|
二、《动体物理学》
我们知道的物理规律例如库伦定律等，多是在静态的实验室环境下总结出来的，尤其是涉及到介质的流体力学、光学、声学、热学、电磁学中与介质有关的知识。这里的介质多处于热平衡状态，离开了这样的状态，物理规律还成立吗？
为此，我们提出动态原理：
动态原理：在任意的参考系中，所有物理、化学的原理、定理、定律都是成立的，但拥有的形式可能是不同的。在系统达到热平衡状态时，所有与介质有关的物理、化学的原理、定理、定律的成立，与自身是否做匀速直线运动及运动速度的大小、方向无关。所有物理、化学的原理、定理、定律在不同的参考系中拥有相同的形式；在系统未达到热平衡状态时，与热平衡状态无关的物理、化学的原理、定理、定律在不同的参考系中仍然成立，但方程形式会发生变化，物理参数发生的变化与运动的方向、速度大小、外力场方向和强度等有关；与热平衡状态有关的物理、化学的原理、定理、定律不再成立。
下面我们分学科简单举例说明一下：
（一）、动态原理在力学中的应用
1、当传递机械波的介质处于热平衡状态时，机械波的波速与介质的匀速直线运动状态无关；当传递机械波的介质处于非热平衡状态时，机械波的波速与介质的运动速度、方向有关，沿介质运动的方向和反方向波速大小发生变化。
例如，在高铁或匀速飞行的飞机上，我们应用声波传递声音进行交谈时，声音的速度与高铁、飞机的运动状态无关具有各向同性。而且，声音的传递速度值与飞机飞行的方向、飞行的速度大小没有关系。
这样，即使我们处于超音速运动的客机上，我们借声音交谈的效果也没有变化，并不存在声音不能沿飞机运动的方向传递的问题。
这是因为，达到热平衡状态的体系，电磁属性各向同性。因此，剪切模量等也各向同性。因此，机械波的运动与其是否拥有匀速直线运动无关。
我们都知道，各种介质都拥有确定的声速。而且这一声波的运动速度具有各向同性。但是，我们知道在菲索实验中，光沿不同方向的传播速度不具有各向同性，由于介质传递声波的剪切模量等与介质的介电常数等有关。光速不具有各向同性那么剪切模量等也不应该具有各向同性。但是，为什么我们熟悉的各种传播振动的声波具有各项同性哪？各种介质随地球的自公转运动的速度远大于菲索实验中谁运动的速度呀。
其实，这是系统达到了热平衡状态的结果。
2、当体系达到热平衡状态时，流体力学的原理、定理、定律的形式与流体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，流体力学的原理、定理、定律的形式与流体的运动状态有关，不具有各向同性。
例如：当体系达到热平衡状态时，流体的压强与流体密度深度有关，同种流体的压强随流体深度的增加而增大，但在同一深度处，流体向各个方向的压强都相等；当体系未达到热平衡状态时，流体的压强与流体密度深度、运动状态有关，同种流体的压强随流体深度的增加而增大，随运动速度的增加而减小，不具有各向同性。
在初中我们学过的液体压强：P=ρgh；浮力：F浮=ρghS=ρgV排（阿基米德原理）。
我们总说这是静体压强公式。其实，我们就是没有意识到静止的液体——如容器中静止的水，其实，连同我们的这个容器、实验室在内，都在随地球的自传、公转而运动着。而进入到流动的状态后，压强会发生变化。
下面我们退到理想流体（没有粘滞性等）运动时的压强
由伯努利方程：
ρv2/2+ρgh+P=C (说明：v平方） （甲）
可知，当流体静止时v=0代入上式得：
ρgh+P=C，
则，P=C-ρgh （乙）
我们知道，静止的流体内部的压强公式是：P=ρgh，
代入（乙）式有：
C=2ρgh （丙）
再代入（甲）式有：
P=C-ρgh-ρv2/2(说明：v平方）
=2ρgh-ρgh-ρv2/2(说明：v平方）
=ρgh-ρv2/2(说明：v平方）
即当流体运动时，流体的压强满足如下规律：
压强：P=ρgh-ρv2/2(说明：v平方）
而且，我们找到了伯努利方程：ρv2/2+ρgh+P=C的常数C的数值(说明：v平方），及其物理意义。它就是流体静止时，流体某深度处压强的2倍：C=2ρgh。它正比于流体的密度和深度。只有流体的密度和深度确定时才是一个常数。
4、当体系达到热平衡状态时，各种气态方程——如克拉伯龙方程、波义尔定律、查理-盖•吕萨克定律的形式与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，各种气态方程——如克拉伯龙方程、波义尔定律、查理-盖•吕萨克定律不具成立。
如在我们实验室中，气体满足PV=nRT，但是，连同我们的这个容器在内，都在随地球的自传、公转而运动着。
波义尔定律：当T一定时，体积与压强成反比，即V∝1/P
查理-盖•吕萨克定律：当P一定时，体积与温度成正比,即V∝T
前面我们分析过，若存在相对论的多普勒效应及运动尺缩现象，
为若保证克拉伯龙方程成立，则应该修改一下这个常数R。由于观测到的P、T都没有发生变化，运动起来后这个常数变为R、则有：静止时P=nRT/V，运动起来后P=nR、T/ V‘=nR、T/V[1-（v/c）2]1/2
P不变则有：nRT/V=nR、T/V[1-（v/c）2]1/2
所以，R=R、/[1-（v/c）2]1/2
R’=R[1-（v/c）2]1/2,因此，一个运动的热力学系统的R常数是一个变化的数值，而此与我们知道的事实相矛盾。这是因为，我们没有发现不同纬度的国家的实验室中，由于随地球的自转速度的不同而造成R的不同。
有了动态原理在，就不会出现这一问题了。
5、当体系达到热平衡状态时，阿基米德原理的形式，与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，阿基米德原理的形式，与其是否拥有的整体运动状态有关，不具有各向同性。
阿基米德原理实际上是，流体的压强随深度的增加而增大的结果。因此，这一问题实际上就是前面我们描述过的第3中的问题。
由前面的推导可知：当流体运动时，其某一深度的压强满足：
P=ρgh-ρv2/2(说明：v平方）
这就产生了一个问题，我们知道，浸在流体中的物体受到的向上的浮力，就是流体的压强对物体上下表面的压力差产生的。运动的流体的压强的减小会使物体受到的浮力减小。这样，阿基米德原理就不再成立了。
那么他应该是怎样的形式那？
我们都很熟悉阿基米德原理：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
当物体浸没在流体中时，若流体运动速度不等，假设下表面的流速是v2上表面的流速是v1，（存在湍流等不稳定流动时，需要积分解决）则上下表面的压力差为：
F浮
=F下-F上
=【（ρgh2-ρv22/2）-（ρgh1-ρv12/2）】S（说明：v1平方、v2平方）
=【ρg（h2- h1）+ρ（v12-v22）/2】S（说明：v1平方、v2平方）
=ρ液gV排+Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）
即浮力公式为：
F浮=ρ液gV排+Sρ（v12- v22）/2 （说明：v1平方、v2平方） （1）
当流体匀速流动时、上下表面的压强等大小减小。由于v1= v2此时上式中Sρ（v12- v22）/2=0（说明：v1平方、v2平方）
因此，浮力的公式不变，仍满足F浮=G排液=ρ液gV排 （2）
但是，当物体漂浮时，上表面没有液体的压强存在，因此，浮力变为：
F浮=F下-F下=F下=（ρgh-ρv2/2）S（说明：v平方）
即，
F浮
=（ρgh-ρv2/2）S (说明：v平方）
=ρ液gV排-Sρv2/2 (说明：v平方） （3）
因此，当体系未达到热平衡状态而处于运动状态时，阿基米德原理的形式会发生变化。
当v=0时，公式（2）、（3）转化为我们熟知的阿基米德公式。阿基米德公式是公式（1）的一个特例。这样我们得到一个更具普适性的广义阿基米德原理：
它有两种描述：
阿基米德-刘文旺原理1：
浸在流体中的物体，受到向上的浮力。浮力的大小与流体的状态有关：浸没在未处于热平衡状态的、运动的流体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的流体受到的重力加上Sρ（v12- v22）/2(说明：v平方）；漂浮在未处于热平衡状态的、运动的流体中的物体，受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的流体受到的重力减去S（ρv2/2）(说明：v平方）；当流体处于热平衡状态时，浮力的大小等于物体排开的流体受到的重力。
阿基米德-刘文旺-原理2：
浸在流体中的物体，受到向上的浮力。浮力的大小与流体的运动状态有关：浸没在运动的流体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的流体受到的重力加上Sρ（v12- v22）/2（说明：v1平方、v2平方）；漂浮在运动的流体中的物体，受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的流体受到的重力减去Sρv2/2(说明：v平方）；当流体静止时，浮力的大小等于物体排开的流体受到的重力。
广义阿基米德原理分析：
A、当v1＜v2时，Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）是负值，这时物体受到的浮力小于按经典意义下的阿基米德原理计算出的浮力：当ρ液gV排=Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）时，物体实际上不受浮力；当ρ液gV排＜Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）时，物体受到向下“浮力”。浮力变成下沉力。
B、v1>v2时，Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）是正值，这时物体受到的浮力大于按经典意义下的阿基米德原理计算出的浮力。
C、v1=v2时，Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）是零，这时物体受到的浮力等于按经典意义下的阿基米德原理即算数的浮力。此时，浮力的大小与流体的运动速度无关。
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。因为这里的水分子处于热平衡状态，与地球的运动无关。在河流中潜水工具受到的浮力也近似满足阿基米德原理。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（3）公式进行计算（应该据此修改中学物理教科书相关内容）。而且，我们找到了由伯努利方程：ρv2/2+ρgh+P=C（说明：v平方、）的常数C的数值，及其物理意义，它就是流体静止时，流体某深度处压强的2倍：C=2ρgh。正比于流体的密度和深度。只有流体的密度和深度确定时才是一个常数。
值得指出的是，当潜水艇在浅海的海底行进时可能会遇到问题。这是因为在海底时常会出现潜流，当潜水艇遇到潜流时，其上方的水的流速小或者为零，下边的水流速很快。这样，由公式（1）可知：F浮=ρ液gV排+Sρ（v12- v22）/2 （说明：v1平方、v2平方） 中Sρ（v12-v22）/2（说明：v1平方、v2平方）是负值，因此，潜水艇会失去浮力而迅速下沉，这是很危险的。
因此，广义阿基米德原理是有科学家值的、是很重要的。应该引入我们的教材中，并引起我们足够的注意。
从分子运动的角度也可以看出这一点，压强就是组成粒子对容器壁的碰撞产生的。当流体有定向运动时，组成粒子的动量沿运动方向增加，对垂直方向的容器壁的碰撞减弱，因此，压强减小，作用力减小。这样，对漂浮物体的压力——浮力减小。
应用举例：
（1）、船到桥头自然直；
我们都知道，船到桥头自然直这是因为桥墩的存在减缓了水的流速。这样船驶过桥的时候，其向桥墩的一侧，流速慢压强大；背向桥墩的一侧，流速快压强小，船就会受到一个远离桥墩的压力。这是一种“横向浮力”的例证。
还有，船在河里靠岸的时候，由于距离岸边越近水的流速越小，越向河中心水的流速越大。因此，当我们离开河水上岸时，背离河岸的一侧，流速快压强小；河岸的一侧，流速慢压强大，船就会受到一个远离岸边的力。
（2）、有一种挂钩就是依靠大气压强的作用工作的。但是，当环境存在较大的气流时。大气对挂钩的压强就会减小。挂钩可能就会脱落。
6、当体系达到热平衡状态时，帕斯卡定律的形式，与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，帕斯卡定律的形式，与其是否拥有整体的运动状态有关，不具有各向同性。
这充分体现了当达到热平衡状态时，热力学系统的组成原子或分子的运动速度、动量、能量的分布具有各向同性。因为压强的产生是组成体系的原子或分子与容器壁交换动量过程产生的。这一点在前面关于M-M实验的分析中已经见到。
压强的产生是组成体系的原子或分子与容器壁交换动量过程产生的。而达到热平衡状态的体系的压强具有各向同性说明，组成该体系的原子或分子的运动速度、动量、能量的分布具有各向同性。这显然不符合伽利略的速度叠加原理。因为这些介质的组成粒子——原子或分子都在伴随地球的自转、公转而运动着。这体现了绝对参考系的存在，这体现了运动与静止的绝对性的存在。
7、当体系达到热平衡状态时，道尔顿分压定律的成立，与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，道尔顿分压定律的仍成立，公式形式与其是否拥有整体的运动状态有关，不具有各向同性。
（二）、动态原理在热学、量子力学中的应用
当体系达到热平衡状态时，热力学原理、定理、定律的成立，公式形式与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，与平衡状态有关的热力学原理、定理、定律不成立。
1、当体系达到热平衡状态时，各种统计规律的形式，与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，各种统计规律不再成立。
如，按粒子的自旋量子数，粒子可被分为自旋半整数的费米子和自旋为整数的玻色子。在热力学体系中，它们遵守不同的统计规律。
在一个费米子组成的热力学体系，当体系达到热平衡状态时，不同频率成分的能量分布满足如下公式：
ρ（νT）=(8πhν3)/c3[1/ehν/kt+1]
在一个玻色子组成的热力学体系，当体系达到热平衡状态时，不同频率的能量分布满足如下公式：
ρ（νT）=(8πhν3)/c3[1/ehν/kt-1]
在宏观近似的情况下，一个由原子、分子组成的粒子体系，当达到热平衡状态后，原子或分子的速率分布满足麦克斯韦-波尔兹曼速率分布：
dWv=4π(m/2πkT)3/2e- mv2/2kTv2dv
(注意，左边公式中e的指数中为mv2,电脑无法打出)。
因此，在不同的速度或能量状态的粒子数，由粒子的品质、系统温度决定。m一定粒子的速率或能量分布概率由温度唯一决定。这一分布状态与建立的过程，初始条件没有关系。
这些统计规律的成立，与其拥有的整体匀速直线运动状态无关。这一规律不会出现相对论中所说的，因不同速度运动观测者的多普勒效应不同而发生的变化。
2、当体系达到热平衡状态时，泡利不相容原理、轨道能量的量子化等的形式，与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关。能级的状态由环境温度决定；当体系未达到热平衡状态时，泡利不相容原理仍然成立，但轨道能量的量子化等的形式，与其是否拥有整体的运动状态有关。能级的状态由环境温度、运动状态决定，不具有各向同性。
3、当介质处于热平衡状态时，斯特藩-玻耳兹曼定律、威恩位移律的形式与介质的匀速直线运动状态无关；当传递电磁波的介质未处于热平衡状态时，斯特藩-玻耳兹曼定律、威恩位移律不成立。
当传递电磁波的介质处于热平衡状态时，
J=σT4
其中σ=5.669×108m-2s-1K-4
λmaxT=2.898×10-3mK
在黑体辐射公式产生之初，出现了著名的紫外灾难现象。后来有了普朗克公式后，问题得到了解决。并最终催生了量子力学的诞生。
但是我认为这个问题仍没有解决。
我们再分析如下：
对于任何一个黑体而言，一方面，它辐射的能量分布满足前边的三个公式；另一方面，它拥有的能量应该是确定的。但是，现有一个观测者相对于它处于运动状态。若真的存在相对论的多普勒效应，则对于一个确定的黑体而言，按现有的多普勒效应则，一方面，其辐射的频率会向紫端移动，从而由威恩位移定律λmaxT=2.898×10-3mK可知，此时它的温度会在增加，另一方面，由斯特藩-玻耳兹曼定律J=σT4可知，其辐射的能量会无端增加。一方面，不同的运动速度，会得到不同的辐射能量；另一方面，当观测者以极高的速度运动时，其辐射的能量又会出现发散现象。
这一问题怎么解决？
实际上，这体现了现有的多普勒效应的错误。体现了相对论的错误。
当光源不动，而观测者运动时，按照我的多普勒效应观点，多普勒效应的产生是轨道电子能量绝对变化的结果造成的。而与观测者的运动状态无关。因此，对于任何一个运动的观测者而言。对于确定的辐射源来说，光子的频率是不变的，即其辐射的公式：ρ（νT）=(8πhν3)/c3[1/ehν/kt-1]不发生变化，变化的是你接收到的光子数发生了变化，并不引起视觉上的光的颜色的变化，只能引起亮度的变化；若是做光电效应实验，得到的不是光电子的能量的增加，而是光电流强度增加。
也就是说，在一个处于热平衡状态的独立发光、发热的体系，其辐射不会发生与其运动相关的多普勒效应。这体现在太阳上就是，由于热运动的存在，使其定向自转的多普勒效应减弱，从而造成我们通过多普勒效应观测到的太阳自转，比通过观测太阳黑子的运动观测到的太阳自转慢上。当我们向这一处于热平衡状态的体系运动时，观测到的频率的变化，是我们本身的轨道电子能量发生变化造成的。而不是热源辐射出的光子的频率发生了变化。不然就会与能量守恒直接矛盾，也会产生相应热源辐射能量出现发散现象。
由我们关于多普勒效应、光速的变化的分析（见“光速不变的诠释”）可知，当我们向光源运动时，就如同在菲索实验中向前运动的水一样，沿运动方向，轨道电子能量增加，这时吸收稍微比平时小的能量就可以实现能级跃迁，这时我们说光源的能量增加了——光谱紫移；我们背离光源方向运动时，轨道电子能量减小，这时吸稍微比平时大的能量才能可以实现能级跃迁。这时我们说光源的能量减小了——光谱红移。
从这一点体现出动态原理的必要性。这一规律也不会出现相对论中所说的，因不同速度运动观测者，存在不同的多普勒效应而发生的变化。
这样，就不会出现对不同的观测者，黑体等观测物件有不同的温度、有不同的辐射能量问题了。也就不出现能量的再次发散问题了。
这也体现在上边分析过的光的干涉、衍射、折射现象中。
（1）如下图所示：
在地面上的坐标系内做光的折射实验，如上图所示，在光线的射出方向做一个直角三角形。两个直角边分别长a、b折射角为θ假定其数值是300其正切为tgθ=b/a。
若真的存在由于观测者的运动造成的光多普勒效应，则在一个实验室中，当我们沿光子入射方向反方向运动观测时，光子会发生多普勒紫移，频率增加，由于折射率是光子频率的函数：n2=1+4πNe2/m（ω02-ω2-iγω），因此，光子能量增加ω增大，因此折射率降低；当我们沿光子入射方向运动观测时，光子会发生多普勒红移，频率降低；光子能量减小ω降低，因此折射率增加。但是，在具体的实验环境中，折射角、入射角是不变的。这样，实验测得的折射率是不变的。
这就会出现不可调和的矛盾。
（2）、假设在某一惯性系中由于光子能量较低而没有发生光电效应，此时，验电器指标处于零电位的位置；这时有一个观测者迎著光子高速运动，若光子的能量真的由于发生了多普勒效应而能量增加，则在其以适当的速度运动时，应该能见到光电效应的发生。但是，验电器的指标的位置不会由于观测者的运动而改变。
4、当体系达到热平衡状态时，夏忒列原理的形式，与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，夏忒列原理的形式，与其是否拥有整体的运动状态有关，不具有各向同性。
如体系达到热平衡状态时，当化学反应平衡态的某一因素发生变化后，化学反应向抵消这一变化的方向进行。相应的规律公式与体系的匀速运动状态无关。
5、当体系达到热平衡状态时，各种元素的能级跃迁情况、与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关。只由环境的温度决定；各种元素的特征光谱与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，各种元素的能级跃迁情况、与其是否拥有整体的运动状态有关。由环境的温度、运动状态决定；各种元素的特征光谱与其是否拥有整体的运动状态有关。这就是多普勒效应产生的原因。
6、当体系达到热平衡状态时，隧道效应的结果、与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，隧道效应的发生与其是否拥有整体的运动状态有关，不具有各向同性。
7、当体系达到热平衡状态时，各种热力学定律——克拉伯龙方程、盖吕-萨克定律、查理定律等都是成立的、与其是否拥有整体的匀速直线运动状态无关；当体系未达到热平衡状态时，各种热力学定律——克拉伯龙方程、盖吕-萨克定律、查理定律等都是不成立的，与其是否拥有整体的运动状态有关，不具有各向同性。
阅读: 16718
|
