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相对静止论的公理体系
摘要 对牛顿力学、热力学、相对论等理论的公理体系进行分析、对比，与客观事实相结合，提出“相对静止论体系”的公设：(1)如果自然界的自发运动、变化过程是不可逆过程，则宏观运动的物体，不管它与周围其它物体是否接触，受到的阻力是普遍存在的.（2）物体之间具有普遍联系（或称为相互作用）性。（3）运动状态之间是有区别的，变化是有条件的，当这种变化发生时,对外界要有一定的影响(或称感应)。各项推理与自然现象或客观事实吻合。 关键词 公理体系；相对静止；运动力学 1、理论的公理体系 一个理论体系由若干条定义、公设（或原理、公理）构成，对具体命题可用体系定义或公理予以证明。建立任何一种科学的理论体系，都离不开一定的公理。爱因斯坦曾经指出，由经验材料作为引导，研究者宁愿提出一种思想体系，它一般地在逻辑上从少数几个所谓的公理的基本假设建立起来。公理都是从大量实践基础上概括出来的，具有逻辑上简单性，不需要也不可能加以逻辑证明。它是该体系内一切论证的基础，也是逻辑体系的出发点。公理应具有自恰性，独立性、完备性；它们彼此相辅而行，组成的体系叫公理体系。 科学家普遍应用的方法就是“假说演绎法”，欧几里德几何学的基本公理、牛顿力学中的基本定律、爱因斯坦相对论的基本公设以及量子力学中的基本公理，其实都是一种“假说”，当人们太信奉这些“假说”时，人们就会忽视这些“假说”的验证性问题，人们关注的是这些基本公理、基本定律的运用问题。在这些基本公理、基本定律在运用时与客观事实不相符又难以找到隐含的条件解释时，人们才会关注这些基本公理、基本定律本身的局限性问题，人们就会考虑这些基本公理、基本定律的“假说”性问题。从新讨论这些公设的自然性、合理性。任何理论都是相对真理，牛顿力学及相对论也不例外，有其合理的一面，也肯定有不足或缺陷。 2、牛顿力学的公理体系 科学史上，有许多的已被否定的理论实例，都曾似乎是永恒的真理。牛顿力学确实已被无数次观测或实验证实，已成为科学的基础。但这些并不能证明它就是永恒不变的真理。爱因斯坦讲的好：“任意次实验都不能证明我是对的，但只要一次实验就能证明我是错误的。”历史上地心说科学的转折经历了 Corpernicus 运动领悟，Kepler 数学的精确描述，和 Newton 的物理总结三个阶段。牛顿用公理化方法建立了经典力学体系。 “运动学三定律”就是牛顿力学理论的公理。 定律Ⅰ（惯性定律）：每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。 定律Ⅱ：运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。 定律Ⅲ：每一个作用都有一个相等的反作用。 牛顿力学的主要作用：综合出万有引力，已被实验证实；地球成扁平状，1735年，法国国王派人测量到；哈雷彗星的返回得到证明；发现海王星和冥王星。目前天文观测和卫星发射，以牛顿模型为基础。牛顿力学已成为科学的基础。 无法解决的主要问题：按牛顿力学，行星又是千古不变的这样运动着，那么行星一开始是如何运动的，牛顿只好请求上帝的第一次推动。这说明牛顿力学有它非常成功的一面，也有无法克服的困难。从牛顿力学不能解决引力波问题；模型中没有历史性的思想，它与生物进化论、热力学第二定律相矛盾。牛顿力学方程，时间是双向，无法解决宇宙演化问题；物质世界是普遍联系的，对于电磁学，电荷的运动状态或磁场发生相对变化时，在周围的空间要产生感应，体现世界是普遍联系性。牛顿力学没有表达出物体运动状态变化时与它物体的普遍联系性； 要辨证的看待牛顿力学：伽利略说：“在匀速运动的车（船）上，和在静止的地面上，没有感觉什么区别。总结为惯性定律：力与速度无关”。牛顿曰：“对。当车开动时，有向后倒的感觉；突然刹车时，有向前倒的感觉；力仅与动量的变化量成正比。车跑的快与车跑的慢，都一样；拉的多与拉的少都一样。” 亚里士多德答曰：“二位先生，只知道坐车的感受，从不知拉车的苦。车跑的快，与车跑的慢，能一样吗？拉的多与拉的少能一样吗？拉车者都知道：拉的物品多，拉力就大，拉的物品少，所用拉力就小。跑的快，用力大。拉力为零，车不动。拉力与物体的动量成正比。都讲实践是检验真理的唯一标准，你们下来拉车试一试，在讲话。热能要耗散，电磁能也要耗散，为什么动能就保持不变。如果车（船）的动力系统停止运行，车船还能匀速运行乎？” 3相对论的公理体系 1905年6月爱因斯坦完成《论物体的电动力学》，9月在德国“物理年鉴”杂志上发表。把相对性原理和光速不变原理作为狭义相对论的基本公设和出发点： “1、物理体系的状态据以变化的规律，同描述这些变化时所参考的坐标系究竟是用两个在相互匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。 2、任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度v运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。” 演变后的狭义相对论公理:(1)光速不变;(2)物理规律在一切惯性系中具有相同的形式; 狭义相对论公理的依据：由麦克斯韦方程推导出电磁波的方程，在真空中，以光速传播，与波源的运动速度无关；迈克耳逊—莫雷实验的零结果解释。实质上就是用洛伦滋变换代替牛顿力学中伽利略变换。 狭义相对论已得到许多实验支持，但也存在自身无法克服的困难，如孪生子佯谬，光速极限等。 爱因斯坦广义相对论的公理：（1）惯性质量等于引力质量；（2）引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。 依据：自由下落的乘电梯的理想实验。 主要验证：水星近日点的进动；光线在引力场中弯曲；光谱的引力红移； 主要作用：大爆炸宇宙学。 存在的困难：模型中仍然没有历史性的思想，生物进化论、热力学第二定律是不可逆过程，而相对论方程对时间是可逆过程。预言引力波存在以近百年，至今没有直接找到。 量子力学公理（公设）：（德布罗意必须假设）“微粒伴随波而存在” 薛定谔形成波动力学的基本思路：几何光学---波动光学；对应有经典力学---波动力学。 量子力学是处理微观粒子有效理论。 4相对静止论的公理体系 相对静止论的公设（或公理）体系： 公理Ⅰ、自然界中的自发过程可能都是不可逆的过程; 如果物体的自发运动过程也是不可逆的过程，则物体运动受到的阻力是普遍存在的。 公理Ⅱ、物体之间应该存在普遍的联系（或称为相互作用）性。 公理Ⅲ、运动状态之间是有区别的，其变化是有条件的，当这种变化发生时，对外界要产生一定的影响(或称感应)。 公设1的依据：生物进化论、热力学第二定律、天体演化等都是不可逆过程。严格意义上讲，考虑各种摩擦阻力，物理的基本运动也是不可逆的过程。迄今还没有发现严格意义上的可逆过程。牛顿力学、相对论、量子力学中方程，对时间的可逆，也是有条件的，是在没有考虑能量耗散或忽略阻力作用前提下的可逆。 公设Ⅱ的依据：电荷之间存在库仑作用，物体之间存在万有引力作用；辩证法角度，世界是物质的，物质之间又是普遍联系的。绝对孤立的系统或事物是不存在的。 公设Ⅲ的依据：牛顿第二定律，运动状态的改变需要外力；法拉第的电磁感应定律：磁场的变化对外界产生影响---产生感应电场；麦克斯韦方程中，电场的变化要产生感应磁场。自然辩证法：如果任何事物的状态变化，对外界没有任何的表现或影响，那它就不是状态变化。 相对静止论的具体定理： 恩格斯运动观：“运动应当从它的反面，即静止中找到它的度量”。静止是相对的，是指事物在一定的条件下的相对稳定和平衡状态，是物质运动过程中的一种特殊形式。不能正确的理解静止，也就不能正确的认识运动。牛顿把匀速直线运动与静止混为一谈。 物理意义上讲，度量运动必须先定义静止，即选取参照物的准则是什么？ 什么是静止，有了静止的物体，才能选择参考物，方可建立参考系：在一个封闭的体系内，若有一个物体，受到其它物体的相互作用，没有观测到它发生运动，就是静止。用它来度量体系内其它物体的运动状态是合理的，也是客观的。相对于它，空间位置发生变化的物体，相对它而称为运动；空间位置没有发生变化的物体，相对于它而静止。体系内凡静止的物体都可以作为运动物体的参照物，用它们来度量运动是等价的。 通常人们在不同的研究范围内，静止物体的选取是有区别的。如（1）讨论地面上物体的运动时，在地球为主的体系内，该体系内的各种相互作用，并不能使地球发生可观测到的运动，我们认为地球是静止不动的，相对与地球静止的物体都可以作为描述运动物体的参照物；（2）研究行星运动时，在太阳为主的体系内，该体系内的各种相互作用，并不能使太阳发生可观测到的运动，我们认为太阳是静止不动的，它可以作为描述行星运动的参照物；（3）研究银河系物体的运动时，我们认为银河中心是静止不动的，可以作为描述运动物体的参照物；（4）在匀速运动的车（船）为主的体系内，该车（船）内的各种相互作用，并不能使车（船）发生可观测到的运动，我们认为车（船）是静止不动的，相对与车（船）静止的物体都可以作为描述车（船）内运动物体的参照物。因此，在匀速运动的车（船）上的乘客是静止的，是车（船）相对地面在匀速运动，并非乘客在运动。 相对静止定义Ⅰ：具有相同速度和加速度的多个物体，互为相对静止；以相同角速度和角加速度，绕共同轴转动的多个物体，互为转动相对静止.：地面上许多物体以相同自转速度和公转速度随地球一起自转、绕太阳公转运动，处于与地球相对静止的状态；月球总是一面朝着地球，绕地球做公转运动，站在月球上看地球，地球的位置没有变化，这种静止称为转动相对静止。天文观测结果：几乎所有自然卫星总是一面朝着其行星，做公转运动，都处于转动相对静止状态。该定义概括伽利略的匀速乘船理想实验，体现爱因斯坦广义相对论的乘电梯的理想实验。 定律Ⅰ：物体的自然状态是相对静止，处在自然状态的要保持，未处在自然状态的要恢复之[5].即：如果物体未在相对静止状态，不论与周围物体是否接触，都要受其阻碍作用，损失动能，趋向于相对静止状态，又称为万有阻力定理. 定律Ⅰ是公设1在运动学中表现，“阻力是普遍存在的”，物体的自发运动是不可逆过程。迄今为止，没有人发现地面上处于与地面静止的某物体，无原因的发生与地面的相对运动；地面上所有相对运动的物体都要受到阻力的影响，这是不争的事实.天体运动作用机理与地面物体是相同的---也都要受到阻力作用.如地球的自转长期减慢；火卫一正在下落；中子星的自转周期是缓慢增加，其绕转周期是缓慢减小. 第二条公理的推理，静止的物体之间的相互作用就是万有引力。 定义Ⅱ：在相对静止状态的物体，相互吸引的作用力，称为静（万有）引力. 定律Ⅱ：万有引力与两物体的质量乘积成正比，距离平方成反比.牛顿早已证明其正确性. 运动物体与其它物体直接接触，有滑动摩擦、滚动摩擦形成阻力，传递动能。如果运动物体与周围物体不接触，只好形成一个场，与其它物体发生相互作用，传递动能，形成间接阻力，完成公理1的作用。又体现运动尽管是相对的，但是运动与静止也是有区别的。由定义3及定律3完成对公理1在该情况下具体体现。与运动电荷存在磁场雷同，匀速运动的物体产生一个与速度有关的力场； 定义Ⅲ：运动物体产生与速度有关，恢复相对静止，符合洛伦兹变换的场，称为U—场. 定律Ⅲ：U—场场强与动量成正比，与距离的平方成反比，取速度方向[1].外力使运动或U-场发生相对变化，符合牛顿第二定律. 从行星或卫星运动的公共特征中，综合U-场的具体形式。 公设（公理）Ⅲ用于运动状态改变，引力场变化时的推论，如下： 定义Ⅳ：运动或U-场发生相对变化，产生的感应量，称为感应引力. 定律Ⅳ：感应引力与运动或U-场变化率成正比，其反作用总是阻碍原变化. 分析2001年和2002年的日食发生时，重力异常减小的现象，与感应引力吻合. 定义Ⅴ：引力场发生相对变化，产生的感应场，称为感应U—场. 定律Ⅴ：感应U—场与引力场的变化率成正比，其反作用总是阻碍原场变化. 定义Ⅵ：变化的引力场和变化的U—场相互激发产生的波，称为引力波. 定律Ⅵ：引力波以光速传播，符合洛伦兹变换，类似于电磁波方程. 定律Ⅴ，定律Ⅵ的内容，目前没有任何实验或自然现象的左证，仅由公理3推证。 该模型的期望作用：①行星轨道的演化趋势；②.Neumann-Zeeliger佯谬可以克服；③.宇宙红移，可以合理解释，无需大爆炸；④.可以处理天体运动及地面物体运动；⑤.感应引力、引力波； 该模型的包容性：①.简化回到牛顿力学；②.与相对论不矛盾；③体现亚里士多德运动观的合理内核； 几个简单的推理：（1）卫星的轨道倾角缓慢减小；（2）行星或恒星等自转速度缓慢减慢；（3）逆向卫星的轨道半径将减小；（4）自转角速度比其行星自转快的卫星，将向下掉，即轨道半径减小。 相对静止论模型的U-场，感应引力，引力波等概念是否真实，一定要经过实验和天文观测的验证。目前多项推理与天文现象吻合。一个理论体系由若干条范畴或定义、定律或规则构成，对具体命题可用体系定义或定律予以证明。如牛顿力学定律没有人给出理论证明，只能通过事实予以说明。同理相对静止论模型也是有若干条定义和公设构成，其定义和公设（或公理）的正确性也不能用逻辑或理论推导给予证明，只能用客观事实给予论述。恳求专家耐心审阅本文，请勿太苛求。 参考文献： [1] 伊萨克.。牛顿著。王克迪译。自然哲学之数学原理、宇宙体系[M]。武汉出版社1992，5：13～14 [2] 张志伟，西方哲学史，中国人民大学出版社，2002，121-125 [3]马克思恩格斯选集3，反杜林论。人们出版社，1995。343～488 [4] 陈寿元.相对静止论[J].山东大学学报（工学版），2002,32(4):396～400 |