。这一情形与加速的密封电梯内的观察者所观察到的情形完全相同，他可以认为他是处在引力场中，也可以认为他是处在加速的参考系上，除非他放弃引力的概念。这里，旋转的陀螺相当于电荷体，旋转参考系相当于外加磁场，旋转陀螺在旋转参考系中的运动规律与电荷在磁场中的运动规律相同。 我们已经知道，在引力场中自由加速下落的参考系等价于匀速的参考系，在引力场自由加速运动的参考系内的一切物理实验都无法判断该参考系是在引力场中加速运动还是匀速运动，这是外引力场与加速参考系的惯性力相抵消的结果。与之类似，在磁场中自由转动的参考系(如电子参考系)也完全等价于匀速惯性系，在该参考系上的一切物理实验都无法判断该参考系是转动参考还是匀速惯性系，这是外磁场与转动参考系的惯性力相抵消的结果（图7.1）。在没有引力场的空间加速运动的参考系内部存在一种力，参考系内部的物理实验无法区分它是惯性力还是引力，类似地，在没有磁场的空间旋转的参考系内部有一种力，该参考系内的物理实验无法区别它是转动引起的惯性力还是电磁力。通过比较，相信大家能明白磁旋等效原理的真正含义了。 图7.1 外磁场与自转抵消的惯性系 然而，更严重的问题在于，当我们接受了磁旋等效原理后，能否通过参考系内部的物理实验确定参考系的运动状态这一问题仍然还没有答案。这不是系统相对性原理或系统等效原理本身的问题，而是我们应该怎样对待物理学中有重要地位的引力和电磁力的问题。基于系统等效原理，如果我们愿意放弃万有引力和电磁力的概念，把它们看作是（实际上也是）运动状态变化的结果，我们实际上是可以通过物理实验确定非惯性参考系的运动状态的。举个例子说明一下，地球上的物体都有向下的重力，我们完全可以认为是物体本身做向下作加速运动，只不过地球阻止它的运动而表现出惯性力的作用。在引力场中自由下落的参考系正是它本来的加速运动状态。从运动的相对性角度分析，观测到引力的参考系本身是向上加速的参考系，它的加速度等于观测到的引力加速度。在引力场中观测到的自由下落的参考系是加速参考系中观测到的自由下落的参考系，观察者观测到的自由下落参考系与观测者保持相同的加速状态。如果我们放弃引力的概念，我们就可以通过参考系内部的实验确定参考系本身的加速运动状态。但引力的引入和使用能使物理定律具有最简明的形式，放弃引力可能就相当于放弃了物理学。同理，如果放弃电磁力的概念，我们则可以认为存在电磁力的参考系本身是旋转的参考系。例如，受库仑力和磁力作用的电荷本身是自旋的粒子，存在科里奥利力作用的参考系是旋转的参考系，这样，我们就可以通过参考系内的实验确定非惯性系的运动状态，使物理学重新回到牛顿动力学的年代。 8 系统完整性原理
系统的局部和整体是对立统一的两个方面，它们之间的关系问题不仅仅是哲学的基本问题，也是自然科学的基本问题。宇观系统是没有“外界”的整体物质系统，它的运动和变化只能无条件地被局限在本系统范围之内，它与系统“外界环境”没有任何直接或间接的联系。宇观系统总的发展和演化主要表现在局部物质与整体系统的对立统一之上,具体表现为局部物质的衰变和逆衰变的对立统一、自旋和磁力的对立统一以及整体系统的膨胀和收缩运动的对立统一。衰变-逆衰变和自旋-磁力是物质相互作用的基本模式，膨胀-收缩自旋则是宇观系统运动和演化的基本模式。 在宇观系统中，所有物质及其相互作用的总体称为系统的整体物质力量，系统中任何一部分物质及其相互作用的总和称为局部物质力量。整体物质力量始终维持系统自身的完整性，它具体表现为整体系统的收缩，导致系统总熵的减少。与之相反，局部物质及其相互作用则具有突破系统完整性的趋势，这种趋势表现为物质本身（包括它的辐射场）向系统之外运动，造成系统整体的膨胀，从而破坏系统整体的完整性，使系统逐渐趋于无序和混乱，导致系统总熵的增加。局部与整体的对立统一主要表现在这种膨胀-逆膨胀，收缩-逆收缩的对立统一之上。从热力学的角度看，局部物质的热运动、机械运动以及其它变化都使系统的总熵增加，系统整体的衰变辐射场和自旋（传统概念的引力场）则能限制局部物质的运动和变化，使系统总熵减小。这种局部物质与整体系统的对立统一使整体系统的总熵保持恒定不变。宇观系统的一切变化都是绝热的等熵的过程。由于衰变-逆衰变和自旋-磁力平衡相互作用，“热寂”的宇宙不会出现。 在宇观系统状态下，系统总的发展和变化规律可以概括为下面的完整性原理： （1）局部物质与整体系统的对立统一； （2）局部物质不能突破整体系统，整体系统将始终保持其自身的完整性。 所谓宇观系统状态是指没有外界物质相互作用和能量参与的系统状态。利用衰变场的概念，完整性原理还可以表述为如下的形式： 在没有外界物质相互作用和能量参与的情况下，任何物质，借助自身的任何能量和相互作用都无法摆脱自身衰变场的束缚而进入其它空间，物质的一切运动和变化只能被局限在本身系统范围之内，它将一直保持自身的完整性。 完整性原理的核心是“局部不能突破整体”这一具有普遍意义的论断，这一看似简单的原理蕴藏着深刻的物理学含义。它表明，所有物质的运动和变化都要受到它所处的整体系统的物质条件的限制，它们必须符合“局部不能突破整体”这一基本原理的要求。由此我们可以想象，物质的运动速度，包括光和场的辐射传播速度都要受到整体系统物质状态的限制。更明确地说，光在真空中的传播速度不可能永远保持恒定，光速是可以改变的，光速不变性仅有相对的意义。 完整性原理显示，物质之间的相互作用关系和能量关系也是相对的，物质的空间、时间、温度、能量、动量和力等物理量都是相对的，只有在一定的系统状态下谈论物质的运动、力、能量和动量才具有确切的意义。以前的物理学理论只适用于现阶段宇宙这一特定的系统状态。它们在宇宙演化的其它阶段，或者在特殊的天体系统上都有可能失效。这就要求我们对现有物理学理论进行一次大修订，使之成为具有普遍性的，可以全面地描述宇观系统各个演化阶段的物质规律的系统理论。这是完整性原理给物理学带来的划时代的意义。 完整性原理描述的宇观系统是一种理想的系统，但这并不影响它的实际应用价值。完整性原理是物质世界遵循的最基本的规律之一，认识这一规律对物理学和其它学科将产生深运的影响。由于有宇宙这一现实的宇观系统的存在，完整性原理首先在宇宙学和天体物理学中得到实质性的应用。 9 系统统一性原理
物质世界是高度统一的，它们遵循统一的物质规律，这是统一性原理最基本的观点。物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象都遵循完全相同的物理规律，在任何物质层次上，物质之间的场相互作用，包括万有引力、弱力、电磁力和核力都有统一的来源，遵循完全相同的动力学规律，可以用完全相同的数学规律来描述。 基于物质规律的高度统一性，物质的各种现象以及描述各种物质现象的物理学理论必须是高度统一的，现有的物理学理论并没有达到这种高度统一的要求。今后物理学发展的方向是实现物质现象、物理规律和物理理论之间的统一。物理规律不仅与参考系的选择无关，也与描述它们的数学方法如空间维数的选择无关，不管是在三维还是在四维或者十一维空间上描述，物理规律本身都不会变化，任何维空间的物理理论的最终结论必须与三维和一维的结论保持一致，否则便是物理理论本身的错误。现在流行的建立在十维空间上的超弦理论和建立在十一维空间上的膜理论在揭示宇宙物质规律方面没有任何特殊的意义，它们目前只是少数人用多维模型来炫耀自己或愚弄别人的把戏。 10 声速不变性原理
使物理学理论脱离牛顿动力学体系开始于人们对迈克尔逊莫雷实验结果的认识上，人们都趋于认为迈克尔逊莫雷实验揭示光的传播速度与光所在的惯性系的运动状态无关，不管在哪个参考系上做实验测量，光的速度都是一样的，这就是光速的不变性。关于光速不变的解释，同样也有很多不同的版本。我认为“光的传播速度与光所在的参考系的运动状态无关”这一说法才是准确的。光是一种波动，波的传播速度与波源的运动速度无关不只是光特有的性质，而是一切波动都具有的共性。因为运动是相对的，在光源与观察者的相对运动体系中，光源的运动完全等效于观察者的运动，这是“光速与观察者的运动无关”成立的前提条件。我们看到，“声速与观测者运动无关”是违反事实的，在这方面，光波与声波似乎存在很大的差别，但实际上这种差别是不存在的，我们可以在光波的本质上找答案。在宇观系统论中，光波是宇宙空间的正负粒子自旋的互感波动传播，当光的波动传播到某一系统（参考系）的时候，这种光就变成了这个系统中的质磁波动，它的传播速度保持不变，这是光速在运动学效果上保持不变的根本原因。波速不变并不是光所特有的，声波也具有完全相同的不变性。下面的实验揭示声波表现出这种波速不变性。 如图10.1所示，S是一个声源，两个观察者A和B都在相同的介质(如同一种金属)中对声波进行实验测定，不同的是观察者A相对于声源静止，观察者B处在一个足够长宽（具体多大没有关系）相同介质制作的运动仓内，观察者与实验仓一起以一速度V相对于声源运动(如接触性滑动)。在运动过程中假设实验仓B与声波传播的介质充分接触，以保证由声源S发出的声波能顺利地传播到B上。A和B都用相同的设备对声速进行精确的测定，只要观察者B相对于声源的运动速度不超过声速，不管往哪一个方向运动，他观测到的同一声源发出的速度永远与观察者A观测到的速度相等，但声波的频率则不同。 图10.1 观察声速不变性的实验 声速不变性原理可以用下面的公式来表示 其中v是参考系内的的观察者观测到的自身参考系的相对运动速度。如果观察者能知道他的参考系相对于声源的速度，则他观测到的声速为 当观察者B的速度超过声速的时候，他将不能接收到声源的信息，声源就变成了一个“声洞”。如果A和B两个观察者以自己在实验中测量到的声速和时间表示观察距离的话，或用他们观测到的声速和距离表示时间的话，他们之间的坐标遵循下面的声速的洛仑兹变换关系(由 上面的实验揭示，声速的不变性是通过声波在不同的介质相之间的振动转换实现的，光速不变性并没有超出原来物理的认识范围。超声波成像技术已经获得广泛的应用，声速的洛仑兹变换公式在军事上具有广阔的应用前景，特别是在靠声纳定位的潜水艇中，我们可以利用这一变换关系确定敌方舰艇的准确位置。声学洛仑兹变换还可以用于基于分子运动的动力学（如热学）的研究。 11 光速不变性原理
迈克尔逊-莫雷实验以及许多相关实验结果揭示了这样的两个事实：（1）。作为绝对参照系的“以太”是不存在的。（2）。实验测得的光在真空中的传播速度在各方向上都是相同的。现在文献上一般都把第（2）点叙述为这样的光速不变性原理：光在真空中的传播速度与光源和观测者之间的相对运动状态无关。 光速与光源的运动状态无关这一点人们早已经达成了共识，波速与波源无关是所有波动的共同特征。对“光速与观察者的运动无关”这一点一般人往往想不通，并且成为许多人反对相对论的主要理由之一。根据光是介质波动的观念，我们从光发射的具体过程也能得出“光速与观察者的运动状态无关”这一结论。正象前面的声速不变性实验一样，不同的参考系上的观察者观测到的是同一光源发出的光波在不同介质相之间转换振动波动的结果。 以速度V相对运动的两个参考系在原点重合的时刻光源发出的光子一般是很多的。当光波遇到不同相的介质时，光的波动能以相同的振动模式转换到这种新的介质相，就象声波先传送到飞机壳，再从飞机壳传到密封机舱中的空气的情形完全相同。声波与光波的区别在于传播波动的媒介上，传播光波的质磁波子是物质衰变时辐射的，质磁波子的质量非常小，宇观系统论计算结果给出约为 在图11.1中，相同时刻发射的两个光子群分别在两个参考系上传播。因为光的传播速度与光源的运动无关，在光源发出另一批光子的下一个时刻，原来两个观察者观测到的光在他们看来都走过了相同的空间距离(图11.2)。这一时刻发出的光也处在相同的空间位置上。但它们与第一批光子的距离已经不相同。如果两个观察者都能用对方能观测到的信号记录这些光子的位置的话，他们都能观测到对方参考系上两批光子的距离并不相同。并且能认可这是由于B参考系和光子组成的系统相对于光源存在一个速度引起的。 图11.1 原点重合时刻光源同时发出的两个不同的光子群 图11.2 下一个时刻t光源同时发出的两个光子群 图11.3 第二个时刻2t光源发出的两个不同的光子群 同理，任一相同时间间隔发出的光在两个不同的参考系中传播时，它们的空间距离都不相同。反之，在两个参考系中空间间隔相同的光子则是光源在不同的时刻发出的。光能实现这种速度不变的传播必须具备两个基本条件：一是光波不能是连续的，而是由许多能量分立的单元组成的，这就是光的量子化。一是光子不能是独立的粒子，它只能是某种空间流体介质的波动传播。因为，如果光是独立的粒子的话，它在不同的参考系的传播速度就不可能保持相同，光速就不可能表现出相对运动的不变性，这与实验结果不符。可见，光速不变性和洛仑兹变换反映的是光的量子化本质和光的媒介波动特征。 同样的道理，不管参考系的相对运动速度V有多大，任何参考系上光的传播速度都相同，即 虽然同一光源发出的光在不同参考系上的观察者观测到的速度相同，但是，他们观察到的光的频率是不相同的。对光源和观察者在一条直线上的情形，观察者观测到的频率为： A和B两个观察者都是用自己实验中观测到的速度和时间表示距离，或者用速度和距离表示时间的，他们之间的坐标遵循洛仑兹变换(由 12 光速可变性原理
从引力加速原理可以得出光速可变的结论。在引力场的作用下，物质的速度是可以被加速到光速并超过光速的。所以，用引力加速原理设计的宇宙飞行器完全可以超过宇宙系统真空中的光速。光子作为物质形态的一种，它在引力的作用下是完全可以超过真空中的光速。 从完整性原理也可以得出光速可变的结论。根据这一原理，局部物质永远无法突破整体物质系统，物质的辐射速度自然也受到系统物质存在状态的限制。作为具体物质形态的光，它的辐射传播速度不可能永远是C，它必须同符合“局部不能突破整体”这一基本规律的要求。光在真空中的辐射传播速度与它所处系统空间的物质状态有关。它是一个变量，是系统物质状态的函数。 从波的传播规律上我们也能得出光速可变的结论。光是质磁波子气体的波动传播，质磁气体的波动传播速度与质磁气体的压强、温度和密度有关。在物质集中的区域，物质的衰变辐射使质磁波子气体的压强、温度和密度增加，光的传播速度也增大，反之，光的传播速度降低。从大范围看，宇宙空间的质磁波子密度是各向同性的，在一定的时期内，宇宙系统光速有一个相对稳定的值。这就是我们以前说的光在真空中的传播速度。 光速的不变性和可变性的含义不同，光速不变是指光速与光源和观察者之间的相对运动状态无关，指的是波在不同波相之间的传递规律，对光速的大小没有影响；光速可变是指光速大小与介质的密度等状态有关，指的是光速大小的决定因素。系统物质状态每时每刻都在变化，光在真空中的辐射传播速度也是时刻在改变的。 文[2]导出的宇观系统的光速公式为 并且宇观系统的光速与系统总质量M和系统时t之间的关系为 局部物质系统的超光速参量与系统的中心质量M 和到中心的距离r之间的关系为： Z是质磁吸收常数，系统场论给出 在宇观系统内部，光速值在某一确定的时刻t内是一定的。今天对应的宇宙时约为 光在真空中的传播速度有时必须考虑到局部物质系统状态的修正项 爱因斯坦认为，光在真空中的传播速度永远是C。1905年，他在《论运动物体的电动力学》一文中将光速成不变性原理作为他的相对论的基本假设。而早在1725年布喇德雷发现的光行差现象，1851年的斐索实验和1887年的迈克尔逊-莫雷实验常被用来作为这一原理的证明。实际上，这些现象和实验只能表明光在介质中的传播速度在运动学上的不变性，它们对光速大小的测定都带有局域的片面性，这些受时空条件限制的实验结果没有广泛的代表性。爱因斯坦把光速不变性当做是一条永不改变的绝对真理来接受，把物质的客观物质规律简单地归结为洛仑兹变换，不深究物质现象的本质，把客观物质规律和经验方法混为一谈，颠倒了内因和外因的辩证关系。爱因斯坦一方面意识到物质现象的相对性，一方面又把光在真空中的传播速度绝对化，并用这种绝对化的光速去解释物质的客观规律，这是不能令人满意的。 由于宇宙光速是随时间变化的，国际上用光速定义长度单位的做法是不合适的，按目前国际标准，1米被定义为光在1/29972458秒的时间间隔内走过的距离。对宇宙系统来说，这一标准米每百年会缩短约3.7纳米（ 地球近日点离太阳 参考资料 [1] Guoyou Huang, 牛顿力学和广义相对论在宇宙学的统一，Journal Of Theoretics 6-5. [2] 黄国有，万有引力系统的运动和结构，qiji.cn/eprint/abs/1996> ※※※※※※ 黄氏时空由光频多普勒红移定义可变时间单位秒t'=tsquart[(C-V)/(C+V)].时间秒的变化导致了可变光速C'=Csquart[(C-V)/(C+V)].光速的变化导致了可变距离单位米l'=lsquart[(C-V)/(C+V)].黄氏自旋衰变相互作用模型:引力=动量变化率，电磁力=角动量变化率.超光速C=2GM/r |