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動體物理學（四）

2018/07/24   維加斯新聞報
劉文旺

    一、標準靜止參照系
    存在靜止的參考系、絕對運動、絕對靜止嗎？
    我們歸納一下前邊分析過的問題：
    1、畢奧-薩伐爾定律中，運動的電荷擁有的磁場只與其相對於地球的運動速度有關。V=0就沒有磁場，v≠0就有磁場。與地球的自轉速度、環繞太陽的運動等無關這是為什麼？V=0但是從太空中看，她仍處於高速——400m/s的速度運動，但就是沒有磁場。
    復旦大學的朱永強等人在2009年做了一個運動電荷產生磁場的實驗：讓一個磁場檢測儀同一個帶電的電容板一同做勻速直線運動，結果是磁場檢測儀檢測出了相對於檢測儀“靜止”的電荷的磁場。並且，與帶電電容板的磁場強度相對應的運動速度，只能是以地球為參照物的運動，而不能是以其他任何一個相對於地面運動的物體為參照物的運動。
這究竟是為了什麼？
    2、水管中的水流動時壓強變小，塑膠水管變扁。水停止流動後水管不變扁。但是，這時它仍在隨地球的各種運動而運動呀。
    3、聲波的速度具有各向同性，與地球的各種運動無關。
    4、帕斯卡定律中流體的壓強具有各向同性，與地球的各種運動無關。
    5、阿基米德原理說，同一深度處，液體向各個方向的壓強都相等，與地球的各種運動無關。
    6、菲索實驗中運動的水中的光速發生變化，但是，靜止在實驗室中水中的光速是各向同性的，與地球的各種運動無關。
    7、我們知道，熱傳遞的本質就是物體的組成粒子間的碰撞實現的，熱傳遞的過程只與兩者的溫度差有關，與地球的各種運動無關。我們從來沒有發現熱傳遞的過程與兩個接觸的物體之間的空間位置有關。
    8、運動的物體會出現多普勒效應，但是，靜止在實驗室中的介質沒有多普勒效應，只有各向同性的譜線加寬，與地球的各種運動無關。
    9、同樣的電路，加同樣的電壓產生同樣的電流。與地球的各種運動無關。按說，從外太空看，沿地球運動的方向，電荷運動的速度應該較大。但是我們並沒有發現這一事實，這是為什麼？
    10、在平拋運動中，同樣的高度、同樣的初速度向東與向西走出相等的距離，與地球的各種運動無關。
    11、實驗室中靜止介質中的光速，各有各向同性與地球的各種運動無關。
    12、同一物體以同樣的速度，沿同樣光滑的斜面上升同樣的高度，完全由機械能守恆定律決定，與地球的各種運動無關。
    13、各種氣體定律——克拉伯龍方程等的成立與地球的運動無關，儘管從太空中看，他存在向東的定向運動。
    14、在迴旋加速器中，約束運動電荷的磁場只與電荷相對於地球的速度有關，與地球的各種運動無關。
    15、我們在勻速運動的動車組中沒有感覺到氣壓變小。但此時其中的空氣隨列車高速運動著。此時，您手中的礦泉水瓶並沒有因為列車的運動而變化
    這些現象說明了什麼？
    達到熱平衡狀態的介質，為我們感知、描述這個世界的聲波、光波提供了速度不變的舞臺。因此，一方面，這些介質成為了這些波動速度的參照系——這就是為麥克斯韋方程組中光速提供了標準的參照物。因此，這便於我們描述物體的運動。另一方面，也使我們找到了現代物理中什麼是絕對的靜止、什麼是絕對的運動。
    地球也在運動，這使我們很難找到絕對靜止的參考系。於是為了描述物體的運動。牛頓定義了絕對的時間與空間。牛頓為了證明存在相對於絕對空間運動的存在，舉出了著名的水桶實驗：
    使一個盛有水的水桶旋轉起來，當水桶開始旋轉而水還未旋轉時，水面與水桶靜止時一樣是平的；而當水同水桶一同旋轉起來後，水面逐漸變成凹陷的曲面形狀。而當水桶靜止下來時，旋轉的水面仍處於凹陷狀態。這說明水面的凹陷與水桶的旋轉沒有關係，這是一種相對於某一絕對空間的絕對運動造成的。那麼這一絕對空間是什麼那？牛頓對此沒有給出解釋
    這一觀點遭到了萊布尼茨、惠更斯、貝克萊、馬赫登人的反對。這一反對浪潮一直延伸到愛因斯坦建立了相對論，誕生了相對時空觀的今天。
    其實，愛因斯坦的時空觀也沒有具體解釋水桶實驗出現的現象。也就是說，所有這一切，都沒有通過對水桶實驗的否定，而實現對絕對時空觀的否定。
    在這裡我們給出解釋。
    使盛水的水桶旋轉起來，當水桶開始旋轉而水還未旋轉時，水分子處於熱平衡狀態，水分子的運動速度、動量、能量具有各向同性，不存在環繞水桶中心的定向旋轉運動。沒有離心力的存在，因此，水面與水桶靜止時一樣是平的；而當水同水桶一同旋轉起來後，水分子在熱運動的基礎上疊加了繞水通中心的圓周運動，這一運動產生的離心力，使水分子沿水桶壁上升，因此，水面逐漸變成凹陷的曲面形狀。而當水桶靜止下來時，水還在旋轉，離心力使其仍處於凹陷狀態。這體現在，水面的凹陷程度與旋轉速度的大小一一對應上。
    其實，不用旋轉水桶，按住水桶使其處於靜止狀態（相對於地面），用木棒攪動水，使其轉動起來，我們仍然會見到這一現象。
    達到熱平衡狀態的熱力學系統，相對於這個體系內的粒子而言是一個獨特的系統。可作為描述這個體系內物體運動的標準靜止參照系。
    熱平衡狀態是一個魔咒。
    由前面的分析我們知道，一個熱力學系統，無論在外力的作用下擁有怎樣的加速過程、擁有怎樣的運動速度。當外力消失後，體系粒子在開始做勻速運動的過程中，由於彼此間的碰撞、尤其是與容器壁的碰撞的存在，使得體系的粒子間的能量重新進行調整——彼此間交換能量，吸收、輻射光子能量，最後，當達到了熱平衡狀態後，這個體系的粒子的能量，相對於這個體系的空間而言，滿足相應的統計規律：費米-狄拉克統計、波色-愛因斯坦統計或麥克斯韋-玻耳茲曼統計。這時，原來的定向運動，經粒子之間的頻繁碰撞轉化為無序的各向同性的熱運動了，與定向運動相伴的動能的一部分轉化為熱能，使體系的溫度升高；還有一部分，轉化為向外輻射能。當達到熱平衡狀態時，粒子運動速度、動量、能量的分佈滿足確定的統計規律，這一點非常重要。此時，在粒子體系內部粒子的速度、動量、能量相對於這個體系或者說相對於容器壁的分佈各向同性。
    也就是說，一個熱力學系統，其熱力學狀態只由溫度決定，與具體的建立過程沒有關係。，相對於這個處於熱平衡狀態的熱力學體系而言，其運動速度具有絕對性。運動速度大的擁有的動量、能量大，若帶有電荷則擁有的感應磁場強度大；運動速度小的擁有的動量、能量小，若帶有電荷則擁有的感應磁場強度小。運動速度等於零的，不用擁動量、動能、感應磁場。擁有電荷的粒子擁有的磁場，滿足畢奧-薩伐爾定律。與此時擁有的整體勻速運動狀態無關。
    這時，體系內的粒子擁有的能、運動速度都是相對於這個處於熱平衡狀態體系而言的。這樣，這個體系就具有了“絕對靜止”的特徵，具有了絕對靜止參照系的特徵。粒子的運動速度、動量、能量都是相對於這個體系而言的。因此，這時這個體系就成了一個物理上苦苦尋找的絕對靜止的參照物，或說一個描述物體運動狀態的絕對靜止的坐標系。
    二、絕對運動與絕對靜止
前面我們分析了，處於熱平衡狀態的體系中的粒子，相對於這個體系而言的運動就是一種絕對運動、靜止就是一種絕對靜止。
    達到熱平衡狀態的體系充滿神奇：
    一群固定在一輛車裡的帶電粒子，擁有電量Q隨車一同運動後，同時擁有定向運動的速度v及擁有符合畢奧-薩伐爾定律的磁場。但是，當彼此從車上脫落下來後，彼此間的碰撞使其使其粒子擁有的運動速度發生變化，從速度等於零到擁有很大運動速度的粒子都有。在沒有脫落下來之前，彼此擁有的能量會在車停下來時，轉化為相同頻率的電磁輻射。但是，當彼此從車上脫落下來後，會轉化為不同頻率的輻射。此時，從外邊的觀測者看，問題出現了。粒子內部運動的無序性，使其擁有的宏觀磁場消失了。成為有運動速度、有電荷而無磁場的系統。從微觀上看，這是顯然的，符合物理原理——彼此間的碰撞使運動速度具有各向同性，原單個粒子擁有的磁場彼此疊加，使得整體磁場為零。這就如同非鐵磁性金屬中的自由電子處於運動之中，單個電子擁有磁場但彼此磁場的疊加為零，使金屬對外不顯磁性。但是從外邊的觀測者看，這個運動的帶電體沒有磁場是無法接受的。
    這一點體現在如下的事實中：普通電流的磁場很小，這是因為，普通導體中的電荷主要處於無序的熱運動之中，速度可達105m/s，而參與產生電流的電荷的平均定向運動速度只有約10-4m/s。這樣單個粒子運動磁場的疊加基本上都互相抵消了。而超導電流擁有極強的磁場。其中電荷的運動是同向的運動，彼此間的碰撞很小，這體現在超導電流沒有熱效應上。
    地球表面上一塊石頭帶有電荷Q，由於其處於靜止狀態，因此，沒有磁場。但是從地球外邊的參考系中看，這塊石頭在隨地球的運動而運動。為什麼不擁有磁場？物理定律在所有的參照系中都是成立的？！
尤其是當地球突然停止運轉後，這塊石頭會飛出去，此時其仍保持原有的速度不變（從太空中看），但是它沒有磁場？！
    地球上的這塊石頭，經歷了地球建立之初的熱平衡過程，最初的旋轉動能部分轉化為輻射能，部分轉化為內能了。
相對於達到熱平衡狀態的體系的運動，就是一種絕對的運動狀態；相對於達到熱平衡狀態的體系的靜止，就是一種絕對的靜止狀態。
    這一點充分體現在，相對於這一體系靜止的電荷沒有感應磁場。在畢奧-薩伐爾定律中，速度與感應磁場存在一一對應關係上。
    我們分析如下：
    按現有的天體演化理論可知，我們的地球同其他所有的天體一樣，曾經是一片塵埃雲，經引力收縮而產生。雖然存在自轉、公轉及環繞銀河系的轉動等諸多的運動。但隨著組成地球的粒子間頻繁碰撞的存在，使得這個體系在漫長的數十億年的演化過程中，無論是處於自由運動的氣體階段，還是處於完全的熔化狀態過程的液體階段，其組成粒子——分子或原子，經過彼此的碰撞，逐漸進入到了近似的熱平衡狀態（由於離心力、萬有引力的存在，使這一體系的熱平衡狀態並不是完美的，只能是近似的，但這一切都很小，可略去不計）。體內的粒子運動的速度、動量、能量重新進行了再分配。使其能量滿足確定的統計規律。
    此時，靜止在地面上的電荷不具有磁場。由畢奧-薩伐爾定律可知，其運動速度等於零。這體現了地面具有絕對靜止參考系的特徵。同樣的原因，宇宙中所有的天體都同地球一樣可以作為一個描述物體運動的絕對靜止參考系。這就是在月球上宇航員實驗證明力學定律在月球環境中成立的原因。
    這一點在大氣的運動中近似地體現出來——大氣具有確定的聲速、光速數值。
    雖然達到熱平衡狀態時體系中的粒子，可能不具有運動速度等於零的粒子存在。但是，相對於這個體系靜止的外在的一切物體則處於不具有運動速度、動量與能量狀態。因此處於絕對的靜止狀態，而相對於這個體系運動的粒子、物體就用有了速度、動量與動能，就處於絕對的運動狀態了。尤其是當這個體系由於溫度的降低而進入到固體狀態後。
因此，相對於地球靜止的粒子就處於絕對的靜止狀態，想對於地球運動的粒子或物體就處於絕對的運動狀態。
    這就產生了如下的觀測事實：在我們實驗室中或自然界中靜止的電荷不具有感應磁場，而運動的電荷具有感應電磁場，而且其擁有的磁場強度，與相對於地面的運動速度一一對應——畢奧-薩伐爾定律告訴我們的事實：dB=μ0qv×r/4πr2。我們知道，電荷的感應磁場，是由外力對電荷做功轉化來的電磁能。因此，由能量守恆定律可知，這是一個絕對的數值。因此，是否擁有感應電磁場與其是否擁有絕對的運動一一對應。
    此時，出現在公式中的速度v是一種絕對的運動速度。而此速度數值正是我們在實驗室中以地球為參照系得到的。
還有，地球上的三種宇宙速度都是以地面為參照物的，若從太空中看，就會發現，衛星向東的運動速度大於向西的運動速度。因此，向東的離心力大於向西的離心力。因此，衛星的環繞運動應該是橢圓運動。並且，在空間的不同點看，有不同的東-西之分，從而橢圓運動是隨機變化的，而此不是事實。
    在伽利略闡述相對性原理的大船上，之所以能得出無法經過物理實驗檢驗船是否在運動，就是因為，按我們生活的常識，這時勻速運動船中的空氣、水等各種介質組成粒子處於熱平衡狀態，因此，我們沒有發現、其中的聲速、光速有任何變化的結果。這也是在我們實驗室及大自然中的各種介質，傳播的機械波的運動速度以及傳遞的光的運動速度等具有不變性的原因。而此正是M-M實驗告訴我們的事實。
    此外，由上面的分析可知，帶電粒子團能確定伽利略的船是否在運動，並能通過其擁有的磁場強度，通過畢奧-薩伐爾定律計算出這一船的運動速度。
    反過來，從我們上面關於絕對靜止與絕對運功的觀點出發，可以推出在我們實驗室及大自然中的各種介質，傳播的機械波的運動速度以及傳遞的光的運動速度等都與地球的運動無關。這樣就從本質上解決了M-M實驗。從而徹底否定了光速不變原理，也就徹底否定了愛因斯坦的相對論——狹義相對論和廣義相對論。
    這樣我們就可以得到如下的結論：
    在一個達到熱平衡狀態的熱力學體系內，相對於這個達到熱平衡狀態的熱力學體系靜止的空間，就是一個物理意義上的絕對靜止的空間；相對於它的運動，就是一種物理意義上的絕對的運動、相對於它的靜止，就是一種絕對的靜止狀態。這樣，達到熱平衡狀態的熱力學體系，就可以為描述該系統內的粒子的運動，提供了一個牛頓意義下的絕對靜止參考系了。這是粒子彼此間及與器壁的碰撞過程中，體系粒子速度、能量重新分配的結果。
    在任何一個相對獨立的系統，只要有足夠的時間，其中粒子的運動很快就會進入到不同程度的熱力學平衡狀態。這時，這個系統就成為描述這一體系內粒子運動的絕對靜止參考系。例如，在空間站中，其中的粒子運動早就達到了近似的熱平衡狀態，因此，物理定律、定律、公理都是成立的，公式具有不變的形式。這是在空間站中發現的實驗事實。
    地球（其他天體上亦然）就成為一個描述物體運動的絕對靜止的參考系。在我們實驗室中靜止的電荷不具有感應磁場，而運動的電荷具有感應電磁場，且滿足畢奧-薩伐爾定律：dB=μ0qv×r/4πr2，磁場與運動速度一一對應。這一事實的存在，證明了上述觀點的正確性。反之，這一觀點也解釋了為什麼畢奧-薩伐爾定律中決定磁場強弱的速度是相對於地球的運動速度（朱永強等人在2009年發現）。
    在牛頓的水桶實驗中，當水桶中的水靜止時，實際上指的就是相對於地球的靜止狀態，因此，這時水的整體（而不是其組成成分中的單個水分子）處於一個絕對的靜止狀態，因此，沒有出現水面的凹陷現象；相反，當其隨水桶旋轉起來後，所有的水分子就有了相對於地球的絕對運動，從而產生了在離心力作用下的離心運動，造成了水面的凹陷。

   
 
    朱永強等人的實驗結果中，電容板電荷磁場滿足奧-薩伐爾定律：
      dB=μ0qv×r/4πr2
    這裡磁場強度B與以地面為參考系的運動速度v一一對應。這就證明了上述分析的正確性。這體現的就是運動的絕對性。
    這一點還充分體現在如下的事實中：
    1、在我們熟知的菲索實驗中，當水以地面為參照物運動時，沿水運動的方向光速增加，沿水運動的反方向光速減小。
    2、在迴旋加速器裡，帶電粒子的運動速度也是以地面上的實驗室為參照物的。
    3、羅默測定光速。羅默從木蝕現象得出光速有限，並計算出光速。經演算過程還原發現，必須承認地球的運動與光的運動符合伽利略變換。用光速不變是無法演算木蝕現象的光速。
    4、雙波源拍頻實驗。雙波源拍頻實驗是測量單程光速的實驗，該實驗衍生出來的思想實驗證明了從優參考系存在，光速可變。
    當然，我們這裡並不是說，這個處於熱平衡狀態的熱力學系統處於一個絕對靜止的狀態。而是說，處於熱力學平衡狀態的系統，可以為我們描述這個體系內物體的運動，提供一個可靠的靜態標準。在這個基礎上，相對於一個達到熱平衡狀態的熱力學體系靜止的空間，就是一個絕對靜止的空間；相對於一個達到熱平衡狀態的熱力學體系的運動狀態，就是一種絕對的運動狀態、相對於一個達到熱平衡狀態的熱力學體系的靜止狀態，就是一種絕對的靜止狀態。
需要指明的是，處於熱平衡狀態的熱力學系統本身的運動狀態，與其提供的參考系中其他物體的運動狀態不是一回事！
    相對於一個處於熱平衡狀態的參考系的運動是一種絕對的運動，相對於一個處於熱平衡狀態的參考系的靜止是一種絕對的靜止。這樣，我們就能解釋本部分開始的疑問了：
    1、地球可以作為一個絕對靜止的參考系，因此，畢奧-薩伐爾定律中，運動的電荷擁有的磁場只與其相對於地球的運動速度有關。V=0就沒有磁場，v≠0就有磁場。與地球的自轉速度、環繞太陽的運動等無關這是運動的絕對性。
讓一個磁場檢測儀同一個帶電的電容板一同做勻速直線運動，結果是磁場檢測儀檢測出了相對於檢測儀“靜止”的電荷的磁場。並且，與帶電電容板的磁場強度相對應的運動速度，只能是以地球為參照物的運動，而不能是以其他任何一個相對於地面運動的物體為參照物的運動。
    2、水管中的水流動時壓強變小，塑膠水管變扁。水停止流動後水管不扁。雖然這時它仍在隨地球的各種運動而運動，但是已經經過碰撞過程使其進入到了熱平衡狀態。
    3、聲波的速度具有各向同性，與地球的各種運動無關。是因為，他的組成粒子處於熱平衡狀態。
    4、帕斯卡定律中流體的壓強具有各向同性，與地球的各種運動無關。這是我們刹車時，不會因為運動方向的不同，而產生不同的刹車效果。是因為，他的組成粒子處於熱平衡狀態。
    5、阿基米德原理說，同一深度處，液體向各個方向的壓強都相等，與地球的各種運動無關。是因為，他的組成粒子處於熱平衡狀態。
    6、菲索實驗中運動的水中的光速發生變化，但是，靜止在實驗室中水中的光速是各向同性的，與地球的各種運動無關。這是因為前者組成粒子具有定向運動，沒有進入到熱平衡狀態，而後者的組成粒子已經進入到熱平衡狀態。
    7、我們知道，熱傳遞的本質就是物體的組成粒子間的碰撞實現的，熱傳遞的過程只與兩者的溫度差有關，與地球的各種運動無關。我們從來沒有發現熱傳遞的過程與兩個接觸的物體之間的空間位置有關。這是因為，他的組成粒子處於熱平衡狀態。
    8、運動的物體會出現多普勒效應，但是，靜止在實驗室中的介質沒有多普勒效應，只有各向同性的譜線加寬，與地球的各種運動無關。這是因為，他的組成粒子處於熱平衡狀態。
單粒子運動產生多普勒的疊加產生了各向同性的譜線加寬現象。
    9、同樣的電路，加同樣的電壓產生同樣的電流。與地球的各種運動無關。這是因為，他的組成粒子處於熱平衡狀態。
    10、在平拋運動中，同樣的高度、同樣的初速度向東與向西走出相等的距離，與地球的各種運動無關。這是因為，地球是一個標準的靜止參照系。
    11、實驗室中靜止介質中的光速，各有各向同性與地球的各種運動無關。他的組成粒子處於熱平衡狀態。
    12、同一物體以同樣的速度，沿同樣光滑的斜面上升同樣的高度，完全由機械能守恆定律決定，與地球的各種運動無關。這是因為，他的運動是一種絕對的運動，擁有的動能、動量是一個絕對的數值，由能量守恆定律可知上升的高度當然與地球的自轉沒有關係。
    13、各種氣體定律——克拉伯龍方程等的成立與地球的運動無關，這是因為其組成粒子已經經過碰撞過程使其進入到了熱平衡狀態。
    14、在迴旋加速器中，約束運動電荷的磁場只與電荷相對於地球的速度有關，與地球的各種運動無關。這是因為粒子的運動是一種絕對的運動，因此產生同樣的離心運動。
    15、我們在勻速運動的動車組中沒有感覺到氣壓變小。但此時其中的空氣隨列車高速運動著。 我們手中的礦泉水瓶並沒有因為列車的運動而變化。這是因為其中的水分子、氣體分子進入到了熱平衡狀態，擁有的動量具有各向同性。
一個封閉的系統在隨流體一同運動的時候。其內部的折射率、剪切模量等與運動流體不同。擁有不同的數值。例如在流動的水中有一個封閉的裝滿水的瓶子。那麼這個瓶子的存在會使得其中介質處於熱平衡狀態。具有各項同性的折射率與流動的水不同。
    這就是處於熱力學平衡態的介質擁有奇怪的性質的體現。沒有絕對的空間，但有絕對靜止的參考系，及在這一參考下的絕對靜止與絕對運動。這就是牛頓一一下的絕對靜止運動及絕對靜止而參考系。這是因為，在這個體系中的組成粒子在與器壁彼此之間的碰撞的過程中，逐漸重新分配了系統的能量，使其具有各向同性。
舉一個簡單的粒子。
    我們的地球本身在自轉400m/s、環繞太陽公轉30km/s、跟隨太陽一起繞銀河系轉250km/s等。但是在我們實驗室中，動能為E=mv2/2、動量為P=mv中的運動速度只是相對於我們地球的數值，與上述運動無關。