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·物性的领悟· 下面的诸节文字是本书作者以回顾物象探索的思考过程方式写成的。与大家共同探讨非常物象问题。 １、离奇的运动观念 我在大学读书时候就注意到普通物理学中所有关于矢量的算式都与其标量算式在形式上相似，所以至今还清楚记得矢量代数的学习不是很困难。 相对性理论不免给人一种离奇的感觉。在相对性理论中速度的合成算式： 虽然让人觉得很有意思，但却不能写成对应的矢量算式： （不知道其他学者是否也曾注意到相对性理论的这一问题没有。本人注意到这一问题大概是在 1990 年间，在无锡工作生活期间。）这不是说这一算式无法写出来，而是说这一矢量形式所表达的算法不是Einstein的相对性理论中的速度合成法则，或者说这一矢量形式不符合Lorentz 变换。Lorentz变换是以标量方程组表示的，它不能写成简明的单个矢量代数等式。由此，不难想到相对性理论中的矢量速度合成规则，不能以简明的单个矢量代数算式来描述。但是，相对性理论的这一情形却让我深感失望，我总觉得科学的基本的东西不应该如此这般无法以简单的算式加以描述，这也使我深深地怀疑于这一理论的正确性问题。也深为现代科学至今无法从实验上显示以及证实在以速度v运动的系统上观测大空间中的光速是c±v而感到遗憾。 这一理论讨论的是新颖的物象和这是一个先进的理论，而理论本身和其所描绘的图像及其哲学解释总不是令人满意。关于相对性理论在速度的其它方面给人造成的种种不理解，也是非常不能令人满意的。比如狭义相对论简介中关于速度的理解方面有这样的解释：一只飞船以 0.9c 的速度向东飞行，另一只飞船以 0.9c 的速度向西飞行，在地面上的观测者看来，两只飞船之间的距离的确是以 1.8c的速度增长的,但就一只飞船相对于另一只飞船,其相对运动速度不可能大于光速 c 。这可信吗，运动和速度即使具有相对性，但是相对了的速度则应该是绝对的呀，你观测他观测会得到不同的结论么，即使可以得到不同的结果我想终归是表象的而不是物理本质的。也许是多少受到另一位犹太伟人Marx的影响，我总是坚信物象客体独立于我们的观测而确定存在。后来，多年以后才知道Einstein也曾描述了与他的物理方法并不一致的哲学观点。他说，在我们之外是巨大的世界，它离开我们而独立存在，它站立在我们面前是一个巨大而永恒的迷。 我逐渐了解到，相对性理论起名于运动的相对性概念。不仅一个物体相对于其它不同的物体或者说不同的参照系的速度是不同的，而且一个特定的物体相对于另一特定的物体的运动速度，从各个其它参照系上观察也是没有固定的结果的。不过，这一点是在接触相对性理论几年以后很多年以后我才清楚地注意到的。所以，学习相对性理论不是一件容易的事情。理解这一理论总是需要很多时间的过程。不过理论的不易领悟性对于一个理论不是一件好事。 理解相对性理论的相对运动概念是困难的。比如，相对性理论总是声称光波相对于每一个观测者都是以固定速率运动的，但是各个系统中相对于系统自身参照系的光速在我们看来则又可以变小，以及两个相向运动的光波之间的相对速度在我们看来则也可以是两倍光速，不受光速极限速度的限制。也有一次，我问一位专业学者，光子相对于光子自己是不是以光速运动呢，得到的回答是：这个问题没有意义。但是在Newton理论中，这个问题不是没有意义的，一个物体相对于自身的运动速度是零。 一个理论不能被大众人们理解的东西太多，人们不免回怀疑这一理论的正确性。我也不能接受相对性理论许多离奇的运动观念，对于一个接触相对性理论不久的人来说，没有太多的理由，凭的是直觉，一种直观的感觉。不过，对于这一理论应该肯定的一点是，这一理论讨论的是一类新颖的物象，理论无疑是进步的理论，但是我始终认为这一理论很多可取的想法不能说明这一理论的前提的和核心的思想方法是正确的。 可以说，我也接触了相对性理论，但我走过的路也是这样一条路，即从不能理解运动的相对性概念到不能接受运动的相对性概念。我尽管也从Einstein和相对性理论那里学到很多东西，但是十几年来，我没有改变我对于相对性理论离奇的运动概念的不接受心态。我说过，一个理论的不易领悟性对于理论不是一件好事。人们会从不理解一个理论开始怀疑这个理论，继而试图通过自己的探索来理解这个理论中所讨论的物象。这样的人多了，难免会有人搞出更好的能够替代这一理论的新理论。 如果相对性理论的前提和核心思想方法是错误的，或者说这是一个错误的纲领，那么又该如何解释这一理论中所讨论的许多物象呢，比如运动物体的质量增加现象、时钟走慢现象以及高速运动不稳定粒子寿命可以被大大地延长这些令人不解的困惑物象。 ２．物体的质量增加现象 运动物体的质量增加现象是许多非常物象中最容易给出形象图景的一个物象。一些相对性理论的书籍也提到力学中诸如工作中的火箭这种变质量问题。但是这一现象困惑的地方是运动物体的质量变化其结果只是速度的固定函数，物体的动态质量与其动力历程无关。 通过接触相对性理论，我了解到物体的质量增加现象。据说在相对性理论创立之前，人们就已经发现高速运动的带电粒子存在着荷质比减少的现象。我找不到确切的资料表明这一现象的发现对于创立相对性理论产生的影响。不过，当时的狭义相对论讲义中并没有介绍这一实验现象，但是，我还是坚信人们并不难接受运动物体的质量增加这一说法。不过，相对性理论强调相对性理论中说的运动物体的质量增加现象并不是类似火箭那种变质量问题，我倒觉得好像没有那个必要。科学有时把简单的问题搞得过于复杂化，或者为了理论的完备性要求，去牺牲科学的形象性理解。虽然物质不灭思想在相对性理论中遭到放弃，但是，奇怪的是质量守恒定律依然被认为是通用的质能守恒的一部分。理论好像是在告诉人们，能量是绝对守恒的，质量是依赖于能量的守恒而保持了守恒。尽管这方面的理论让人觉得很是不好理解，但是人们还是推理出将能量转化物质和物质的亏损转化为巨大的能量这样的推论。如果我们把光辐射看作是纯粹的能量辐射，那么伽玛射线转换成正负电子对的过程也就成了能量变成物质的过程。如果我们把光辐射看成是物质的辐射，那么，正如叙白中所提的问题,皮带传动通过电力系统让许多灯泡发出光芒,机械传动（做功）的最后结果是产生出物质！由此可见，其实在相对性理论产生之前，质量与能量的关系问题，就已经浮于人们的心头，只不过是，相对性理论的解释也不能让人们完全满意。如果，人们想避免质能转化的说法，也不是不可能的，那就是设想所有的能量转移过程中都伴随着物质的转移现象，即功是场态物质转移的量度。但是，这样一来会得到这样一个推论，即热量的转移过程中也伴随着场态物质的转移，想一想，这不是回到热质说了么？ 人们认为热质说的错误是毫无疑问的，和显然的。却不知如果科学认定热质说是一个错误的理论，而又想把光子当作物质粒子，人们最终只能得到物质可以转变为能量和能量的转移（做功）可以生产出物质来这样的结论来。比如，如果我们认为光是物质，考察海水收到阳光的辐射而得到加热，我们是认为阳光变成了热能还是认为阳光依然以某种物质组织形式依然存在于海水之中？ 尽管我们不注重光辐射是能量的辐射还是物质的辐射，我们都无法避免理解上的困惑。但是，我还是坚信物质作为自然而形象的载体不是那么容易丧失其应有的物性。当然，如果我们坚信物质是不可能被能量所产生，而且物质也不可能存在质量膨胀的性能和效果，那么，我们就必须设想在能量的转移过程中同时必然伴随着物质的转移过程。即功在形式上是物体在力的作用下做相对位移，实质上是场态物质转移的量度。 ３.物质的暗中转移 最初接触这方面的问题是在狭义相对论质能关系式的推导过程中发现 dm 应该有新的物理意义和物理解释。一般地认为，dm 是粒子质量变化的微分，然而，我觉得 dm 应该是物质转移的微分。我始终坚信物质是不能创生的也是不能消灭的，物质只可能从一个地方转移到另一个地方，因此 dm 是物质转移的微分。对于书中提到的电子在电场中受到加速电子质量获得增加，这是一个电子从电场中接受物质转移的过程。在带电平行板加速电子的过程中，这一静电系统保持着质量的守恒，电场因于电势能的损耗而减少的质量数量恰好等于电子所获得的质量数量。我好像不怎么担心一个孤立的粒子或者物体从那个地方获取物质以及减少的物质数量又流向何处，倒是觉得这个世界中物质转移的普遍存在。并且由此将运动物体的质量增加现象与机械传动导致的光辐射的产生这一困惑问题联系起来使我感到兴奋。如果把电场加速电子推广到一般的做功过程，包括机械传动那样的做功过程。那么，皮带所做的事情不仅仅只是传递了运动，同时也传输着物质。在柴油机，皮带，发电机，变压器，输电线，灯泡，这一串物体身上，想象得见有着物质的暗流在不停地流动。电线也是物质的传输线，当我们骑着自行车的时候，那根链条也是物质的传输线。年轻人的思想是自由奔放的，毫无顾忌地构造着物象世界一幅物质流动的美丽图景。热传递过程其实也是物质的暗流过程。热传递过程从微观角度而言，是通过分子碰撞的过程来实现的能量传递过程。在分子碰撞过程中，分子之间有着物质的转移。在不平衡的热交换过程中存在着不平衡的物质交换。热量的流动之中有着物质的暗流在流动。 我曾经写过力与物质的暗流一文，手稿已经流失。现在也很难回忆起其中的内容。总而言之，力的作用是和物质无法分开的，功的过程应该是物质的转移过程。当然，物质的种种暗流我们无法直观地察觉到，但是，为了物象的形象性理解，物质的暗流设想是令人兴奋的。在我的理解中，电场加速电子以后，电场也就跟着电子跑了，组成了更大的电子。这也就需要动态的物体概念，以及物质的无限可分性质。宇宙空间里到处充满着物质，以及真空并不存在等等朴素的信念又重新想起，一幅由物质运动构筑的物理图景应该是科学的完美理想。 ４.物体运动的极限速度现象 物体运动存在着速度的上限限制，这一点是可以理解的。对于现象世界的总体考察不难发现一个常识，微小的物体容易获得较高的运动速度。既然如此轻微的光子都只能以一个有限的速度飞行，那么笨重的物体又如何能够获得超越光速的速度呢。早年在科普文章里获悉，螺旋桨飞机无法获得超越声速的速度飞行。正因为这样的原因，超音速飞机都是以喷气发动机作为动力的。螺旋桨飞机为什么不能获得超音速飞行，这里有着技术上的原因。可以想见，如果螺旋桨飞机接近音速飞行的时候，旋桨其桨叶的转动速度必定远远大于了音速。一个物体超越音速飞行所受到的阻力也是超常的巨大。由于这一现象的提示，我猜测物体运动速度以光速为上限大概也有着形象的机理。在 R . Resnick 的量子力学的书里，我发现有人认为凡是所谓能量的转移过程或是波的传动或者类似于子弹传送的动能。由此，我总是喜欢把物体的受力作用想象为子弹对于木块的冲击。在这一事物模型之上，我们不难发现物体不能被无限加速的道理。当木块被子弹冲击得和子弹一样快的速度逃离的时候，子弹还能追上木块给木块以加速的力作用吗。也许，前人们的错误推论是由于抽象的力的概念。由此看来，Aristotle 的马拉车力学模型倒是乎更接近于事物的实际情形。车所能奔跑的最快速度，并不决定于拉车的马匹数量，而在乎马的性能即在自由奔跑时所能获得的速度。物理世界里，决定着力所能把物体加速的极限速度，是物质的运动速度。物质运动的速度不是无限的，而是有限的，有限速度的物质运动不可能把物体推向无限的运动速度。子弹不能把木块打得快于子弹的速度运动。 想来，很多事情似乎并不超越人们的理解能力，上帝并没有故弄玄虚地构造物象世界。很多事情也许是人类自己在这里想得过于抽象和神秘。 ５.运动物体膨胀的构想与时钟的走慢 相对性理论指出的时钟走慢现象和所提出的时间延长一说，是相对性理论的奇妙魅力之处和理论的中心问题之一。应该说，人们应该从现象中总结理论，然而我们之中很多人像我这样只能从理论中学习物象。时钟走慢这一物象也是最初从狭义相对论讲义中了解到的。我觉得时钟走慢是可以理解的，而时间延长的说法则不容易被人们所真正弄懂。可以相信有时钟走慢这样的物理性现象。我最初的理解是，时钟是一个由摆的振荡节奏控制的转动机构。如果时钟在各种物质场中的整体运动能够导致时钟机件长度，机件质量，受力效果三方面因素中的任何一方面因素产生变化，都将会引起时钟走时速度的变化。运动的时钟既然存在着质量的增加现象，构成时钟的构件会不会因为运动时钟的质量增加也可以分享到一部分质量增加呢。如果运动时钟会因为时钟的整体运动导致时钟内部的机件的质量增加，它应该可以影响到时钟机构的走慢。 据讲义介绍，高速运动的不稳定粒子可以有更长的寿命。当然，说起来这与时钟走慢是同一种事体，但是，寿命延长的机理比较起来更难以想象。Heisenberg 先生在他的文章里透露了他对于这一问题的无比困惑。他说，μ子的平均寿命只有 1.6 ×10 - 6 秒，即使以光的速度也只能行走几百米的距离。这种产生于几万米远的大气外层的粒子何以在地面上可以检测到呢。看来，不稳定粒子以怎样一种机理使其过程延续更长的时间，不是一件容易搞得清楚的事情。 后来，我想到运动时钟的走慢可能与物体的运动膨胀现象有关。或者说事情是这样，在内部运动速度受到外部运动影响不大的情况下，运动时钟的走慢可以推导出运动时钟膨胀的结论。我的想法是所谓 时钟走慢，指的就是时钟指针运动角速度变慢。其实，最初我是从运动时钟走慢现象中，根据运动学公式 推断时钟指针的运动角速度变慢，而指针尖端运动速度减少有限，从而得出运动时钟的指针必然伸长和时钟必然膨胀的结论。然后将此结论与Heisenberg先生的论文介绍的质子束与质子束碰撞实验中质子有效碰撞截面随质子动能增加而增加的现象加以联系。质子对撞实验中有效截面的增大能不能说明运动物体的膨胀？现代科学当然不会承认粒子的碰撞截面可以表征物体的长度性质。承认了粒子的碰撞截面可以表征物体的长度性质，岂不等于承认了相对性理论的错误！在关键问题上人们的观点总是不会含糊的。但是，奇怪的是科学却并没有因此完全拒绝Rutherford的长度测量方法，即用粒子散射方法得到的有关原子核大小方面的数据。另一方面，如果物体正像相对性理论所描述的那样，沿运动方向缩短，运动垂直方向长度不变，就很难理解运动质子的碰撞截面可以好多倍数地增加这一实验事实。但是，我没有发现有以往的和现在的学者以此来否定相对性理论在运动物体长度方面的结论。当然，即使有过这方面的理论责难，战火硝烟或早已散去，或信息闭塞的原因，所有的争论史实没有被本书作者发现。或许的确是为了避开与相对论结论的矛盾，人们在建立渐近区理论处理粒子碰撞现象时，发明了“有效碰撞截面”一词。 另一方面，从更多的物质需要更多的运动空间考虑，我们也倾向于运动物体拥有更大质量的同时拥有更大的空间伸展。 一直来，我只能从思想意识方面对相对性理论提出批评和质疑，但是我也在一定程度上意识到对于主要依赖于实证哲学走上物理科学舞台的带有唯像性质的理论来说，它也许只是佩服来自于实验结论的说服。而这一貌似主理而实则不免带有唯像性质的理论在吻合实验方面一直来做得很不错。所以寻找这一理论的实用功能方面的缺陷是非常困难的。运动物体膨胀的想法使我不久明白相对性理论在这一领域可能存在实用功能方面的缺陷。所以，运动物体膨胀想法的发现令人兴奋，而且这一比较新颖的结果与相对性理论的结论恰好相反。这给从实验上判别这方面理论的正确与否提供了一点可能性，从而使本人在这方面的工作有可能不是总是枉费心机的工作，这也鼓励着我把这方面的工作坚持下去。这也是形象理论与相对性理论之间在物象理解结论方面其中为数不多的明显不同的结论中的一个。这也部分印证了我当初认为的不好的理论能够得到一些正确的结果，但不是总能得到正确的结果。众所周知，相对性理论在长度方面的结论并不能像它的其它结论那样吻合实验结论和令很多人满意。 如果我们能够相信运动物体的膨胀想法，那么，很多难以理解的高速物象就会有一个完整的形象图景。也由于物体运动膨胀概念的发现，很多困惑物象突然变得豁然开朗。时钟走慢和粒子寿命延长主要是由于时钟因于运动膨胀和运动膨胀的粒子系统，系统分解需要更长的时间。运动物体拥有更大的质量和运动物体拥有更大的空间伸展这两个说法也比较和谐。当然再好的想法最终还都离不开要由实验方面提供更多的支持。只有越来越多的实验支持这一想法，地球绕着太阳转的想法才能成为人们能够接受的观念。 说到实验验证方面，相对性理论与实验结果总有魔术般的吻合，这也是这一理论能够成功的功力所在以及这一魅力导致了大部分专业物理学家对于这一理论的崇拜心态。一般说来唯像性质的理论存在牺牲科学整体和统一的一面，却不乏在特定的历史阶段具有很好的分析和解释新的实验现象的功能。但是，关于长度方面的验证迹象却总是不能像其它方面的实验结果那样吻合理论。这方面的实验迹象一直来总是很有趣的，不多的人们是说根据实验认为在运动电子上观察加速管变短。可是，为什么人们只能说根据实验认为在运动电子上观察加速管变短，为什么我们不能根据实验得出我们从实验室角度看运动的电子存在沿运动长度缩短效应？加速管变短肯定不是事实，从运动电子角度观察加速管变短应是一种表象，实际上是运动电子膨胀以后产生的周围世界变小这样一种相对大小效应——难道你不认为世界在长大的孩子眼中会变小！ 不过有时想来世界就这么简单，倒是真有点让人不敢相信。既然世界原来是如此简单，为什么我们的科学把它搞得如此复杂呢。这个问题也许不是我等能够回答了。不过，类似的事情，在现在看来，地球自转是很简单的吧，甚至古希腊时代就有希腊学者提出了地球是转动的观点，为什么直到伟大的学者Copernicus还 本论-均论 搞得那么复杂呢。至于相对性理论又是如何得到运动物体长度缩短结论，我也知道这是Lorentz 变换的结果，不过我总对于物理学中这种过于数理性的方法持保留态度。 不过，关于物体膨胀可以导致物体转动变慢这一说法，我们不乏直觉观念和经典物理学上理解的方法。由角动量守恒原理可以知道，转动物体由于某种原因导致体积膨胀，转动物体必然减慢转动角速度。比如，体操运动员表演旋转舞姿时，当他收拢手脚紧缩时候，他会转得飞快起来，当他重新撒开手脚时候，他又会转得慢了。所谓时钟走慢，不就是时钟指针拥有了更小的转动角速度而已。如果时钟会因于运动而膨胀，那么，时钟里的所有转动依据角动量守恒原理都将减慢转动角速度，当然也包括时钟指针的转动角速度。如果有一天上帝把地球变大一倍，我们围绕着体育场跑一圈是不是需要更长的时间！ 抑或是信息的闭塞，我没有发现其它学者提出类似的观点，即认为物体不是沿运动方向缩短，而是沿各个方向膨胀。但是这并不妨害我对于运动物体膨胀想法的执着。运动物体膨胀想法的发现为各种非常物象的形象图景提供了本人认为是非常满意的一种思考思路，这也是本书作者的形象理论一个很有代表性的结论。重要的是在这一想法基础上能够得到其它更多的新颖结果。所以形象理论对于物体运动膨胀这一想法的坚信是自始至终的，如果这一结论无法赢得多方面的实验支持，本书作者将为科学感到遗憾。 也许，为高速物象寻找一幅机械学图景事实上终归不是一件十分困难的事情。正如有人认为，科学遗憾的事情是无法从机械学推导出 这样的公式来。后面会讲到，这个问题的解决依赖于能量的动能解析。 如果我们假设相对性理论的结论是对的，高速运动的粒子拥有更大的质量，而长度在运动方向缩短，将会出现物质密度趋于无穷大的奇点。很小很小的空间里，集中密度很高的物质，想来也应该发生引力塌缩，而成为“小黑洞”。其实，相对性理论在估计运动物体的长度性质方面所做的理论猜测是完全不符合实际的。理论的结论不仅存在很多理解上的困难，可以说经历了二十世纪整整一个世纪，长度收缩却也从未获得过哪怕一个实验的证实。由于实验条件的限制，无留辩驳空间的相对性理论的实验反例是不多的，但是，长度性质这方面是相对性理论做得最不好的地方。对于捍卫相对性理论的学者们，相对性理论在长度性质方面的结论可能也会让你们感到失望。这方面的实验做得多了，最终只会帮相对性理论的倒忙。据说，事实已经往这个方向显示，重离子碰撞实验中出现的种种困难，很多人在问，碰撞中发生了 Lorentz 收缩了吗？ ６.一切能量是否都源于动能? 使我注意这一问题的原因是，我不太同意巨大的原子能来源于质量的亏损，物质可以转化为巨大的能量的说法。人们的观念理解，运动来自力的推动，力就是能量。然而，另一方面，运动的改变也可以产生巨大的冲击力量，从本质上说，力是否来源于运动? 化学能是否与电子的动能有关，以及原子核中核子的高速运动的动能是否构成了原子的核能? 在光子能量中，是否有光子平动动能 （以及还需考虑转动动能的）贡献？ 能量来源于何处，这个问题一直来为人们所关注，但令人们想不到的是，即使是地道的机械论者，可能相信物质组织的热能构成于物质分子运动的动能，可能也从未想到所有的能量是否构成于物质运动的动能这样的问题。这个问题也许不是个小问题，如果一个人相信所有的能量构成于物质运动的动能，这无疑是在走向一种彻底的机械主义。如果这个信念是正确的，那么Descartes该是这一机械论思想的鼻祖。但是这方面的思想在现代科学不被鼓励。我为什么去注意这个动能论问题呢，事情是由于我了解到，由于物质结构层次的不断被发现（人们继发现了分子原子以后又发现了电子、质子、中子，且正在猜想更加深入的结构层次），同时也不断发现了新的运动层次和物质世界中不言自明的更多的动能的被发现。基于此，应该可以尝试基于这一思想的物理方法，也许我们会有所新的发现。 与万物源于水的命题一样，我们坚信一切的能量来源于物质运动的动能。也许是来自于机械学的深刻影响，我们习惯于以机械学的方法基础来理解这个世界。我们理解人们对于机械学的失望情绪，但是我们不希望人们因此断定这个世界不是机械学基础上构筑的世界。当然，最后机械学是否应该得到人们的注意，还是看这一思想方法上能够得到什么有用的结果。 相对性理论改变了动能的算法，但是对于光子，经典的动能概念上得到的结论 好像还是有部分描述了光子能量的图景。没有人怀疑光子的能量是mc2，可以想到光子还有内部运动层次的动能。不管光子的转动动能是否也是 ，至少至此我们可以看出把光子的能量理解为完全构成于动能总归是不难做到的。 引力势能也构成于动能？引力势能定域于何处？这是动能论的一个难点。不难假定，场是物质运动组织分布，场力势能构成于场态物质运动的动能。但是，引力势能做功以后即天体合并成为更大的天体却产生更强的引力场，黑洞具有非常强大的引力场。如果，宇宙均匀分布，引力势能最大，而此时引力场最弱。难道引力强度大的地方莫非真的是引力物质分布稀薄的地方？这一问题有待于做进一步的探索，但是，这不妨碍我们把动能论假设下去。——即一切的能量均构成于物质运动的动能。 我们差不多能够描绘非常物象世界的形象图景，但是科学不能停止在定性的理解上。科学有时候关键的事情是在找到一种物象模型的同时，应该给予定量的数学方法上的描述。或许能量的动能解释能够引出一套形象理论的数学方法。 从光子的动能解释中，我想一切的能量也许都构成于物质的动能。它的数学描述方式是： 由此可以展开出形象物理的数学原理。这一数学原理被安排在本书的第七篇进行讲述。 |