论物质运动规律.pdf

2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 56 论物质运动规律 王忆锋（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）摘要：物质运动在物理量上的反映就是物理量随空间和时间变化，物理量与长度幂次方之比等于物理量与时间幂次方之比乘以速度幂次方的倒数，由此可以导出麦克斯韦方程组、波动方程以及薛定谔波动方程等。基于牛顿第二运动定律定义的力的量纲，可以提出质量引力常数的概念，导出引力定律和库仑定律。在引力分析的基础上，可以修正牛顿第三运动定律。基于量纲关系“能量质量速度速度”可以导出公式 EMc2，其物理意义是一个质量体以光速运动时所具有的能量。在只有一个质量体的情况下，该质量体以光速保持匀速直线运动，该质量体的质量是宇宙总质量，这是一个最基本的物理现象，也是最底层的物理规律，用数学语言描述就是：宇宙总能量和宇宙总质量比值的平方根等于光速，这一论断是作者提出的光速原理。从只有一个质量体出发可以导出哈勃定律，还可以导出黑体辐射和宇宙热寂的概念。从以光速运动的质量微粒概念出发可以导出普朗克定律。光子是以光速运动的质量体，光子温度是宇宙热寂温度。关键词：运动定律；光速原理；哈勃定律；黑体辐射；宇宙热寂；质量引力常数；引力定律；库仑定律；普朗克定律；麦克斯韦方程组 On the Laws of Matter Motion WANG Yifeng(Kunming Institute of Physics,Kunming 650223,China)Abstract:The reflection of matter motion in physical quantity is that physical quantity changes with space and time,the ratio of the physical quantity to the power of length is equal to the ratio of the physical quantity to the power of time multiplied by the inverse of the power of speed.From this,Maxwells equations,wave equations and Schrdingers wave equations can be de-rived.Based on the dimension of force defined by Newtons second law of motion,the concept of mass gravitational constant can be put forward,and the laws of gravity and Coulombs law can be derived.The special case is Newtons law of universal gravitation.On the basis of gravitational analysis,Newtons third law of motion can be modified.Based on the dimensional relation“en-ergymassspeedspeed”,the formula E=Mc2 can be derived that its physical meaning is the en-ergy possessed by a mass body moving at light speed.In the case of only one mass body,the mass body maintains a uniform straight line motion at light speed,its mass is the total universal mass,which is the most fundamental physical phenomenon and the lowest bottom physical law,and can be described in mathematical language:the square root of the ratio of the total universal energy to the total universal mass equals light speed,this conclusion is the principle of light speed proposed by the author.From the point of only one mass body,Hubbles law and the concept of blackbody radiation and heat death of the universe can be derived.Plancks law can be derived from the 收稿日期：2023-05-05.作者简介：王忆锋（1963-）男，湖南零陵人。1984 年毕业于北京工业学院（今北京理工大学）计算机系，工学学士。高级工程师。2000 年 8月-2001 年 6 月在美国内布拉斯加大学林肯分校计算机系做国家公派访问学者。目前主要从事理论物理和光电器件仿真研究。E-mail: 论物质运动规律 王忆锋 57 concept of mass particles moving at light speed.Photons are mass bodies moving at light speed,and the temperature of photons is the heat death temperature of the universe.Key words:laws of motion,principle of light speed,hubbles law,blackbody radiation,heat death of the universe,mass gravity constant,law of gravity,Coulombs law Plancks law,Max-wells equations 0 引言 众所周知，唯物主义的基本观点是：世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以认识的，认识是发展变化的。物质运动规律是物理学的研究范畴。物质运动规律具有层次性。最底层的物质运动规律是什么？这个问题在思想史和科学史上一直没有明确答案。本文提出了最底层的物质运动规律，介绍了不同层次的物质运动规律之间的联系。1 “物质是运动的”属于全称判断 在逻辑学中，命题是指一个判断（陈述）的语义（实际表达的概念），这个概念是可以定义并被观察的现象。直接陈述某一类事物是否具有某种性质的命题称为直言命题。或者说，直言命题是只含有一个判断的句子，这个句子判断了两个概念之间的关系。直言命题的一般结构为：量项+主项+联项+谓项。主项是指句子的主语，表示性质判断所指向的事物。谓项是指句子的谓语，表示性质判断所断定的性质。联项是表示主项和谓项之间逻辑关系的词项。联项有肯定的与否定的两种。肯定联项一般用语词“是”表示；否定联项一般用语词“不是”表示。量项是指表示句子中主语或者谓语的数量关系的词。量项有 3 种，分别是全称量项，如“所有”、“全部”、“任何”、“一切”、“都”、“凡是”、“每个”、“个个”等等，表示对主项的全部外延都作了断定；特称量项，如“有的”、“有些”等，表示没有对主项的全部外延作断定；单称量项，如“这个”、“那个”，表示对主项外延中的某一个特定对象作出了断定。直言命题在形式上可以表示为“所有（有的）S 是（不是）P”，如果把“（有的）”去掉，则“所有 S 是（不是）P”是一个全称判断，它表示一类事物全部都具有或都不具有某种属性。全称判断一般有全称量项，但在表达时也可以省略。“物质是运动的”这一表述属于全称判断。“物质是运动的”意味着所有的物质都是运动的；没有不运动的物质，也就是没有静止的物质；只要是物质都是运动的；即使只有一个物质，该物质也是运动的。“物质是运动的”意味着所有的物质都是运动的；不管有没有人，物质都是运动的；不管有没有人的思维活动，物质都是运动的；不管有没有人的思维活动形成的所谓参照系，物质都是运动的，换言之，物质运动不依赖于参照系。类似地，“物质有温度”也是一个全称判断，这意味着只要是物质就有温度；不管物质有多大或者多小，物质都有温度；而“物质是运动的”意味着即使所有物质的温度相同，这些物质仍然是运动的。同样地，“物质有质量”也是一个全称判断，这意味着只要是物质就是质量，不管物质有多大或者多小，物质都有质量。基于“物质有质量”和“物质有温度”衍生的推论是：如果光子属于物质，则光子既有质量也有温度。2 物质运动的描述 物理量的基本属性称为量纲，它们是物理量的度量单位1。国际单位制将量纲分为基本单位、导出单位和辅助单位。基本单位包括质量（千克，kg）、长度（米，m）、时间（秒，s）、温度（开尔文，K）和电流（安培，A）等 7 个物理量。导出单位和辅助单位由基本单位组合而成。2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 58 相同的量纲可以构成等价关系，例如：质量质量，长度长度 (1)量纲相同不一定量值相等。本文用符号“=”表示量值或者数值意义上的相等或等量关系。等价关系“”是否可以直接过渡到等量关系“=”？对于这个问题现有物理理论没有“可以”或者“不可以”这样的统一答案。在一些情况下不可以从等价关系“”直接过渡到等量关系“=”，而在另外一些情况下可以从等价关系“”直接过渡到等量关系“=”。例如，长度连乘三次是体积的量纲，也是体积的计算方法，即：体积长度长度长度体积=长度长度长度m3 (2)“质量”与“体积”融合在一起形成“质量体”概念。质量体与物质等效。本文交替使用“物质”和“质量体”这两个概念。质量体可以大到天体、小到微粒，只要有质量都属于质量体。相同的量纲之间可以加减，也可以乘除。相同两个量纲相加减，其结果仍然是原来的量纲。相同的两个量纲做乘法所得之积是原来量纲的平方；相同的两个量纲做除法所得之商没有量纲。不相同的两个量纲之间不能相加或者相减，只能相除或者相乘，相应的结果是新的量纲。例如长度量纲与时间量纲之比是速度的量纲 长度速度时间 (3)速度属于可以从等价关系“”直接过渡到等量关系“=”的情况。长度速度时间 (4)光速（c2.998108 m/s）是一切物理速度的最大值，也是物理速度的极限。最大值不变，否则就不是最大值。光速不变反映了最大值的这一性质。如果以光速为标准，速度可以分为光速和非光速两类。物质是运动的等效于质量体是运动的。质量体运动的快慢程度可以用速度来描述。质量体的运动速度可以是光速，也可以是非光速。以光速运动的质量体称为光子。可以证明下列量纲关系2-3：能量质量速度速度 (5)在国际单位制中，能量量纲是焦耳（J），并有：1 J=1kg(m/s)2 (6)在式(5)“能量质量速度速度”两端除以速度，有 能量质量速度动量速度 (7)在现有物理理论中，“质量速度”不仅是动量量纲的定义，还被直接规定为动量数值的计算方法，即式(7)中恒等号“”可以直接换成等号“”。将动量记为 p，质量记为 M，速度记为 u，则有：动量质量速度动量质量速度pMu (8)因为相同的量纲可以相加，所以在量纲关系上有：质量速度速度质量质量速度时间时间时间 (9)如果要给出一个与式(9)对应的数学关系，就需要引入微积分中的导数概念。两个量纲做除法等效于一个量纲描述的物理量对另一个量纲描述的物理量求导数。式(9)左端是“质量速度”对时间求导数，也就是动量对时间求导数；右端包括两个导数，一个是速度对时间求导数，另一个是质量对时间求导数。将时间记为 t，求导数记为 d，则有：论物质运动规律 王忆锋 59 dd()ddddddpMuuMMutdttt (10)速度对时间求导数得到加速度，即：dduat (11)于是式(10)可以写为：ddddpMMautt (12)如果质量不是时间的函数，则质量对时间求导数的结果等于零，即dM/dt=0，则有：dd0ddppMauMaFMatt (13)这是牛顿第二运动定律4-5。式(13)反映到国际单位制中，就是质量M和时间t是国际单位制的基本单位，基本单位彼此独立，一个基本单位不是另外一个或者几个基本单位的函数。因为：ddddddddMMuMatutu (14)故如果质量不是时间的函数，则必然有质量不是速度的函数，这是从动量导出FMa的前提。牛顿第二运动定律式(13)FMa给出了力的计算方法。力包括内力和外力，内力不产生加速度，与加速度有关的力是外力。外力的方向决定加速度的方向。引力是典型的外力。在引力作用下，当引力方向与质量体的运动方向在同一条直线上时，如果引力方向和质量体的运动方向相反，则质量体做减速运动，直到质量体的运动方向变得与引力方向相同，此时质量体的运动速度达到最小值；然后质量体开始做加速运动，速度逐渐变大。如果引力方向与质量体的运动方向不在一条直线，质量体做曲线运动。从逻辑上说，质量体是运动的，意味着不管有没有外力作用，质量体都是运动的。当没有外力时，速度不发生变化，它保持匀速运动；因为没有外力，运动方向不发生变化，它是直线运动；另外，虽然有外力、但是外力小到可以忽略不计等效于没有外力；对于原来静止的质量体来说，因为没有外力，所以它继续保持静止；这几点综合在一起可以表述为：“一切质量体在没有受到外力作用、或者受到的外力作用小到可以忽略不计的时候，原来运动的质量体以原来的速度保持匀速直线运动；原来静止的质量体继续保持静止状态”，这是经过补充完善的牛顿第一运动定律6。牛顿第一运动定律指出质量体可以是运动的、也可以是静止的，这里实际上引入了绝对和相对的概念。绝对高于相对。运动是绝对的，静止是相对的，静止是绝对运动中的相对静止。相对意味着至少要有两个质量体。如果只有一个质量体，因为没有其他质量体与该质量体构成相对，则不存在相对的静止，只存在绝对的运动。因此，如果把牛顿第一运动定律所说的“一切质量体合”并为“一个质量体”，则该质量体保持匀速直线运动。3 物理量与长度和时间的数学关系 基于式(4)可以写出：111 1,2,.,()()()nnnn长度速度时间 (15)在式(15)两端乘以“物理量”，可得：1()()()nnn物理量物理量长度速度时间 (16)2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 60 式(16)是一个恒等式，它可以表述为：物理量与长度幂次方之比等于物理量与时间幂次方之比乘以速度幂次方的倒数。引入导数概念，式(16)的左端相当于物理量对长度求n阶导数；式(16)的右端相当于物理量对时间求n阶导数；同一个物理量既可以对长度求导数、又可以对时间求导数，说明该物理量是长度和时间的多元函数，这时与式(16)对应的导数是n阶偏导数。只要将物理量表达为正弦函数、余弦函数、或者基于正弦函数和余弦函数的复指数函数、或者基于正弦函数和余弦函数的傅里叶级数，都可以满足求n阶偏导数的要求。作为一种量纲关系式，式(16)仅表达了取正号的情况。考虑到数学上不仅有正号、也有负号的情况，可以引入“”号。当n1 时可以写出：1 物理量物理量长度速度时间 (17)下面分析一下如何将式(17)表达的关系进一步数学化。为此首先需要将物理量以函数的形式呈现。将物理量记为向量函数X，并有：123(,)(,)(,)(,)x y z tiXx y z tjXx y z tkXx y z tX (18)这是一个四元函数，其中i、j、k是以直角坐标系的x、y、z轴的正方向为方向的单位向量；分量函数X1、X2、X3为向量函数X在x、y、z方向的直角分量，它们是标量；分量函数X1、X2、X3具有与向量函数X相同的量纲；空间位置变量x、y、z的量纲都是长度；时间变量t的量纲为时间。式(17)的核心是与之对应的偏导数。根据向量函数的导数规则7可以写出物理量X对x、y、z的一阶偏导数：312312312XXXijkxxxxXXXijkyyyyXXXijkzzzzXXX (19)从式(19)可以看到，物理量X的分量函数X1、X2、X3对长度的偏导数共有 9 个，它们的量纲关系如下所示：111111222222333333,XXXXXXxxyyzzXXXXXXxxyyzzXXXXXXxxyyzz的量纲的量纲的量纲的量纲的量纲的量纲长度的量纲的量纲的量纲X (20)物理量X对时间变量t的一阶偏导数为：312XXXijkttttX (21)即物理量X的分量函数X1、X2、X3对时间的偏导数共有 3 个，它们的量纲关系如下所示：331122,XXXXXXtttt时间时间时间时间XX (22)如果存在与式(17)对应的某种数学关系，那么该数学关系必须包括 9 个对长度的一阶偏数和 3个对时间的一阶偏导数。下面看一下如何构成该数学关系。向量算子定义为：论物质运动规律 王忆锋 61 ijkxyz (23)利用 MATLAB 容易证明：332121 XXXXXXijkyzzxxyX (24)X称为向量X的旋度。从式(24)可见X包括了式(20)中的 6 个一阶偏导数，另外X是向量，同时在量纲上有：长度XX (25)引入速度u，结合式(17)、(21)和(25)可以写出：1ut XX (26)利用 MATLAB 可以证明：312XXXxyzX (27)X称为向量X的散度。从式(27)可见，散度X包括的 3 个一阶偏导数没有出现在旋度X中。散度X和旋度X同时出现可以包括式(20)所列的全部 9 个一阶偏导数。另外在量纲上有：长度XX (28)X是标量，在数值上可能有X=0 或者X0 两种情况。于是可以写出：01ut XXX (29)或者：01ut XXX (30)式(29)和(30)包含了对空间位置变量的全部 9 个一阶偏导数和对时间变量的全部 3 个一阶偏导数。当n2 时从式(16)可以写出：2221()()()物理量物理量长度速度时间 (31)与式(31)对应的是二阶偏导数。物理量X对x、y、z的二阶偏导数为：222231222222222312222222223122222XXXijkxxxxXXXijkyyyyXXXijkzzzzXXX (32)拉普拉斯算子2定义为：2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 62 2222222xyz (33)于是可以写出：22222222()xyz长度XXXXX (34)即2X包括了物理量X对于空间变量的全部二阶偏导数。另外物理量X对时间变量t的二阶偏导数为：222231222222()XXXijktttt时间XX (35)根据式(31)可以写出：22221ut XX (36)取正号时为波动方程，取负号时为非波动方程。向量X、算子、拉普拉斯算子2与旋度、散度之间满足下列关系：2()()XXX (37)设有两个物理量XE和XH，根据式(29)可以写出：EEE01ut XXX以及 HHH01ut XXX (38)式(38)表示的XE和XH可能相关，也可能不相关。如果XE和XH具有相关性，并且这种相关性可以表示如下：EHHEEH001 1utut XXXXXX (39)则基于式(37)容易证明XE和XH满足下列波动方程：22E221,HutXXXXX (40)在式(39)中，如果函数XE和XH的量纲取为伏特/米（V/m），记XEEV/m，XHHV/m，并且uc，第 3 个方程取负号，第 4 个方程取正号，则有：V/mV/mV/mV/mV/mV/m001 1 ctct EHHEEH (41)式(41)“是麦克斯韦方程组的特殊情况（文献7第 161 页）”。在式(39)中，如果函数XE的量纲取为牛顿/库仑（N/C），XH的量纲取为磁感应强度的量纲特斯拉（B）。记XEEN/C，XHB。当uc时，可以写出：论物质运动规律 王忆锋 63 N/CN/CN/C200 1 tct BBBEEE (42)式(42)是另外一种形式的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是电磁学理论的基础，文献中给出的麦克斯韦方程组推导过程比较复杂。通过上述介绍可以看到麦克斯韦方程组其实很简单。麦克斯韦方程组中的物理量是电量，如果将物理量取为能量，可以得到薛定谔波动方程2-3。4 质量引力常数 将有关量纲代入式(13)FMa，有：2mNkgs (43)式(43)定义了力的量纲牛顿（N）。力的量纲是质量、长度和时间量纲的组合。引力性是质量体固有的本征属性之一，它是一个质量体对其他质量体呈现出来的吸引作用。引力性的大小称为引力本领或者引力禀性。引力本领是一个总量概念。为了描述引力本领的大小，作者引入“质量引力常数（mass gravity constant）”的概念。此前作者称之为“基本引力禀性常数（fundamental gravitational intrinsic constant）”8。简单地说，质量引力常数的含义是 1 kg 质量的引力本领有多少牛顿（N）。假定 1 kg 质量所固有的引力本领为(N)，两者在量值上通过一个待定常数联系在一起，即：1(kg)(N)(44)于是：(N)N1(kg)kg (45)将 称为质量引力常数，其量纲为牛顿/千克（N/kg），即：Nkg (46)可以粗略估算一下质量引力常数的量值范围。已知 1 kg 质量体在地面受到的地球引力约为9.8N。1 kg 最初的定义是 4时一立方分米水的质量。一立方分米体积所占据的地面面积为一平方分米（0.1 m0.1 m）。假定一平方分米地面范围内的引力为 9.8N。已知地球表面积约为 510072000 km2，地球质量约为 5.9651024 kg。用 MATLAB 计算地面总引力值与地球质量之比：510072000*(10002)/(0.12)*9.8/(5.965e24)ans=8.3801e-008 由此可以推断质量引力常数8.3801108(N/kg)。的准确值是多少有待进一步研究。关于引力计算有两个问题，第一个是引力总量如何计算，第二个是引力分布如何计算。引入质量引力常数可以解决第一个问题。下面看一下如何解决第二个问题。基于质量引力常数的概念，在量纲上可以写出：NNkgkg (47)取式(47)的平方，可以写出：2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 64 222NNkgkg (48)在式(48)两端除以 N 可得：22NNkgkg (49)在式(49)中引入长度量纲 m 的平方，有：2222N mkgNkgm (50)如果引入一个待定系数MG对应量纲 Nm2/kg2，再引入具有质量量纲 kg 的变量M、具有长度量纲 m 的量r，则有：22(,)MMMF GM rGr (51)这是一般形式的引力定律2-3，即一个质量体在空间某一点处的引力值与该质量体的质量平方成正比，与质量体和该点之间的距离平方成反比。文献2-3介绍了基于质量引力常数和立体角概念导出引力定律的方法。宇宙空间中有数量无穷多的质量体，每一个质量体在空间任意一点都有一个引力值，该值按照式(51)来计算，即有：22212222112212,MMMMMMMMMGGGrrrFFF (52)在(52)中，各引力的方向不同。各引力值引入相应的方向则构成引力向量，各引力向量之和为该点的引力，即：12MMMFFFF (53)式中：粗体字母F表示向量。式(53)表明空间中任意一点的引力等于所有质量体在该点的引力之和。空间中所有点的引力集合形成引力场。在式(50)中，因为 kg2kgkg，如果让一个 kg 对应变量M1，另一个 kg 对应变量M2，则有：12122(,)MM MGM MrGrF (54)特别地，当GG6.6731011 Nm2/kg2时有：12122(,)M MM MrGrF (55)或者写为：12 212MMM MGrF (56)式(56)就是牛顿万有引力定律4，其中G称为万有引力常数。提出物理常数和测定物理常数往往不是一回事。1687年牛顿提出万有引力定律，但是直到1798年，万有引力常数才被卡文迪许测定。FMa给出了力的广义定义，即力是使质量体产生加速度的作用。一方面，这个作用首先要存在，这是前提；另外离开了质量体也就没有力。在最简单的情况下，这个作用是由一个质量体所产论物质运动规律 王忆锋 65 生、被另一个质量体所感受，这样就涉及两个质量体，于是衍生力的狭义定义：力是两个质量体之间的作用。按照力的狭义定义，力存在的前提是必须具有两个质量体，如果只有一个质量体则不存在力。但是力的狭义定义不适用于引力。一个质量体在其引力线通过的空间任意一点处都有引力，牛顿万有引力给出了某一点处引力的一种测量或者计算方法，但是该点处的引力并不是因为测量了才存在，而是不管测量或者不测量，只要引力线通过，该点都有引力。这是引力问题的底层逻辑。电流（安培，A）是量纲基本单位之一。电流与时间的乘积定义为电量，其量纲为库仑（C）。电量电流时间1 C1 As (57)在式(47)中将质量量纲kg替换为电量量纲C，可以写出：NNCC (58)取式(58)的平方，可以写出：222NNCC (59)在式(59)两端除以N可得：22NNCC (60)在式(60)中引入长度量纲m的平方，有：2222N mCNCm (61)如果引入一个待定系数qk对应量纲Nm2/C2，再引入具有电量量纲C的变量q、具有长度量纲m的变量r，则有：22(,)qqqF k q rkr (62)在式(61)中，因为C2CC，如果让一个C对应变量q1，另一个C对应变量q2，则有：12122(,)qqq qF k q q rkr (63)特别地，当qkk8.988109 Nm2/C2时有：12122(,)q qF q q rkr (64)或者写为：1221 2q qq qFkr (65)式(65)称为库仑定律，k称为库仑常数。基于库仑定律可以导出高斯定理2-3。5 对牛顿第三运动定律的修正 牛顿第三运动定律的常见表述是：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上4。基于引力分析，可以看到一般情况下，一个大质量体对于一个小质量体的引力并不等于一个小质量体对于大质量体的引力，这类情况是牛顿第三运动定律的反例。完善的牛顿第三运动定律需要排除这些反例的影响。2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 66 将两个质量体之间的距离等于零定义为接触。“相互作用”可以是两个相互接触的质量体之间的作用力，也可以是没有相互接触的质量体之间的作用力(例如引力)。作为进一步的限定，将“相互作用”改为“相互接触”，则牛顿第三运动定律可以补充完善为：相互接触的两个质量体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。6 基于量纲关系“能量质量速度速度”推导光速原理 物理规律具有唯一性。唯一性是确定的。等价关系“”不能直接过渡到等量关系“=”的根本原因是通过“”表达的某一物理关系在数值上是不确定的；反之，如果是确定的，则等价关系“”可以直接过渡到等量关系“=”，相应的物理关系有可能成为物理规律。从量纲关系“能量质量速度速度”可以看出，如果质量和速度同时具有最大值，则能量具有最大值，最大值是确定的，这时等价关系“”可以过渡到等量关系“=”。质量最大值是宇宙总质量MU，速度最大值是光速c，此时的能量是宇宙总能量EU，并有：2UUUU EEM ccM (66)即宇宙总能量和宇宙总质量比值的平方根等于光速，这就是作者提出的光速原理9-10。宇宙总质量是宇宙中的所有质量体的质量累加合并在一起得到的结果，这时有且只有一个质量体，没有任何其他质量体。因为光速不变，故光速运动是匀速运动；根据几何光学，光的运动轨迹是直线，故质量体以光速运动是以光速保持匀速直线运动，这是从光速原理衍生出来的结论。概括而言就是：在只有一个质量体的情况下，该质量体以光速保持匀速直线运动，该质量体的质量是宇宙总质量，这是一个最根本的物理现象6，该现象用数学语言描述就是光速原理。光速原理给出了最底层的物质运动规律：在只有一个物质的情况下，该物质以光速保持匀速直线运动，该物质的质量是宇宙总质量。宇宙中的所有质量体构成一个最大的力学体系。根据诺特定理，宇宙的总能量和总动量是守恒的，但是诺特定理并没有指出它们如何计算，也没有指出守恒量具体是多少。光速原理指出在认同宇宙质量守恒和光速恒定的前提下，宇宙总能量守恒在EUMUc2，两端除以光速c可得：UUUEM cPc (67)式(67)表明宇宙总动量守恒在MUc。另外，如果质量确定，那么当速度取最大值光速c时，量纲关系“能量质量速度速度”也可以从等价关系“”过渡到等量关系“=”，即有：EMc2 (68)EMc2指出了一个质量体可能具有的能量最大值，此时该质量体以光速运动。反之，一个以光速c运动的质量体的能量EMc2。EMc2中的能量E是总能量。总能量是动能、热能等所有各种形式的能量之和。根据动能定理，一个以光速运动的质量体的动能是0.5Mc2。动能是能量的一部分，这意味着一个以光速运动的质量体的能量大于0.5Mc2，因此EMc2与动能定理不矛盾。对于一个以光速运动的质量体，能量与质量比值的平方根大于0.7c。值得指出的是，EMc2很容易让人联想到狭义相对论中的质量-能量关系式。确实，两者在形式上是相同的，但是它们的物理意义不一样。事实上，公式EMc2的首发权并不属于爱因斯坦。有一位叫普雷托（Delinto De Pretto）的意大利学者在1904年2月出版的威尼斯皇家科学院进展第63卷第439页发表的论文中已经提出了公式EMc2。该公式出现在爱因斯坦论文中的时间是1905年11。论物质运动规律 王忆锋 67 EMc2的前提是质量不是其他物理量的函数，其中包括质量不是速度的函数。因此，狭义相对论的质量-能量关系式与质量-速度关系式的前提是互相矛盾的，如下所示：202 :():1EMcMM uuc前提 质量不是速度的函数前提 质量是速度的函数 (69)7 能量的不同表达形式 引入时间，能量可以表达为：11(J s)s能量能量 时间时间 (70)如果将量纲 Js 对应的变量记为h，量纲 s-1(1/s)对应的变量记为 v，则能量 E 可以表达为h和v 的二元函数，即：(,)E h vhv (71)如果h是常数，则能量 E 可以表达为 v 的一元函数，即：()E vhv (72)特别地，当h6.6261034 Js 时，该值称为普朗克常数，记为 h。可以证明普朗克常数不具有唯一性12。如果把 hv 作为一个基本能量单元或者作为一个比较基准，并有：0()E vhv (73)则其他能量与 hv 之间构成倍数关系，这个倍数可能是整数、也可能是非整数；另外，因为能量与质量 m 有关，所以该倍数必然是质量 m 的函数，即有：(,)()Evm hv (74)式中：(m)是一个与质量 m 有关的无量纲系数函数。引入温度，能量可以表达为：1JKK能量能量温度温度 (75)如果将量纲 JK1对应的变量记为k，则能量 E 可以表达变量k和 T 的二元函数，即：(,)E k TkT (76)如果k是常数，则能量 E 可以表达为 T 的一元函数，即：()E TkT (77)已知玻尔兹曼常数 kB1.3811023 JK1。如果取Bkk，则有：0B()E Tk T (78)如果把kBT作为一个基本能量单元或者作为一个比较基准，则其他能量与kBT构成倍数关系，这个倍数可能是整数、也可能是非整数；因为能量与质量m有关，所以该倍数必然是质量m的函数，即有：2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 68 B(,)()ETm k T (79)式中：()m是一个与质量 m 有关的无量纲系数函数。引入质量和温度，能量可以表达为：1Jkg Kkg K能量能量质量温度质量温度 (80)如果将量纲 J/(kgK)对应的变量记为，则能量 E 可以表达变量、质量变量 m 和温度变量 T的三元函数，即：(,)Em TmT (81)如果变量等于常数，则能量 E 可以表达质量变量 m 和温度变量 T 的二元函数，即：(,)E m TmT (82)式中：称为比热，它是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。8 从只有一个质量体出发推导哈勃定律 在只有一个质量体的情况下，该质量体以光速保持匀速直线运动，该质量体的质量是宇宙总质量，这是一个最根本的物理现象。另一方面，当下宇宙中有数量无穷多的质量体，说明该物理现象存在于过往。从只有一个质量体到有数量无穷多的质量体，是一个质量分裂的过程。在只有一个质量体的情况下，将该质量体称为初始质量体。因为只有一个质量体、没有其他质量体，所以初始质量体没有受到来自其他质量体的引力作用，初始质量体的运动速度为光速。随着初始质量体发生分裂，初始质量体不复存在；初始质量体分裂形成的各分裂质量体的瞬时初始速度与初始质量体的运动速度相同，都是光速 c；同时每一个分裂质量体均受到来自其他分裂质量体的引力作用；在引力作用下各分裂质量体的运动速度从光速降低到非光速；如图 1 所示，由于引力赶不上最外圈（第 1 圈）的质量体，故最外圈（第 1 圈）质量体的运动速度仍为光速；次最外圈（第2 圈）的运动速度比光速低一点；类似地，位于第 3 圈的质量体的运动速度比光速再低一点，等等。如果从初始质量体发生分裂所在位置观察，或者从地球观察，看起来就是哈勃定律所描述的：距离我们越远的天体，退行速度越快。运动速度在光速量级的天体称为类星体。图 1 初始质量体分裂形成的质量体的运动速度在引力作用下发生变化 Fig.1 The motion speeds of the mass bodies formed by splitting of the initial mass body change under the action of gravity 9 物质质量分裂概念衍生的推论 论物质运动规律 王忆锋 69 物质质量分裂是最基本的物理现象之一。将分裂形成的物质称为分裂物质。将产生分裂的物理称为源物质。假设源物质的温度均匀分布。在分裂瞬间，分裂物质的运动速度和温度均与源物质的运动速度和温度相同，这是一个常识。从质量大小的角度来看，分裂物质可以分为“有形的”分裂物质和“无形的”的分裂物质。“有形的”分裂物质的特点是其质量大到可以被人类感知，例如，初始质量体分裂产生的类星体是“有形”的分裂物质，一块陨石在落入地球过程中分裂形成的也是“有形的”分裂物质。“无形的”分裂物质的特点是其质量小到无法被人类感知，或者说它们是质量小到无法测量的微粒。但是质量不能感知，并不意味着其能量也不能感知。从量纲关系“能量质量速度速度”可以看出，能量与质量和速度平方的乘积成正比，于是将质量放大速度平方倍以后得到的能量有可能被感知。如果放大以后得到的能量还是小到不能被感知，则相应的质量必然更小而不能被感知。“有形的”的分裂物质不是随时产生，而“无形的”分裂物质随时产生，这是两者之间的重大区别。“无形的”分裂物质随时产生意味着物质不断向外发射质量微粒。本文主要讨论质量微粒。质量微粒的运动速度和温度与产生它们的源物质的运动速度和温度相同。以光速为标准，可以分为以光速运动的质量微粒和以非光速运动的质量微粒。如果源物质的运动速度是光速，源物质产生的质量微粒的初始速度也是光速，它们属于光子；如果源物质的运动速度是非光速，源物质产生的质量微粒的初始速度也是非光速，它们属于非光子。初始质量体是宇宙中最大的源物质，其运动速度是光速。在初始质量体发生“有形的”质量分裂之前，初始质量体分裂产生的所有质量微粒的运动速度都是光速，这些质量微粒属于光子。随着初始质量体发生“有形的”质量分裂，初始质量体不复存在。各分裂物质的初始速度和初始质量体的速度相同、都是光速，即各分裂物质以光速运动，于是它们分裂产生的质量微粒还是光子；随着引力的出现，各分裂物质的运动速度从光速变为非光速，这