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动体物理学（四）

2018/07/24   维加斯新闻报
刘文旺

    一、标准静止参照系
    存在静止的参考系、绝对运动、绝对静止吗？
    我们归纳一下前边分析过的问题：
    1、毕奥-萨伐尔定律中，运动的电荷拥有的磁场只与其相对于地球的运动速度有关。V=0就没有磁场，v≠0就有磁场。与地球的自转速度、环绕太阳的运动等无关这是为什么？V=0但是从太空中看，她仍处于高速——400m/s的速度运动，但就是没有磁场。
    复旦大学的朱永强等人在2009年做了一个运动电荷产生磁场的实验：让一个磁场检测仪同一个带电的电容板一同做匀速直线运动，结果是磁场检测仪检测出了相对于检测仪“静止”的电荷的磁场。并且，与带电电容板的磁场强度相对应的运动速度，只能是以地球为参照物的运动，而不能是以其他任何一个相对于地面运动的物体为参照物的运动。
这究竟是为了什么？
    2、水管中的水流动时压强变小，塑胶水管变扁。水停止流动后水管不变扁。但是，这时它仍在随地球的各种运动而运动呀。
    3、声波的速度具有各向同性，与地球的各种运动无关。
    4、帕斯卡定律中流体的压强具有各向同性，与地球的各种运动无关。
    5、阿基米德原理说，同一深度处，液体向各个方向的压强都相等，与地球的各种运动无关。
    6、菲索实验中运动的水中的光速发生变化，但是，静止在实验室中水中的光速是各向同性的，与地球的各种运动无关。
    7、我们知道，热传递的本质就是物体的组成粒子间的碰撞实现的，热传递的过程只与两者的温度差有关，与地球的各种运动无关。我们从来没有发现热传递的过程与两个接触的物体之间的空间位置有关。
    8、运动的物体会出现多普勒效应，但是，静止在实验室中的介质没有多普勒效应，只有各向同性的谱线加宽，与地球的各种运动无关。
    9、同样的电路，加同样的电压产生同样的电流。与地球的各种运动无关。按说，从外太空看，沿地球运动的方向，电荷运动的速度应该较大。但是我们并没有发现这一事实，这是为什么？
    10、在平抛运动中，同样的高度、同样的初速度向东与向西走出相等的距离，与地球的各种运动无关。
    11、实验室中静止介质中的光速，各有各向同性与地球的各种运动无关。
    12、同一物体以同样的速度，沿同样光滑的斜面上升同样的高度，完全由机械能守恒定律决定，与地球的各种运动无关。
    13、各种气体定律——克拉伯龙方程等的成立与地球的运动无关，尽管从太空中看，他存在向东的定向运动。
    14、在回旋加速器中，约束运动电荷的磁场只与电荷相对于地球的速度有关，与地球的各种运动无关。
    15、我们在匀速运动的动车组中没有感觉到气压变小。但此时其中的空气随列车高速运动着。此时，您手中的矿泉水瓶并没有因为列车的运动而变化
    这些现象说明了什么？
    达到热平衡状态的介质，为我们感知、描述这个世界的声波、光波提供了速度不变的舞台。因此，一方面，这些介质成为了这些波动速度的参照系——这就是为麦克斯韦方程组中光速提供了标准的参照物。因此，这便于我们描述物体的运动。另一方面，也使我们找到了现代物理中什么是绝对的静止、什么是绝对的运动。
    地球也在运动，这使我们很难找到绝对静止的参考系。于是为了描述物体的运动。牛顿定义了绝对的时间与空间。牛顿为了证明存在相对于绝对空间运动的存在，举出了著名的水桶实验：
    使一个盛有水的水桶旋转起来，当水桶开始旋转而水还未旋转时，水面与水桶静止时一样是平的；而当水同水桶一同旋转起来后，水面逐渐变成凹陷的曲面形状。而当水桶静止下来时，旋转的水面仍处于凹陷状态。这说明水面的凹陷与水桶的旋转没有关系，这是一种相对于某一绝对空间的绝对运动造成的。那么这一绝对空间是什么那？牛顿对此没有给出解释
    这一观点遭到了莱布尼茨、惠更斯、贝克莱、马赫登人的反对。这一反对浪潮一直延伸到爱因斯坦建立了相对论，诞生了相对时空观的今天。
    其实，爱因斯坦的时空观也没有具体解释水桶实验出现的现象。也就是说，所有这一切，都没有通过对水桶实验的否定，而实现对绝对时空观的否定。
    在这里我们给出解释。
    使盛水的水桶旋转起来，当水桶开始旋转而水还未旋转时，水分子处于热平衡状态，水分子的运动速度、动量、能量具有各向同性，不存在环绕水桶中心的定向旋转运动。没有离心力的存在，因此，水面与水桶静止时一样是平的；而当水同水桶一同旋转起来后，水分子在热运动的基础上叠加了绕水通中心的圆周运动，这一运动产生的离心力，使水分子沿水桶壁上升，因此，水面逐渐变成凹陷的曲面形状。而当水桶静止下来时，水还在旋转，离心力使其仍处于凹陷状态。这体现在，水面的凹陷程度与旋转速度的大小一一对应上。
    其实，不用旋转水桶，按住水桶使其处于静止状态（相对于地面），用木棒搅动水，使其转动起来，我们仍然会见到这一现象。
    达到热平衡状态的热力学系统，相对于这个体系内的粒子而言是一个独特的系统。可作为描述这个体系内物体运动的标准静止参照系。
    热平衡状态是一个魔咒。
    由前面的分析我们知道，一个热力学系统，无论在外力的作用下拥有怎样的加速过程、拥有怎样的运动速度。当外力消失后，体系粒子在开始做匀速运动的过程中，由于彼此间的碰撞、尤其是与容器壁的碰撞的存在，使得体系的粒子间的能量重新进行调整——彼此间交换能量，吸收、辐射光子能量，最后，当达到了热平衡状态后，这个体系的粒子的能量，相对于这个体系的空间而言，满足相应的统计规律：费米-狄拉克统计、波色-爱因斯坦统计或麦克斯韦-玻耳兹曼统计。这时，原来的定向运动，经粒子之间的频繁碰撞转化为无序的各向同性的热运动了，与定向运动相伴的动能的一部分转化为热能，使体系的温度升高；还有一部分，转化为向外辐射能。当达到热平衡状态时，粒子运动速度、动量、能量的分布满足确定的统计规律，这一点非常重要。此时，在粒子体系内部粒子的速度、动量、能量相对于这个体系或者说相对于容器壁的分布各向同性。
    也就是说，一个热力学系统，其热力学状态只由温度决定，与具体的建立过程没有关系。，相对于这个处于热平衡状态的热力学体系而言，其运动速度具有绝对性。运动速度大的拥有的动量、能量大，若带有电荷则拥有的感应磁场强度大；运动速度小的拥有的动量、能量小，若带有电荷则拥有的感应磁场强度小。运动速度等于零的，不用拥动量、动能、感应磁场。拥有电荷的粒子拥有的磁场，满足毕奥-萨伐尔定律。与此时拥有的整体匀速运动状态无关。
    这时，体系内的粒子拥有的能、运动速度都是相对于这个处于热平衡状态体系而言的。这样，这个体系就具有了“绝对静止”的特征，具有了绝对静止参照系的特征。粒子的运动速度、动量、能量都是相对于这个体系而言的。因此，这时这个体系就成了一个物理上苦苦寻找的绝对静止的参照物，或说一个描述物体运动状态的绝对静止的坐标系。
    二、绝对运动与绝对静止
前面我们分析了，处于热平衡状态的体系中的粒子，相对于这个体系而言的运动就是一种绝对运动、静止就是一种绝对静止。
    达到热平衡状态的体系充满神奇：
    一群固定在一辆车里的带电粒子，拥有电量Q随车一同运动后，同时拥有定向运动的速度v及拥有符合毕奥-萨伐尔定律的磁场。但是，当彼此从车上脱落下来后，彼此间的碰撞使其使其粒子拥有的运动速度发生变化，从速度等于零到拥有很大运动速度的粒子都有。在没有脱落下来之前，彼此拥有的能量会在车停下来时，转化为相同频率的电磁辐射。但是，当彼此从车上脱落下来后，会转化为不同频率的辐射。此时，从外边的观测者看，问题出现了。粒子内部运动的无序性，使其拥有的宏观磁场消失了。成为有运动速度、有电荷而无磁场的系统。从微观上看，这是显然的，符合物理原理——彼此间的碰撞使运动速度具有各向同性，原单个粒子拥有的磁场彼此叠加，使得整体磁场为零。这就如同非铁磁性金属中的自由电子处于运动之中，单个电子拥有磁场但彼此磁场的叠加为零，使金属对外不显磁性。但是从外边的观测者看，这个运动的带电体没有磁场是无法接受的。
    这一点体现在如下的事实中：普通电流的磁场很小，这是因为，普通导体中的电荷主要处于无序的热运动之中，速度可达105m/s，而参与产生电流的电荷的平均定向运动速度只有约10-4m/s。这样单个粒子运动磁场的叠加基本上都互相抵消了。而超导电流拥有极强的磁场。其中电荷的运动是同向的运动，彼此间的碰撞很小，这体现在超导电流没有热效应上。
    地球表面上一块石头带有电荷Q，由于其处于静止状态，因此，没有磁场。但是从地球外边的参考系中看，这块石头在随地球的运动而运动。为什么不拥有磁场？物理定律在所有的参照系中都是成立的？！
尤其是当地球突然停止运转后，这块石头会飞出去，此时其仍保持原有的速度不变（从太空中看），但是它没有磁场？！
    地球上的这块石头，经历了地球建立之初的热平衡过程，最初的旋转动能部分转化为辐射能，部分转化为内能了。
相对于达到热平衡状态的体系的运动，就是一种绝对的运动状态；相对于达到热平衡状态的体系的静止，就是一种绝对的静止状态。
    这一点充分体现在，相对于这一体系静止的电荷没有感应磁场。在毕奥-萨伐尔定律中，速度与感应磁场存在一一对应关系上。
    我们分析如下：
    按现有的天体演化理论可知，我们的地球同其他所有的天体一样，曾经是一片尘埃云，经引力收缩而产生。虽然存在自转、公转及环绕银河系的转动等诸多的运动。但随着组成地球的粒子间频繁碰撞的存在，使得这个体系在漫长的数十亿年的演化过程中，无论是处于自由运动的气体阶段，还是处于完全的熔化状态过程的液体阶段，其组成粒子——分子或原子，经过彼此的碰撞，逐渐进入到了近似的热平衡状态（由于离心力、万有引力的存在，使这一体系的热平衡状态并不是完美的，只能是近似的，但这一切都很小，可略去不计）。体内的粒子运动的速度、动量、能量重新进行了再分配。使其能量满足确定的统计规律。
    此时，静止在地面上的电荷不具有磁场。由毕奥-萨伐尔定律可知，其运动速度等于零。这体现了地面具有绝对静止参考系的特征。同样的原因，宇宙中所有的天体都同地球一样可以作为一个描述物体运动的绝对静止参考系。这就是在月球上宇航员实验证明力学定律在月球环境中成立的原因。
    这一点在大气的运动中近似地体现出来——大气具有确定的声速、光速数值。
    虽然达到热平衡状态时体系中的粒子，可能不具有运动速度等于零的粒子存在。但是，相对于这个体系静止的外在的一切物体则处于不具有运动速度、动量与能量状态。因此处于绝对的静止状态，而相对于这个体系运动的粒子、物体就用有了速度、动量与动能，就处于绝对的运动状态了。尤其是当这个体系由于温度的降低而进入到固体状态后。
因此，相对于地球静止的粒子就处于绝对的静止状态，想对于地球运动的粒子或物体就处于绝对的运动状态。
    这就产生了如下的观测事实：在我们实验室中或自然界中静止的电荷不具有感应磁场，而运动的电荷具有感应电磁场，而且其拥有的磁场强度，与相对于地面的运动速度一一对应——毕奥-萨伐尔定律告诉我们的事实：dB=μ0qv×r/4πr2。我们知道，电荷的感应磁场，是由外力对电荷做功转化来的电磁能。因此，由能量守恒定律可知，这是一个绝对的数值。因此，是否拥有感应电磁场与其是否拥有绝对的运动一一对应。
    此时，出现在公式中的速度v是一种绝对的运动速度。而此速度数值正是我们在实验室中以地球为参照系得到的。
还有，地球上的三种宇宙速度都是以地面为参照物的，若从太空中看，就会发现，卫星向东的运动速度大于向西的运动速度。因此，向东的离心力大于向西的离心力。因此，卫星的环绕运动应该是椭圆运动。并且，在空间的不同点看，有不同的东-西之分，从而椭圆运动是随机变化的，而此不是事实。
    在伽利略阐述相对性原理的大船上，之所以能得出无法经过物理实验检验船是否在运动，就是因为，按我们生活的常识，这时匀速运动船中的空气、水等各种介质组成粒子处于热平衡状态，因此，我们没有发现、其中的声速、光速有任何变化的结果。这也是在我们实验室及大自然中的各种介质，传播的机械波的运动速度以及传递的光的运动速度等具有不变性的原因。而此正是M-M实验告诉我们的事实。
    此外，由上面的分析可知，带电粒子团能确定伽利略的船是否在运动，并能通过其拥有的磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定律计算出这一船的运动速度。
    反过来，从我们上面关于绝对静止与绝对运功的观点出发，可以推出在我们实验室及大自然中的各种介质，传播的机械波的运动速度以及传递的光的运动速度等都与地球的运动无关。这样就从本质上解决了M-M实验。从而彻底否定了光速不变原理，也就彻底否定了爱因斯坦的相对论——狭义相对论和广义相对论。
    这样我们就可以得到如下的结论：
    在一个达到热平衡状态的热力学体系内，相对于这个达到热平衡状态的热力学体系静止的空间，就是一个物理意义上的绝对静止的空间；相对于它的运动，就是一种物理意义上的绝对的运动、相对于它的静止，就是一种绝对的静止状态。这样，达到热平衡状态的热力学体系，就可以为描述该系统内的粒子的运动，提供了一个牛顿意义下的绝对静止参考系了。这是粒子彼此间及与器壁的碰撞过程中，体系粒子速度、能量重新分配的结果。
    在任何一个相对独立的系统，只要有足够的时间，其中粒子的运动很快就会进入到不同程度的热力学平衡状态。这时，这个系统就成为描述这一体系内粒子运动的绝对静止参考系。例如，在空间站中，其中的粒子运动早就达到了近似的热平衡状态，因此，物理定律、定律、公理都是成立的，公式具有不变的形式。这是在空间站中发现的实验事实。
    地球（其他天体上亦然）就成为一个描述物体运动的绝对静止的参考系。在我们实验室中静止的电荷不具有感应磁场，而运动的电荷具有感应电磁场，且满足毕奥-萨伐尔定律：dB=μ0qv×r/4πr2，磁场与运动速度一一对应。这一事实的存在，证明了上述观点的正确性。反之，这一观点也解释了为什么毕奥-萨伐尔定律中决定磁场强弱的速度是相对于地球的运动速度（朱永强等人在2009年发现）。
    在牛顿的水桶实验中，当水桶中的水静止时，实际上指的就是相对于地球的静止状态，因此，这时水的整体（而不是其组成成分中的单个水分子）处于一个绝对的静止状态，因此，没有出现水面的凹陷现象；相反，当其随水桶旋转起来后，所有的水分子就有了相对于地球的绝对运动，从而产生了在离心力作用下的离心运动，造成了水面的凹陷。

   
 
    朱永强等人的实验结果中，电容板电荷磁场满足奥-萨伐尔定律：
      dB=μ0qv×r/4πr2
    这里磁场强度B与以地面为参考系的运动速度v一一对应。这就证明了上述分析的正确性。这体现的就是运动的绝对性。
    这一点还充分体现在如下的事实中：
    1、在我们熟知的菲索实验中，当水以地面为参照物运动时，沿水运动的方向光速增加，沿水运动的反方向光速减小。
    2、在回旋加速器里，带电粒子的运动速度也是以地面上的实验室为参照物的。
    3、罗默测定光速。罗默从木蚀现象得出光速有限，并计算出光速。经演算过程还原发现，必须承认地球的运动与光的运动符合伽利略变换。用光速不变是无法演算木蚀现象的光速。
    4、双波源拍频实验。双波源拍频实验是测量单程光速的实验，该实验衍生出来的思想实验证明了从优参考系存在，光速可变。
    当然，我们这里并不是说，这个处于热平衡状态的热力学系统处于一个绝对静止的状态。而是说，处于热力学平衡状态的系统，可以为我们描述这个体系内物体的运动，提供一个可靠的静态标准。在这个基础上，相对于一个达到热平衡状态的热力学体系静止的空间，就是一个绝对静止的空间；相对于一个达到热平衡状态的热力学体系的运动状态，就是一种绝对的运动状态、相对于一个达到热平衡状态的热力学体系的静止状态，就是一种绝对的静止状态。
需要指明的是，处于热平衡状态的热力学系统本身的运动状态，与其提供的参考系中其他物体的运动状态不是一回事！
    相对于一个处于热平衡状态的参考系的运动是一种绝对的运动，相对于一个处于热平衡状态的参考系的静止是一种绝对的静止。这样，我们就能解释本部分开始的疑问了：
    1、地球可以作为一个绝对静止的参考系，因此，毕奥-萨伐尔定律中，运动的电荷拥有的磁场只与其相对于地球的运动速度有关。V=0就没有磁场，v≠0就有磁场。与地球的自转速度、环绕太阳的运动等无关这是运动的绝对性。
让一个磁场检测仪同一个带电的电容板一同做匀速直线运动，结果是磁场检测仪检测出了相对于检测仪“静止”的电荷的磁场。并且，与带电电容板的磁场强度相对应的运动速度，只能是以地球为参照物的运动，而不能是以其他任何一个相对于地面运动的物体为参照物的运动。
    2、水管中的水流动时压强变小，塑胶水管变扁。水停止流动后水管不扁。虽然这时它仍在随地球的各种运动而运动，但是已经经过碰撞过程使其进入到了热平衡状态。
    3、声波的速度具有各向同性，与地球的各种运动无关。是因为，他的组成粒子处于热平衡状态。
    4、帕斯卡定律中流体的压强具有各向同性，与地球的各种运动无关。这是我们刹车时，不会因为运动方向的不同，而产生不同的刹车效果。是因为，他的组成粒子处于热平衡状态。
    5、阿基米德原理说，同一深度处，液体向各个方向的压强都相等，与地球的各种运动无关。是因为，他的组成粒子处于热平衡状态。
    6、菲索实验中运动的水中的光速发生变化，但是，静止在实验室中水中的光速是各向同性的，与地球的各种运动无关。这是因为前者组成粒子具有定向运动，没有进入到热平衡状态，而后者的组成粒子已经进入到热平衡状态。
    7、我们知道，热传递的本质就是物体的组成粒子间的碰撞实现的，热传递的过程只与两者的温度差有关，与地球的各种运动无关。我们从来没有发现热传递的过程与两个接触的物体之间的空间位置有关。这是因为，他的组成粒子处于热平衡状态。
    8、运动的物体会出现多普勒效应，但是，静止在实验室中的介质没有多普勒效应，只有各向同性的谱线加宽，与地球的各种运动无关。这是因为，他的组成粒子处于热平衡状态。
单粒子运动产生多普勒的叠加产生了各向同性的谱线加宽现象。
    9、同样的电路，加同样的电压产生同样的电流。与地球的各种运动无关。这是因为，他的组成粒子处于热平衡状态。
    10、在平抛运动中，同样的高度、同样的初速度向东与向西走出相等的距离，与地球的各种运动无关。这是因为，地球是一个标准的静止参照系。
    11、实验室中静止介质中的光速，各有各向同性与地球的各种运动无关。他的组成粒子处于热平衡状态。
    12、同一物体以同样的速度，沿同样光滑的斜面上升同样的高度，完全由机械能守恒定律决定，与地球的各种运动无关。这是因为，他的运动是一种绝对的运动，拥有的动能、动量是一个绝对的数值，由能量守恒定律可知上升的高度当然与地球的自转没有关系。
    13、各种气体定律——克拉伯龙方程等的成立与地球的运动无关，这是因为其组成粒子已经经过碰撞过程使其进入到了热平衡状态。
    14、在回旋加速器中，约束运动电荷的磁场只与电荷相对于地球的速度有关，与地球的各种运动无关。这是因为粒子的运动是一种绝对的运动，因此产生同样的离心运动。
    15、我们在匀速运动的动车组中没有感觉到气压变小。但此时其中的空气随列车高速运动着。 我们手中的矿泉水瓶并没有因为列车的运动而变化。这是因为其中的水分子、气体分子进入到了热平衡状态，拥有的动量具有各向同性。
一个封闭的系统在随流体一同运动的时候。其内部的折射率、剪切模量等与运动流体不同。拥有不同的数值。例如在流动的水中有一个封闭的装满水的瓶子。那么这个瓶子的存在会使得其中介质处于热平衡状态。具有各项同性的折射率与流动的水不同。
    这就是处于热力学平衡态的介质拥有奇怪的性质的体现。没有绝对的空间，但有绝对静止的参考系，及在这一参考下的绝对静止与绝对运动。这就是牛顿一一下的绝对静止运动及绝对静止而参考系。这是因为，在这个体系中的组成粒子在与器壁彼此之间的碰撞的过程中，逐渐重新分配了系统的能量，使其具有各向同性。
举一个简单的粒子。
    我们的地球本身在自转400m/s、环绕太阳公转30km/s、跟随太阳一起绕银河系转250km/s等。但是在我们实验室中，动能为E=mv2/2、动量为P=mv中的运动速度只是相对于我们地球的数值，与上述运动无关。