日志
苹果为什么落地？
热度 10 |||
苹果为什么落地
大凡人们都以为牛顿已经解决了“苹果为什么落地”的问题。其实错了，不仅牛顿没有完全解决这个问题，人类也许永远也不可能完全解决这个问题。但是，任何物理学基础理论又都要对“苹果为什么落地”作出自己的回答，经典力学如此，相对论如此，统一论也是如此。
一、牛顿的苹果
牛顿当初是怎样从苹果落地得到启示而建立经典物理学理论的呢？这件事说来并不简单。在这里必须提到两个人物，一个是开普勒，一个是伽利略。开普勒发现了行星运动三定律，从而制定了天体的运动规则。伽利略发现了加速度，并将“力”界定为产生加速度的原因，从而制定了地上的运动规则。牛顿发现了什么呢？他发现苹果落地与行星之间的运动是同样的道理，都是万有引力的作用，而所谓的万有引力，其实是物体的一种质量效应。这样就有了经典物理学。但是，物体之间为什么会产生万有引力呢？牛顿不知道。牛顿时代的物理学家们讨论的是：两个相距甚远的物体之间的力是靠什么来传递的？以太论由此而产生：以太就是为传递力而设置的。我们知道，以太论已随着相对论的问世而被物理学家们所抛弃。
在相对论中，引力被当成一种场。引力场理论解决了苹果落地的问题吗？也没有完全解决。因为力和场都是一种数学模型，而并不是一种实实在在的存在。说物体之间的相互运动是由于引力的作用，或者说是由于场的作用，都没有揭示问题的本质。那么相对论的进步究竟表现在哪里呢？说到相对论，又要提到两个人，一个是麦克斯韦，他建立了电磁场方程；一个是亥姆霍茨，他发现了能量守恒定律。而爱因斯坦也就是在此基础上，建立了一个包括两个方面统一的理论，一是质量与能量的统一，二是像电磁场一样建立一种引力场。虽然这两种统一都不彻底，但爱因斯坦仍然如愿地将科学再次向前推进了一步。
二、伽利略悖论
亚里士多德认为，力是产生运动的原因，所以重的物体的自由落体速度比轻的物体快。伽利略发现了亚里士多德理论的一个悖论，即假设将一个轻的物体与一个重的物体绑在一起，那么它的自由落体速度比其中重的那个物体快还是慢呢？由于两个物体绑到一块后比其中重的物体更重，按理应该下落得更快，但两个物体绑在一起，重的物体被轻的物体拖累，又应该变慢，这样就出现了两难局面。伽利略由此发现了加速度并提出了力是产生加速度的原因的观点。在经典理论中，这种对力的界定是完全够用的。但是从逻辑上说，却有一点点纰漏。因为按照伽利略的发现，我们只能得出“产生加速度的原因是力”这样的结论，而不应该倒过来说“力是产生加速度的原因”，因为力除了能使物体产生加速度，还有其他作用。我们知道，加速度的概念是对于机械运动而言的，但物理学讨论的运动远不止机械运动。
“力”的范畴应该如何发展呢？这要从物理学的两个本质范畴——物质和运动说起。在经典力学建立之前，我们对物质和运动的量都没有科学的认识。在万有引力理论出现之后，我们才弄清楚质量与重量的区别。但是对运动的量的科学认识却不是经典力学的逻辑结论。在牛顿理论中，衡量运动的量是动量。这得益于笛卡尔的运动量（即动量）守恒思想。但笛卡尔提出动量守恒思想后不久，莱布尼兹就对其提出了挑战。他引入的是“活力”（Visviva）概念。“活力”指的是物体的质量与它的速度的平方之积（相当于动能，其值为动能的两倍），是一个标量；而动量是一个矢量。莱布尼兹认为，“活力”才是“力”的真正量度。可惜的是，莱布尼兹的“力”的观念未能得到应有的重视。这与当时数学家达朗贝尔的调解有关，达朗贝尔指出，“笛—莱”之争的实质只是个术语问题，因为“动量”是力对时间的积分，而“活力”是力对空间线度的积分。这种调解在当时的物理学视野里是正确的，因为对于机械运动而言，动量与能量具有充分的一致性。与此相应的哲学观点就认为，物质就是存在，运动是存在的属性。
但是，在物理学上，我们现在对于“存在”已经有这样一些认识：1、有一种以质量形式表现的存在，还有一种以能量形式表现的存在； 2、质量是物质的量，能量是运动的量；3、质量和能量可以相互转换，所以这两种量是平行的。这几点认识使我们清楚地看到一个与上述哲学范畴并不一致的物理范畴体系。这就是，物质和运动是并行的两种物理存在，其中物质是以质量形式表现的存在，运动是以能量形式表现的存在。这就是统一论的观点。当运动从物质属性的地位上升到与物质平行的存在的地位以后，物理学的许多观念便都要改变了。
三、对力的再认识
让我们来看公式f=ma。从定性上说，a实际上是指速度v的变化，而速度v的变化实际上是动能的变化。我们知道，力又可以写成f=dE/ds。其实，这一公式才揭示了力的本质：力实际上是用空间量衡量能量变化的物理量。这是统一论对空间维上的力的本质界定。为什么要将力由“产生加速度的原因”改为从能量的变化来界定呢？因为能量是个存在量，像质量一样；而加速度只是个性状量。这个道理就像为什么要将运动的量界定为能量而不是动量一样。
f=dE/ds揭示了存在体在空间维上的力的本质。但正如爱因斯坦所指出的，时空是不可分割的物理载体。统一论认为，存在体的运动不光体现在空间维上，还体现在时间维上。那么，存在体在时间维上的力是如何体现的呢？从时空量子化的物理实践中，我们看到，由于质量与能量可以相互转换，故时间和空间也可以相互转化。这就是说，存在一种“时空当量”，可以将时间量转换为空间量。而存在体的运动引起的时间位移则可用dt表示，这样，存在体在时间维上的力就可描述为f=dE/dt。其中dt由相对论的钟慢效应公式来决定。
统一论接着考察了“场”这一物理范畴，发现“场”的客观基础也是能量。宇宙中任何存在体都是由某些对应的能量体系支撑的，这些能量体系的结构就是所谓的场。由此可见，“力”和“场”都是描述“能”的物理范畴。“力”是描述能量变化的，“场”是描述能量体系结构的。
四、平方反比之谜
为什么万有引力遵循平方反比定律？牛顿说，根据开普勒三定律，行星之间的吸力遵循平方反比定律，而天上与地下的引力作用遵循同一规律。无独有偶，库仑定律表明，电荷之间的作用力也遵循平方反比定律。这仅仅是巧合吗？为什么对天体运动数据的记录，对地球上物体之间的作用和电荷之间作用的实验都支持平方反比定律？这是一个令人困扰的科学之谜。
这一科学之谜在统一论中被破解，而且相当简单：
既然“场”是能量体系的结构，建立“场”的理想模型就要从描述这种结构入手。统一论引入的是“场级”的概念。一个存在体的能量支撑体系（即场）的结构，可以用该场对周围其他场发生作用的能力来表征，这种能力就是所谓的“场级”。
考察一静止状态的存在体的联结场，其对周围其他场发生作用的能力即场级Er应当与该存在体的存在量（如质量、能量）Z成正比（存在量越大作用越大），与距离r成反比（距离越远作用越小），用数学式表示为：Er～Z/r。而两个存在体Z1和Z2的联结场之间相互作用力f的大小，用两者分别在对方位置的场级的积表征，即：f～Z1 Z2/ r^2 。这正是万有引力公式和库仑定律公式的形式，也是存在体之间相互作用的普适公式。这一公式使平方反比之谜大白于天下。
五、爱因斯坦情结
爱因斯坦的统一场情结是众所周知的史实。统一论建立的统一场理想模型也解开了这一情结。
前面讨论的是存在体静止时的场模型。考虑存在体Z运动时，则其联结场结构由于运动而被破坏，从而产生一附属场，附属场的结构又由于运动而被破坏，从而产生第二附属场……以至无穷。这样就会产生一无穷层次的场结构，这就是场的理想模型，即统一场。由于统一场是一无穷层次结构，所以统一场的理想模型是不可解的，但是我们可以只考虑联结场或第一附属场，从而求出其近似解。根据场级的概念，附属场的场级与存在量Z成正比，与运动速度v在联结场或前一级附属场作用方向的分量vcosθ成正比，与距离r成反比。即：Er～Zvcosθ/r。若以一级附属场为例，则两个存在体Z1和Z2的一级附属场之间相互作用力f的大小，可用两者分别在对方位置的场级的积表征，即：f～Z1 cosθ1Z2cosθ2/ r^2 。而这正是磁场力公式的形式。我们知道运动的电场产生磁场，真可谓不谋而合。
事实上，在电磁场理论中，所谓电场强度E和磁场强度B就是起场级概念作用的范畴，其值分别为单位距离的电场场级和磁场场级：E=q / r^2 ～Er/r和B=qvcosθ/ r^2 ～Er/r。而将统一场理论运用于引力场时，用一级附属场近似就可解决“光线偏折”和“水星近日点进动”等问题，求出的结果与相对论一致，说明广义相对论相当于引力统一场的一级近似。这也从另一个侧面说明了统一场理想模型的正确性和实用性。
科学探索是无止境的。苹果为什么落地？要解决这个问题，只有不断将科学推向前进。
全部作者的其他最新日志
发表评论 评论 (12 个评论)
- 回复 稻草
- http://book.bjjz.chaoxing.com/ebook/detail_11226744.html
漠孤烟: 统一论是什么理论？
这是统一论，可以先看看。
- 回复 稻草
- 非常不好意思，学习文科的朋友，这些纯物理的知识是不能理解，不过，以后，会说很多文科的知识，也就不存在这个问题了，而且道理上是一样，能够理解文科知识，这些理科知识不知道也罢。
帘卷西风: 这篇更加深奥了。
俺女婿是中科院物理所的博士生，大作拜读不解之处，只能去咨询他了。 
- 回复 岳东晓
- 所谓牛顿引力与库仑力都是超距作用，也就是非物理的。库仑力的非物理性通过麦克斯韦尔的努力被去除了。牛顿引力则是爱因斯坦解决的。
平方反比力是在作用距离为无限时的情况。这对应于传介子质量为0的情况。当传介子的不为0、或者作用为非线性时，作用力并不是平方反比。
比如说水星进动的广义相对论计算里，就有一项与距离四次方成反比。
至于文章引力能中与距离成反比与质量成正比也完全是中学物理课本的照抄。但能量在物理中是一个由动力学方程引出的守恒量，而不是一种凭空想象。中学物理课本不会讲能量从动力学方程的推导，但是大学物理会讲。建议先学习大学普通物理课程。
相关科普参见： http://www.zhenzhubay.com/blog-2-1364.html
- 回复 稻草
- 你说的对，但解决问题的方法是你自己选择的。
岳东晓: 所谓牛顿引力与库仑力都是超距作用，也就是非物理的。库仑力的非物理性通过麦克斯韦尔的努力被去除了。牛顿引力则是爱因斯坦解决的。
平方反比力是在作用距离为 ...
