原質論

《原質論》是研究物體起源的理論,全文採用公理化方法,運用演繹推理逐步展開,首先定義了原質和原質流體概念,然後推導出原質、原質流體和原質流體流場的性質,提出了原質公設,建立了真空的動力學數理模型,揭示了電磁現象的動力學實質,證明了電磁波具有縱橫二象性,提供了近代物理學基礎理論與經典物理學的邏輯聯繫,創立了嶄新的時空觀,並對物理學的基本概念進行了重新定義,為統一物理學理論創造了良好的條件。 《原質論》由武漢市漢陽區孟凡彬於1995年6月創立。

原質論
0引論
麥可遜(AlbertAbrahamMichelson)-莫雷以太漂移實驗長期以來被物理學界視為以太學說成敗的判決性實驗,實驗的否定結果本身並沒有錯,但是對實驗結果的解讀卻存在一個嚴重的誤解:就是把以太看作是與空氣和水相類似的、由微粒組成的流體,並用類比推理歸納以太的性質,從而演算出矛盾的結果。
實際上,以太作為電磁場的載體,屬於流體,但不是由分子或原子組成的普通流體,而是性質極為特殊的連續流體。因為電磁場是連續的,根據數學分析的連續性定義,構成連續物質的結構單元是無窮小,其極限為零,所以,單個以太的質量和體積都必須為零,以太無論在巨觀上,還是在微觀上都是連續的,是無限連續的流體。
而空氣和水這樣由質量和體積都不為零的微粒組成的普通流體在微觀上是不連續的,在巨觀上被看作是連續的,這是為了便於對普通流體進行數學分析所做的假設,並非事實,普通流體只是有限連續。
無限連續流體的性質與有限連續流體的性質區別巨大:無限連續流體因為沒有粒子之間的動能交換,也可以說流體各層次之間的接觸面無限光滑,沒有內摩擦,所以沒有粘性;因為沒有微觀間隙,所以不可壓縮;使用數學分析不需要連續性假設,推導、演算其結論是演繹推理的真值傳遞......等等,這樣的流體被稱為“理想流體”。
早在十八世紀,法國物理學家讓•勒朗•達朗貝爾(D'Alembert,JeanleRond)就已經證明,任何物體在理想流體中作勻速直線運動或者任何物體在理想流體均勻流中處於相對靜止時所受到的合外力為零,所以,任何物體在以太中做慣性運動與以太的流速毫無關聯,二者的速度互不相關,不可疊加,“以太風”的作用本來就不存在,物理學界在解讀麥可遜-莫雷以太漂移實驗時錯誤地運用了類比推理。
類比推理用於一般性事物之間類比是較為可靠的,用於一般性事物與特殊性事物之間類比時,其結論的正確性是或然的,而不是必然的,物理學界在解讀麥可遜-莫雷以太漂移實驗時留下了巨大的邏輯漏洞,否定以太的存在沒有任何實驗證據。
但是,以太作為電磁場的載體,其力學模型模糊,在哲學和物理學中的作用和意義有限,並且其名不正,言不順,所以應該捨棄。
本文根據正負電子對的湮滅和產生現象提出了原質公設,全文採用公理化方法,運用演繹推理逐步展開,首先定義了原質和原質流體概念,然後推導出原質、原質流體和原質流體流場的性質,提出了原質公設,建立了真空的動力學數理模型,揭示了電磁現象的動力學實質,證明了電磁波具有縱橫二象性,解釋了物體質量隨運動速度增加而增加的動力學原理和物質波產生的動力學物理過程,提出了嶄新的時空觀,最後對物理學的基本概念進行了重新定義,為統一物理學提供了良好的基礎。
1原質和原質流體的定義
1.1原質的定義
定義1原質是質量為零、體積(包括空間各向線度)為零且密度為常量的物質。
即:m=0v=0ρ=μ0
原質是體積、質量均無限小(動態表述)的粒子,或者說原質是體積、質量均為零(靜態表述)的粒子,是一個空間線度各向均為零的質點,一個與幾何學的點和自然數0概念相對應的物質結構概念,是微觀粒子湮滅反應的最終產物,是所有物質形態分解的最終結果。
原質的質量和體積均為零而密度不為零,這個定義並不存在數學矛盾。零是無窮小的極限,兩個無窮小的數值可以相除,只要它們是同階無窮小,其比值必定為常量,因此原質的定義與數學相容。原質使自然數“零”概念和幾何學中的“點”概念具有最基本的現實意義。
任何物體或者一個有限的物質系統,如果對之進行不斷分解,則其質量和體積均不斷減少,如果對之進行無限分解,則其質量和體積最終均減少到零。原質是物質分解的極限狀態,是一切物質的共同起源,是最原始的物質形態(這就是原質名稱的由來),是物質結構內部能量絕對為零的極端狀態。
原質不是經典物理學中的抽象質點概念,不是一個理想模型,而是一個實在的、現實的物質結構概念,任何物體或一個有限的物質系統,用幾何學平面進行各向無限切割,最終必然得到原質。
1.2原質流體的定義
定義2:原質流體是無窮多個原質集合形成的緻密流體。
傳統概念的流體指分子、原子、離子、基本粒子等微觀粒子集合形成的液體、氣體或電漿,粒子之間的相對位置不固定,具有流動性等一系列力學性質。傳統概念的流體具有巨觀上的相對連續性和微觀上的不連續性,從這個基本性質派生出一系列流體力學性質,例如粘性、可壓縮性、物體在流場中相對運動的阻力等等。
事實上,傳統概念的流體因為具有微觀上的不連續性,只能屬於巨觀意義上的流體,在微觀上不屬於流體。人們習慣把任何流體都想像成類似水、空氣等化學分子組成的液體或氣體,認為所有的流體必定具備某些常識性的力學性質,並且憑經驗把這些性質錯誤地運用於某些微觀物理現象的研究,例如研究光波的傳播,這不是理性的邏輯思維。
在經典物理學中,曾經構想真空中存在一種名叫“以太”的流體,並認為以太是光波的傳播媒質。以太這種流體顯然與傳統概念的流體不同,因為以太的構成單元不是基於分子、原子、基本粒子等已知的微觀粒子,而應該由更小的微粒組成的,至於這種微粒屬於物質結構哪個層次,微粒的體積小到什麼程度,以當時的物質結構知識根本無法論斷,只是憑著力學常識中的感性認識,給“以太”拼湊了一大堆互不相干、沒有邏輯聯繫的性質,結果產生了不可調和的矛盾。
拼湊“以太”的性質造成了“以太”理論體系鬆散而不嚴密的結構,這是“以太”學說最終失敗的首要原因。
“以太”學說失敗的次要原因是“以太”在物質結構理論中沒有地位,它太神秘,沒有人能夠確定“以太”的物質結構層次,並據此建立嚴密的“以太”數理力學模型,進而推導其力學性質,把握它的特性,只好把“以太”與生活常識中的空氣和水做比較,運用不完全歸納法和類比推理思維方法進行理論研究,這種邏輯思維方式只能提供可能性,缺少必然性,其結論自然不能形成和諧統一的理論。例如,為了減少“以太”對物體相對運動的阻力,它被構想成極為稀薄的氣體,但是卻要傳遞極為強大的能量密度和傳播速度極大的光波,種種特性不可兼得。
“以太”學說失敗的第三個原因是人們對光波的認識不夠深入,至今仍然有人片面地認為光波是單純的橫波,於是“以太”在屬於固體還是流體問題上發生了不可調和的矛盾。其實光波是縱橫二象波(詳見下文6“電磁波的縱橫二象性”論述),光波是誘導波,並不是依靠媒質的彈性傳播的彈性波。
這裡定義的原質流體是由體積、質量均無限小(動態表述)的個體—原質構成的流體,這不是由粒子構成的流體,或者說是體積、質量均為零(靜態表述)的粒子構成的流體,原質流體不僅在巨觀上連續,在微觀上也連續,具備數學意義上的絕對連續性,是一種極端的流體,其力學性質與傳統概念的流體存在巨大的差異,除了其最基本的性質—連續性需要定義以外,其它的力學性質可以用公理化方法,通過演繹推理推導出來,而不是由歸納推理總結出來,因此原質流體的性質(詳見下文2“原質和原質流體的性質”論述)不存在相互矛盾,是完全和諧統一的。
《原質論》認為:真空本身就是一種物質形態,真空是原質流體,真空中的各種場是原質流體運動的物理量在空間上的分布(詳見下文5“電磁現象的動力學實質”),原質流體是真空中各種場的載體,是電磁波的傳播媒質。
由於原質流體的性質極其特殊,人們至今沒有認識到它的存在,特別是狹義相對論和量子論創立之後,物理學在否定“以太”模型的同時,做了不必要、過多的否定,把真空中存在物質的可能性也一同否定了,從此物理學界基本上停止了對真空中是否存在實體物質的研究,並且把物質運動的物理量—“場”當作物質本身,混淆了物質與物質屬性的邏輯關係,並使物質概念陷入了混亂,缺失了統一性。
事實上,基本粒子的湮滅反應早就證實:物質結構不能只有粒子概念,物質結構除了以不連續的粒子形態存在之外,還以連續的流體形態存在著,物質結構是可以無限細分的,就像自然數可以分解為小數、無窮小數一樣,或者說,存在著質量和體積均為零的“粒子”,一種與幾何學中“點”概念和數學分析中“無窮小”概念相對應的物質形態,這種形態是物質演化的起點,是原始形態的物質,所以定義為“原質”。
用原質論的理論體系去解釋物理學的各種現象和規律,邏輯上非常簡潔、統一,不僅可以排除“以太”假說中的一切矛盾,而且使物理學各種理論變得完全和諧統一起來。
“原質”概念的引入使物質結構理論變得完善,使物理學具有數學一樣堅實、統一的基礎。
2原質和原質流體的性質
2.1原質的性質
原質和原質流體都是極端的物質形態,因此,其各種性質也普遍具有“零”和“最”的特徵。
原質和原質流體的各種性質並不像以太學說那樣憑經驗歸納總結、拼湊而得到,而是根據原質和原質流體的定義,通過演繹推理推導出來的、和諧統一的理論體系,推導過程如下:
2.1.1性質1
原質是不可分割的物質。
即:0/n≡0(n≠0)
證明:因為原質的質量和體積均為零,單個原質空間線度各向為零,即不占有空間,是沒有結構的物質,所以,原質是不可分割的物質,或者說,對原質進行分割沒有意義。
物質結構就是物質系統的各種物理量在空間上的分布。分割物質就是分割物質的結構,原質的空間線度各向為零,是最原始、最簡單的物質結構,簡單到沒有結構,所以原質是不可分割的物質,或者說,原質是物質分割的終極狀態。
物質的終極結構就是沒有結構,這種現象在數學上叫做無窮小的極限是零;在哲學上稱為物極必反。
2.1.2性質2
原質不可能具有動能和動量。
即:Ek≡0P≡0
證明:根據動能和動量定義的數學表達式,原質的質量和運動速度只要有一項為零,則原質的動能和動量為零,因為原質沒有質量,所以原質的動能和動量恆定為零。
原質的這個重要性質說明:原質與物體或粒子相互作用時,不會發生動能和動量交換,原質不會消耗物體或粒子的動能和動量,原質對物體或粒子的運動不構成任何阻力。
2.1.3性質3
原質能夠滲透一切物體。
即:0<d
證明:因為單個原質的體積為零,而一切物體均由微觀粒子構成,均具有微觀間隙d,所以原質能夠穿透物體的間隙,滲透一切物體。
這個性質決定了任何物體均不可以作為原質流體的邊界或容器。
原質的性質可以根據其定義及以上性質進一步地不斷推演,這裡只列舉原質的3個基本性質。
2.2原質流體的性質
2.2.1性質1
原質流體是絕對連續的流體。
即:DivU≡0
證明:根據原質和原質流體的定義,原質流體是由無窮小的粒子組成,並且沒有微觀間隙,所以原質流體是絕對連續的流體。
由質量和體積不為零的微觀粒子組成的流體因微觀上不連續,在運用數學方法進行研究時,需要連續性假設,邏輯思維屬於類比推理和不完全歸納推理,沒有必然性,故求解的結果只能是可能正確或近似正確,甚至荒謬,其結論必須用實驗驗證。
原質流體的絕對連續性是其區別於一切由微觀粒子組成的流體的根本性質,這個性質決定了對原質流體進行數學分析根本不需要連續性假設,運用數學分析方法對原質流體的分析所得結論是必然性的演繹推理。原質流體從巨觀到微觀都是真實的、絕對連續的流體。
2.2.2性質2
原質流體是密度最大的物質。
即:ρ≡μ0≡ρmax
證明:因為原質流體是絕對連續的流體,說明原質流體內部緻密而沒有任何微觀間隙,所以原質流體的密度是一切物質密度的極限,是密度最大的物質。
物質密度的大小取決於其內部結構的間隙,包括各個物質結構層次的間隙,間隙越小,密度越大,如果把所有的間隙均排除掉,則物質的密度達到極大值。
任何巨觀物體,只要壓縮到物體內部的原子結構被破壞,構成物體的基本粒子全部緊挨在一起,它們之間的密度差異會很小,實驗也證明了基本粒子的密度差異很小,之所以差異小,而不是無差異,是因為基本粒子不是最小的物質結構單元,其內部仍然存在少量間隙。
對比一下以太假說,因為以太沒有嚴密的數理模型,沒有定量分析,所以以太被設計成“及其稀薄的氣體”,而原質流體的密度(為什麼用真空中的磁導率符號μ0表示,而不用密度符號ρ0表示,詳見下文第5部分)是一切物質的密度之最,其密度大於核子的密度。
2.2.3性質3
原質流體是沒有溫度的流體。
即:T≡0
證明:因為溫度是物質結構中的微粒運動平均動能的統計結果,構成原質流體的原質沒有動能和動量,所以原質流體恆定沒有溫度,也不存在冷收縮和熱膨脹。
2.2.4性質4
原質流體不可壓縮和膨脹。
即:ρ≡μ0
證明:因為原質流體沒有內部間隙,所以原質流體是不可壓縮的。根據原質流體的定義和原質沒有溫度的性質,原質流體沒有熱膨脹;根據原質流體的邊界條件(詳見下文4)原質流體整體不可膨脹,假定其局部空間內膨脹則需要壓縮其它局部空間的原質流體,但是原質流體不可壓縮,所以原質流體既不可壓縮,也不可膨脹。
氣體容易被壓縮,是由於氣體分子間的間距大,液體比較難以被壓縮,是由於液體分子之間間距較小。如果流體內部從巨觀到微觀完全沒有間隙,就不可能被壓縮。
2.2.5性質5
原質流體是無限均勻的流體。
即:ρ≡μ0
證明:因為原質流體不可壓縮和膨脹,其密度永遠保持為原質的密度,原質內部沒有間隙,原質流體的密度在空間分布點點相同,所以,原質流體是無限均勻的流體,即從巨觀到微觀都是均勻的流體。
單一種類的粒子構成的流體在沒有外力作用時,密度相對均勻,這只是巨觀意義上的均勻,在微觀上,粒子位置的不均勻分布及粒子內部物質結構密度的不均勻性使由粒子構成的流體只能具有巨觀意義上的均勻性,是有限均勻,而數學分析的條件是無限均勻,要求流體均勻性不受限制,否則就需要對流體進行均勻性假設。
只有原質流體的均勻程度才能達到從巨觀到微觀的絕對均勻性,才能完全符合對流體進行數學分析時所必備的均勻性條件。
2.2.6性質6
原質流體是沒有粘性的流體。
即:n≡0
證明:因為流體粘性的起因是流體的內摩擦,即層流面之間的摩擦造成各層流體的分子之間動量、動能交換,其最終結果是流體的動能轉化為流體的熱能。因為構成原質流體的粒子是無限小的原質,各層面是無限光滑的幾何曲面,層面之間摩擦係數為零,因此原質流體不存在內摩擦力;原質流體同時不可能產生熱能,所以無論是從原因看,還是從結果看,都證明原質流體是絕對沒有粘性的流體。
一般來說,流體粘性的大小取決於構成流體的粒子體積的大小和形狀(球對稱性),大分子構成的流體其粘性比小分子構成的流體粘性大。溫度降低,流體的粘性增大,可以看成溫度降低時流體中的分子結合成團,構成更大的粒子,所以粘性增大。反之,構成流體的粒子體積越小,流體的粘性就越小;構成流體的粒子小到體積為零,粘性就會完全消失。
構成原質流體的原質既沒有體積,也沒有形狀,因此原質流體沒有粘性。
2.2.7性質7
原質流體不可能傳遞熱運動。
即:C≡∞
證明:因為原質沒有動能和動量,所以原質流體不可能傳遞熱運動。
流體傳遞熱運動是通過構成流體的粒子與熱源的粒子交換動能來傳遞熱運動的,這裡不可將熱傳遞與熱輻射相混淆,原質流體可以傳遞熱輻射。
2.2.8性質8
原質流體不可傳播機械波。
證明:機械波是通過媒質中的粒子振動動能與勢能相互轉化傳遞能量的,原質流體中沒有粒子,因此也沒有粒子的動能與勢能,所以原質流體不可傳播機械波。
2.2.9性質9
原質流體無源無匯。
即:DivU≡0
證明:原質流體能夠滲透一切物體,所以原質流體與粒子構成的流體不同,沒有任何物體能夠作為原質流體的邊界或者容器,原質流體既沒有外邊界,也沒有任何固體材料可以充當其內邊界,其外邊界是共同的,流場是唯一的,不存在多個流場,故原質流體既不存在流出一個流場的源,又不存在流入另一個流場的匯。並且原質流體也不能通過膨脹和收縮形成局部的源和匯,所以原質流體不存在源和匯。
原質流體的性質可以根據原質和原質流體的定義及其以上的性質做進一步推論,比如根據原質流體流場沒有源和匯這一性質推出,原質流體的局部流動只能是環流,流場是有鏇場。這裡只列舉原質流體的9個基本性質。
在上文的公式中使用恆等於符號是由於其數學方程式永恆成立,不需要任何前提條件。
3原質公設
3.1原質公設
原質公設:原質存在於一切空間。
原質公設的意思是:宇宙中的任何空間,包括實物所占據的空間(非真空)和沒有被實物占據的真空都充滿了原質,沒有一點空間例外。換言之,實物和真空都是由原質構成的,而虛空是宇宙中根本不存在的虛幻概念。
實物分解的極限是原質,原質吸收能量和信息後演化為實物,原質是物質演化的起點,原質是零能態的物質。
空間概念應當通過物質概念來定義,原質論的空間定義為物質存在的範圍,真空是原質存在的範圍,非真空是原質流體的演化物(實物)存在的範圍,宇宙中沒有任何一個點(無限小的空間)不存在實體物質。
“原質公設”絕對不是“以太假說”的翻版,二者的區別在於:
(1)“原質公設”提出的目的是為了完善物質結構理論,不像“以太假說”單純是為了給光波設定傳播媒質或給超距作用設定介質;
(2)“原質公設”中的“原質”有嚴格的定義和精確的數理模型,“以太假說”中的“以太”沒有嚴格的定義和精確的數理模型;
(3)“原質公設”針對一切空間,包括真空和非真空,即針對一切物質形態,“以太假說”只針對真空,“以太”沒有物質結構地位;
(4)“原質公設”從一條假設出發,使用具有必然性的演繹推理髮展整個和諧統一的理論體系,“以太假說”僅憑各種經驗,使用或然性的類比推理歸納拼湊一堆相互衝突的條款;
(5)“原質公設”中的“原質”概念與代數中的“零”及幾何中的“點”概念相對應,具備完全的理性思維和定量分析的數學基礎,“以太假說”中的“以太”沒有數學基礎,只能用非理性的感性經驗進行粗俗地類比。
這裡並非說類比推理對科學認識毫無作用,實際上本文也經常運用比喻,只是說類比推理的結論僅僅具有可能性,不具備必然性,特別是拿普通事物與特殊事物、極端事物進行類比時,由於“物極必反”的道理,出錯的機率極大,例如“以太風”問題:
如果單個“以太”小到極點,小到零點,小到微觀連續,則“以太”性質發生根本性變化,“以太風”的阻力完全消失,就像溫度下降到一定程度時發生“超導”現象一樣,“以太風”對其中運動的物質不構成任何影響。同理,如果一條河中流淌的不是水,而是不可壓縮理想流體(微觀連續、無粘性),則渡船(假想船殼緻密,否則會發生滲漏而沉沒)的運動與河流中的理想流體的流速毫無關聯,速度矢量合成不能用於“以太風”中的物體運動。
當類比推理的結論與演繹推理的結論相矛盾的時候,必須放棄類比推理的結論。“以太假說”和人們對“麥可遜—莫雷實驗”結果的解讀運用了大量的類比推理,對於地位和性質都非常極端的“以太”來說,很容易犯經驗主義錯誤,智者宜早醒悟。
3.2原質公設的意義
3.2.1原質公設是物理學統一的基礎。
物理學是研究物質結構和物質運動的科學。要統一物理學,先要統一物質概念。但是在原質論之前,沒有發現任何人給物質概念下過實質性的定義。列舉現象所描述的概念是膚淺的,不能深刻地揭示物質概念的根本內涵。
在近代物理學中,物質被人為地分為實物和場兩大類,每一類又各有許多種,沒有統一性。
如果原質公設正確,則有推論:
(1)所有的實物都是原質流體的演化狀態;
(2)所有的場都是原質流體流場的物理量在空間上的分布和時間上的運動;
(3)所有的物理學理論都歸結於動力學,所有的物理量量綱只需要三個根本物理量量綱構成:質量、空間、時間。
原質公設可以排除以太假說中的一切看似不可調和的矛盾,使物理學的基本理論獲得根本上的統一,並且提供了三個可能性:
(1)光速不變性是原質流體波動方程的解;
(2)微觀粒子的波粒二象性是微觀粒子與原質流體相互作用的流體動力學結果;
(3)微觀粒子的內部結構可通過求解原質流體的流體動力學方程獲得。
3.2.2原質公設是物質統一性的根本表現
自然哲學的最基本原理之一是物質的統一性。在物理學中,物質的統一性具體表現在兩個方面:
第一,無論物質存在的形態如何,構成物質的根本因素是完全同樣的,不因時間、空間的改變而改變。
第二,無論物質存在的形態如何,物質的運動根本規律是完全相同的,不因時間、空間的改變而改變。
自然哲學的物質統一性原理是個抽象的概念,原質論將這個概念具體化為物理學表述。這個表述說明,不管是哪個物質結構層次,只要其形態不是唯一的,則這個物質結構層次不是物質結構的終極層次。
3.2.3原質公設是原質論公理化形式的必要條件。
任何一個完整、嚴密的科學理論體系都應當使用公理化方法建立,就是從儘可能少的原始概念(必須有實質性的、完整的定義)和不加證明的、無法否認的、儘可能少的原始命題(即公理、公設)出發,按照具有必然性的推理邏輯規則推導出其他命題,建立起一個演繹系統的方法。
演繹系統的優越性在於:演繹推理的邏輯思維方法推導出必然性結果,內部結構和諧統一,適用範圍廣延;不完全歸納推理(事物往往是無窮的,通常難以完全歸納)和類比推理的邏輯思維方法只能推導出可能性結果,適用範圍較為狹窄。
原質論是用公理化方法建立理論體系,原質論只是在經典物理學中新增加一條公設,其餘的邏輯支點全在於物理學中的基本事實和定律,原質論不否定任何物理學基本事實和定律,但是要改變物理學基本概念的定義,改變物理學的時空觀。
4原質流體流場
定義3:原質流體流場是指原質以流體狀態存在和運動時所占據的空間。
根據原質公設,原質流體存在的方式有兩種:流體狀態和演化成實物粒子的狀態。實物粒子的狀態是原質流體吸收能量和信息後形成的自相封閉的流動系統,例如環形渦管等。
4.1原質流體流場的邊界條件
定理:原質流體流場的外邊界為整個宇宙,內邊界是至密的基本粒子表面。
證明:根據原質公設和原質能夠滲透任何物體的性質,原質流體流場的外邊界只能是整個宇宙,內邊界只能是至密的基本粒子表面。
氣體、液體等常見流體由分子(嚴格來說還有離子、質子、電子)構成,由於分子不能穿透許多種固體材料,並且總量有限,所以分子流體存在各種各樣的容器和邊界,液體還可以存在自由液面邊界及異重流邊界。但是原質流體的邊界不可能是任何固體材料的表面,因為原質是空間線度無限小的粒子,任何巨觀物體或者原子都會被原質滲透,所以由微觀粒子構成的任何物體均不能成為原質流體流場的邊界。
推論1:原質流體流場具有唯一性,不存在多個流場之間相互流入或流出的源和匯。
證明:根據原質公設和原質的滲透性質,宇宙中的原質流體流場是全連通的一個不可分隔的整體,不可能被任何材料或力場分割。
推論2:原質流體局部流動只能是環流運動,原質流體局部流動的速度場是有鏇場。
證明:因為原質流體流場是唯一的,原質流體不可壓縮和膨脹,並且無源無匯,所以原質流體流體只能做環流流動,不可能做往復振動和單向流動。
數學上可用連續方程DivU≡0證明,以三維直角坐標係為例:
連續方程DivU≡0在三維直角坐標系的方程表達式為:
顯然其中三項變數中,至少兩個變數不同時為零,否則第三個變數也必須為零,局部流動就不可發生。
原質流體流場的性質在數學的場論中已有相關論述,這裡不再詳述。值得提醒的是:場論在原質論之前只能作為一種數學抽象,在原質論中,數學場論(設原質流體密度為單位1)所描述的對象是原質流體真實流場,排除人為設定的邊界條件,歐幾里德幾何學和解析幾何本身就是對原質及原質流體的直接描述。
推論3:原質流體沒有自由表面,也不存在表面波。
證明:流體的表面波只能存在於液體的自由表面,根據推論1,原質流體沒有自由表面,所以原質流體不存在表面波。
原質流體流場的性質可以根據原質公設及以上性質和推論不斷地推演下去,這裡不做多述。
4.2原質流體流場中的物體
定理:原質流體流場中的物體不存在壓力和浮力。
即:FP≡0FB≡0
證明:因為原質能夠滲透任何物體,能夠充滿物體內部(包括原子內部)的任何微觀間隙,原質流體流場中的物體永遠保持內外壓力平衡,所以原質流體流場中的物體不存在任何壓力;
根據原質公設,一切粒子均由原質流體演化而成,並且原質流體不可壓縮和膨脹,原質流體演化成粒子後的密度不可改變,仍然是原質流體的密度,故粒子內部的密度與原質流體的密度相同,原質流體流場中的物體(被滲透後是粒子的組合體)不存在浮力。
推論:物體與原質流體處於相對靜止狀態時,不可能通過力學方法測量原質流體的壓力,這就是說原質流體的靜壓力(絕對壓力)不可測量,或者說,原質流體的靜壓力沒有物理意義。
4.3物體在原質流體流場中的慣性運動
上文2論述了原質與物體不發生能量、動量交換,所以有限個原質對物體運動沒有任何阻力,那么原質流體是單個原質的三階無窮大(線是點的一階無窮大;面是點的二階無窮大;體是點的三階無窮大),是否對物體運動產生阻力呢?運用流體動力學方法可以證明:
定理:任何物體在原質流體流場中做慣性運動時所受到的合力恆為零。
即:f≡0
證明:原質流體具有絕對無粘、不可壓縮、連續、均勻性質,並且原質流體流場具有無邊際、無源、無匯的性質,這樣的流場中流體運動滿足數學分析條件和流速矢量疊加條件。
在上述流場中,當一個緻密的嚴格幾何上的球體勻速直線運動時,根據流體動力學求解得到:球體外圍流體的流速分布相對於球體運動參照系總是前後對稱的,並且對球體運動速度方向的中心軸對稱(詳見下文7.4),根據伯努利(Bernoulli)方程,球體所受到流體的動壓力(相對壓力)具有同樣的對稱性,其各向合外力恆等於零。
進一步講,任何形狀的物體可以分解為直徑不同的球體之和,即任何形狀的物體都可以看作是許多個球體的疊加體,所以任何形狀的物體在原質流體流場中做慣性運動所受到的各向合力為零。
任何形狀的物體在不可壓縮、無粘、連續、均勻的流體中(流場無外邊界、無源、無匯)做慣性運動所受到的合力為零,既無縱向阻力,又無橫向升力,這個現象稱為“達朗貝爾佯謬(D’Alembertparadox)”(也有稱為“達朗伯佯謬”或“達朗伯疑難”)。之所以稱為佯謬,是因為這種現象看似與生活常識相矛盾,但是在一定條件下成立。
“達朗貝爾佯謬”成立需要流體和流場都具備嚴格的條件,任何分子構成的流體均不具備這個條件。在原質論之前,“達朗貝爾佯謬”只能在想像的理想狀態下成立,但是在原質論中,原質流體和流場的性質完全滿足這個佯謬成立的條件,使之具備現實意義。
在生活中,空氣形成的風和水流都是有阻力的,這是由於它們具有粘性,並且流體微觀不連續、不均勻,流場也有限等原因造成了流體的阻力,物體及流場的不對稱性還造成物體對流體相對運動時產生升力。
在以太學說中,以太風的阻力是長期困擾以太性質的一個尖銳問題,那是由於以太學說沒有建立以太的精確數理模型,無法區分以太與分子構成流體的性質之間的根本區別。
推論:物體與原質流體相對慣性運動時,不可能通過力學方法測量原質流體的速度。所以原質流體的絕對流速沒有任何物理意義。
證明:因為物體與原質流體相對慣性運動時,無論速度大小,物體受到的各向合外力、靜壓力及浮力均恆為零,速度的定義本身具有相對性,原質流體的均勻流過物體與物體在原質流體中慣性運動是等效的,無論哪種情況均不產生力學效應,所以不可能通過力學方法測量原質流體的速度。
在分子流體中,物體受到各種各樣的作用力,這些作用力對於原質流體這樣特殊的流體是不存在的,不僅物體與原質流體相對慣性運動時速度不能通過動力學方法測量,通過電磁學方法或者光學方法也不能夠測量原質流體的速度,因為電磁學的實質就是原質流體的流體動力學(詳見下文5“電磁現象的動力學實質”)。
力就是物質運動時發生相互作用的強度,因此,物理學的所有課題都是研究物質運動時發生的相互作用,最終都要歸結於力學,力學方法根本辦不到的事情,物理學的其他方法也辦不到。
4.4物體在原質流體流場中運動的伴流
物體在流體中運動時,物體周圍流體受到物體運動的影響而產生追隨物體運動的流動現象稱為伴流。在分子構成的流體中,伴流由摩擦伴流、勢伴流和興波伴流三部分組成,其中摩擦伴流是伴流的主要成分。
定理:物體在原質流體流場中做慣性運動的伴流只存在勢伴流。
證明:因為伴流是由摩擦伴流、勢伴流和興波伴流三個部分組成的,摩擦伴流是流體的粘性引起的,勢伴流是物體的體積排流引起的,興波只存在於流體的自由液面。原質流體沒有粘性,不存在摩擦伴流;原質流體沒有自由液面,不存在表面波,不存在興波伴流,所以物體在原質流體流場中做慣性運動的伴流只存在勢伴流。
物體在原質流體流場中運動時,儘管原質流體的密度極大,但是由於物體被原質流體滲透後,剩下的有效排流體積很小,比物體壓縮到核密度時的體積還小,體積排流引起的伴流強度比想像的要小得多,並且有:
定理:物體在原質流體流場中做慣性運動時的勢伴流強度與物體的質量成正比,而與物體的體積無關。
證明:根據原質的滲透性質,物體在原質流體流場中做慣性運動時的體積不是有效排流體積,所以勢伴流強度與物體的體積無關。
根據原質公設,物體內部間隙被完全排除後的有效體積內的物質密度與原質流體密度相同(均為極大值),所以物體的有效排流體積與其質量成正比,而物體的勢伴流強度與其有效排流體積成正比,因此物體勢伴流的強度與物體的質量成正比。
原質、原質流體和原質流體流場均與分子構成的氣體、液體及其流場具有許多不同的性質,在分子流體中存在的性質未必在原質流體中存在;在原質流體中存在的性質,在分子流體中也未必存在,因此在將原質流體與分子構成的氣體、液體進行類比推理時,不能忽略原質流體的特殊性,一定要看二者是否具備相同的物理條件,不能只憑生活經驗去做判斷,原質論需要嚴密的、理性的邏輯思維。
空氣水平流動形成的風與“以太風”、“原質風”不能簡單地類比,從以上分析看出,原質流體不會被物體拖動,“原質風”(即均勻流動的原質流體流場)也不可能被觀測到。
4.5物體在原質流體流場中的非慣性運動
物體在原質流體流場中的非慣性運動,涉及很複雜的數學問題,筆者缺乏深入研究,筆者僅僅解決原質論的基礎問題。
物體在原質流體流場中的非慣性運動正是原質論發展的重要課題,原質流體的流體動力學發展前景廣闊,是研究微觀粒子的產生與湮滅的有效途徑,流體動力學將會上升為物理學的前沿學科。
5電磁現象的動力學實質
電磁是物質所表現的電性和磁性的統稱。那么,電性和磁性的實質是什麼?也就是問:物質的電性和磁性產生的根源是什麼?
對於這個問題,根據原質公設,可以用動力學的概念和原理對電磁現象進行深刻而又簡明的解釋。
5.1電磁現象與動力學現象的同一性
發生物理作用的雙方必須具備相同的實質才可以發生相互作用,不同的只是物理作用雙方所表現的形式。既然電和磁都能夠產生動力學效應,那么電和磁現象本身就必定具備動力學實質,必定是某個物質結構層次的物質運動的動力學現象。
實際上,理想流體動力學與電磁學之間存在許多相對應的概念、相似的現象、相似的物理過程,物理定律具有相同的數學表達方程式,這種現象不是偶然的巧合,而是深刻地反應了理想流體動力學與電磁學所描述的是同一類自然現象的物理過程,揭示的是同一類型的物質運動根本規律。
在物理學史上,電磁學與流體動力學相互借鑑而發展,不過由於分子構成的流體的性質與電磁學描述的“以太”性質存在巨大差異,相互借鑑的範圍很小,但是理想流體的性質與“以太”的性質非常接近,可是由於理想流體動力學的研究目的僅僅是為了研究分子流體服務,甚至有人懷疑這門學說只是一種脫離真實分子流體的數學遊戲,是沒有物理意義的研究,所以理想流體動力學的發展至今還很不成熟,這種現狀使理想流體的動力學的概念與電磁學概念不能一一對應,使人們難以確認真空的理想流體動力學模型。
原質公設給出了真空原質流體動力學模型,並有:
定理:在真空中存在的任何物理場都是以原質流體為載體的物理量場。
證明:根據原質公設,真空是原質流體流場,而原質是沒有種類分別的,只有唯一的一種,並且原質流體是緻密的,排除了真空中其它物質形態的存在,因此,在真空中存在的任何物理場都是以原質流體為載體的物理量場。
推論:電磁場是原質流體存在和運動的物理量場,而不是一種的物質。
證明:物質的最根本特性是占有空間,占有即排除其它的物質同時占據同一空間,電磁物理場不具備這個特性,所以電磁物理場不是物質,只能是物質的屬性,只有具有質量量綱才能夠稱為物質。
物理場有標量場和失量場,如果場是物質,那么物質就有標量物質和矢量物質,物質概念又如何定義呢,正負相消是否物質滅失?
有一種說法:因為電磁波具有能量,所以電磁波是物質,那么聲波也具有能量,聲波是不是物質?物質與物質的能量是兩個互相關聯而又根本不同的邏輯概念。
5.2電磁概念的動力學物理意義
根據理想流體動力學與電磁學之間存在的相對應的概念、相似的現象、相似的物理過程,相同的物理定律數學表達方程式(例如:畢奧-沙伐爾-拉普拉斯定律),很容易判斷電磁概念的流體動力學物理意義。
表5-1列出了電磁基本概念的動力學物理意義。
表5-1:電磁基本概念的動力學物理意義
電磁概念 電磁符號 動力學符號 動力學物理意義 備註
磁力線 H U 原質流體流線 單位需要換算
電力線 E  原質流體渦線 單位需要換算
真空的磁導率 μ0 ρ0 原質流體密度 單位需要換算
磁場強度 H U 原質流體流速 磁場是原質流體流速場
磁感應強度 B ρ0U 原質流體動量密度 原質流體密度速度積
電場強度 E  原質流體渦流強度 電場是原質流體渦流場
真空的電容率 ε0 J 原質流體柔量 單位需要換算
電流 I  原質流體速度環量 位移電流的意義更明顯
電量 Q  原質流體渦量 單位需要換算
波速 C V 原質波波速 詳見6“原質波”
5.3電磁量的動力學量綱
從表5-1中電磁概念的動力學物理意義可以進一步推導出電磁量的動力學量綱,只要將動力學中的量綱L2T-1置換電磁學量綱I可得表5-2:
表5-2:電磁基本量的動力學量綱
基本
電磁概念 電磁符號 電磁學量綱 電磁學單位 動力學符號 動力學量綱
真空的磁導率 μ0 MLT-2I-2 h/m ρ0 ML-3
真空的電容率 ε0 M-1L-3T4I² F/m J M-1LT2
磁場強度 H L-1I A/m U LT-1
磁感應強度 B MT-2I-1 Wb/m²=T ρ0U ML-2T-1
電場強度 E MLT-3I-1 V/m  ML-1T-2
電流 I I A  L2T-1
電量 Q TI C  L2
電勢 U ML²T-3I-1 V P MT-2
在表5-2中,任何電磁量都不具有質量量綱,所以電磁場不是物質,只是描述物質運動的物理量。
必須注意:分子流體的性質與原質流體的性質存在根本差別,兩種流體分別屬於不同的物質結構層次,所表現出來的現象也有所不同。例如:電磁波的傳播依靠媒質的誘導作用,而不是依靠媒質的彈性,儘管如此,電磁波與機械波的波動方程非常相似,只要按照表一中的對應關係,把電磁波波速公式中μ0置換成ρ0,把機械波(指由分子構成的物體中傳播的波動)媒質的彈性模量置換成柔量,則電磁波與機械波的波動方程在形式上完全一樣,這證明電磁波是依靠一種媒質傳播的,這種媒質就是原質流體。
表5-2中電磁量綱有四個要素:質量、空間、時間和電流,而動力學量綱只有三個基本要素,沒有電流量綱,可見電流量綱不是基本的。按照公理化方法理論體系結構的要求和“奧卡姆剃刀定律(Occam'sRazor)”,原質論的理論結構具有顯著的優越性。
5.4電磁量的單位與動力學量的單位換算
由於電磁學和動力學的基本物理概念和物理量在定義時分別採用了兩個不相干的系統,所以兩門學科相對應的物理量的數值所代表的物理量大小各不相同,它們之間需要進行換算,即存在一個常數km使等式:
ρ0=kmμ0
成立,ρ0為原質流體密度,μ0為真空的磁導率,km稱為動力學-電磁學當量。
此外,電性和磁性的正負號方向系統也是人為規定的,不像動力學那么真實確定,如果電磁學一開始就對它們的正負號方向系統進行相反的定義,電磁學的所有方程在形式上不會有任何改變,只是習慣不同而已。所以,電性和磁性的正負號方向系統也可能與動力學的實際情況相反。
6原質波
在物理學中,某一物理量的擾動或振動在空間逐點傳遞時形成的運動稱為波。原質波就是原質流體的物理量的擾動或振動在原質流體流場中逐點傳遞時形成的運動。根據原質公設,電磁波(含光波)屬於原質波。
原質流體既沒有剪下彈性,又沒有體積彈性,原質波的波動方式並不像機械波那樣通過媒質的彈性力的作用(媒質的彈性勢能與動能相互轉化的過程),而是按照流體動力學的速度環流和渦流在變化過程中相互誘導而傳遞的過程:原質流體變化的渦流場誘導出變化的速度環流場,變化的速度環流場再誘導出新的變化的渦流場,循環往復。
波的定義顯然是針對物質的屬性—物理量,而不是物質本身,把電磁波作為物質本身就使波的概念在邏輯上產生了歧義或者說混亂。原質波與聲波和水波等機械波在特性上存在巨大的差異,但是二者的實質沒有區別,仍然適用於波的定義,不可因為二者特性上的差異而將其完全對立起來,割裂成一個是物質本身,一個是物質的屬性。
原質流體的性質與不可壓縮理想流體的性質比較相似,在流體動力學中,並未見到任何研究不可壓縮理想流體波動(非表面波)過程的論文,甚至沒有人討論流體力學中畢奧-薩伐爾定律的逆過程,這一點也證明理想流體動力學的不完善性。
6.1光波的性質在物理學中的重要地位
作為原質波的特例—光波,其性質在物理學中具有特別重要的地位,從經典物理學的創立到近代物理學的發展,光波的性質一直是物理學中的核心問題。
在物理學發展史上,物理學界對光波的性質發生過多次持久的爭論,參與爭論的雙方都是既有敏銳(邏輯思維清晰)而又有洞察力(哲學思考深邃)的偉大理論物理學家,對光波的性質判定歷經過多次反覆。對光波性質的爭論和研究是推動物理學發展的強力源泉。理論物理學家有必要深入研究光波的性質:
因為認識到光波具有波粒二象性,從而創立了量子論;因為認識到光波具有波速不變性,從而創立了狹義相對論;現在,應該認識到光波具有縱橫二象性,認識到光波的傳播媒質和傳播方式的特殊性,從而掃清光波傳播媒質是固體還是流體這個核心疑慮,確立原質論。
在光速公式3個物理常數C、ε0和μ0中,狹義相對論強調光速常數C,而原質論強調密度常數μ0,柔量常數ε0的物理意義與基本粒子的結構相關,有待進一步揭示。
6.2電磁波的橫波理論存在嚴重的邏輯缺陷
對於任何實在物理量的波動,描述波動基本概念的定義必須是統一的,滿足邏輯上的同一律,不能因為被描述的波動物理量的不同而改變同一概念的含義,否則就會產生邏輯上的混亂,導致理論錯誤或缺陷。
在經典物理學中,波的縱橫性劃分是研究波動本身和波的傳播媒質性質的重要手段。媒質質點振動的方向與波的傳播方向垂直的波定義為橫波,媒質質點振動的方向與波的傳播方向平行的波定義為縱波。波的縱橫性定義涉及的只是媒質振動方向與波的傳播方向之間相互關係,沒有媒質的波就沒有媒質運動速度與方向,就不存在兩個方向的對比,就沒有波的縱橫性。
但是,在近代物理學電磁波的橫波理論中,由於以太理論的失敗導致錯誤地否定了真空中存在光波的傳播媒質,於是在討論波的縱橫性時,總是有意迴避或者忽略“媒質”一詞,或者把“媒質”改稱為“介質”,波的縱橫性定義開始發生歧義或者說混亂。
近代物理學電磁波縱橫性理論借用了經典物理學中波的縱橫性概念,卻迴避了波的媒質,忽略了光波偏振實驗中的磁場作用。更為錯誤的是:明知光波中的電場和磁場是渦鏇場,為了迎合“光波是橫波”這個實驗結論,故意忽略了光波中電場和磁場方向並非總是與光波傳播方向垂直這一事實,其錯誤論斷見圖6-1:
圖6-1:物理學教科書上說明電磁波中電磁場方向的錯誤插圖
圖6-1是物理學教科書上常見的說明電磁波是橫波的插圖,圖中把電磁波中的電場矢量描述成非上即下兩個橫方向,把電磁波中磁場矢量描述成非左即右兩個橫方向,與電磁波的實際情況嚴重不符,此圖純屬誤導。
實際上,按照電磁感應定律,電磁波中的電磁場是圖6-2中的鏈形分布:
圖6-2:電磁波中的電磁場真實分布示意圖
在圖6-2中:虛線E代表電磁波中電場的一根電力線,電場矢量在任一點的方向是電力線的切線方向;實線B代表電磁波中磁場的一根磁力線,磁場矢量在任一點的方向是磁力線的切線方向,而水平方向是電磁波的傳播方向,顯然,電磁波中的電場和磁場方向只有在相位為0°和180°兩個特殊點上滿足圖6-1的電場和磁場方向,而其餘點隨著電場和磁場的切線方向變化而變化,在相位為90°和270°兩個特殊點上,電場和磁場的方向與電磁波的傳播方向平行。
圖6-1僅僅描述了電磁波中電場和磁場的橫向分量EX和BY的大小和方向,拋棄了縱向分量EZ和BZ的大小和方向,電磁波的橫波理論在邏輯上以偏概全,存在嚴重缺陷。
近代物理學電磁波橫波理論出現這樣明顯錯誤的原因在於:先有光的偏振實驗結果,後有迎合實驗結果的理論解釋,理論不是服從統一的數理邏輯,不是深入研究物理作用的過程,而是急功近利地直奔實驗結果這個主題。
6.3電磁波的縱橫二象性
原質流體的波動方式與機械波的波動方式是不相同的。由於機械波的媒質質點可以做一維往復運動,所以機械波存在單純的縱波和橫波,原質流體的性質使原質流體只能做環流運動(詳見上文4.1推論2),其運動方式至少是二元流動(即二維運動),不能像機械波的媒質質點那樣可以做一維往復運動,所以原質波(包括電磁波)不存在單純的橫波或縱波。
根據上文5的論述,原質流體的渦流場即電場,速度環流場即磁場,根據波的縱橫性定義,判斷電磁波縱橫性的唯一判據是磁場矢量的方向,而不是電場矢量的方向。
圖6-3電磁波的縱橫性分析圖
圖6-3是電磁波(含光波)的縱橫性分析圖,圖中僅取一個波長為代表。電磁波中的磁場除了在上下左右4個相位特殊的點以外,磁場矢量B的方向與光波的方向既不垂直,也不平行,而是呈現斜交狀態。對磁場矢量B進行矢量分解可得與光波傳播方向平行的縱向分量BZ和與光波傳播方向垂直的橫向分量BX,根據波的縱橫性定義,電磁波既是縱波,同時又是橫波,具有縱橫二象性。電磁波是縱橫二象波,完全可以在流體性的媒質中傳播。
電磁波中的電磁振盪不是媒質在一條線上的一維往復運動,而是媒質在一個面上的二維環流運動,電磁波既不是單純的橫波,也不是單純的縱波,只能是縱橫二象波。但是具有縱橫二象性的電磁波仍然具有偏振效應,只不過單純的橫波是偏振線,而縱橫二象性波是偏振面。
偏振線好比牙籤,在偏振實驗中如同牙籤橫過窄縫;偏振面好比硬幣,在偏振實驗中如同向自動售貨機狹窄的投幣口投放硬幣,兩種情況都必須對準方向,所以單純的橫波和縱橫二象波都具有偏振效應。
由於磁場是原質流體的速度場,根據原質流體的性質,原質流體可以輕易滲透任何物體,繞過物體中的粒子繼續流動,所以磁場容易穿透物體,包括以任何方向穿透光的偏振片;而電場是原質的渦流場,根據流體動力學,渦線遇到流場邊界就會終止,所以電場在通過光的偏振片時,如果遇到偏振片中的任何粒子就會中斷,電場的渦流能量就會被偏振片中的粒子吸收。這就是偏振片只阻止電場通過而不阻止磁場通過的物理過程。
不僅如此,電磁波在發射、傳播、反射、折射、透射、接收時所表現的各種性質的根源都是由於原質流體流線(磁場)易於繞過實物粒子而渦線(電場)易於被吸收造成的結果。
電磁波的縱橫性判據是磁場,可是能夠被偏振片阻止的反而是電場,這與機械波的偏振有很大的差異,這種差異是由於兩種波的媒質物質結構層次差異造成的,機械波與偏振片相互作用時,媒質與偏振片的材質雙方處於同一物質結構層次(都是分子結構),機械波的媒質沒有滲透性,其媒質波動方向的波動能量容易被吸收;電磁波與偏振片相互作用時,媒質(原質流體)與偏振片的材質雙方不是處於同一物質結構層次,電磁波的媒質-原質流體的環流流動具有滲透性,容易繞過障礙物體,原質流體的動能不易被吸收,而原質流體的渦線不具有滲透性,其能量容易被粒子吸收。
揭示電磁現象的動力學實質有利於準確地把握物理作用過程,深刻地理解物質及其運動規律的統一性。
7.近代物理學與經典物理學的邏輯聯繫
7.1物理學理論體系缺乏邏輯統一性
近代物理學的理論基礎建立在物質波假設和光速不變假設之上,具體體現在物體運動的兩大效應:其一是物體運動的質量隨著其運動速度的增加而增加,這是狹義相對論的基礎;其二是微觀粒子運動的波粒二象性,這是量子力學的基礎。這兩大效應作為近代物理學的兩大基石,理論來源於推測和類比推理,缺乏邏輯上的必然性,雖然其計算結果經過嚴格而廣泛的實驗驗證,但是這兩大效應之間沒有邏輯聯繫,它們在經典物理學中也沒有理論依據,因此,整個物理學缺乏邏輯上的和諧統一性。
特別是,這兩大效應被視為自然界固有的現象,是只有結果,沒有原因的自然現象,與經典物理學相比,近代物理學缺失了明晰的物理過程。可以說,近代物理學是一種過程模糊而結果清晰、物理意義(定性)模糊而數學計算(定量)清晰的理論,這種理論不利於深入理解和準確把握,不利於物理學的進一步發展。
7.2原質假設是統一經典物理學與近代物理學的必要條件
大家知道潛艇在海洋中運動的慣性隨著其運動速度的增加而增加,這是因為潛艇在水中運動時產生的伴流效應使潛艇的運動慣性增加,如果潛艇在沒有水的虛空中運動,就不存在這種效應,航空器也存在類似的效應;大家也知道,旗幟在空中飄揚,電線在風中震動而發出呼嘯聲是空氣流動引起的,沒有空氣就沒有空氣的流動,旗幟不會飄揚,電線不會震動。
這兩種效應的存在的根本原因都是因為物體所處的空間充滿流體,在虛空中不可能產生這種效應。
上文中的兩種效應與近代物理學的兩種效應非常相似,它們之間不僅僅是一個簡單的比喻,經過深入的流體動力學分析與論證,只要在經典物理學中增加一個原質假設,修改一下經典物理學的時空觀,就可以運用經典物理學中的流體動力學方法推導出近代物理學的兩大基礎效應,架設近代物理學與經典物理學之間的邏輯橋樑,從而統一物理學。原質公設是統一經典物理學與近代物理學的必要條件,是統一物理學唯一正確的出路。
7.3物體慣性隨其運動速度增加而增加
在上文4.4節討論物體在原質流體流場中運動的伴流時簡要介紹了原質伴流及其基本性質,證明了在原質流體流場中運動的物體只存在勢伴流,並簡要說明物體在原質流體流場中做慣性運動時的勢伴流強度與物體的質量成正比,而與物體的體積和形狀無關。
在原質公設的條件下,物體的運動不再是物體單獨地在虛空中運動,不是一個孤立的、封閉的運動物體,而是一個物體與原質流體相互影響、相互作用、相互聯繫的開放系統。物體在原質流體流場中運動必然產生原質伴流,物體與原質伴流共同組成一個緊密聯繫(指慣性力相位相同,即:同時加速或減速,這是原質流體不可壓縮和連續性決定的)的物質運動系統。
原質伴流具有動能,由於原質流體沒有粘性,物體做慣性運動時,原質伴流的動能不會轉化為熱能或其它形式的能量而耗散掉,只會儲存在原質流體流場中,當物體加速運動時,物體表面的壓力差推動原質伴流同時加速,物體的壓能轉化為原質伴流的動能,原質伴流吸收物體的能量;當物體減速運動時,原質伴流的動能轉化為壓能,阻礙物體減速,其結果使得物體既難於加速,又難於減速,相當於增加了物體的質量,並具有質量量綱,這種由伴流造成的質量在流體力學中稱為附加質量。
在流體力學中,附加質量的表達方程式是:
式中:mλ為附加質量,ρ0為流體密度,S為物體表面,φ0為物體表面伴流的單位速度勢,為伴流的單位速度勢對物體表面的法向偏導數。
由於分子構成的流體具有粘性,所以上式中的附加質量與物體形狀及方向有關,但是對微觀無限連續的原質流體來說,物體表面不能作為流場的內邊界,只有基本粒子的表面才能作為其流場內邊界(參閱上文2、上文4),任何形狀的物體都可以視作球體的疊加,而且原質流體及其流場的性質滿足疊加條件,所以,原質伴流的附加質量與物體的形狀和運動方向無關,僅僅是物體的有效體積(排除巨觀和微觀間隙)、原質流體的密度及物體的運動速度的函式,即:
mλ=f(ρ0Vυ)
根據原質假設,任何物體排除巨觀和微觀間隙後密度均相等,而且等於原質流體的密度,所以原質伴流的附加質量只是物體質量和運動速度的函式,即:
mλ=f(m0υ)
因為原質伴流的流速具有觀測相對性,所以附加質量也具有觀測相對性,即同一物體對不同的參照系附加質量的值不同。
鑒於流體力學的三元流(三維)數學計算非常複雜,即使是無粘性、不可壓縮的理想流體力學方程式也極少有精確解,計算最簡單的幾何體——球體勻速直線運動時的表面速度勢也十分困難,因此,本文對原質伴流附加質量的具體數學表達式不作詳細的數學論證,物體質量與附加質量的和是否為狹義相對論的運動質量相同,即是否滿足公式:m0+mλ=mυ也沒有定論,近代物理學與經典物理學之間的邏輯聯繫在數學上需要進一步研究論證。
7.4物體在原質流體中的受力分析
在上文4.3節中已經分析得出了“任何物體在原質流體流場中做慣性運動時所受到的合力恆為零”的結論,由於這是分析理解“以太風”問題和物質波問題的關鍵所在,所以有必要詳細討論。
定量分析物體(由於原質流體的滲透性,這裡的物體都是假設的幾何體或者是微觀基本粒子)與原質流體流場的相互作用比分析原質伴流引起的附加質量更為複雜,為了便於數學分析,常常將三元流動簡化為二元流動,不會影響對流體力學基本結論的理解。
圖7-1是無限大均勻流流場內圓柱體橫截面(流速與圓柱體軸線垂直)的繞流示意圖,均勻流的流速在無窮遠處的流速為υ0,方向與x軸相同,圓柱體相對靜止。根據速度定義的相對性,圓柱體受力情況與圓柱體以速度υ0向x軸負方向運動,流場相對靜止的效果完全一樣,所以繞流可以看成是勢伴流流場與均勻流流場的疊加。
圖7-1:無限大均勻流流場內無限長圓柱體橫截面繞流示意圖
通過流體動力學精確求解,得到圓柱體周邊所受流體相對壓力差ΔP(負值向外,正值向內)為:
ΔP=1/2ρυ02(1—4sin2θ)
式中:ρ為流體密度,υ0為均勻流流速,θ為圓柱體中心點O與其表面任一點連線與x軸正向夾角。
設1—4sin2θ=CP,可以算出CP在A、B、C、D四點及圓柱體表面其它任一點的值,顯然,CP嚴格地關於中心對稱,如圖7-2。
圖7-2:無限長圓柱體在均勻流流場中的受力示意圖
在上文4.3節中已經簡要分析得出了“任何物體在原質流體流場中做慣性運動時所受到的合力恆為零”的結論(即“達朗貝爾佯謬”),得到這個結論需要流體和流場具備以下嚴格的條件:
(1)在理想流體中(流體微觀連續、無粘性、不可壓縮);
(2)流體在物體表面沒有分離;
(3)流場是無邊際的,或者流場和物體兩側嚴格地對稱;
(4)物體周邊的流場無源、匯、渦等奇點存在;
(5)物體做勻速直線運動或者相對靜止的物體處於均勻流流場中。
上述5個條件中的前兩條是對流體提出的要求,後三條是對流場提出的要求。從上文2可以看出,原質流體滿足條件(1)和(2);從上文4中看出,原質流體流場只有在理想情況下符合上述條件中的(3)、(4)、(5),通常原質流體流場不是嚴格對稱的。流場的不對稱性正是問題的關鍵,然而,即使流場與物體都嚴格地對稱,任何微小的擾動也會破壞流場的對稱性。
由於任何形狀的平面圖形都可以由大小不同的圓形疊加構成;任何形狀的立體都可以由大小不同的球體疊加構成;所以對於原質流體來說,物體本身的對稱性並不重要,上述力學效應對任何形狀的物體都一樣。
7.5物質波的流體動力學起因
在圖7-1中,當圓柱體繞流流場的對稱性被破壞或者被擾動時,假設流場向y軸方向發生對稱性破壞,x軸下方的壓力超過上方,則x軸上的流線作為原流場的平衡分界線就會發生中拱,迎流面分流點A及背流面合流點C就會上移,x軸、圓柱體下半圓與其下方流線之間的區域b面積增大,x軸、圓柱體上半圓與其上方流線之間的區域a面積減小,根據連續方程,b區流速比a區流速小,再根據伯努利方程,b區壓力比a區壓力大,使原來的x軸上變形的流線繼續擴大變形,形成正反饋效應,直到A、C兩點上移到B點附近的極限位置,形成新的短暫平衡,同時在這一過程中,流場的壓力差形成的合力給圓柱體一個向上的升力。
因為圓柱體的繞流不可能脫離圓柱體而獨立存在,所以圓柱體的繞流流場的變形方向是不可持續的,只能在物體直徑範圍內波動,這樣圓柱體繞流流場就產生了周期性的壓差作用力。
這個效應也可以利用庫塔-茹科夫斯基(Kutta-ZhukovskiNiKolaiEgoroevich)定理說明:在無粘均勻流中的二維物體單位長度上的作用力(升力)垂直於來流方向,其大小等於流體密度、來流速度和繞該物體的流體速度環量之積,即:
L=iρυ0Γ
式中L為橫向升力,i為虛單位(圖中指升力為Y軸方向),ρ為流體密度,υ0為物體對流體的相對速度,Γ為繞圓柱體的速度環量。
反過來說,物體要獲得持續的升力必須有繞物體流動的速度環流,圖7-2繞流是無鏇流動,沒有速度環量,所以升力的產生是不可能持續的,只能在一定的範圍內波動。
如果圓柱體是固定不動的,只有流場和升力發生周期性的變化,如果圓柱體是自由的,則流場的壓力變化與圓柱體受壓上下擺動,二者互動作用,形成共振。
上述流體動力學分析是一種思維實驗,因為純幾何形狀的圓柱體(物體微觀不連續)邊界是不存在的,對於原質流體而言,只存在基本粒子邊界,但是,這不影響定性分析結論,只不過分析基本粒子與原質流體相對運動時的相互作用要用三元流理論,數學分析更加複雜。將二元流動中物體與流體相互作用產生的共振效應推廣到三元流動中粒子與原質流體相互作用,不難看出,物質波產生的過程是粒子與原質流體相對運動時相互作用產生的流體動力學效應。
物質波是粒子與原質流體相對運動時粒子與流場發生共振形成的波動,是實在物理量的波動,原子輻射出來的電磁波是物質波的拍頻,電磁波是實在的物理量,所以物質波的波動也是實在物理量的波動,物質波統計解釋只是一種的數學手段,與麥克斯韋氣體分子速度分布律一樣,沒有新的哲學意義,微觀物質的運動與巨觀物質運動服從同樣的、統一的流體力學定律,電子衍射圖樣也可以用巨觀物體在分子流體中模擬出來。
實際上,物質波的統計解釋是在否定以太假說後,物理學界在虛無時空觀下所做的無奈選擇,波恩在做出物質波的統計解釋整整30年後才獲得諾貝爾獎,證明統計解釋難以服眾,近代物理學界、乃至哲學界對待近代物理學理論的詮釋一直處於深度困惑之中,而導致這種深度困惑的全部根源就在於虛無的時空觀。請看原質論第8部分:原質論時空觀。
8.原質論時空觀
物理學是研究物質的基本結構和物質的基本運動規律的理論,物質結構是物質系統的物理量在空間上的分布,以空間概念為基礎;物質運動是物質系統的物理量在時間上的變化,以時間概念為基礎。因此時間概念和空間概念,即時空觀是整個物理學理論的基礎。
在物理學中有三個最基本的量綱:質量量綱M、時間量綱T和空間量綱L,它們構成了物理學中最大分支——動力學(含電動力學,電磁學已經在第5部分併入動力學)中各個物理量的基礎。可見,物質、時間、空間是物理學中最基本、最重要的三個概念。
然而,時間概念和空間概念都是因物質概念而產生的,沒有物質,就沒有時間和空間,所以物質概念是比時間概念和空間概念更基本的概念,是整個物理學的根本,在討論物理學時空觀時,必須首先討論物質概念。
8.1原質論的物質觀
作為物理學的根本,物質概念是如此地重要,可是物理學界卻沒有給物質概念下一個實質性的定義。也許有人認為物質概念不言自明,不需要下定義;也許有人認為物質概念太抽象,物理學無法下定義,定義物質概念是哲學的任務,這都是錯誤的。一個嚴密的理論體系,重要基本概念的定義事關整個理論基礎的邏輯可靠性、統一性,必須定義。
在原質論之前,能夠在物理學教科書中找到說明物質概念最全面的表述是:“什麼是物質?大至日、月、星辰,小到分子、原子、電子都是物質,固體、液體、氣體和電漿這些實物是物質,電場、磁場和引力場也是物質”。這種舉例說明概念的方法不是對概念進行實質性定義,因為物質的具體形態無限多,不勝枚舉,這種說明沒有指出物質的獨特屬性,沒有指出所有物體的共同性質,從而不能依此判斷其舉例之外的事物什麼是物質、什麼不是物質。這種說明注重的只是事物的外在形體,而不是內在性質,表面上是在說明“物質(matter)”概念,實際上是在說明“物體(object)”概念。
綜上所述,物理學界對物質概念的認識是模糊的、膚淺的。很多人沒有分清了“物質(matter)”概念與“物體(object)”概念。正是這個原因造成了物理學的物質概念混亂:事物的物理量為常量的是物質,為變數的也是物質;為標量的是物質,為矢量的也是物質;占有空間的是物質,不占有空間的也是物質;穩定的是物質,不穩定的也是物質;實物粒子是物質,真空中的場也是物質,甚至能量也被認為是物質。描述真空本身性質的物理量——電導率和磁導率都是常量、標量,真空本身沒有被認定為物質;而描述電場和磁場的物理量都是變數、矢量,反而把電磁場認定為物質,這樣與“空氣不是物質,風速場和氣壓場才是物質”的錯誤邏輯判斷又有什麼兩樣呢?
可見,物理學的物質概念根本就沒有確定的、統一的內涵,在邏輯學上是一個不穩定、不成熟的概念,所以沒有辦法對物質概念進行實質性定義。
原質公設給真空中的一切物理場提供了載體,真空中的一切物理場都是原質流體的某個物理量Wi在空間上的分布與時間上的運動wi(x,y,z,t)。
即:Wi=wi(x,y,z,t)
例如:磁場是原質流體流速分布場,電場是原質流體渦流分布場。
若且唯若,描述事物的物理量為純質量量綱或純質量密度量綱時,事物本身才是物質。物質的量綱必須為標量。通常物理場是眾多物體的集體行為,而不是一個物體的單獨行為,是物質的屬性(參見:5電磁現象的動力學實質),而不是物質本身。所有的物質都是實物,這樣,物質概念就具備了統一性。
根據原質公設,物質就是“實在”,凡是具備實在性的事物都是物質,凡是不具備實在性的事物都不是物質。
“實”的含義就是充實,即占有空間,並排除其它部分的物質進入同一空間。也就是說,物質是不可壓縮的,具有空間守恆性。這裡注意不要將“物質”和“物體”兩個概念混淆,“物質”是所有“物體”(包括全部層次的物質結構)的共同性質。“物質”不可被壓縮,但是“物體”可以被壓縮。壓縮物體就是壓縮物體的物質結構。在壓縮物質結構時,物體原來所包羅空間內的流體同時溢出了該空間。例如:壓縮海綿時擠出了空氣;壓縮空氣時,擠出了原質流體。
任何物體被壓縮後的體積與溢出流體的體積之和恆定不變。設V為物體被壓縮前的體積(外包羅體積),Vg為物體被壓縮後的體積(外包羅體積),而Vl為物體被壓縮時溢出的流體體積,則:
V≡Vg+Vl
所以,雖然物體被壓縮後的體積變小了,但是物質的總體積不變,物質未被壓縮。
“在”的含義就是存在,即占有時間,具備時間持續性。無論任何時候,無論物質被觀測與否,物質都持續存在,具有時間守恆性,也就是物質不滅定律。一個封閉系統的物質的量,是獨立守恆的,不可能與能量或者動量攪合在一起,否則,這個物質系統是個開放的系統,系統內外存在著物質交換,此時要將質量守恆定律推廣為質量守恆與轉移定律。
物質就是既占有空間又占有時間的事物。物質是所有物體的共同性質,物體就是有結構的物質。
物質概念與物體概念的混淆還體現在對高能物理現象的詮釋中,把正反粒子的湮滅解釋為物質消滅。實際上,正反粒子只是物體的運動方式相反,正反粒子的湮滅反應是物體的湮滅反應,而不是物質的湮滅反應,即:湮滅了物質的結構,或者說湮滅了物質的運動方式,而物質本身在湮滅反應後又以新的結構、新的運動方式繼續存在著。
對物質的度量就是質量概念問題。因為原質流體不可壓縮和膨脹,所以無論原質流體是否演化成物體,其密度都是一樣的,如果計入所有的物質形態,則任何空間點上的物質密度都是極大值ρ0,物質的密度值恆定不變,物質的質量與占有的空間恆定成正比。
物體的質量不能再用經典物理學中“物體包含物質的多少”進行定義,因為巨觀物體的內部絕大部分空間是真空,“包含”的意思自然包括了物體內部的真空。在經典物理學時空觀中,真空與虛空沒有區別,不過是一個概念,兩種名稱,虛空沒有質量。但是在原質論時空觀中,真空是密度極大的原質流體,是有質量的,而且,無論是研究物體的結構還是研究物體的運動,物體與其包含的真空都不是一個整體,物體的質量自然不應包含真空的質量在內,所以應當將物體的質量定義修改為“物體的結構包含物質的多少”。顯然,物體的密度值隨著物體的結構變化而變化。
原質論的物質觀與既往物質觀最大的區別在於:
第一,物質概念是完全統一的;
第二,任何物體被壓縮時,都存在一個壓縮極限,當物體的密度達到一個極大值ρ0=kmμ0(μ0為真空中的磁導率,參見上文:5電磁現象的動力學實質)時,物體在任何條件下都不可能被進一步壓縮。ρ0是一切物體的密度極限。所有的物體被壓縮到極限時的密度都等於ρ0。
根據原質公設,任何物體都是原質流體及其演化狀態的產物,是有結構的物質。原質論描述物質結構的自然數不是從1開始,而是從0開始的,0也是一個自然數。原質是沒有結構的物體(靜態表述),或者說原質是結構無窮小的物體(動態表述)。原質流體體積至剛而形狀至柔,足以演化成現實宇宙中所有體積、所有形狀及所有性能的物體,其確定的性質與有限的密度使其演化過程與結果形成一個變化無窮而又有規律的世界。
8.2原質論的時間觀
時間觀就是對時間概念的認識,即時間概念的物理意義。
在邏輯學上,任何一個概念都包括內涵與外延兩個方面,只有同時準確、全面地掌握了一個概念的內涵和外延,才能正確認識這個概念,才能給這個概念下一個實質性定義。
為了探索時間概念的物理意義,有必要回顧時間概念的起源。在中文裡,時間的“時”字由“日”和“寸”構成,“日”的意思就是一天,“寸”的意思就是劃分與度量。“時”就是對天體運動周期進行度量。“間”就是“區間”的意思,說明度量“時”的起止點,這是時間概念的原始意義和目的。將原始時間概念進一步推廣到一切形態的物體運動,這就是物理學的時間概念,可見時間是用於記錄物質運動過程的,其物理意義就是物質運動的過程,廣義的時間概念是指整個宇宙的物質運動過程,狹義的時間概念是指某個獨立的物質系統的運動過程。
與時間概念密切相關的概念是時刻概念。時刻是無限短的一段時間,是構成時間的基本元素。如果把時間比作一條線段,那么時刻就像這條線段上的點;如果把時間比作一段錄像,那么時刻就像這段錄像里的像片。時刻的物理意義是物質運動的狀態,用T表示某個物質系統的時間,用t1和t2分別表示該物質系統運動的起止狀態,則:
T=t2–t1
如果某個物質系統具有某種相對穩定的狀態,那么這種狀態從產生時刻到消亡時刻之間的時間稱為壽命。
過去人們認為時間概念很抽象,難以把握和定義,特別是難以定義相對靜止物體的時間。這個問題產生的根源還是因為沒有分清“物體”與“物質”兩個相似概念的區別。一個相對靜止的物體僅僅是巨觀上相對靜止,物體沒有運動,只是其全部物質結構之中的一個層次沒有巨觀運動,但是構成物體的微觀結構,包括分子、原子還有更深層次的原子核、基本粒子都在永不停息地運動,時間不單純記錄物體外在的巨觀物質運動,還在記錄物體內在所有物質結構層次的微觀運動,所以一個相對靜止的物體的時間照樣流逝不息。一條被液態氮冷凍後又復活的金魚,在其冷凍期間生命僅僅是延緩,而並沒有完全停止。
任何物質結構(即物體)一旦停止了內部各個層次的物質運動,則其物質結構就會立即瓦解:太陽系的行星如果不運動,太陽系就不存在;電子不運動,原子就不存在;原質不運動,基本粒子就不存在。假設所有的物質結構層次都停止運動,則各層次的物質結構全部瓦解為原質,時間就會停止流逝,同時物體的空間結構也一起歸零,即物體瓦解成為沒有結構、無限均勻的原質流體。
對時間的度量就是度量物質系統運動狀態的變化率。儘管人類認識時間從日月經天的天文現象開始,但是由於天體是非常複雜的物質結構,包含的物質結構層次多,所以通過天體運動狀態的變化率不能精確地計量時間。為了便於精確地計量時間,應當選擇儘可能簡單的物質結構的運動狀態變化率作為參照。
根據原質公設,原質流體的運動所形成的流場是最簡單的物質結構運動狀態。由於原質流體只能夠做環流運動(即磁場),並且原質流體環流的產生必定誘導出原質流體渦流(即電場),並進一步互動誘導,形成原質波(即電磁波,眼睛可見範圍及附近頻率稱為光波),所以用電磁波度量時間可以十分精確。在理論上,產生電磁波的物質結構系統越孤立、封閉,電磁波的頻率越高,時間就度量得越精細。但是,在實際操作中,考慮到可見光的頻率更容易精確測量,所以科學界採用不受外界干擾的銫-133的原子基態的兩個超精細能級間躍遷時產生輻射的光波度量時間,1秒鐘就是該光波9192631770個震盪周期的持續時間。狹義相對論也是採用光波作為度量物質系統時間的依據,而機械波中的物質結構層次多,不能用於精確地度量時間。機械波與光波的根本區別不是有沒有媒質的問題,而是它們的媒質有沒有物質結構的問題。
8.3原質論的空間觀
空間觀就是對空間概念的認識,即空間概念的物理意義。
空間概念與時間概念一樣,也是物質的一個方面的基本屬性,有著完全具體的、明確的物理意義,而不是什麼神秘的概念。
根據原質公設,空間就是物質存在的範圍。在宇宙中,任何一個點都存在著物質,真空是原質流體,非真空是原質流體的演化狀態,即有結構的物質——物體。宇宙中沒有任何一點空間是空虛的。虛空概念是現實世界中不存在的虛幻概念。
空間概念中的“空”字當然是“空虛”的意思,但是原質論中的“空虛”是針對“物體”而言的,並不是針對“物質”而言的,也就是說,空間概念中的“空”字是“有沒有物質結構的問題”,而不是“有沒有物質的問題”。
液體對於固體來說是空虛的;氣體對於液體來說是空虛的;而真空(即原質流體)對於氣體來說是空虛的。總之,空間概念中的“空”是相對的“空虛”,不是絕對的“空虛”。真空只是真正沒有具有結構的物體,而不是真正沒有物質。
任何空間都是相對的“空虛”,絕對的“充實”,虛在物質結構,實在物質存在。可以說:“大氣是鳥兒的空間;水體是魚兒的空間;海洋是潛艇的空間”。但是不能因為它們被稱作空間就說:“大氣中不存在物質;水體中不存在物質;海洋中不存在物質”。
空間概念與時間概念一樣,存在廣義空間和狹義空間之分。廣義的空間概念是指整個宇宙的物質所存在的範圍,狹義的空間概念是指某個物質結構層次相對於周邊較低的物質結構層次所存在的範圍。
在原質論中,物理空間與數學的幾何空間(包含解析幾何空間)是完全相同的。物理空間由無窮小的點狀結構物質——原質構成,數學的幾何空間也是由無窮小的點構成。無窮多個點構成線;無窮多條線構成面;無窮多層面構成體。如果沒有原質公設,那么數學的幾何空間就不可能在現實世界中存在,只能是對現實世界空間的抽象,是一種理想化的近似。至於代數中大於三維的多維空間,當然是假借空間之名,而非真實空間。
對空間的定量描述,數學早已走在物理學前面,有歐幾里德幾何學,也有非歐幾里德幾何學,至於應該採用哪種幾何空間進行描述,在於各取所需,就像有人喜歡照平面鏡,有人偏偏喜歡照哈哈鏡一樣。
正是因為物理空間與數學幾何空間的同一性這個條件,只要把原質流體的密度設定為單位1,並排除數學場論中的人為假設的條件,那么數學中的場論就是直接對真空(即原質流體)性質的描述。
原質論中的空間完全通過物質定義,並具有現實的、具體的、明確的、統一的物理意義。它不僅排除了空間概念的神秘感,而且還完全排除了超距作用。萬有引力、電磁力都是通過原質流體進行相互傳遞的,而電磁力的實質就是原質流體的相對壓力,其物理意義與流體力學裡伯努利方程式中的壓力是完全一樣的,只不過產生在不同的物質結構層次。
原質論的時空觀將物質、時間和空間三個基本概念在物理意義上緊緊聯繫在一起。時間和空間概念均由物質產生,又均通過物質來定義。通過分析任何一個物質結構系統所形成的時間和空間可以看出,代表時間的物質運動與代表空間的物質結構是同時產生、又同時消亡的,物體、時間和空間三個基本概念密不可分。
在原質論的新物質觀和新時空觀之下,物理學的基本概念普遍性地發生了變化,所以需要重新定義。
9物理學基本概念的新定義
9.1物理學基本概念的發展變化
自經典物理學創立起,物理學建立了一批基本概念。為了保證理論的嚴謹性,牛頓在其《自然哲學之數學原理》中嚴格地按照公理化方法的要求對這些概念進行了定義。
隨著物理學的發展,經典物理學的基本概念也同時得到繼承和發展,其中有許多基本概念的含義發生了較大的變化,與牛頓當初的定義概念存在顯著差別:
例如:質量概念在經典物理學中被牛頓定義為“物體包含物質的多少”,但是在狹義相對論中,物體的質量不僅與其自身結構有關,而且與物體運動的相對速度有關,其數值不是僅僅代表物體包含物質的多少,這就與經典物理學中的質量概念的含義顯著不同。
再看“波”這個概念,在經典物理學中,波是眾多物質質點集體有序的周期運動,是物體的一種群體性質;在近代物理學的電磁波概念中,“波”這個概念被詮釋成了一個物體的單獨運動,被當作物質本身。
在經典物理學中,波的縱橫性是波中媒質質點振動的方向與波的傳播方向的相互關係,沒有媒質就沒有波的縱橫性關係。可是近代物理學中,電磁波被看作物質本身,沒有媒質,卻有波的縱橫性關係,一方面在電磁波的傳播速度問題上否定電磁波存在媒質,另一方面又不得不用媒質解釋電磁波的偏振現象,並無法從理論上解釋為什麼偏振片只吸收電磁波中的電場能量,不吸收電磁波中的磁場能量這個實驗結果。
物理學基本概念的發展與變化只是一種表面現象,其根本原因在於:隨著物理學新理論的創立,物理學的時空觀在不斷地改變。事實上,從法拉第引入“場”概念起,物理學的時空觀就已經悄然發生了改變。法拉第的存在場的空間是充實的空間,已經不再是牛頓的虛無空間。近代物理學更是從多方面證實了真空不空,但是以太理論的失敗阻礙了物理學對空間進一步地正確認識,使近代物理學理論詮釋陷入了十分糾結的境地,甚至不得不放棄邏輯,接受實驗強加於人的事實,每當遇到邏輯上無法解釋的現象時,就用“實驗結果如此”加以掩飾,或者使用非邏輯的人為方法進行“重整化”操作。
造成這種困境的根本原因是,近代物理學在衝破經典物理學舊時空觀的束縛時,沒有及時地建立新的、正確的時空觀,相對論的時空觀僅僅是在定量分析方面對經典物理學時空觀有所改進,但是沒有揭示新時空觀的物理意義,沒有重新定義物質、物體、質量、時間和空間等物理學基本概念。
近代物理學在創立新理論時,沿襲了許多經典物理學的舊概念的名稱,儘管在新理論中這些概念的含義與原來的含義存在著顯著差異,但是沒有對新概念進行重新定義或加以說明,這就造成了物理學概念的同名異義現象,導致了概念模糊和混亂。
為了保證理論體現的嚴謹性,當新理論創立的時候,不僅全新的概念需要定義,而且在使用舊概念時,如果概念的含義有所擴充、縮減或者改變,也必須加以定義或者說明。
原質論正是在這樣的歷史條件下,運用範疇對應規律和金字塔思維方法對物理學的基礎理論進行自然哲學和邏輯學的審判而建立起來的,目的在於給物理學一個正確的物質觀和時空觀,一個牢靠的、統一的理論基礎。
物質觀和時空觀是整個物理學的理論基礎,如果這個基礎不牢靠,則整個物理學都會動搖。物質觀和時空觀的改變必定會引起物理學基本概念的普遍改變,包括質量、時間、空間這些基本概念。
9.2靜止質量、運動質量和附加質量
物理學的質量概念是一個僅次於物質概念的重要概念。在狹義相對論及高能物理中,受虛無時空觀的影響,被許多物理學工作者誤解,質量被詮釋為能量的一種形式,並與能量概念混為一談,雖然有些物理學工作者反對這種詮釋,但是提不出令人信服的論據。只有在原質論的時空觀下,才能正確區分質量、慣性和能量概念。
牛頓將質量概念定義為“物體包含物質的多少”。在經典物理學的絕對時空觀中,物質、時間、空間三者之間沒有相互聯繫,排除物體後的空間是虛空,物體是個孤立的、封閉的物質系統,在這樣的條件下,物體無論怎樣存在與運動均不會與外界及空間發生聯繫,一個確定的物體必然具有確定的質量,無論物體運動速度任何,物體的質量總是常量。
但是,經典物理學的質量定義在原質論時空觀中並不合適,這是因為物體存在的空間環境發生了根本性的變化:
第一,物體存在的空間由經典物理學中的虛空變成了原質論的實空(存在原質流體的充實空間,“空”的含義僅僅是針對物質結構,而不是物質存在。參見上文8.3原質論的空間觀),是緻密的原質流體,並具有質量,物體的內部微觀結構絕大部分是空的,經典物理學的質量定義中的“包含”一詞未排除空間中的原質流體,當物體運動時,真空中的原質流體並沒有完全隨物體一起運動,就像拖動漁網時,並沒有拖動全部海水一樣,所以測量物體的質量時,滲透並充滿物體內部空間中的原質流體不會被一起測量。
第二,在原質論的時空觀下,物體不再是孤立的、封閉的物質運動系統,物體運動必然帶動其周圍的原質流體產生伴流運動,物體與原質伴流組成一個聯繫的、開放的物質運動系統。當這個系統改變運動狀態時,物體與原質伴流之間存在動量和能量交換,這種交換相當於增加了物體的質量(參見上文7.3物體慣性隨其運動速度增加而增加),流體力學稱為附加質量。
在物體的原質伴流流場中,原質伴流因物體的體積排流造成,根據流體力學及原質流體的特性,雖然原質伴流與物體運動同相位,流場的流速分布一致延續到無限遠的空間,但是,離開物體的空間距離越遠,原質流體參與這個系統運動的流速就越小,並非與物體速度相同,這樣,原質伴流的附加質量也無法使用包含方法直接計算,而是通過計算其加速或減速時吸收或釋放的動能或動量,然後折算為質量當量,只不過附加質量具備質量的量綱和性質。
綜上所述,可以將物體的質量定義修改為“物體的結構所包含物質的多少”,而物體與其原質伴流組成的物質運動系統的質量則包括物體自身結構的質量(可以稱為“結構質量”)和其原質伴流的附加質量。其中,物體自身結構的質量是一個與物體運動速度無關的物理量,也就是愛因斯坦在狹義相對論中所稱謂的“靜止質量”;原質伴流的附加質量是物體運動速度的函式,參照系不同,其數值就不同。它與物體的結構質量合併就是愛因斯坦在狹義相對論中所稱謂的“運動質量”。
由於附加質量不是通過對物體結構範圍的直接劃分或測量得到的,它描述的物理量不是物質本身,而是物質的一種屬性,所以,將“運動質量”稱為“慣性質量”更確切。“慣性”一詞作形容詞用時,是物體保持原來運動狀態的性質;作名詞用時,是物體“慣性質量”的簡稱。
在狹義相對論中,有兩個公式——質能關係式和質量、動量、能量綜合守恆關係式被人普遍誤解,這是虛無的時空觀造成的。這兩個關係式都是反映物體與其原質伴流組成的物質系統的三個基本物理量之間的關係。
質量守恆定律和能量守恆定律都只能在封閉的物質系統內成立,物體與其原質伴流組成的物質系統是一個開放的系統,原質伴流參與這個系統的範圍不變,強度隨著物體運動速度的改變而改變,原質伴流的附加質量也在同步變化,不存在物質產生與消滅問題,也不存在物質與能量相互轉變問題。
能量是一個物質系統對另一個物質系統做功的能力。能量與質量的量綱不同,並且這種不同不是由於兩種獨立並列的單位製造成的,質量是描述物質自身的物理量,能量是描述物質屬性的物理量,質量概念與能量概念在邏輯學上地位不對等,因此,兩者沒有理由混淆。
9.3物理學基本概念的新定義
本文在前文的論述過程中,為了使論文嚴謹、明確,一邊論述,一邊定義了所涉及的物理學基本概念,這裡不再詳細討論。下面將前文已經定義過的、以及不需要特別討論的物理學基本概念彙編成表9-1,以便總結和查閱。
表9-1:物理學基本概念的新定義匯總表
概念 原質論新定義
物質 占有空間和時間的實在性事物,是一切物體的共同性質。
物質結構 物質系統的物理量在空間上的分布。
物體 具有一定結構的物質。
時間 物質運動的過程。
時刻 物質運動的狀態。
空間 物質存在的範圍。
原質 質量為零、體積(包括空間各向線度)為零且密度為常量的物質。
原質流體 由無窮多個原質集合形成的緻密流體。
原質流體流場 指原質以流體狀態存在和運動時所占據的空間。
原質伴流 物體在原質流體流場中運動時因體積排流所產生的伴流。
原質波 原質流體的物理量的擾動或振動在原質流體流場中逐點傳遞時形成的運動。
縱橫
二象波 波的媒質振動方向與波的傳播方向對比,既有縱向分量,又有橫向分量的波。
偏振面 縱橫二象波的媒質進行環流運動時流線所在的平面。
真空 原質流體均勻流流場。
真空中
物理場 原質流體流場的物理量在空間上的分布和時間上的運動。
磁場 原質流體環流流場。
電場 原質流體渦流流場。
磁力線 原質流體流線。
電力線 原質流體渦線。
真空的
磁導率 原質流體密度。
磁場強度 原質流體相對流速。
磁感應
強度 原質流體動量密度。
電場強度 原質流體渦流強度。
真空的
電容率 原質流體柔量。
電流 原質流體速度環量。
電量 原質流體渦量。
物質波 微觀粒子在原質流體中相對運動時,粒子與原質流體流場發生共振形成的波動。
物體質量 物體的結構所包含的物質之量。
附加質量 物體運動時的原質伴流引起的物體質量增加的質量。
靜止質量 物體的結構質量,物體的結構所包含的物質之量。
運動質量 物體的結構質量與附加質量之和。
能量 一個物質系統對另一個物質系統做功的能力。
至此,原質論的基礎理論全部論述完畢。這是對物理學舊時空觀的批判與總結,也是物理學在新時空觀下統一和發展的開端。

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