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動體物理學(一)

2018/07/24   維加斯新聞報
劉文旺

    摘要:本文提出《動體物理學》概念,他的核心是動態原理。在此基礎上闡述了現代物理、化學原理、定理、定律的適用條件。分析了在熱平衡狀態下的靜止參考系、絕對運動與絕對靜止等問題。同時,重新審視了相對性原理。在應用中推導出了阿基米德-劉文旺原理(希望能寫進教科書),當流體處於靜止狀態時,阿基米德-劉文旺原理過渡到經典的阿基米德原理。此外,還給出了量子力學中的隧道效應的解釋等。

    關鍵字:動體物理學、動態原理、熱平衡狀態、絕對運動、絕對靜止、絕對靜止參考系、阿基米德-劉文旺原理、薩格納克效應( Sagnac Effect)、隧道效應、多普勒效應、光的參照系等。

    一、《動體物理學》的誕生
   (一)、薩格納克效應與光速不變原理
    1、薩格納克效應( Sagnac Effect)
    通過對介質中光速的分析我們發現,光速與介質的熱力學狀態有關,當體系處於熱力學平衡態時,介質中的光速與介質處於怎樣的勻速直線運動狀態無關;當體系處於非熱力學平衡態時,介質中的光速與介質處於怎樣的運動狀態有關。因此,光速不具有絕對的不變性。光速不變是有條件的,典型的事實就是光行差現象——真空中光速是可變的及薩格納斯效應的存在。
    在對光速不變現象的分析中,我發現物理學定律,原理及由原理推導出的定理存在適用範圍或適用條件問題。為此,我建立了《動體物理學》。
    相對論的建立引出了很多值得思考的問題。我們知道,M-M實驗催生了真空中的光速不變原理,借此,在洛倫茲變換的基礎上誕生了相對論。但是,在我的“對光速不變的詮釋”中,我們分析過,M-M實驗不是測量真空中光速的。我們用達到了熱平衡狀態的介質解釋了M-M實驗結果、用處於運動狀態的介質解釋了菲索實驗。那麼,這種觀點是否正確那?
    我們只需要讓M-M實驗也運動起來,就會把M-M實驗與菲索實驗統一起來。使我們清楚地看到,M-M實驗沒有測量真空中的光速,而是測量了介質中的光速。這就是薩格納克效應。
    早在1913年薩格納克就拓展了M-M實驗,他發明了一種可以旋轉的環形干涉儀——將同一光源發出的一束光分解為兩束,讓它們在同一個環路內沿相反方向環行一周後會合,然後在螢幕上產生干涉。他發現,當在環路平面內有旋轉角速度時,螢幕上的干涉條紋將會發生移動,這就是我們熟知的薩格納克效應,見下圖:
   
 
    在薩格納克效應中,實驗發現條紋移動數與干涉儀的角速度和環路所圍面積之積成正比。
    2、理論分析
    首先,我們要說明的是,原子中軌道電子的能級躍遷過程中,軌道電子是沿著其運動方向吸收或放出光子的。一個能使原子發生能級躍遷的光子,若沿著電子運動的反方向與電子發生相互作用,只能使其減速不能使其發生能級躍遷。
    這一點在現有的量子理論中沒有明確指出。
    其次,我們需要知道的是,在現有的實驗條件下,我們是不能實現實驗器材內的絕對真空的。
    在真空科學中,真空是指在給定的空間內低於一個大氣壓力的氣體狀態。習慣上人們把這種稀薄的氣體狀態稱為真空狀況。
    確切地說,真空是指低於大氣壓力的氣體的給定空間,即每立方釐米空間中氣體分子數大約少於兩千五百億億個的給定空間。真空是相對於我們熟知的標準大氣壓來說的,並非空間沒有物質存在。用現代抽氣方法獲得的最低壓力,每立方釐米的空間裡仍然會有數百個分子存在。在我們目前的實驗室中,真空器材中至少含有含有克級的氣體。
    真空狀態下的氣體壓力低於一個大氣壓,由於氣體稀薄,單位體積內的氣體分子數,即氣體的分子密度小於一個標準大氣壓下的氣體分子密度。因此,分子之間、分子與其他質點(如電子、離子等)之間以及分子與各種表面(如器壁)之間相互碰撞次數相對減少,造成氣體的分子自由程增大。
    按氣體壓強大小的不同,通常把真空範圍劃分為: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,極高真空1×10-9Pa以下。
    有了關於實驗室內真空的上述分析,我們再看光子在穿過介質時,為什麼會發生運動速度的變化。
    光子在穿過介質時,會與組成介質的原子或分子上的軌道電子發生相互作用,從而產生運動速度的變化。介質的折射率與光子的角頻率ω及電子的振盪角頻率ω0的關係是:
n2=1+4πNe2/m(ω02-ω2-iγω),
(說明:n平方、e平方、ω0平方、ω平方)
    其中,N是介質單位體積內的原子數,當N=0時就是真空,所以n=1、m為電子品質、ω為光子震盪角頻率、ω0是電子震盪角頻率,γ為阻尼衰減係數、i是複數單位。從這裡我們可以看出,同樣的入射光子ω不變,當電子的能量發生變化時,ω0的變化會導致折射率的變化。
    下面,我們給出薩格納克效應的解釋:
    同我們熟知的電荷輻射光子一樣,原子中軌道電子也是在有減速擾動時,沿其運動方向釋放出光子的;完全一樣地,軌道電子也是在其運動的方向,吸收同向運動的光子的。不然,即使光子的能量滿足電子的能級躍遷要求,也因為碰撞而使軌道電子減速,不會發生應有的能級躍遷。
    介質在薩格納克效應環路中做勻速運動,是熱運動與定向運動的疊加。從整體上看,介質的原子或分子不斷發生相互碰撞。向前運動的是與後面的發生碰撞的結果,由於碰撞首先發生在軌道電子之間,因此,向前運動的原子或分子擁有的動能、動量大,軌道電子能量較大。反方向運動的原子或分子的狀況正好相反。
    這樣,沿環路運動方向介質原子或分子速度較大、能量較高,反方向速度較小能量較低;從微觀上看,軌道電子會環繞原子核做橢圓運動。沿環路運動方向,雖然原子核的庫倫力場拖曳電子使其能量減小,但最初向前的碰撞加速仍使其總ω0增大,代入上式則折射率減小,光速增加。此時輻射光子頻率略大於介質靜止時的頻率,這就產生了多普勒效應的紫移現象;沿環路運動的反方向,介質原子或分子原子核庫倫力場反向拖曳電子使其能量減小,且向後的碰撞減速使其總ω0進一步減小,代入上邊的折射率公式,從而得出折射率增加,光速減小。此時,輻射光子頻率略小於介質靜止時的頻率,這就產生了多普勒效應的紅移現象。
    當然,具體的運動情況非常複雜。但,總的來說,沿介質運動的方向,向前運動的原子或分子的軌道電子擁有的能量,統計性地高於向後運動的原子或分子的軌道電子擁有的能量。
    如下圖所示。
   
 
    這樣分析的一個依據是:在多普勒效應中,沿介質運動的方向,輻射的光子的能量增加——紫移;沿介質運動的反方向,輻射的光子的能量減小——紅移。
    由於,環路中介質原子或分子的動能的大小與環路旋轉速度一一對應。因此,就產生了薩格納克效應中條紋移動數與干涉儀的角速度和環路所圍面積之積成正比。
    這是因為:
    V=rω
    這與菲索實驗中光速的變化與水流動的速度的一一對應是相似的。
    我們還可以通過如下實驗加以驗證:
    可做如下實驗加以驗證:
    實驗1、改變真空度會發現,隨真空度的降低——氣壓增大,上面的折射率變化越明顯,干涉條紋移動越大;隨真空度的增加——氣壓減小,上面的折射率變化越不明顯,干涉條紋移動越少。這是由上邊公式中介質單位體積內的原子數N決定的;
    試驗2、換用不同的介質,在同樣的真空度下,介質折射率越大,干涉條紋移動越大;介質折射率越小,干涉條紋移動越小。
    實驗3、改變旋轉速度會發現,在低速下與角速度及環路面積成正比,在高速下會出現非線性變化。
    值得指出的是,薩格納克效應的存在,證明了我們關於M-M實驗測的不是真空中的光速。而是稀薄介質中的光速。此時,因為介質處於熱平衡的各向同性狀態,才出現了光速不變現象。而當介質處於非平衡狀態下的運動時——無論是斐索實驗,還是薩格納克效應中,都會出現光速的變化。也就是說,愛因斯坦藉以建立狹義相對論的光速不變原理是不成立。我們看後面的分析。
    (二)、薩格納克效應的科學意義
    薩格納克效應證明,我們認為的M-M實驗中的光速不變,不是真空中的光速不變。而是處於熱平衡狀態下,介質電磁屬性滿足各項同性的體現。其實,根本不用M-M實驗,我們都知道環境中任何介質中的光速都是不變的,只是我們沒有意識到,他們也在隨地球的自傳、公轉而運動著。
    光性差現象表明,真空中光速是可變的。
    早在1925年,英國天文學家布拉特萊和莫利紐克斯在倫敦郊外架起望遠鏡觀察恒星的視差。結果他發現,天龍座γ星的星像軌跡在一年內描述出了一個橢圓。到了1727年布拉特萊又對視場內的其他恒星進行觀測,得到了同樣的結果。經過思考(據說是在美麗的泰晤士河上突發靈感)他找到了答案:恒星星像的軌跡在一年內描述出了一個橢圓,正是光的運動與地球的公轉運動速度的疊加造成的。這是一個在滿足伽利略速度合成原理下造成的。
    因此,光行差現象的存在,體現了在真空中光相對於運動觀察者的速度發生了變化,這體現了經典意義下的速度疊加原理對光速的描述是成立的。也就是說,根本就不存在真空中的光速不變。
    因此,M-M實驗不是在真空中進行的,薩格納克效應充分證明了這一點。薩格納克效應,否定了相對論得以建立的真空中的光速不變原理。從而從根基上動搖了相對論,這就是薩格納克效應的歷史意義。
    簡單分析如下:
    解釋促成了狹義相對論→狹義相對論的誕生產生了鐘慢尺縮現象→鐘慢尺縮時空觀使在有引力場存在時,空間是彎曲的→愛因斯坦借用黎曼幾何建立了廣義相對論;然而,M-M實驗不是在真空中進行的。光性差現象明確指出,真空中的光速是可變的。只有對於傳播光的介質,當其處於熱力學平衡態時,不存在與運動方向有關的光速的變化→邁克爾孫—莫雷實驗;而處於非熱力學平衡態的介質,存在與運動方向有關的光速的變化→菲索實驗、薩格納克效應。→光速不變的成立是有條件的→光速不變原理不成立→在光速不變原理的基礎上,建立起來的狹義相對論是錯誤的→不存在鐘慢尺縮現象→不存在有品質存在時,空間的彎曲現象→愛因斯坦廣義相對論是錯誤的。
    此外,人們沒有注意到我們身邊各種傳播光的介質、各種傳播機械波的介質也在隨地球的自轉與公轉而運動著。各種介質中的折射率、光速、機械波波速擁有確定的數值說明,這些速度值也與地球的自轉、公轉的運動無關。同樣違背經典意義下的速度疊加原理。同樣需要解釋,我借此建立了《介質中的相對論》從而從根本上動搖了相對論理論。
我們在解釋光速問題時,發現了一個新的問題,這就是,當一個熱力學體系處於熱平衡狀態時,其中的組成成分的運動速度、動量、能量的分佈只與系統確定溫度有關,滿足確定的熱力學定律而與整體是否參與勻速直線運動,運動速度的大小、方向沒有關係。這樣其中的電磁屬性、力學屬性——介電常數、剪切模量等各向同性。因此,其中的光速、機械波的波速、庫侖定律的力場強度等具有各向同性。物理、化學等自然科學的原理、定理、定律具有不變的形式;相反,當一個熱力學體系處於非熱平衡狀態時,其中組成成分的運動速度、動量、能量的分佈不由系統溫度唯一決定,不滿足確定的熱力學定律而與整體是否參與勻速直線運動狀態:運動速度的大小、方向有關係。這樣其中的電磁屬性、力學屬性——介電常數、剪切模量等不再具有各向同性。因此,其中的光速、機械波的波速、庫侖定律的力場強度等不具有各向同性。物理、化學等自然科學的原理、定理、定律雖然仍然成立,但不具有不變的形式。
    這就促使我們從另一個角度審視我們已經發現的物理、化學等規律。因為在我們實驗室環境中,各種介質幾乎都處於熱平衡狀態。也就是說,我們總結出來的各種實驗定律,基本上都是相對於一個處於熱力學平衡狀態的體系。因此,這就制約了這些定律的使用條件。這是我們以往沒有意識到的。
    例如,當水從塑膠軟管中流動時,由流體力學的知識可知,水對側壁的壓強減小,從而塑膠軟管在大氣壓的作用下變扁了,這是我們常見的事實。但是,當我們關上自來水的水龍頭,這時水管中的水停止了運動,塑膠軟管又恢復了原狀。細心的人就會發現,這時水管中水的壓強並不滿足流體力學定律,因為,這時它仍伴隨地球的自轉、公轉而運動著。伴隨地球的自轉速度約是400m/s、伴隨地球的公轉速度大約是30km/s,這些速度值都大於我們水管中水的流速。但是,客觀的事實是,在這樣高的運動速度下,它對水管側壁的壓強並沒有減小,塑膠軟管也沒有像有水流過時那樣被大氣壓強壓扁。這是為什麼哪?
    也就是說,同樣的運動產生了不同的結果。這提醒我們現有的理論是存在適用條件的。
    還有,我們都很熟悉的阿基米德原理:浸在液體(氣體)中的物體受到向上的浮力,浮力的大小等與物體排開的液體受到的重力。
    F浮=G排液=ρ液gV排
    從本質上分析,浮力的產生是浸在液體(氣體)中的物體,上下表面受到的壓力差,如下圖所示:
   
 
    我們假設浸在液體中的物體是一個正方體,上下表面積分別是,S上=S下=S。上下表面在水中的深度是h1、h2,上下表面受到液體的壓力、壓強是F1、F2、P1、P2。
    當液體靜止時:
    P1=ρ液gh1、P2=ρ液gh2
    上下表面的壓力差是:
    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
    這是在流體處於靜止狀態時,當液體運動時,由伯努利方程可知,此時流體對物體的壓強將會發生變化,因此,原有的阿基米德原理不再適用。
    我們後面推導出適合流動介質中的阿基米德原理:阿基米德-劉文旺原理:公式如下:
    F浮=ρ液gV排+Sρ(v12- v22)/2(說明:v1平方、v2平方)
    期中,下表面的流速是v2、上表面的流速是v1
    從這裡我們可以看出,當流體處於運動狀態時,其對漂浮物體的浮力的大小與運動速度有關,隨著流體運動速度的增加,漂浮在流體上的物體受到的浮力會減小。
    這樣,浸在流體中的物體受到的浮力不再是一個確定的數值,阿基米德原理不再成立。浮力與流體的運動速度的大小有關,隨著流體運動速度的變化而變化。
    當流體運動速度等於零後,帶入上式我們發現,公式:
    F浮=ρ液gV排+Sρ(v12- v22)/2(說明:v1平方、v2平方)

    中Sρ(v12- v22)/2=0,上述公式自動轉化為我們熟知的阿基米德原理形式。也就是說,阿基米德原理,是阿基米德-劉文旺原理的一個推論。
    這一事實並沒有引起我們足夠的注意,在大海中航行的船舶、海中潛行的潛水艇沒有問題,阿基米德原理仍是適用的。在河流中潛水工具受到的浮力也滿足阿基米德原理。但是在河流中運行的船舶受到的浮力就不能再利用傳統的阿基米德原理進行計算了,其受到的浮力與水流動的速度有關,隨水的流速的增加而減小,具體數值可由上面的公式進行計算。
    完全一樣地,各種氣體方程都是在實驗室中,由處於靜止狀態的達到熱平衡狀態的氣體,由實驗得出來的。因此,他顯然不適用於在我們實驗室中處於流動狀態的介質。但是,我們不能忘記,包括我們實驗室在內的環境都在隨地球的自轉、公轉而運動著。因此,雖然都是運動著,但會得到不同的結果。
    還有,實驗室中運動電荷擁有的感應磁場的強度由畢奧-薩伐爾定律描述,磁場強度與粒子相對於地面的運動速度一一對應,與地球環繞太陽的運動及伴隨太陽在銀河系中的運動無關。這體現了一個處於熱力學平衡狀態的體系,其中的粒子的能量經過彼此的碰撞與容器壁的碰撞達到熱平衡狀態後。粒子的運動速度、動量、能量等,都是相對於這個體系而言的。這時這個體系就可以作為一個牛頓意義下的描述粒子運動速度大小的一個絕對靜止的慣性系。
    綜合這些事實,我提出了《動體物理學》的概念。這不完全是一個新的理論,只是一種對現有理論成立的條件提供了一個補充。這一概念的思想是,用來描述處於勻速直線運動狀態,或近似勻速直線運動狀態下的物理學規律的普適性。
    在這裡我們首先提出了《動體物理學》的核心思想:動態原理。之後,在此基礎上舉例說明了其在不同理論分支中,對相應的原理、定理、定律的制約作用。最後我們還針對處於熱平衡狀態體系的運動特徵,具體分析了多普勒效應的本質、光的參照物問題、量子力學中的隧道效應本質。並借助於隧道效應的本質解釋了長期困擾植物界的植物吸水問題。
    特別是關於光的多普勒效應的解釋,如果沿用愛因斯坦狹義相對論的解釋,對於黑體輻射又會出現新的能量問題:背離黑體運動,黑體的能量趨於零;朝向黑體運動,黑體的能量會出現發散現象——新紫外災難。這都與黑體擁有確定的能量相矛盾。直接違背能量守恆定律。當然,從這裡我們也能看出狹義相對論對光的多普勒效應的解釋是錯誤的。而此源於狹義相對論的運動的時鐘變慢現象,因此,這體現了相對論本身錯誤的。


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