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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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关于我

这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(6)广义相对论存在的问题(1)  

2013-05-12 10:02:56|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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6)广义相对论存在的问题(1

——原理上的问题

志勰

http://www.phyw.com/shkl/wuzhi/gyxdldwt/gyxdldwt.htm

 

一、引言

 

对于在宇宙中两个均速运动的并且状态是恒定的物体,或者我们把它们看作两个惯性参照系,姑且我在这里把它们叫做AB参照系。如果我们从物体A上来测定另一个物体B的存在状态,那么问题将会反映在如下两方面:

 

1、在物体的存在状态上

 

我们从A物体去测定B物体,B物体的存在状态只能依赖于我们的观测。我们所观测到的B物体上的状态是以A物体惯性参照系作为标准,这是我们所可能得到的唯一的结果。另一方面,如果B物体上同时有人来观测物体A的状态,那么物体B上的人所观测到的结果是以B物体参照系作为标准。

 

2、在物体的计量标准上

 

我们不论从A物体去观测B物体,还是从B物体去观测A物体,被观测物体的结果总是以观测物体的标准作为标准,那么在科学上,我们需要通过相同的单位体系来对两个惯性参照系中的物体进行定量,不论是A参照系还是B参照系,在科学的计量上,我们需要的是统一的计量单位。

 

这个问题,爱因斯坦先生通过相对论的方法进行了统一。即:在狭义相对论的相对性原理的基础上的时间膨胀和空间收缩的方法进行处理,并统一不同惯性参照系中的计量单位。(关于这个问题,这里不再叙述,可参见相关的文章)在某种意义上来说,这是一种理论的方法。

 

这种处理方法不同于日常生活中两个相对运动的物体的运动情况。在日常生活中,两个相对运动的物体的运动状态我们通常可以采用第三观测参照系进行定量,即通常我们所说的静止参照系进行计量,或者说标准参照系进行计量。实际上我们在日常生活中也一直在应用这种计量方法来对两个不同运动状态的物体进行计量。

 

通过如上的方法,在理论上建立了两个惯性参照系的联系,那么对于物体的存在状态处理上,保持恒定状态或者两个物体的存在状态不变的情况下就已经建立了确定的描述方法。那么,在宇宙中存在的物体在非恒定状态或者说物体存在状态在变化的情况下,物体存在状态的描述则是另一种重要的问题。

 

关于狭义相对论的问题,本站中已经有不少文章探讨过这方面的问题,这里主要探讨在宇宙中存在的物体在非恒定状态或者说物体存在状态在变化的情况,即广义相对论存在的问题。

 

二、引力质量和惯性质量

 

1、物体的属性

 

一个物体的存在必然要反映在这个物体存在确定的属性,否则我们将不能确定这个物体的存在。物体的属性对于物体的存在来说是一种必然。

 

我们在这里来探讨一下所有的物体所共有的属性。我们已经司空见惯了物体的存在,对于物体的存在,首先从物体给与我们的经验感觉来考虑是一种必然的逻辑之一。那么,一个物体会给与我们什么样的经验感觉呢?

 

如果我们排除掉特殊物体所具有的特殊的属性之外,那么剩下的物体所共有的属性则只有剩下两种属性了。

 

一种属性是物体所占据的空间体积,这种属性是所有物体所共有的属性,并且表现在物体的存在上。只要一个物体在存在,那么则必然以确定的空间体积存在。不过,空间体积属于几何的范围,或者说属于数学描述的范围,至少传统的观念上是这样。因此,本文将忽略对这个问题的讨论。

 

另一种属性则是物体的存在状态属性。这个属性是较为复杂一点的属性。它是随物体的存在状态而反映出来的一种特性。并且可以采用确定的方法对物体的这一属性进行描述。下面我们就来看看物体的这种属性。

 

2、物体的质量

 

一个物体在存在的过程中,如果没有外力作用于这个物体,我们通常认为,这个物体会保持这种存在状态。这就是著名的牛顿惯性定律。这是一种建立在人类对自然界物体大量接触基础上的经验。我们可以看作经验约定上的规律。实际上,如果没有外来物体给与这个物体作用,或者这个物体也不能产生新的作用来改变这个物体,那么我们也不能找到这个物体存在状态进行改变的任何理由,因此对于这个定律,我们是无须怀疑的。

 

从逻辑上来说,牛顿运动定律是一种典型的因果规律,同时也是物质世界因果律存在的根据,在这种意义上来说,它是一种物质世界因果律的根本。但是,在其存在上,我们只能看作经验约定,没有比这个更为基本性解释了。

 

如果一个物体存在确定的状态,要改变这种状态,必然要对它施加作用。通常我们把施加的叫做作用力。采用作用力的方法来定量的物质的这种属性我们通常把它叫做质量。质量一词在其物理意义的内涵上并不仅仅是采用作用力来衡量物体存在状态改变的某种数量,它还表示一种质的存在。实际上,在20世纪以后,随着人类对物质微观属性的认识的进一步加深,尤其是进入到原子领域之后,微观粒子的研究将物质这一词推广到物质质的某种存在的形式。比如光子、引力子等,只要具备存在的某种属性的存在,并且反映在质的存在形式上,我们曾笼统的都称之为物质。但在物理学中,最初的物质的定义确来自于采用力的方法定量物质的属性。这种定义我们可以看作在建立能量守恒定律之前,物理学中的物质属性的定义就是这种定义形式。当然,20世纪以前的物质的定义形式还是非常笼统的,并且并不明确。即便在哲学上也是这样。那么,我们在这篇文章中探讨范围限于物理(物质运动变化的原理)中的物质的形式以及定量的特点。

 

3、引力质量和惯性质量

 

我们排除掉特殊的物质所具有的特殊性,比如电荷具有的电的作用,具有磁性的物质具有的磁的作用,而仅考察所有的物质所具有的共性。大量的经验事实使我们可以得到两种获得物体质量的方法。

 

一种方法是利用物体本身具有的惯性,给这个物体施加一个矢量的作用力,那么这个物体会在这个作用力的作用下发生存在状态的改变。这一点是所有特定质量的物质都具备的。我们通常将这种方法所测得的质量叫做惯性质量。具体的方法则是:

 

在物体处于特定存在状态的时候,如果要改变这种存在状态,那么必然要对这个物体施加作用力,根据牛顿第二运动定律,我们可以得到,在物体所受到的作用力不变的情况下,物体的质量同加速度成反比。我们只要测定了作用力的大小和物体加速度的大小,那么就可以确定物体的质量。

 

另一种方法是处于引力场中的具有质量的物质,都会受到引力的作用。在同一引力场强度下,物体所受到的作用力同物体的质量成正比。我们通常将这种方法得出的质量叫做引力质量。我们现在所应用的质量模式可以认为是引力质量模式。因为引力质量是我们采用质量的定义所得到的最初的模式。

 

但实际上,这样的一种经验结论是通过大量的处于地球引力场中的物体进行观察所得出的结论,开创性的贡献可以认为是由牛顿先生来完成的。

 

在质量的应用历史上,我们甚至不能分辨引力质量和惯性质量的应用的先后。因为我们通过引力质量的模式确定物体的质量,但是在实际的应用过程中,我们通常都是将两种模式的质量通用。具体表现在如下的方面:

 

最初我们所采用的质量都是采用引力质量的方法测定的,具体的方法则是采用天平的模式建立的。即:建立一个标准单位质量,然后通过这一标准单位质量去在地球的引力场中去衡量其它物体质量的模式来确定物体的质量。我们利用这种方法得到的质量来对物体的运动变化进行计量,比如牛顿第二运动定律的量的模式,就是采用这种方法来确定的。采用引力质量来确定物体的量,然后再采用惯性质量的模式来建立物质的运动变化规律。

 

我们虽然可以采用两种方法得到物体的质量。但是这两种物体的质量定量的模式在属性上都是相同的,都是采用作用力的方法进行定量。不论是引力场给与物体的作用力得到质量的特点,还是给物体施加作用力改变物体运动状态所表现出的物体质量的特点。只要作用力的属性是相同的,那么物体的质量属性就是相同的。但实际上物体的质量和作用力都是采用循环定义的。用作用力去定量物体的质量或者用物体的质量去定量作用力。另一方面是,不论是引力还是我们给物体施加的作用力,都是力,都具有力的属性,在这方面,是没有区别的。因此两种质量是没有区别的。或者惯性质量和引力质量的属性是相同的,甚至可以说,两种质量没有任何的区别,唯一存在区别的是采用的定量方法不同。

 

广义相对论的一个公设

 

在广义相对论中,惯性质量和引力质量相等并作为一个公设的论据这一点是没有疑问的。另一方面也有点小题大做。在爱因斯坦先生所写的《狭义与广义相对论浅说》中(P58),有这样对引力质量和惯性质量的看法:“......我们对相对性原理的推广隐含着惯性质量和引力质量相等这一定律的必然性,......”。我们可以看到,爱因斯坦先生是将引力质量和惯性质量相等当作一种定律来看待的。

 

我们在上面已经探讨了这个问题,惯性质量和引力质量作为我们得到的物质特点从属性上来说,两者是没有区别的,当然作为一个定律来看待这个问题,是不合适的。在这里需要说明一下:爱因斯坦先生得到引力质量等效于惯性质量来自于对处于地球引力场中物体运动情况的观察。可以认为来自于自由落体运动。

 

4、引力质量和惯性质量定量过程中的区别

 

虽然引力质量和惯性质量作为物体存在的属性来说没有区别,但在定量的方法上来说还是存在区别的。这种区别就反映在引力与时间的无关性上。

 

在地球的表面上,我们通常将地球的引力常数定义为9.8/秒,地球表面上的所有的物体由于受到地球的引力产生的加速度都近似为这个数值。我们采用引力的方法来定量物体的质量,只要采用一个标准质量来和物体的质量在相同的引力场中做比较就行了。因此,引力质量和物体的运动变化是无关的。或者换句话说,与时间无关。

 

但是采用给物体一个确定的作用力,那么物体的质量同加速度成反比,这一点是与时间有关的。我们必须测定一个物体在加速过程中所经历的时间和空间,相对来说,物体的惯性质量比引力质量的测定要繁琐一些。

 

三、物体的变速运动状态和引力状态所形成的描述体系同匀速运动状态的描述体系的区别和问题

 

1、广义相对论的目的

 

我们已经探讨了引力质量和惯性质量的特点和属性,下面我们再探讨一下物体在存在过程中的引力行为和惯性行为的描述。这个问题的最初探讨可以认为是相对论要讨论的范围。我们知道,在狭义相对论中,时间和空间已经作为一种和物质的运动状态相关联的物理量。那么在物体的变速运动状态和引力状态下,我们将如何进行处理呢?我在其它的文章中已经探讨了狭义相对论存在着物理的逻辑问题,表现在采用物理的方法来解决物理问题,这样的描述体系和物质的实际运动变化并不是很协调,或者说违背物理的原理。关于这些看法您可参见其它的文章,比如时间与空间中的文章,空间与物质的运动中的文章。这里不再对狭义相对论进行探讨了。

 

从描述宇宙中恒定状态的物质的存在的狭义相对论中并不能解决非恒定状态的物质的描述问题,因此,爱因斯坦先生对狭义相对论进行了扩展,现在我们通常把这种扩展到对物质非恒定状态(严格的说是匀变速运动状态)的进行描述的理论叫做广义相对论。

 

2、广义相对论对物体存在状态进行处理的途径

 

相对论是以数学之美而著称的一个物理理论,但是在这里我们要滤掉数学的描述和意义,而仅从物理的角度来探讨广义相对论对物质世界的描述问题,我想这对于物理的本身而言是很重要的。

 

单纯的从物理的含义上来说,物体的运动状态保持不变的状态和物体的运动状态在变化的状态在存在的本身上来说,是没有区别的。但关键是我们采用什么样的定量体系对物体的存在进行描述。由于狭义相对论将光速不变作为一种公设,那么不能避免的改变了传统的采用时间、空间和物质的描述体系对物体的存在状态进行描述,这样一种描述体系也必然要扩展到对非恒定状态的物质进行描述。恒定状态的物质存在和非恒定状态的物质的存在在物理学的属性上来说是不同的,相对论是怎样在两种不同的物理属性的物质存在状态上建立描述呢?

 

我们知道狭义相对论是通过光速不变建立不同的时间和空间定义体系对恒定物质的参照系属性进行处理的,这样一种方法对于变速运动状态或者进一步扩展到引力状态是行不通的。因为变速运动状态或者引力状态任意时刻我们都可以使两个不同存在状态的物体处于可定量的第三参照系中,对于变速运动状态,我们只要让它们经过相邻的空间点就可以达到这个目的,两个物体存在状态改变的区别仅仅反映在作用在物体上的力的属性上;对于不同引力状态中的物质,我们只要以这个引力场建立一个通用的参照系或者外界的某一个恒星就可以了,比如处于地球引力场中的物体。毫无疑问,物体的不同的恒定存在状态的描述仅仅反映在物体存在的力学属性上,不论是采用特定的方法给物体施加作用力,还是引力场给与物体的引力。物体处于不同的变速运动状态和物体处于不同的引力状态,一个事实就是它们所处于的作用状态是不同的。

 

在广义相对论的实际应用上,是采用一种叫做等效原理来对这个问题进行处理的。通俗的讲,就是引力场给与物体的引力作用等效于物体加速运动过程中我们给物体所施加的作用力。这一点我们在前面已经间接讨论过,就是引力质量等效于惯性质量。

 

这就是狭义相对论扩展到广义相对论的途径,从而满足相对论从恒定物体存在状态的描述到非恒定物体存在状态的描述的过渡。那么,这样一种处理方法是否有效呢?我们先来看一下这种处理方法的区别。

 

3、从物理的角度来看待物体的恒定存在状态和非恒定存在状态

 

1)物体恒定自由的存在状态(匀速运动状态)

 

物体在处于恒定存在状态的时候,狭义相对论是这样处理的:各个惯性参照系是平权的,参照系之间的物理属性没有任何区别。这一点在狭义相对论的第二个假设中就已经确定无疑,即:在所有的惯性参照系中,物理定律都是相同的。那么,不同惯性参照系的区别只能是不同的时间和空间定义体系,或者换句话说,不同惯性参照系之间的区别来自于我们所采用的相对论的这种对恒定存在状态的物体的描述体系决定的。不同惯性参照系之间的物体的属性没有任何力学的差异。

 

我们可以暂时将这种不同惯性参照系中的物体的存在状态反映出我们对它进行描述的属性叫做物体的存在属性与力学的无关性。不同运动状态物体间描述的在时间、空间和质量上的差异,来自于我们所采用的定义体系。

 

2)物体的非恒定运动状态(加速运动状态或者说引力状态)

 

物体处于非恒定运动状态的时候,会受到力的作用属性。这一点和狭义相对论所描述的匀速运动状态是不同的。这一点会反映在物体的结构会因为力的作用而发生改变。如左边的图:

 

当我们推一个物体的时候,这个物体会产生形变,形变的大小依赖于物体的结构属性、作用点和(纠正2001.6.18,原为“电荷”)作用力的大小。不论我们采用任何一种力来加速一个物体,这个物体都会产生一种形变。这表明,物体的结构属性发生力学的变化。如果这种加速的作用力是恒定的,那么,物体中微小单元间的力学分布会随着不同的作用力的大小而发生变化。 

 

引力场给与物体的作用力也不例外。如图:

 

引力场给于引力场中物体引力的时候,物体中的物质在靠近引力场位置所受到的引力要大于较远处的物质所受到的引力。这样,引力的不同会形成物体中物质单元不同的作用力的分布。此外,当物体在引力场中静止时,比如地面上的物体,物体中的物质单元会形成不同的重力分布。这些,都可以说明,在不同的引力场中,物体的力学属性是不同的。

 

我们可以暂时将这种加速运动状态或者说引力状态中的物体的存在状态反映出我们对它进行描述的属性在物理属性上存在的力学区别叫做物体的存在属性与力学的相关性。

 

3)根据上图我们可以得到,引力场给与物体的作用所形成的物体中微观单元力学的分布特点,和引力场给与物体的作用所形成的物体中微观单元力学的分布特点,没有任何的相同点。这依赖于物体的结构属性、作用点和作用力的大小和方向。我们人为施加的加速物体运动的力和引力是不同性质的力。有兴趣的朋友可以再多分析分析,这里就不再多举例了。

 

 

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