“牛顿万有引力”并非万有
下载“牛顿万有引力”并非万有 “运动论的物理学结论”诞生后，有人指责对“牛顿万有引力”的解释不能接受。 因此，笔者在1981年6月6日于长春完成了这篇文章。 (一) 我们先看看“牛顿万有引力”在当时牛顿自己怎样把它得来的。 牛顿写到：“在1665年开始11月间发现了微分计算法；第二年的1月发现了颜色的理论，5月开始研究积分计算法。这一年里我还开始想到重力是伸向月球轨道的……我还从开普勒关于行星的周期是和行星轨道的中心的距离的3/2次方成正比的定律，推出使行星保持在它们轨道上的力，必定要和它们与它们绕之而运动的中心之间的距离的平方成反比例；而后把使月球保持在它轨道上所需的力和地球表面的重力作了比较，并发现它们近似相等”。 我们抛开那段“树下赏月落苹果”的佳话，着实地看看诱导牛顿发现引力的根本原因： “……这特别是归功于开普勒和伽利略，牛顿就是从他们二人那里得出自己结论的” 伽利略在认识运动定律上，建立了惯性理论，牛顿则挑出伽利略这一发现，总结成他的力学第一定律：“任何物体，只要没有外力的作用，便将永远保持静止或匀速直线运动状态——惯性定律。” 伽利略的另一个重大成就是发现地球引力场中的自由落体定律：落体竖直下落的速度随时间而均匀递增。并且继续认识到一个匀速的水平运动能同这种垂直加速运动叠加起来，从而发展抛射体运动轨道的理论。牛顿则把伽利略的这个理论扩展到天上。他把行星轨道比作抛射体轨道，这样就完成了一个伟大的从地面到天上的联系。 牛顿曾设想过，在高塔上向水平方向抛出石子，如果力量足够大，石子就会象卫星那样绕地球转动：如果把月球比作抛射体，它的运动应当符合伽利略抛射体运动的分析。这便是月球的曲线运动应当可以分解为两种简单的直线运动：一是由于惯性而引起的直线运动；一是把月球拉向地球的运动。地球的引力便是使月球离开直线运动，不断偏向地球，并按现在的轨道绕地球运动的力。所以牛顿说：“如果没有这样一种力的作用，月球就不能保持在它的轨道上运动。如果这种力太小，就不足以使月球偏离它的直线运动；如果这种力太大，就会使它偏离太大而把它从轨道上拉下落向地球。这种力必须大小相当，数学家的任务就是要找出这种正好能使一个物体在一定轨道上以一定速度运动的力，并且反过来要确定从一定地点以一定速度发射出去的一个物体，由于一定的力的作用偏离其原有直线运动而进入那条曲线路程。” 这个力正是向心力。 所以，从上看到，一个物体作惯性运动，改变它的运动速度和方向都必定是外来的原因，牛顿要寻找的正是改变行星运动的直线路径，使它不断环绕恒星运动的那个向心力。 于是，牛顿假定行星的轨道是正圆等速运动的，并借助惠更斯的向心加速度的公式 j＝v2R 和开普勒第三运动定律 R3＝T2 (或logT/logR＝3/2) 把问题集中为寻找这种运动的加速度上导出万有引力定律的。 从惠更斯的向心加速度还可表示为离心力与钟摆的半径(R)成正比，与周期(T)的平方成反比，即 RT2 现在已知道开普勒的第三定律 R3＝T2 于是知道离心力与半径(R)的平方成反比(离心力等于向心力，方向相反)。 牛顿还认为“引力是物质的固有属性”，所以“宇宙间的一切物体都应该有引力”(万有性)，进而牛顿建立了力与物体的质量(物体的固有属性)成正比，并把伽利略更正了亚里斯多德的“力与速度相关”为“力同加速度相关”联系起来，揭示出力和加速度之间需要有质量(物体的固有属性)这个媒介，因而建立了牛顿的第二力学定律 F＝m?a 当时“物体的固有属性”是由物质的“惰性”或“惯性”概念引伸来的。 这一伟大的贡献同时解释了自由落体的加速度，无论物体大小都相同。 相应，继而又建立了“作用与反作用大小相等方向相反”牛顿第三力学定律。 不论牛顿三定律建立早晚，当他把第二和第三力学定律运用到月球地球之间时，他看到，假如地球的质量增加一倍，那么，第二定律指出月球对地球的引力也将增加一倍。自然，第三定律也指出地球对月球的引力要增加一倍(加速度不变时)，同理，假如月球的质量增加一倍，那么，月球对地球的引力就增加一倍，也有地球对月球的引力增加一倍。 假如地球和月球的质量同时增加一倍，根据力学第二、三定律，地球和月球的相互引力就要增加到原来的 2×2＝4 倍。 牛顿据此推断，宇宙间两天体之间的引力大小同这两个天体质量的乘积成正比，同两天体间的距离平方成反比，于是建立了万有引力定律 F＝G?m1?m2R2 为什么要引出这段科学史呢？ 从中看到，牛顿抓住的关键有二，一是加速度，这个加速度是改变物体运动轨道方向的向心加速度；一是“物体固有的属性”——质量，从而发展出“万有引力”的。 接下来要谈的就是我所证明的“引力”和牛顿的“万有引力”之间的相同与不同在哪里，是什么，这样才能有辩别，有鉴赏。 (二) 假如我说的对，我所得到“引力”新表达式加速度也应是向心加速度，是一个加速系统内恒星对卫星的力，现在就来验证： 当我们建立了如下的“瞬间停顿守恒关系”的“元基方程” Vt＝mV 之后，爱因斯坦又提醒我们“惯性系只是加速系中的一个特殊”，所以知道加速系包含有惯性。另外，基本粒子物理学也告诉人们力和场的本质是一个，都是某一种粒子的传递。 因而有 FF?Vt＝mV 或者 F＝m1tV2?(m2?a) (I) m2是发射端发射的粒子，区别于接收端的m1记为m2，F可以写成(m?a)的道理就在于加速系包含着惯性系。 假如其中的加速度是向心加速度，问题就集中和明确在加速度的内容和形式已经确定，因此我们以向心加速度表成(I)式，仍然可以取得与“时空质能大循环”中取得的“引力”表达式一致，那么就完成了证明。这是本文的内容之一。 影响向心加速度的基本因素包括时间、空间(线性)、旋角，唯有“物质的固有属性”——质量不参加向心加速度之内，这一点也正是牛顿使用惯性系证明“万有引力”时的两个关键。我们的证明也需要。 因为向心加速度 j＝a＝v2R＝R?w2＝Rt2?φ2 原记的V表为“全空间”，“粒子空间”，未具体限定。现在已经限定为两星球之间的运动球面内(加速度定义为v2/R)，因此这时必须改写全空间为以距离表示的线空间。因此，线空间是弧(Rφ)，距离乘旋角表示V时，则V2应是(R?φ)2，代入(I)式 F＝m1m2V2?t?a ＝m1m2R2?φ2?t?(Rt2?φ2) ＝m1?m2R2(Rt) 此式即“时空质能大循环”之元基方程所得线性空间的“引力”，完成了证明。 “时空质能大循环”证明这个“引力”的方法和使用概念最少，最直接。这项证明乃从加速系的空间旋转运动变换过来的，因为守恒，结果必然相同，事先可以料到。重要的是可以通过这项证明看到加速系包含有惯性系。此外，全空间V可以具体定义，及其简化关系。 证明指出了什么？ (1) F＝m1m2V2(Vt) 是一般性表达的全空间式子。 F＝m1m2R2(Rt) 是线空间表达式，是特殊式。 (2)这个力是引力场的向心力。 (3)“引力”的系数 G＝Rt 只与具体所指的两星球间距离成正比，与两星球相对旋转运动的周期(卫星绕恒星旋转运动的周期)成反比。 (4)只有全旋转动态的“大循环体系”的“一瞬停顿”，才得到G＝Rt，m＝R2t。这一体系已经不是相对论的“加速体系”，更不是伽利略的惯性体系，暂且索性称为“大循环体系”。 “时空质能大循环”使物理学场的定律变成依附它而存在的表面现象，在每一个定律来源的守恒式中，力是可以消除的，因此“大循环”对于力来说，是力赖以表演的午台，称“大循环”是“元基”，力是“大循环”的“表征”。 牛顿的“万有引力”仅是“大循环”的表征之一。 (三) “牛顿万有引力”只存在于行星绕其恒星旋转运动的加速系两星之间，不存在于直线运动的两物体之惯性系之间，所以不是“万有”。 人们已经习惯了“牛顿万有引力”名词含意，只要提起它立刻就可指出任何眼前两物体之间都存在它的作用。自1665年之后到现在人们无条件的继承下来并承认“万有”，乃至中学的教课书几百年都是如此传授的。须知，牛顿并未完全证明这个力在加速系内的存在，但使用的概念和方法又都是惯性体系。具体些，他建立的 m1?m2R2 是由两部分概念促成的，一是惠更斯与开普勒的加速部分 1R2 (量纲分析法告知我们1/R2的实质是加速度)，一是惯性系的伽利略体系(m1?m2)。因为没有建立守恒关系，用了一个(G)来包括尚不明确的影响因素才组成 G?m1?m2R2 因此，这是个不完整的证明，既不完全属于惯性体系，也不完全属于加速体系，形成一个独特的“来源于月地关系，解释于物体之间”的双重性质。 由于他使用一个(G)表达不明因素，使全式更具有了加速体系的性质，这样就与他自己的惯性系有了更大的区别，已不可能去解释惯性系的运动，况且他未曾证明这个力存在于惯性系。 牛顿之所以长期误认为在任何两物体之间都有这种力，只是由于他把惯性理论应用月地之间产生的，以为可以解释惯性运动状态的物体之间。 “既然引力是物体本身的性质，宇宙间一切物体都应该有引力，这就是引力的万有性”——这是经苏步青教授序言的王梓坤教授著《科学发现纵横谈》中引证的一句话，代表着广泛地对牛顿“万有引力”的了解和认识，数百年传下来。 真是如此的吗？ 现在，我们先假定是这样的，并假定承认它存在于惯性系之内。于是我们要提出如下的问题： 根据牛顿“万有引力”公式的表达 F＝G?m1?m2R2 这个力应当存在于(m1)与(m2)有(R)距离的两物体之间，力的大小取决于(m1?m2)乘积，也取决于(R2)。 这里的“距离”就是抽象的，多少长短算是有“距离”呢？一个物体内部的聚合团间，分子间、原子间……是不是有“距离”呢？假如认为是“距离”，那么原来一个物体就可以被认为是多个物体了。假如不认为是“距离”，那么，“距离”也应当有个“标准”或定义。一个物体被分为两半，当视觉感观认可确为两半之后(这是个不科学的标准)，两半部分各自形成了自己的新分界面，因而确定它们之间产生了“距离”。然后再按缝隙原样对接起来，恢复原位(粘合、焊接)，这时又能说它们已成为一个物体吗？没有了“距离”？现在我们再重新使一个无穷小的力作用于已经重新对接成原样的两半部物体上，力的方向相反，稍微把它们拉开一个无穷小“距离”，又能算为两个物体吗？因而产生“万有引力”否则不存在“万有引力”？ 什么叫“距离”？“距离”的标准定义是什么？这是一个极为重要的标准，因为它决定“万有引力”的存在与否。它反应出“万有引力”的致命点。 这个问题就是惯性运动，未分开时保持相对静止状态，分开时两半部作相对直线运动。 因为牛顿已经把这个力推论到“万有”物体间才提出此问题的，刚好牛顿的“万有引力”所不能回答。 今天的科学发展已经认识到这一点。“长程力””、“短程力”、“强力”、“弱力”之分已经反应出上述问题，“万有引力”只是其中之一。看来需对“万有引力”有个严密和周全的认识。 现在，我们把上述问题的惯性运动扩大，达到“可见”的程度，并进行比较，立即可辨别这个力不是惯性运动的力： (1)把上述问题中“同一物质属性”的匀质物体分为质量m和体积V大小相等的两部分。 (2)m1的位置是运动的起点(只需相对运动)。 (3)使第一物体m1作用于第二物体m2一个力F1－2，在t时间内运动到2位置，距离R。 (4)重新使m1作用于m2一个力F1－4，在同样的时间t时间内运动到4位置，距离3R。 (5)根据惯性原理，这个力F1－4可以分段叠加，F1－4等于F1－2与F2－4的合力，又因为是直线运动，则 F1－4＝F1－2＋F2－4 F2－4相当于分段给力时，从2位置运动到4位置的力，运动时间仍是t。这时 S＝12at2，F＝ma (6)验证F14是否存在 m2×3Rt2＝m2Rt2＋m2×2Rt2 3＝3 得证惯性理论在此应用正确。 现在再用“万有引力”来验证，假如它在惯性系内仍能成立，那么也应有式 F1－4＝F1－2＋F2－4 则 G?m2(3R)2＝G?m2R2＋Gm2(2R)2 于是 19＝1＋14 显然是谬误。 这一简单的证明得到“牛顿万有引力”只适于加速系，不适于惯性系。因此说，如果相对静止或相对惯性直线运动物体间，有粒子传递时，也不是“万有引力”，是什么 力尚不清楚，从而证明了牛顿“万有引力”并非万有。 假如王梓坤教授写的一段话不代表人们普遍对牛顿“万有引务”的理解，那么，“万有”何来？起码在定名时就搞错了。 为什么“运动论”能够察觉这个问题？当然并非偶然。 当“时空质能大循环”建立后，根据物理学基础原理及守恒原理列出诸多力，并首先从开普勒的理论根源和相对论的发展中同时获得引力形式的力，才认定的，并且看到它的范围。那时，牛顿不可能有“量子”概念，场与力的认识并未统一为粒子的传递上，“万有引力”毕竟是一项对天际的开拓，后人的灯塔。 新理论认为 (1)“距离”是物质所具有粒象性的全空间性质的线性表示，即粒的线性空间表示。 (2)物质的粒象性不是简单的“加速体系”能表达的，而是“大循环体系”的完全粒子态的内在特征之一，具有的全向性、整体性的“空子”概念的线性称谓为距离。 (3)“大循环体系”的物质粒象性是广义的，它包括基本粒子的体系，也包 括天体体系。 (4)物质粒象性特征之一“空子”首先表现出的运动状态是它与物质的粒象性特征之二“时子”的转换。但不唯与“时子”的转换。 这种转换运动是物质粒象性的存在形式，它是绝对的。 (5)“大循环体系”守恒。 宇宙间的黑洞、白洞就是没有“空子”的运动事物，更谈不上“距离”的存在。那里的压力极大，星体自身已经“坍塌”，足以再次证明，已经不是引力和“万有引力”所能解释了。