物性论与相对论

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物性论与相对论
陈叔瑄

相对论建立在相对性，即物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系（所有物理定律在一切惯性坐标系中都是相同的）原理与光速不变性，即任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的（光在空虚空间总是以一确定的速度传播着，这个速度同光源的运动状态无关）的原理基础上。
问题在于光速是否相互作用传播的最大速度或极限速度？一直是科学界争论不休的问题，至今还不能完全证实。《物性论-自然学科间交叉理论基础》认为万有引力场质传播速度就可能超过光速，磁场质传播速度与电场质传播速度也可能超过光速，甚至电磁波也不会低于光速，可以说场物质移动或传播速度是大于等于光速的。谁也没有真正做过实验证实光速是极限速度，反而更多事实证实超光速现象。
一、极限速度问题
物质运动是否存在极限速度？如果存在极限速度，那极限速度是多少？物性论认为：一系统物质及其运动总是一定的，物质量的量度为质量，运动量的量度为能量，从而质量与总能量也是一定的。而且所有参考坐标系量度都应一致的，才能体现物质不灭性。物性论第一条基本原理建立此基础上，即物质连续的、可入的、不灭的与运动变化的。而质量与能量分别是物质量与运动量的量度，两者在量值上成正比，数学表达式E=mc²。系统质量与其总能量相对应的，任何参考坐标系物质不灭性，即质量不变性决定系统质量或总能不变性。
光量子总能不变性中平动能或光速不变性是惯性系中光量子运动状态的特例。在惯性参考坐标系光量子总能不变性外，因无加速度与其它能量形式变化因素，平动能与周期变换能仍然保持各占一半状态，使光量子平动能或光速度不变性。表明狭义相对论在这种条件下成立，是物性论的特例。相对论质能关系式E=mc²中质量不是物质量的量度，与系统总能量没有相对应的关系，与物质不灭律、能量转化守恒律、质量线性重叠等没有直接关系，把质量看成可以与能量相互转化的物理量的惯性量度。因此把相对论质量称为惯性质量，以示区别。
物性论认为光速不是物质的极限速度，而是系统总能等于平动能或总能全部化作平动能时的速度才是极限速度，即
mc²=mυ²/2
υ=c√2=1.41c=cˊ
此时系统物质运动全部化作平动运动，其速度为极限速度，因此相对论光速不变性原理改为场物质运动较单纯，且超过或等于光速，以及物质极限速度不变性原理更为深刻，更为普适。修改后的相对论推导仍然成立。
二、相对论质量问题
相对论的相对性原理规定了牛顿力学形式必需一致，即使光速等高速情况下也是如此，即
F=mˊa。=ma。√(1-υ²/c²) =ma
m=mˊ/√(1-υ²/c²)
a=a。√(1-υ²/c²)
a为加速度，a。为低速时加速度，m为质量，mˊ称为相对论质量或惯性质量或静止质量，相对论是将加速度属性转移到惯性质量或静止质量上。相对论为了使光速时质量不至于无穷大，把mˊ规定为静止质量，且设光静止质量为零。
如果光速用物质极限速度代替，极限速度的加速度自然等零。这样相对论不必假定光子静止质量等零或避免光子质量无穷大问题。修改后
m=mˊ/√(1-υ²/cˊ²)
a=a。√(1-υ²/cˊ²)
极限速度时，加速度为零，表明此时场质间不相干,称为加速度随速度非线性关系原理。光速时，相对论质量或静止质量为质量的1.41份之一。物性论认为不必另设相对论静止质量(在笔者另一些文章与物性论书中曾以相对论静止质量相应于质量,上式变成m″=m/√(1-υ²/cˊ²), F=ma。=m″a, a。√(1-υ²/c²) =a,真正力为 F′=ma,并多了一层没必要的推导与解释。相对论非静止质量相应于惯性质量才更确切,并作上述简化)。
物性论外力定义为动能对位移微商或梯度，即
F=d(mυ²/2)/dι=mυdυ/dι=m dυ/dt=ma
质量m推导过程始终是不变的。动能改变量随速度增大而减少，极限速度时，外力也不能使动能增大或产生加速度。可见相对论动力学仍然是停留在牛顿力学范围内，并非高速运动物质的动力学。相对论时空处理的是场或场物质运动状态，而其动力学仍保持低速牛顿力学形式，是很矛盾的。更妥当做法应承认加速度不是恒量，而是随速度增大而减少，极限速度时为零的物理量。不必把力的加速度属性转移到质量上，改变牛顿力学的质量观念。
三、 相对论时空问题
光量子总能量是由平动能与周期变换能构成的。周期性变换能量之一在光量子位移过程的相邻峰值间距称为波长λ，与光速c、周期τ、频率τ、动量p等关系如下：
λ=cτ=c/ν
p=mc=h/λ
mc²/2=pc/2=hc/2λ=hν/2
E=mc²=mc²/2+hν/2=hν
它可以看成相对论与量子论统一关系表达式。在惯性参考坐标系间不仅总能不变性，而且平动能与周期变换能各占一半关系也不变或上述关系式不变，因为在这种情况下光量子没有加速或改变为其它能量方式，仍然以光速运动。
光源参考坐标系所描述的光速度c与光场速度（或光传播速度）dι/dt=c是一样的，但相对光源以速度υ运动的惯性参考坐标系，总能多了一项与参考系运动有关的能量，即
mc²=m(dιˊ/dtˊ)²/2+hν/2+mυ²/2
m(dιˊ/dtˊ)²/2= mc²- hν/2-mυ²/2
m(dιˊ/dtˊ)²/2= mc²- mc²/2-mυ²/2
m(dιˊ/dtˊ)²/2=mc²(1-υ²/c²)/2=m(dι/dt)²(1-υ²/c²)/2
dιˊ/dtˊ=(dι/dt)√(1-υ²/c²)
当dtˊ=dt，        dιˊ=dι√(1-υ²/c²)
当dιˊ=dι，       dtˊ=dt/√(1-υ/c²)
如果不考虑光量子的周期变换能且等于平动能的话，上式就要用极限速度cˊ代替光速c，则更为普适的推广，不必受上述的惯性参考坐标系或变换能条件限制。
    场物质与场不同相当于流体力学中拉格朗日描述法与欧拉描述法的差别。欧拉描述法就是以坐标系几何点参量及其关系描述，而不管流体本身如何运动。上述惯性参考坐标系间参量变换实际上是建立在同一物质系统参考坐标系间量度动能或能量变换而总能不变的基础上。又由于参考坐标系以几何点参量描述，并以此建立的关系式为场的描述基础，因此上述的时空描述就是场的时空描述。可见相对论时空实质是场的时空，可以用相对论四维时空，即空间三维加上时间的虚数维来描述场的一点时空关系与其它（尤其电磁场）参量关系，统称相对论时空实际上是场时空原理。
四、物性论与相对论的其它问题
当相对论推导公式中，尤其√(1-υ/c²)系数中光速用极限速度代替时，许多结论变成很有意义。光子不必预先假定静止质量为零。参考坐标系光速时位移或光量子线度缩短1.41倍，而不是零。极限速度时，dιˊ线度等零，表明系统处于连续物质状态。可见愈高速运动的物质愈处于连续状态。磁场质、电场质、万有引力场质等处于较连续的场物质状态。光量子在愈来愈宽广空间运动，变换能逐渐地转化为愈连续状态的平动运动是光红移现象的本质所在。可见光的红移现象并非光源退行运动引起的，即通过媒介传播声音的声学多普勒效应不应套在不通过媒介传播的光量子系统上。
处在等于大于光速到极限速度间各种运动状态的物质称为场物质，相应参考坐标系几何点的某些量度参量分布与运动变化描述称为场。如万有引力场、磁场、电场、电磁场、强作用场、弱作用场等。而相对论时空主要解决根据静体的麦克斯韦理论得到一个简单而不自相矛盾的动体电动力学。如爱因斯坦第一篇相对论的电磁场论文（1905年发表的“论动体的电动力学”）所述，相对论（满足相对性原理与光速不变必原理）时空充其量是场的时空。后来科学界有将其时空观念任意扩大化倾向，甚至幻想出时间遂道效应机器，将人送回到古代等的无稽之谈。
空虚中光量子只有平动能与周期变换能，没有交换能，因此光量子之间碰撞，也不引起运动状态改变，即不相干。其相干条纹产生在同步运动两光量子束在重叠处相位的相同与相反重叠状态差异引起的光学现象。如光束入射到玻璃圆透镜顶点压平板玻璃上，其两玻璃面反射光量子重叠，形成牛顿环干涉条纹。暗圈是两面反射量子相位相反重叠，而亮圈是两面反射光量子同向重叠，后者变换幅度是两面反射光同步叠加，大于前者非同步叠加，相对地为亮圈。总体构成亮暗交叉的干涉条纹，称为牛顿环。可见光干涉、衍射条纹产生于光量子重叠的相位差别引起的光学现象。
相对光源以低于或远低于光速度运动的参考坐标系，基本维持牛顿力学关系式或伽利略变换，时空不变性。但对于光或场质所量度位移缩短关系式，使得相对光源运动的迈克尔逊干涉仪稍有倾角反射面的反射光束重叠所形成的干涉条纹，当其转过90度，即干涉仪垂直的两臂对调其干涉条纹不变，得出干涉仪相对光源运动无关的实验结果。说明光量子除总能不变性外，还存在空虚空间的惯性参考系间平动能或周期变换能不变性。才引出相对论时空或罗仑兹变换，说明相对论时空或罗仑兹变换是有条件的。
光源参考坐标系或相对光源静止参考坐标系或相对光源匀速直线运动参考坐标系条件下没有加速度或其它能量变换，才具有光量子平动能或速度不变性。这种情况下，相对论的时、空间互为条件的，可以统一用四维时空表示，特别适合电、磁场描述，使得电磁场麦克斯韦方程在惯性参考坐标系间变换不变性，即罗仑兹变换不变性。相对论时空是电磁场或场的时空，在于场的一点上空间与时间参量可以不是独立参量，而是跟场质传播或运动速度有关，也就是跟相对论同时性意义有关的量。可见光速不变性是系统总能不变性在一定条件下的特例。

参考资料
1、《物性论-自然学科间交叉理论基础》 陈叔瑄著  厦门大学出版社1994年12月出
2、《物性理论及其工程技术应用》 陈叔瑄著  香港天马图书有限公司2002年12月出版
3、《光子波动新论》陈叔瑄著  《科学（美国人）》中文版1999年7期
4、《思维工程-人脑智能活动和思维模型》 陈叔瑄著  福建教育出版社1994年6月出版