|
摘要：本文提出《动体物理学》概念，他的核心是动态原理。在此基础上阐述了现代物理、化学原理、定理、定律的适用条件。分析了在热平衡状态下的静止参考系、绝对运动与绝对静止等问题。同时，重新审视了相对性原理。在应用中推导出了阿基米德-刘文旺原理（希望能写进教科书），当流体处于静止状态时，阿基米德-刘文旺原理过渡到经典的阿基米德原理。此外，还给出了量子力学中的隧道效应的解释等。
关键字：动体物理学、动态原理、热平衡状态、绝对运动、绝对静止、绝对静止参考系、阿基米德-刘文旺原理、萨格纳克效应( Sagnac Effect)、隧道效应、多普勒效应、光的参照系等。
一、《动体物理学》的诞生
（一）、萨格纳克效应与光速不变原理
1、萨格纳克效应( Sagnac Effect)
通过对介质中光速的分析我们发现，光速与介质的热力学状态有关，当体系处于热力学平衡态时，介质中的光速与介质处于怎样的匀速直线运动状态无关；当体系处于非热力学平衡态时，介质中的光速与介质处于怎样的运动状态有关。因此，光速不具有绝对的不变性。光速不变是有条件的，典型的事实就是光行差现象——真空中光速是可变的及萨格纳斯效应的存在。
在对光速不变现象的分析中，我发现物理学定律，原理及由原理推导出的定理存在适用范围或适用条件问题。为此，我建立了《动体物理学》。
相对论的建立引出了很多值得思考的问题。我们知道，M-M实验催生了真空中的光速不变原理，借此，在洛伦兹变换的基础上诞生了相对论。但是，在我的“对光速不变的诠释”中，我们分析过，M-M实验不是测量真空中光速的。我们用达到了热平衡状态的介质解释了M-M实验结果、用处于运动状态的介质解释了菲索实验。那么，这种观点是否正确那？
我们只需要让M-M实验也运动起来,就会把M-M实验与菲索实验统一起来。使我们清楚地看到，M-M实验没有测量真空中的光速，而是测量了介质中的光速。这就是萨格纳克效应。
早在1913年萨格纳克就拓展了M-M实验，他发明了一种可以旋转的环形干涉仪——将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向环行一周后会合，然后在萤幕上产生干涉。他发现，当在环路平面内有旋转角速度时，萤幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是我们熟知的萨格纳克效应，见下图：
在萨格纳克效应中，实验发现条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。
2、理论分析
首先，我们要说明的是，原子中轨道电子的能级跃迁过程中，轨道电子是沿着其运动方向吸收或放出光子的。一个能使原子发生能级跃迁的光子，若沿着电子运动的反方向与电子发生相互作用，只能使其减速不能使其发生能级跃迁。
这一点在现有的量子理论中没有明确指出。
其次，我们需要知道的是，在现有的实验条件下，我们是不能实现实验器材内的绝对真空的。
在真空科学中，真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。习惯上人们把这种稀薄的气体状态称为真空状况。
确切地说，真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个的给定空间。真空是相对于我们熟知的标准大气压来说的，并非空间没有物质存在。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。在我们目前的实验室中，真空器材中至少含有含有克级的气体。
真空状态下的气体压力低于一个大气压，由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于一个标准大气压下的气体分子密度。因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，造成气体的分子自由程增大。
按气体压强大小的不同，通常把真空范围划分为：低真空1×105 -1×102Pa，中真空1×102-1×10-1Pa，高真空1×10-1-1×10-5Pa，超高真空1×10-5-1×10-9 Pa，极高真空1×10-9Pa以下。
有了关于实验室内真空的上述分析，我们再看光子在穿过介质时，为什么会发生运动速度的变化。
光子在穿过介质时，会与组成介质的原子或分子上的轨道电子发生相互作用，从而产生运动速度的变化。介质的折射率与光子的角频率ω及电子的振荡角频率ω0的关系是：
n2=1+4πNe2/m（ω02-ω2-iγω），
（说明：n平方、e平方、ω0平方、ω平方）
其中，N是介质单位体积内的原子数，当N=0时就是真空，所以n=1、m为电子品质、ω为光子震荡角频率、ω0是电子震荡角频率，γ为阻尼衰减系数、i是复数单位。从这里我们可以看出，同样的入射光子ω不变，当电子的能量发生变化时，ω0的变化会导致折射率的变化。
下面，我们给出萨格纳克效应的解释：
同我们熟知的电荷辐射光子一样，原子中轨道电子也是在有减速扰动时，沿其运动方向释放出光子的；完全一样地，轨道电子也是在其运动的方向，吸收同向运动的光子的。不然，即使光子的能量满足电子的能级跃迁要求，也因为碰撞而使轨道电子减速，不会发生应有的能级跃迁。
介质在萨格纳克效应环路中做匀速运动，是热运动与定向运动的叠加。从整体上看，介质的原子或分子不断发生相互碰撞。向前运动的是与后面的发生碰撞的结果，由于碰撞首先发生在轨道电子之间，因此，向前运动的原子或分子拥有的动能、动量大，轨道电子能量较大。反方向运动的原子或分子的状况正好相反。
这样，沿环路运动方向介质原子或分子速度较大、能量较高，反方向速度较小能量较低；从微观上看，轨道电子会环绕原子核做椭圆运动。沿环路运动方向，虽然原子核的库伦力场拖曳电子使其能量减小，但最初向前的碰撞加速仍使其总ω0增大，代入上式则折射率减小，光速增加。此时辐射光子频率略大于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的紫移现象；沿环路运动的反方向，介质原子或分子原子核库伦力场反向拖曳电子使其能量减小，且向后的碰撞减速使其总ω0进一步减小，代入上边的折射率公式，从而得出折射率增加，光速减小。此时，辐射光子频率略小于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的红移现象。
当然，具体的运动情况非常复杂。但，总的来说，沿介质运动的方向，向前运动的原子或分子的轨道电子拥有的能量，统计性地高于向后运动的原子或分子的轨道电子拥有的能量。
如下图所示。
这样分析的一个依据是：在多普勒效应中，沿介质运动的方向，辐射的光子的能量增加——紫移；沿介质运动的反方向，辐射的光子的能量减小——红移。
由于，环路中介质原子或分子的动能的大小与环路旋转速度一一对应。因此，就产生了萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。
这是因为：
V=rω
这与菲索实验中光速的变化与水流动的速度的一一对应是相似的。
我们还可以通过如下实验加以验证：
可做如下实验加以验证：
实验1、改变真空度会发现，随真空度的降低——气压增大，上面的折射率变化越明显，干涉条纹移动越大；随真空度的增加——气压减小，上面的折射率变化越不明显，干涉条纹移动越少。这是由上边公式中介质单位体积内的原子数N决定的；
试验2、换用不同的介质，在同样的真空度下，介质折射率越大，干涉条纹移动越大；介质折射率越小，干涉条纹移动越小。
实验3、改变旋转速度会发现，在低速下与角速度及环路面积成正比，在高速下会出现非线性变化。
值得指出的是，萨格纳克效应的存在，证明了我们关于M-M实验测的不是真空中的光速。而是稀薄介质中的光速。此时，因为介质处于热平衡的各向同性状态，才出现了光速不变现象。而当介质处于非平衡状态下的运动时——无论是斐索实验，还是萨格纳克效应中，都会出现光速的变化。也就是说，爱因斯坦藉以建立狭义相对论的光速不变原理是不成立。我们看后面的分析。
（二）、萨格纳克效应的科学意义
萨格纳克效应证明，我们认为的M-M实验中的光速不变，不是真空中的光速不变。而是处于热平衡状态下，介质电磁属性满足各项同性的体现。其实，根本不用M-M实验，我们都知道环境中任何介质中的光速都是不变的，只是我们没有意识到，他们也在随地球的自传、公转而运动着。
光性差现象表明，真空中光速是可变的。
早在1925年，英国天文学家布拉特莱和莫利纽克斯在伦敦郊外架起望远镜观察恒星的视差。结果他发现，天龙座γ星的星像轨迹在一年内描述出了一个椭圆。到了1727年布拉特莱又对视场内的其他恒星进行观测，得到了同样的结果。经过思考（据说是在美丽的泰晤士河上突发灵感）他找到了答案：恒星星像的轨迹在一年内描述出了一个椭圆，正是光的运动与地球的公转运动速度的叠加造成的。这是一个在满足伽利略速度合成原理下造成的。
因此，光行差现象的存在，体现了在真空中光相对于运动观察者的速度发生了变化，这体现了经典意义下的速度叠加原理对光速的描述是成立的。也就是说，根本就不存在真空中的光速不变。
因此，M-M实验不是在真空中进行的，萨格纳克效应充分证明了这一点。萨格纳克效应，否定了相对论得以建立的真空中的光速不变原理。从而从根基上动摇了相对论，这就是萨格纳克效应的历史意义。
简单分析如下：
解释促成了狭义相对论→狭义相对论的诞生产生了钟慢尺缩现象→钟慢尺缩时空观使在有引力场存在时，空间是弯曲的→爱因斯坦借用黎曼几何建立了广义相对论；然而，M-M实验不是在真空中进行的。光性差现象明确指出，真空中的光速是可变的。只有对于传播光的介质，当其处于热力学平衡态时，不存在与运动方向有关的光速的变化→迈克尔孙—莫雷实验；而处于非热力学平衡态的介质，存在与运动方向有关的光速的变化→菲索实验、萨格纳克效应。→光速不变的成立是有条件的→光速不变原理不成立→在光速不变原理的基础上，建立起来的狭义相对论是错误的→不存在钟慢尺缩现象→不存在有品质存在时，空间的弯曲现象→爱因斯坦广义相对论是错误的。
此外，人们没有注意到我们身边各种传播光的介质、各种传播机械波的介质也在随地球的自转与公转而运动着。各种介质中的折射率、光速、机械波波速拥有确定的数值说明，这些速度值也与地球的自转、公转的运动无关。同样违背经典意义下的速度叠加原理。同样需要解释，我借此建立了《介质中的相对论》从而从根本上动摇了相对论理论。
我们在解释光速问题时，发现了一个新的问题，这就是，当一个热力学体系处于热平衡状态时，其中的组成成分的运动速度、动量、能量的分布只与系统确定温度有关，满足确定的热力学定律而与整体是否参与匀速直线运动，运动速度的大小、方向没有关系。这样其中的电磁属性、力学属性——介电常数、剪切模量等各向同性。因此，其中的光速、机械波的波速、库仑定律的力场强度等具有各向同性。物理、化学等自然科学的原理、定理、定律具有不变的形式；相反，当一个热力学体系处于非热平衡状态时，其中组成成分的运动速度、动量、能量的分布不由系统温度唯一决定，不满足确定的热力学定律而与整体是否参与匀速直线运动状态：运动速度的大小、方向有关系。这样其中的电磁属性、力学属性——介电常数、剪切模量等不再具有各向同性。因此，其中的光速、机械波的波速、库仑定律的力场强度等不具有各向同性。物理、化学等自然科学的原理、定理、定律虽然仍然成立，但不具有不变的形式。
这就促使我们从另一个角度审视我们已经发现的物理、化学等规律。因为在我们实验室环境中，各种介质几乎都处于热平衡状态。也就是说，我们总结出来的各种实验定律，基本上都是相对于一个处于热力学平衡状态的体系。因此，这就制约了这些定律的使用条件。这是我们以往没有意识到的。
例如，当水从塑胶软管中流动时，由流体力学的知识可知，水对侧壁的压强减小，从而塑胶软管在大气压的作用下变扁了，这是我们常见的事实。但是，当我们关上自来水的水龙头，这时水管中的水停止了运动，塑胶软管又恢复了原状。细心的人就会发现，这时水管中水的压强并不满足流体力学定律，因为，这时它仍伴随地球的自转、公转而运动着。伴随地球的自转速度约是400m/s、伴随地球的公转速度大约是30km/s，这些速度值都大于我们水管中水的流速。但是，客观的事实是，在这样高的运动速度下，它对水管侧壁的压强并没有减小，塑胶软管也没有像有水流过时那样被大气压强压扁。这是为什么哪？
也就是说，同样的运动产生了不同的结果。这提醒我们现有的理论是存在适用条件的。
还有，我们都很熟悉的阿基米德原理：浸在液体（气体）中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等与物体排开的液体受到的重力。
F浮=G排液=ρ液gV排
从本质上分析，浮力的产生是浸在液体（气体）中的物体，上下表面受到的压力差，如下图所示：
我们假设浸在液体中的物体是一个正方体，上下表面积分别是，S上=S下=S。上下表面在水中的深度是h1、h2，上下表面受到液体的压力、压强是F1、F2、P1、P2。
当液体静止时：
P1=ρ液gh1、P2=ρ液gh2
上下表面的压力差是：
ΔF=F2-F1
=Sρ液gh2-Sρ液gh1
=Sρ液g（h2-h1）
=Sρ液gΔh
ΔF=ρ液gV排
因此有：
F浮=G排液=ρ液gV排
这是在流体处于静止状态时，当液体运动时，由伯努利方程可知，此时流体对物体的压强将会发生变化，因此，原有的阿基米德原理不再适用。
我们后面推导出适合流动介质中的阿基米德原理：阿基米德-刘文旺原理：公式如下：
F浮=ρ液gV排+Sρ（v12- v22）/2（说明：v1平方、v2平方）
期中，下表面的流速是v2、上表面的流速是v1
从这里我们可以看出，当流体处于运动状态时，其对漂浮物体的浮力的大小与运动速度有关，随着流体运动速度的增加，漂浮在流体上的物体受到的浮力会减小。
这样，浸在流体中的物体受到的浮力不再是一个确定的数值，阿基米德原理不再成立。浮力与流体的运动速度的大小有关，随着流体运动速度的变化而变化。
当流体运动速度等于零后，带入上式我们发现，公式：
F浮=ρ液gV排+Sρ（v12- v22）/2（说明：v1平方、v2平方）
中Sρ（v12- v22）/2=0，上述公式自动转化为我们熟知的阿基米德原理形式。也就是说，阿基米德原理，是阿基米德-刘文旺原理的一个推论。
这一事实并没有引起我们足够的注意，在大海中航行的船舶、海中潜行的潜水艇没有问题，阿基米德原理仍是适用的。在河流中潜水工具受到的浮力也满足阿基米德原理。但是在河流中运行的船舶受到的浮力就不能再利用传统的阿基米德原理进行计算了，其受到的浮力与水流动的速度有关，随水的流速的增加而减小，具体数值可由上面的公式进行计算。
完全一样地，各种气体方程都是在实验室中，由处于静止状态的达到热平衡状态的气体，由实验得出来的。因此，他显然不适用于在我们实验室中处于流动状态的介质。但是，我们不能忘记，包括我们实验室在内的环境都在随地球的自转、公转而运动着。因此，虽然都是运动着，但会得到不同的结果。
还有，实验室中运动电荷拥有的感应磁场的强度由毕奥-萨伐尔定律描述，磁场强度与粒子相对于地面的运动速度一一对应，与地球环绕太阳的运动及伴随太阳在银河系中的运动无关。这体现了一个处于热力学平衡状态的体系，其中的粒子的能量经过彼此的碰撞与容器壁的碰撞达到热平衡状态后。粒子的运动速度、动量、能量等，都是相对于这个体系而言的。这时这个体系就可以作为一个牛顿意义下的描述粒子运动速度大小的一个绝对静止的惯性系。
综合这些事实，我提出了《动体物理学》的概念。这不完全是一个新的理论，只是一种对现有理论成立的条件提供了一个补充。这一概念的思想是，用来描述处于匀速直线运动状态，或近似匀速直线运动状态下的物理学规律的普适性。
在这里我们首先提出了《动体物理学》的核心思想：动态原理。之后，在此基础上举例说明了其在不同理论分支中，对相应的原理、定理、定律的制约作用。最后我们还针对处于热平衡状态体系的运动特征，具体分析了多普勒效应的本质、光的参照物问题、量子力学中的隧道效应本质。并借助于隧道效应的本质解释了长期困扰植物界的植物吸水问题。
特别是关于光的多普勒效应的解释，如果沿用爱因斯坦狭义相对论的解释，对于黑体辐射又会出现新的能量问题：背离黑体运动，黑体的能量趋于零；朝向黑体运动，黑体的能量会出现发散现象——新紫外灾难。这都与黑体拥有确定的能量相矛盾。直接违背能量守恒定律。当然，从这里我们也能看出狭义相对论对光的多普勒效应的解释是错误的。而此源于狭义相对论的运动的时钟变慢现象，因此，这体现了相对论本身错误的。
阅读: 16625
|
