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摘 要:现实物理学是基于弹性粒子模型的公理化理论体系。不同于点状和波状粒子,弹性粒子是既有质量又有体积、既能自旋又能形变的物体。电子、质子和原子都是弹性粒子。弹性粒子具有平动、转动和振动三种运动模式,弹性粒子系统遵循简单而普适的运动规律。本文简要回顾现实物理学的核心概念、基本原理、主要内容和重要成就。研究结果表明,经典的物理规律(运动定律、引力定律、电磁定律和热力学定律)都是弹性粒子的统计结论,由此揭示了自然进程不可逆的本性。
关键词:粒子,暗物质,相互作用,量子本质,统一场论,物理定律
—— 上帝不玩骰子。上帝造骰子,人类玩骰子。
目录: 1. 总论
2. 理论模型
3. 弹性粒子场论
4. 运动状态理论
5. 热力学理论
5. 热力学理论
现实物理学的热力学是基于粒子数守恒的团簇系综统计理论。基本目标是通过弹性粒子统计导出经典热力学关系和方程,揭示经典热力学定律的本质[3,4,6,9]。
5.1 统计原理
(1) 团簇系综:设体积为V 的物体包含粒子数N。用体积量子 Vs 将物体分割为 个空胞。空胞内的粒子集合称为团簇,粒子数为 n 的团簇记为 n-团簇。设想以时间量子 ts 为间隔对物体的粒子位形拍摄“快照”,在有限时间内 ( t = ts·τ ; τ = 1, 2, …, Nτ ) 全部快照的集合称为团簇系综。图4是含有10个粒子的系统在四个时刻的位形示意图。
图4 弹性粒子团簇系综示意图
(2) 团簇统计:系综的团簇由一个 N×Nτ 的矩阵描述,矩阵元素 Cnτ 表示第 τ 个快照中 n-团簇的数目。系综中 n-团簇的平均数 Cn 以及团簇的总数 C 分别是
系综的粒子数守恒条件是
n-团簇出现的几率 ρn 满足归一化条件
(3) 团簇能量:记 ηn , λn , κn , εn , θn , φn , γn 分别为 n-团簇的振动能、转动能、平动能、全能、热能、势能和化学能,总的运动能和辅助能可以通过团簇统计获得。
其中 η , λ , κ , ε , θ , φ , γ 是团簇的平均能量。
(4) 配分函数:气体、固体和液体的系综配分函数分别是
其中 是统计域空间,是前序能的几率密度。前序能由配分函数给出
5.2 统计函数
表10是严格计算给出的弹性粒子系统的统计函数[4]。其中 Ys 是弹性模量标度, Is 是转动惯量标度, Ms 是质量标度。结果表明,团簇的运动能正比于其体积的对数。气体、固体和液体的序参数分别是团簇的弹性模量、转动惯量和质量的统计函数。
表10 弹性粒子系统的统计函数
5.3 热力学函数
(1) 运动能:因为三个能量域对〈H, L, K〉具有偶置换对称性,我们以液体域为例给出计算结果。
液体的主能是平动能 K ,前序能是振动能 H,后序能是转动能 L,能量量子是 Ks = kT 。前序参数和后序参数分别是 a = H/K 和 b = L/ K 。根据粒子数与团簇数之间的关系 C= bN,物体的运动能量可以分别用粒子数N 和团簇数 C 表示为
(2) 辅助能:辅助能量按粒子数和团簇数分解为
(3) 内能与焓能:引入内能 U 和焓能 Y 两个新的辅助函数
内能和焓能按粒子数和团簇数分解如下
(4) 热熵与化学熵:定义热熵 S 和化学熵 Z
团簇的热熵 σ 和化学熵 ζ 为
根据玻尔兹曼熵公式 S = k · lnΩ,可得热力学几率 Ω,
5.4 热力学方程
表11列出了热力学的能量关系和基本方程。能量函数对应于经典热力学的特征函数。基本方程由团簇能量的微分给出,它们包含了经典热力学的基本定律(第一定律和第二定律)[4,9]。
表11 液体的热力学函数关系和基本方程
5.5 重要结论
(1) 现实物理学的热力学是基于团簇系综统计方法的理论。团簇系综的粒子数守恒,团簇数不守恒。团簇系综统计是一种完整的、严密的统计方法。
(2) 弹性粒子系统有三种平衡状态:平动(热)平衡、转动(磁)平衡和振动(辐射)平衡。热力学第零定律陈述了热平衡的情况。
(3) 运动能量的正定性 {H > 0, L > 0, K > 0} 决定了物体平衡参数的正定性 { v > 0, z > 0, T > 0}。热力学第三定律陈述了 T > 0 的情况 (绝对零度是无法达到的)。
(4) 热能 Q 是一个状态函数。内能 U = Q – H 是热能 和振动能之差。dU = dQ – dH 是热力学第一定律的一种形式。其中热量是热能的差值 (dQ) ,系统所做的功来自振动能量的减少 (–dH) 。
(5) 热力学系统的熵包含热熵和化学熵。热熵永远为正,化学熵可正可负。公式 S = (b+1)Nk 表明热熵与粒子数以及后序参数成正比,反映了系统的无序程度。
(6) 运动能和辅助能包含了全部热力学特征函数,它们具有明确的意义。例如,亥姆赫兹自由能是负的振动能(–H),热力学巨势是负的转动能 (–L)。
(7) 方程 SdT – Vdql + Cdγ = 0 与经典热力学的吉布斯关系的地位相当。
(8) 团簇的运动能正比于团簇体积的对数,这揭示了物体的运动与体积之间的关系。原子的体积越大,包含的运动能量越大。重原子裂变时释放的是核内粒子的运动能量,并非来自质量的亏损。
结束语:致敬经典物理,告别现代物理,迎接现实物理。
论文下载:Outline of Real Physics. Global J. Sci. Front. Res. A. 2020,20(3):9-27
网页链接:https://globaljournals.org/journals/science-frontier-research/a-physics-space-science
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