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第5章 运动

现代哲学认为,运动是物质的固有属性,一切物质都在永不停息地运动着,宇宙间一切现象都是物质运动的表现。在运动学中,只讨论物体或物体各部分之间的相对位置随时间变化的描述,而不涉及这些变化的原因,这实际上是一种以时间为背景的几何化的描述。然而,物质为什么必须运动,物理学上并没有给出一个明晰的解释。

第一节运动观。

物理学上讲的运动是物体范畴中的运动,一切物体的运动都具有相对性。系统相对论所讨论的运动是指物质范畴的运动,“爽子”流体相对物体的运动具有绝对性。运动概念适用范围的扩大,会带来与运动相关的概念内涵上的不同。下面我们先了解人类运动观的演变过程。

1.1绝对空间和绝对运动

自古以来,人们长期认为空间是一个大容器,或者是一个大海洋。古希腊的泰勒斯就认为大地是悬浮在水面的圆盘;亚里士多德相信月上世界是充满了以太的海洋。这些无所不包的容器或无所不在的海洋,它们往往被认为代表了绝对空间。

物体相对于绝对空间的运动称为绝对运动,相对于绝对空间的静止称为绝对静止。亚里士多德认为,月下世界的地球是绝对静止的。在我国,无论是“天圆地方”的盖天说,还是主张“浑天如鸡子”、“地如鸡中黄”的浑天说,无不认为大地是静止的。亚里士多德-托勒密的宇宙地心说约统治2000年之久,哥白尼体系也只是以静止的太阳代换了静止的地球。

牛顿相信绝对空间的存在,并用旋转的水桶来进行论证,然而牛顿的论证方式和试图论证的对象一样,它们都是虚假的,曾受到E。马赫的猛烈批判(1883)。

C.惠更斯认为“绝对空间是一种幻想”。显然,发现恒星的运动具有重大的历史意义,它使人们无法确认一个绝对静止的物体。天文学家E。哈雷曾明确指出“恒星不动”的观念是错误的;1718年,他将自己对恒星方位的观测与1000年前的天象资料进行对比,发现有四颗恒星的位置确实有了变动。1783年,F。W。赫歇耳发现了太阳的运动;约半个世纪后,赫歇耳的发现获得有力证实。

尽管人们所观测到的物质运动都是相对运动,很多物理学家却一直认为有绝对静止的宇宙背景存在;这主要源于光的波动理论需要空间充满能够传播光的以太媒质。然而,特别在19世纪后一半的时期里,多次使用光学或电磁学的方法,试图发现地球的绝对运动都一再失败。狭义相对论的提出,最终使绝对静止和绝对空间的观念在物理学中丧失了立足之地。

系统相对论认为,绝对空间是指物体场域对应的空间,如地球的引力场,它随地球一起移动,从这个意义上讲,地球的引力场相对地球静止,它是地球的绝对空间,相关内容见2.3节。另一方面,地球的引力场是具有动力学性质的“爽子”场,引力场中的“爽子”相对地球存在绝对运动。

1.2运动的相对性与绝对性

1.2.1运动的相对性

最晚在东汉中期的《尚书纬·;考灵曜》已指出:“地恒动不止而人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行而不觉也。”这生动地说明了运动的相对性。在西方,R.笛卡尔、惠更斯等人的著作中都明确地提到运动的相对性;G。伽利略在遭受第一次宗教审判后,仍撰文阐述运动的相对性概念(1632),来捍卫哥白尼的地动说。

所谓运动的相对性是指物体之间的相对运动。要观测一个物体的运动,事先要选好某个物体作为参照物,即确定参照系。对同一物体的运动,不同的参照系一般会得到不同的描述结果。运动的相对性实质是运动描述的相对性,又称运动的相对性原理。

现代物理学普遍认为,选择不同的参照系来描述同一物体的运动,一方面,它们之间是彼此平权的,具体选择哪一个参照系取决于我们的实际需要;另一方面,它们又不总是相互等价的,或者说,并不是所有的参照系在物理上都是彼此平权的,尤其从运动学的描述深入到动力学的研究,需要特别注意参照系的选择。

显然上面的论述前后是不相协调的。系统相对论认为,上文所说“平权”只能在惯性系中才有效;而所谓“惯性系”,都是局部上的一种近似,不存在真正的“惯性系”。

另一方面,多体问题通过时间段的分解或系统的划分可以转化为二体问题,从第三章第三节可知,二体问题对应的是一个二体系统,两物体间是一种包含与被包含关系,被包含物体的运动只与包含物体相关,故只能以包含物体为参照系才是正确的描述。

因此参照系并非可以任意选取,只能根据场域关系确定,这样才能真正保证定律形式不变。有关参照系的更多讨论见2.4节。

1.2.2运动的绝对性

现代物理学认为,运动的绝对性是针对静止的相对性而言的,它与绝对运动的概念无关。所谓运动的绝对性,说的是运动的无所不在,哪里有物质哪里就有运动,运动是物质不可或缺的固有属性,世界上没有无运动的物质,也没有无物质的运动。物质的运动形式多种多样,包括机械运动、分子热运动、电磁运动和分子、原子、原子核的运动等等,这些运动形式普遍存在于化学运动、生物运动等更高级、更复杂的运动形式之中。

系统相对论认为,物理学上讲的运动是物体范畴中的运动,运动的绝对性是指物体运动的普遍性和物体运动的层次性,显然这里忽略了场(即“爽子”流体)的运动。场本身就是“爽子”的运动形式,物体的场反映了物体与“爽子”流体之间的相对运动,如果这种相对运动发生改变或消失,物体也就不复存在。

因此,物体与“爽子”流体之间的相对运动是一种绝对的运动,这才是运动的绝对性。

1.3系统相对论的绝对运动

从第一章2。2节可知,“cn粒子”具有的恒定速度vc,又称“cn粒子”的固有速度。“cn粒子”的固有速度vc的平方与其表面场强Bc乘积为常数kv,即:

v2cBc=kv(4-1)。

由于不同物体(包括各种粒子)表面场强不同,它们的固有速度v也就各不相同,设物体表面场强为B0,则有v2B0=v2cBc=kv,即:

v2=kv/B0(4-2)。

这就是物体固有速度的一般公式,kv=v2cBc为绝对运动常数。容易看出:物体的固有速度与其表面场强的平方根成反比。显然,物体的固有速度v是恒大于零的,因此物体的运动具有绝对性。

当然,固有速度是刚体态物质(即物体)与流体态物质(即空间或场)间的相对速度,而对于不同物体间的相对速度,它是大于等于0的。我们通常所说的运动是指不同物体间的相对运动。

第二节空间的结构模型。

物体的存在及运动,既体现出空间又离不开空间。因此研究物体的运动需要了解空间的基本性质。

2.1空间的认识进程

在古希腊,亚里士多德提出月上世界(即太空)是以太构成的,而德谟克利特认为太空就是虚空。早期的人们已经普遍认识到,天体的浮游需要充满太空的以太作为载体,那时以太被当作一种虽看不见、却无处不在的可传递物质作用和运动形态的媒质。

以太作为一个重要概念被引入物理学是在17世纪,先后经历了漩涡以太、弹性以太和电磁以太几个发展阶段。后来随着探测以太实验的失败和狭义相对论的提出,以太概念终于被人们所放弃。

然而,爱因斯坦用狭义相对论处决了以太之后不久,却又用广义相对论复活了以太——宇宙常数。随着量子场论的发展,现代物理学认为,量子场系统的基态(即能量最低的状态)就是真空,它形成了自然界的某种背景,一切物理测量都相对这一背景进行;同时也认为,直到今天人类对真空的认识还只是处于初级探索的阶段。

系统相对论认为,基于“客观存在就是物质”哲学原理,将以太视为空间的本体的思想,无疑是将空间纳入了物质范畴,是具有里程碑意义的。然而,对空间性质即以太属性的认识,几经起伏与变迁,至今未形成一个清晰的空间模型。下面我们讨论系统相对论的空间模型。

2.2空间的能量密度分布

系统相对论认为,空间是一种“爽子”流体形成的连续介质。从第三章2。1节可知,物体场中某点的场强B(应力强度p)随到物体距离r的变化而变化;从第一章2。3节可知,应力强度p与空间能量密度(简称空间密度)ρ成正比关系。设物体表面的空间密度为ρ0,物体的半径为r0,则物体周围的空间密度ρ可表示为:

ρ=ρ0r20/r2(4-3)。

图4-1天体周围的空间密度分布可见,在物体的场域中,物体周围的空间密度并不均匀,空间密度的大小与到物体距离r的平方成反比。以r为半径的圆称作等密度线,又称等强线,如图4-1所示。

对于物体周围的空间密度分布,爱因斯坦在广义相对论中是用空间弯曲理论来描述的。该理论中时空曲率对应于等密度线的曲率,从这个意义上讲,这两种理论具有等价性。但是爱因斯坦没有将空间作为一种实体来看待,而是将空间视为引力场的一种非欧几何性质。

在量子场论中,虽然承认了真空(空间)的能量性质,但是将真空视为“量子场的一种特殊状态”。在系统相对论看来,这显然是主次颠倒了,也就是说,“量子场是真空的一种特殊状态”才是正确的表述。

2.2.1天体的凸透镜效应原理

宇宙观测已经证实,光线经过大型天体表面时会发生弯曲,而表现出凸透镜效应,如图4-2所示。爱因斯坦认为,这是由于天体使其周围时空曲率增大所致。系统相对论给出的是另一种解释:光线弯曲是由天体的引力作用导致的。

图4-2天体的凸透镜效应根据系统相对论,空间和场是对“爽子”流体的两种不同表述。从第三章3。2节可知,协变运动的光子,在天体引力场中受到引力场的引力作用。设光子场域边界上的涡通量为Φ,引力场与协变运动光子间的作用系数为kγn,则协变运动光子受到引力场的作用力F可表示为:

F=kγnΦ(4-4)。

当协变运动光子通过天体表面时,在上述引力作用下而向天体一侧弯曲。但如果是在极为有限的时空条件下,如在地表环境下观察,由于光子受到的引力较小、观测时间又非常短暂,光子受到的引力冲量几乎为零,自然也就观测不到地球对运动光子的作用,而看到光走直线了。

爱因斯坦将经过天体表面弯曲的光线称作测地线,即四维时空的直线,显然这是值得商榷的。

2.2.2太阳大小的视觉效应

根据上述天体的凸透镜效应,从地球观测到的太阳大小,应比它的真实尺寸略大一些,如图4-3所示。

图4-3天体大小的观测效应不考虑光线弯曲,我们观测到的太阳半径r′为:

r′=a×sinθ(4-5)。

由于光线发生弯曲,太阳实际的半径r应为:

r=a×sin(θ-β)(4-6)。

可见,太阳的观测半径大于实际半径。同理,在地平线上看到的太阳比中午时看到的大一些,是因为早上地球的凸透镜效应较中午更明显。同样可推得,在偏离赤道较远的地方,冬天看到的太阳较夏天要大一些;在同一经度上,越靠近南北两极,太阳升起的越早、落下的越晚。

由此可见,我们与霍金所描述的鱼缸中的鱼一样,看到的是一个被地球引力场放大了的和被天体引力场扭曲了的宇宙图景。

2.3空间的结构特征

根据第三章2。2节所述场域原理,物体的场域就是物体拥有的独立空间,该空间随物体一起运动,即相对物体静止,因此这个空间又称作该物体的绝对空间。

以太阳系为例,太阳的绝对空间即整个太阳系,各行星及其绝对空间悬浮于太阳的空间之中,它们相对太阳的绝对空间运动且彼此独立,如图4-4所示;根据现代宇宙观测,太阳系的外面是银河系中心的黑洞的绝对空间。

2.3.1对迈克尔逊-莫雷实验和光速不变原理的考查。

迈克尔逊-莫雷实验的目的是验证以太存在且以太相对太阳静止的假设,它的原理是:由于地球相对以太运动,干涉仪上应出现干涉条纹的移动。实验结果表明,不存在干涉条纹的移动,从而否定了地球相对以太的运动。

从图4-4可以看出,迈克尔逊-莫雷实验是在地球的绝对空间即相对地球静止的空间中进行的,无论光源如何运动,光源发出的光子进入地球引力场后,它的速度只与地球引力场有关(参见公式4-15和4-16),也就是说,地球引力场中的光子只相对地球作光速c运动,这就是系统相对论的光速不变原理。可见,迈克尔逊-莫雷实验中的两束光线的速度都是光速c,因此得出“零结果”是必然的。

图4-4太阳系空间结构示意图爱因斯坦的光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的,即无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。然而,根据系统相对论的光速不变原理,不同速度参照系的观察者观测到的光速是不同的。因此,爱因斯坦的光速不变原理值得商榷。

当然,这里所说的光速是指可见光在地表引力场中的速度。实际上,不同的光子在地表引力场中的速度,或相同光子在不同场强的引力场中的速度都是不同的。详细讨论见本章3.6节。

2.3.2对光行差现象的考查

所谓光行差现象,就是从地面看到的恒星位置(视位置)与恒星真实的位置稍有偏移的现象。图4-5光行差现象示意图广义相对论将光行差现象归结为一个“光线运动受引力影响的问题,从上文可知,这主要是地球绝对空间(即地球场域)在太阳绝对空间(即太阳场域)中相对运动的结果。

1725年,英国天文学家布拉德雷发现,当观测处于天顶正上方的恒星时,必须把望远镜偏离竖直线约20。5″。如图4-5所示,根据光速c=3×108m/s和地球相对光线的速度(即天文学上的公转速度)v=3×104m/s,则有tanα=v/c=1×10-4,α≈20。5″。

另一方面,星光是垂直进入地球场域的,如同垂直射入介质的光线一样,星光是不会因引力效应而发生弯曲的。因此,广义相对论的解释是值得商榷的。

可见,恒星的光行差现象是地球绝对空间相对太阳绝对空间运动的结果。

2.4参照系的设置问题

如上所述可知,一方面,看似一个整体的浩渺宇宙空间,实际上被处于其中的天体所分割并存在相对运动;另一方面,看似均匀的宇宙空间,实际上存在空间密度分布。太空的这种结构状态,不但导致光线发生偏折和弯曲,而且表明参照系并非可以任意选取,这些都深刻影响着我们的宇宙观测。

对于太阳系,现代宇宙观测结果表明,太阳系围绕银河系中心的黑洞以约220km/s的速度运动。另一方面,围绕太阳运动的行星,距离太阳越远,轨道速度越低。据此推理,假设在太阳系边界内外两侧,存在两个完全相同的小天体,那么,外侧的小天体和太阳系一样,围绕银河系中心黑洞以约220km/s的速度运动;内侧小天体以比海王星轨道速度(5。48km/s)低得多速度运动。显然,这两个小天体具有几乎相同的空间环境,它们应具有几乎相同的速度,为什么与我们通常所作的描述出现如此大的差异?

当然,通常的解释是,这与参照系的选择有关,如果以太阳为参照系,系外小天体也是相对太阳静止。那么,以空间为背景和以某个天体为参照系哪一个更基本呢?根据2。3节所述,显然以空间为背景更基本。实际上,上述系外小星体,在相对银河系中心黑洞静止的空间中运动,它在空间中的运动速度只能以黑洞为参照系,当然,220km/s的速度并没有考虑黑洞的自转;太阳系中的行星处于相对太阳静止的空间中,它们在空间中的运动速度只能以太阳为参照系,天文学给出的行星轨道速度忽略了太阳的自转(详见本章3。5节)。

可见,物体的运动是相对空间的运动,绝对空间的存在决定了参照系不能任意选取。

第三节地球引力场的稳态运动方程。

本节以地球人造卫星为例展开讨论。根据上节内容可知,地球人造卫星处于地球的引力场域中,研究地球人造卫星的运动应以地球为参照系。我们知道,地球人造卫星存在一个静止轨道(如图4-7所示),如果以地球为参照系时,对于地球引力场中的物体静止在空中的现象,应如何解释呢?

3.1物体在地球场域中的受力分析

从第三章第四节可知,不同物体的场函数各不相同,它们要构成稳定的耦合体,必须通过协变运动才能实现它们场间涡管耦合度达到饱和,使相互引力达到最大而进入稳态。这种描述隐含的前提条件是,耦合体中每个物体都具有外场。

但在地球表面的所有物体,它们的表面场强b0都小于地球引力场强B0(否则无法在地表静止),即b0<B0,因此地表物体都没有外场,物体的场域边界位于其临界场中。也就是说,地球引力场渗入了物体的临界场中。

如图4-6所示,渗入物体临界场的地球引力场,一方面将临界场中的极性涡通量压缩在更狭小的临界场域内;另一方面与物体临界场中的更多中性涡通量相接触。

图4-6地表物体与地球引力场的耦合原理示意图如第三章4。3所述,在地球引力场的诱导下,物体的中性场函数自觉地进行了协变,使物体临界场中的中性场与地球引力场间的涡管耦合度始终处于饱和状态。换句话说,地表静止物体始终受到饱和的地球引力F。离开地表越远,地球引力场强越弱,地球引力场渗入了物体临界场中的深度越浅,与物体中性场耦合涡通量就越少,物体受到的地球引力F也就越小。

当物体位于静止轨道位置R静时,物体的场域边界到达其临界场的外边界,这时物体的表面场强b0与地球在该位置的引力场强B相等,即b0=B。在物体的静止轨道上,由于地球表面物质的运动及其内部活动,导致地球引力场函数(包括场强)存在微小波动。使处于静止轨道上的物体,其外场处于时有时无的状态,这时物体中性场与地球引力场间处于匹配与不匹配的纠缠状态。当B<b0时,物体出现外场,二者场函数不匹配(物体场回到其本征场函数),物体受到斥力作用;当B>b0时,物体没有外场,二者场函数匹配,物体受到引力作用。从时间段上看,这时物体受力为零,即F=0。

当物体离开地球距离R>R静时,物体表面场强b0大于所在位置的地球引力场强B,即b0>B。这时物体有了外场,物体的场函数不再受地球引力场的影响,表现出它固有的本征性。如果这时物体保持静止状态,由于它的场函数与地球引力场函数不匹配,而受到地球引力场的斥力作用。

可见,所谓的引力场并非只对物体产生引力作用,因此引力场的概念是不确切的,应当用中性场概念代替引力场概念。图4-7地球场域的功能划分只有这样,才有助于正确理解我们的宇宙,否则我们就不得不引入暗能量的概念,显然引力场概念将我们引入了歧途。有关物体在地球引力场中的受力计算详见第四节。

3.2地球场域的划分

综上所述,我们根据相对地球静止时卫星的受力状态,可以将地球场域划分为卫星的静止引力区、静止斥力区,两区的分界线就是卫星的静止轨道,如图4-7所示。

在静止引力区,无论在地面还是在高山上,物体总可以保持静止状态,因此静止引力区又称物体的静止区;在静止斥力区,物体无法相对静止,又称物体的运动区。

自然界中常见的物体在运动区的运动一般为协变运动,它是与环境场相适应的一种自洽运动而具有较好的稳定性,又称自由运动,如太阳系中行星的运动、原子中电子的运动等。物体在静止区的运动一般为受迫运动,它总是不断向地面靠近而最终静止于地面,因此物体在静止区的运动是不稳定的,又称束缚运动,典型的代表是近地卫星。

束缚运动是不稳定的。以近地卫星为例,地球引力场嵌入物体的临界场中,由于引力场与物体临界场的耦合始终处于饱和状态,引力场强不断地轻微波动,导致卫星从圆周轨道变为椭圆轨道,随着时间的积累,卫星远地点离地面越来越远,同时近地点离地面也越来越近,最终卫星会坠落地面。

与束缚运动正好相反,自由运动会使物体渐行渐远。以月球为例,由于引力场强不断地轻微波动,使引力场与月球场的耦合时常处于临界饱和状态,导致月球因向心力减弱而向远离地球的方向偏移,同时从初始圆周轨道变为椭圆轨道,随着时间的积累,月球就会渐行渐远。当然,由于自由运动的向心引力较束缚运动的要小得多,渐行渐远的过程较束缚运动卫星坠落过程也要缓慢得多,因此,自由运动较束缚运动要稳定得多。

物体的静止区、静止轨道、运动区特征比较见下表:

区界划分区域半径受力表观能量匀速圆周运动的速度静止引力区R<R静F>0,引力Φ0-Φ<0,负能量轨道半径越小,速度越高静止轨道R=R静F=0Φ0-Φ=0,无能量静止静止斥力区R>R静F<0,斥力Φ0-Φ>0,正能量轨道半径越大,速度越高如3。1节所述,设地球半径为R0,根据场强公式,则静止轨道半径R静可表示为:

R静=(B0/b0)1/2R0(4-7)。

从上式可以看出,物体的静止轨道半径与其表面场强的平方根成反比。月球的表面场强高于地球人造卫星,因此月球的静止轨道较地球人造卫星要低一些。

由于地球表面重力加速度g随维度增大而增大,以及地球半径随维度增大而减小,而g与场强B0的平方成正比(参见公式5-4),于是根据公式(4-7)可以粗略估算出某个人造卫星在每个经纬度点上的静止位置。换言之,在地球的场域中,存在一个卫星的静止面,而不单是在赤道上方的静止轨道。

由此可见,对于远离赤道的国家,将地球静止轨道卫星置于赤道上方并不是一个最佳的选择。

3.3物体的能量状态

根据第三章2.3节可知,一般将物体的表面涡通量Ф0视为它的能量,但在实际环境中,任何物体总存在一个场域边界,场域边界上的涡通量Ф被外界所吸收,即参与跟外界相互作用,这部分能量称为作用能,因此一个物体的实际表观能量为Ф0-Ф,称作物体的相对能量。现在我们来考查物体在地球场域中的能量状态。

在运动区,场域边界上的涡通量Ф<Ф0,物体的相对能量Ф0-Ф>0,称之为物体具有正能量;在静止轨道上,Ф=Ф0,Ф0-Ф=0,物体无能量;在静止区,Ф>Ф0,Ф0-Ф<0,称之为物体具有负能量。可见,物体在运动区处于正能量态,在静止轨道上处于无能量的状态,在静止区处于负能量的状态。

根据涡通量公式和场强公式,容易推得相对能量(Ф0-Ф)的表达式:

Ф=Ф0B/b0=Ф0B0R20/(b0R2)(4-8。1)。

Ф0-Ф=Ф0(1-B/b0)=Ф0[1-B0R20/(b0R2)](4-8.2)。

相对能量和作用能的关系曲线如图4-8所示。物体的相对能量与其稳态运动(即匀速圆周运动)速度相关联,物体的作用能与其受力相关联。下面先讨论物体的相对能量与其稳态速度的关系。

图4-8物体的相对能量和作用能曲线3。4稳态运动方程。

如上所述,无论正能量还是负能量,物体作匀速圆周运动的速度v总是与物体的相对能量(Ф0-Ф)相关联的。在静止轨道上,物体的相对速度虽然可以为零,但物体存在与其Ф0相对应的绝对速度v。据此系统相对论推得:在运动区,物体相对能量(Ф0-Ф)与其作用能量Ф的比值,和物体相对速度(即协变运动速度)v与绝对速度v比值的平方相等。但在静止区,物体的任何运动都属受迫运动而不存在协变运动。据此系统相对论推得:在静止区,物体相对能量的绝对值|Ф0-Ф|(=Ф-Ф0)与其表面能量Ф0的比值,和物体相对速度v与绝对速度v比值的平方相等。综上所述,于是有:

v2=v2(Ф0-Ф)/Ф(R≥R静)(4-9.1)。

v2=v2(Ф-Ф0)/Ф0(R0<R≤R静)(4-9.2)。

将涡通量公式代入上式并整理,得:

v2=v2(b0/B-1)(R≥R静)(4-10.1)。

v2=v2(B/b0-1)(R0<R≤R静)(4-10.2)。

将B=B0R20/R2、v2b0=kv代入上式,整理得:

v2=k2vR2-v2(R≥R静)(4-11.1)。

v2=k2v1/R2-v2(R0≤R≤R静)(4-11.2)。

其中:kv=kv/(B0R20),是一个与物体自身无关的系统系数;kv1=v2B0R20/b0,是一个与物体相关的系数。

式(4-10)和(4-11)就是系统相对论的物体的稳态运动方程。根据人造卫星和月球的重力加速度、静止轨道等相关参数(计算从略),它们作匀速圆周运动时速度v与轨道半径R的关系曲线如图4-9所示。

图4-9月球和人造卫星在地球场域中的稳态速度曲线在地球场域中,月球处于运动区,因此月球趋向远离,这与我们的实际观测(每年漂离约3。8厘米)是相符的。这虽然可以解释所谓的宇宙膨胀现象,但并不支持宇宙大爆炸假说,因为物质是量子化的,所谓奇点并不存在。

当Bb0时,参考(4-10.1)式,(4-11.1)式简化为:

v=kvR(4-12)。

从上式可以看出,在地球场域中,当Bb0时,卫星的稳态速度与其轨道半径成正比,显然kv就是卫星的角速度。换言之,在上述条件下,卫星具有恒定的角速度。这与我们对太阳系的观测是不一致的,下面我们讨论这个问题。

3.5对太阳系行星公转的考查

在太阳系中,八大行星的场域处于太阳的场域中,行星都只与太阳发生直接相互作用和相对运动,虽然行星间存在相互作用效应但并不发生直接相互作用,因此研究行星的运动应以太阳为参照系。

我们习惯于以系外恒星为参照系(不考虑太阳的自转)观察分析行星的运动,如果以太阳为参照系,行星的运行参数将完全不同。设行星轨道半径为R;以系外恒星为参照系,太阳的自转周期为T1=25。38天、行星的公转周期为T2,行星的公转速度为v;以太阳为参照系,行星的公转周期为T′,行星的公转速度为v′。容易推得:

T′=T1/(1-T1/T2)(4-13。1)。

v′=2πR/T′(4-13。2)。

上述两种参照系下,各行星运行数据见下表:

水星金星地球火星木星土星天王星海王星轨道半径:

Rm5。791×10101。082×10111。496×10112。279×10117。783×10111。429×10122。875×10124。504×1012以外界为参照系公转周期。

T2年0。24080。615211。880711。85729。42383。747163。72公转速度。

Vm/s4。791×1043。504×1042。981×1042。414×1041。308×1049。676×1036。84×1035。481×103续表水星金星地球火星木星土星天王星海王星以太阳为参照系公转周期。

T′天35。68428。61427。27726。35425。5325。4425。40125。391。

公转速度:v′m/s1。02×1052。376×1053。45×1055。433×1051。915×1063。529×1067。112×1061。115×107。从上表可以看出,在以外界为参照系时,距离太阳越远,行星的运行周期越长、运行速度越低;在以太阳为参照系时,距离太阳越远,行星的运行周期越接近、运行速度越高。

以行星轨道半径R为横坐标、以太阳为参照系行星公转速度v′为纵坐标,建立坐标系如图4-10所示。容易看出,以太阳为参照系的行星运动,满足稳态运动方程(4-11.1)。可见,太阳系中的8个行星均位于它们的运动区。

图4-10太阳参照系下的行星运动规律3。6对光速的考查。

光子表面场强b0远大于地表场强B0,根据公式(4-7),光子在地球的静止轨道半径R静=(B0/b0)1/2R0R0。图4-11地表光子运动也就是说,当地球质量不变而半径(即场强衰减步长)小于(B0/b0)1/2R0时,光子在R0位置才能做匀速圆周运动。这等价于将地球退行到距离光子(b0/B0)1/2R0的位置(如图4-11所示),即沿地表运动光子的轨道半径R′可表示为:

R′=(b0/B0)1/2R0(4-14)。

式(4-12)中的R用R′代替,于是光子沿地表运动的速度v可表示为:

v=kvR′(4-15)。

由此可见,在地球场域中,光子和其他稳态运动的物体一样,都具有相同的轨道角速度,但光子的轨道半径远大于一般物体,因此光速比一般物体的速度要高得多。

从式(4-14)和(4-15)还可以看出,在不同引力场中能量相同的光子或在相同引力场中能量不同的光子,它们的速度都是不同的。在地表空间中,能级相差较大光子的表面场强存在一定差值,即能量低的光子表面场强较大,根据公式(4-14),能量低的光子的轨道半径较大,因此在地表空间能量低的光子速度较高。我们所说的光速c通常是在地表用可见光测得的,系统相对论称之为地表可见光速。

如上所述,将公式(4-10。1)中b0和B分别用光子表面空间密度ρ0和引力场空间密度(即光子场域边界的空间密度)ρ代替,可以得到光子在引力场中的一般运动方程:

v=v(ρ0/ρ)1/2(4-16)。

另外,关于中微子超光速的问题。2011年9月英国《自然》杂志网站报道,欧洲研究人员发现了中微子超光速现象,今年5月以“光纤连接问题”而给予否定。系统相对论认为,中微子较可见光子的半径小,它的表面场强较可见光子大。根据公式(4-14),沿地表运动中微子的轨道半径较大;根据公式(4-15),中微子的相对运动速度大于地表可见光速c。这就是近期意大利科学家发现中微子速度大于光速的原因。上述所谓的“光纤连接问题”值得商榷。

第四节在引力场中物体的运动与受力。

在上一章第三节我们主要讨论了极性场间的相互作用,本节主要讨论具有中性场的物体,在中性场(即引力场)中受到的作用力及其与运动的关系。下面以地球引力场为例,根据上节静止区和运动区的划分展开讨论。

4.1在运动区物体受到的作用力及其与运动的关系

在微观和宇观中,稳态运动(即圆周运动)是最为普遍的一种运动形式,无论是电子围绕原子核的运动,还是行星乃至天体的运动,它们都是在其运动区的圆周运动。在运动区物体的运动状态不同,它所受到的作用力也不同。

4.1.1物体相对静止时受到的剪切力

以地球系统为例,在物体的运动区,物体都具有自己的引力场域。从上一章4.1节可知,物体引力场函数具有本征性,它与地球引力场函数不同,因此物体与地球引力场间几乎不存在涡管的耦合,它们间的涡管耦合率kc几乎为0(参见图3-8)。这时,物体面向地球一侧的场域边界为剪切面(背对地球的面为非作用面,详见4.1.2节),而受到地球引力场的排斥力,即第一章3.2节所说的剪切力Fr。

物体受到剪切力Fr的大小,与地球场强B及物体场域的截面积S(即物体场域在环境场方向上的投影)均成正比。由于场强B的本质是压强,于是物体受到的剪切力Fr可表示为:

Fr=B×S(4-17)。

设物体的表面场强为b0、半径为r0、场域半径为r,则有B=b0r20/r2、S=πr2,代入上式并整理得:

Fr=πb0r20=常数(4-18)。

可见,物体在其运动区静止时受到的斥力是一个与外界无关的常数,这个力的大小由物体的半径和表面场强所决定。

如图4-12b所示,作用面包括耦合面和剪切面两部分。无论月球的运动状态如何,耦合涡管在场域边界上截面积之和,所占作用面的比例总是非常小的,因此通常将剪切面约化为作用面。根据上文剪切力公式可知,无论天体运动状态和所处位置如何,在它的运动区,它总是受到相同的剪切力。

4.1.2物体相对运动时受到的耦合力

图4-12(另见彩图5)为月球与地球引力场及其耦合示意图,一般将月球中心对称分布的两根场线视为穿过月球中心的一根场线,引力场的不可屏蔽性可以理解为,地球与月球在月球场域边界某点耦合后,从该点以月球为中心对称的另一侧射出。换言之,月球背对地球的场域边界不存在与地球引力场的直接相互作用,月球面向地球一侧的场域边界面才是作用面。

图4-12引力场间耦合及作用面结构示意图当物体从相对静止状态开始切向运动时,如图3-8所示,随着物体切向运动速度v⊥的增大,物体与外界引力场间涡管耦合率kc不断增大,当达到协变速度时,物体与外界引力场间涡管耦合率达到最大值kcmax。设物体与外界引力场间耦合力系数为kqm,物体在场域边界上的涡通量为Φ,实际参与相互作用的涡通量为Φ/2,则稳态运动物体受到的耦合力Fq可表示为:

Fq=kqmkcmaxΦ/2(4-19)。

设地球的表面场强为B0、半径为R0,物体离开地球的距离为R、物体表面涡通量为Φ0,根据涡通量公式和场强公式,上式变换为:

Fq=kqmkcmaxB0R20Φ0/(2b0R2)(4-20)。

可见,在运动区稳态运动的物体,它受到地球引力的大小与其到地球距离的平方成反比。

4.2在静止区物体受到的作用力及其与运动的关系

根据静止区的定义,在地表环境中普通物体位于它的静止区中,物体与地球引力场间的涡管耦合率kc始终为最大值kcmax。因此,在静止区中,物体受到的耦合力Fq与物体的运动状态无关,其大小计算满足公式(4-19)和(4-20)。

在静止区中,物体的场域边界位于其临界场中,由于临界场厚度远小于物体半径r0,因此可以将作用面投影(即物体的最大截面)视为一个定值:πr20。距离地面越近,耦合面越大剪切面越小,同时场域边界场强也越大。通常我们将物体在静止区的剪切力Fr视为与运动区相同的一个常数。

在地表附近,耦合力远大于剪切力,这时物体受到的合力F可约化为耦合力,即:

F=Fq-Fr≈kqmkcmaxB0R20Φ0/(2b0R2)(4-21)。

4.3在引力场中物体受力的复合力性质

如上所述可知,在引力场中,无论物体在其静止区、运动区还是静止轨道上,它受到引力场的作用力F为耦合力Fq与剪切力Fr的合力,即:

F=Fq-Fr(4-22)。

结合上文讨论,绘制物体在引力场中的受力曲线如图4-13所示。

图4-13引力场中物体所受耦合力与剪切力曲线可见,牛顿力学和广义相对论中的引力F具有复合力性质。这个引力F为月球、行星乃至各种天体的圆周运动提供了向心力。

4.3.1宇宙常数

将涡通量公式代入(4-18)式,整理得:

Fr=Φ0/(4kb)(4-23)。

从前文可知,kb为涡通量与场强间的转换系数,是一个常量。由此可见,天体在引力场中受到的排斥力(即剪切力)与天体的表面涡通量成正比。另一方面,根据爱因斯坦引力理论容易看出,上式中的系数1/(4kb)与所谓的宇宙常数存在关联。

4.3.2耦合体半径

在图4-13中,在物体的运动区,协变运动的物体距离外界引力场源越远,它受到的耦合力越小,相应地,它受到的引力也越来越小;当耦合力小到与剪切力相等时,物体受到引力为0。这时,物体失去了向心力的作用而作直线运动,即物体不再围绕外界引力场源作圆周运动。这个位置就是物体在该引力场中作圆周运动的最大半径Rmax,称作该物体与外界场源构成的耦合体半径。

对于同一个场源,不同物体的耦合体半径是不同的。根据公式(4-20)和(4-23),可得耦合体半径方程:

kqmkcB0R20Φ0/(b0R2max)-Φ0/(4kb)=0(4-24)。

从上式可以看出,表面场强越大的物体,它的耦合体半径Rmax就越小;反之,表面场强越小的物体,它的耦合体半径Rmax就越大。利用这个原理,我们可以更好地理解在外太阳系的大尺度范围内广泛存在小型天体的原因。

4.4行星间的引力效应

以地球和火星为例,背对太阳地球场域外侧的投影场,是太阳与地球共同形成的耦合体的引力场,参见图4-12。当火星进入该投影区域后,火星从原来只与太阳的引力作用,变为与太阳和地球形成的耦合体的引力作用。

这就是行星间的引力效应。需要强调的是,在火星和地球产生引力效应的过程中,火星和地球的场域一直是互不接触的;否则,它们的运行轨道会不断靠近,而最终融合为一个行星,这显然与事实不符。

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