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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
4. 运动状态理论
运动状态理论综合处理弹性粒子的平动、旋转和振动。粒子系统的运动能量构成一个能量空间。能量空间微观状态的变化反映了物质宏观状态的变化[3-9]。
4.1 物体结构
物体是由弹性粒子构成的系统。物体的空间结构是不同层次粒子的嵌套。例如原子核和电子构成原子,原子构成分子,分子构成超分子,等等。描述嵌套结构的普适模型是[3-8]
顶层粒子是待研究的对象,基层粒子是数目守恒的弹性粒子。介层粒子可以是数目不守恒的非弹性粒子。基层粒子的弹性来源于潜层粒子的运动。例如,原子的弹性主要来自原子核外的电子运动。上层粒子包含下层的所有粒子。物体包含的粒子层级越多,物体的结构就越复杂。
4.2 物体状态
(1) 空间状态:物体的空间状态包括位态(position)、形态(profile)和姿态(posture)。位态用质心在固定坐标系中的位矢 rc = (xc, yc, zc) 表征,形态用转动惯量矩阵的三个特征值 Ic = (I1, I2, I3) 表征,姿态用转动惯量矩阵三个特征向量的方向 θc = (θ1, θ2, θ3) 表征。
(2) 运动状态:运动是物体的空间状态随时间变化的过程。位态、姿态和形态的变化分别称为平动、转动和振动。平动是物体质心在空间的平移,转动是物体围绕质心的自旋,振动是物体相对于质心的收缩和伸展。平动、转动和振动是三种独立的运动模式,每种模式都有三个自由度。一个弹性粒子有3╳3=9个运动自由度,N个基层粒子构成的物体有9N个运动自由度。
(3) 能量状态:物体的能量状态用系统粒子的运动总能量 H, L, K (total energy) 表示。若第 i 个基层粒子的振动、转动和平动能量分别为 Hiα , Liα , Kiα ( α =1,2,3) ,则物体总的振动能、转动能和平动能分别是
其中 Yiα 是粒子的主弹性模量, Iiα 是粒子的主转动惯量, Mi 是粒子质量。 χiα 是粒子的主应力分量, siα 是粒子的角动量分量, piα 是粒子的平动量分量。 H, L, K 分别是3N个独立平方项之和,故有 H>0, L>0, K>0,即物体的运动能量恒为正。
4.3 能量空间
(1) 能量空间定义:物体的能量空间是由 {H, L, K} 构成的有序数组集合 。
其中 x = h, l, k 是域指标,分别称为振动(气体)域、转动(固体)域和平动(液体)域。
能量空间可以直观地用 (H, L, K) 构成的笛卡尔坐标空间表示。由于运动能量的正定性,能量空间被限制在笛卡尔空间的第一卦限(+,+,+)。能量空间三个域的的能量矢 ( Ex ) 分别为
其中 e0 是能量矢方向的单位矢量。能量矢的长度为
(2) 能量空间结构:3个平面 {H=K, K=L, L=H} 将能量空间划分为6个相,其中振动能最大的相属于气体域,转动能最大的相属于固体域,平动能最大的相属于液体域。如下表所示。
6个相共有6个界面,其中J 型界面是零势能面,G型界面是零化学能面。如下表所示。
能量空间的结构如图2(a)所示。
图 2 (a) 能量空间的结构。 (b) 能量空间的平衡面。
(3) 平衡态方程:定义物体的全能(entire energy) 等于能量矢的长度,即
由此可得物体的平衡态方程
(4) 平衡曲面:能量空间有三张平衡曲面:振动面S[H],转动面S[L] 和平动面S[K]。它们是抛物面,对应的方程是
S[H],S[L] 和 S[K] 分别代表振动(辐射)平衡、转动(磁)平衡和平动(热)平衡。每个平衡面跨越4个相区,延伸到3个域,如图2(b)所示。平衡面的结构可用表5所示的矩阵描述,表中对角线元素是稳定态区域,其余是激发态区域。
表5 运动平衡面的结构
(5) 能量参数定义:表6列出了平衡面上的参数名称和定义。其中 {X, Y, Z} 称为运动能,{E, Q, J, G} 称为辅助能。 {a, b} 是序参数,序参数满足关系 a·b = 1/2 。
表6 能量名称和参数定义
4.4 量子态定理
(1) 能量量子: 粒子系统的能量量子是三种模式能量的统计平均值,
在国际单位制(SI)中,v 是振动强度(频率),单位是赫兹(Hz);z 是转动强度(磁感应强度),单位是特斯拉(T);T 是平动强度(热力学温度),单位是开尔文(K)。h = 6.6020693×10-34 J·Hz-1 是普朗克常数, l = 9.2740095×10-24 J·T-1 是玻尔磁子常数,k = 1.3806505×10-23 J·K-1 是玻尔兹曼常数。
(2) 量子态定理:量子态是平衡面上能量数字为整数的状态。量子态是代数方程 { X2 = 2YZ, Y2 = 2ZX, Z2 = 2XY } 的正整数解的集合。
(3) 量子状态图:以 Z 为横坐标、Y 为纵坐标,可以将平衡曲面 S[X] 上的量子态在 YZ 平面上标出,如图3所示。
图3 平衡面 S[X] 上的量子态图
4.5 应用示例
(1) 物态方程:物体的全能可以根据运动模式、体积和粒子数进行分解,如表7所示。令全能的分解式相等,得到物体的状态方程组(包括气体、固体和液体)。
表7 全能的分解与物态方程
(2) 物体相变:两种类型的相界面分别对应两种不同类型的相变:G型界面对应连续相变,J 型界面对应不连续相变。表8是 J 型界面上的相变参数,界面上序参数有1/2的跃变,势能的跃变代表相变潜能[4,6]。
表8 J 型相变的参数不连续性
(3) 氢原子光谱:表9是热平衡面上的量子态。表中 S[Kh] 代表振动激发态。是S[K] 和S[H] 的交线,代表稳定状态。第一列是基态,转动能的数字是1。
表9 热平衡面 S[K] 上转动能数字为1~10的量子态
根据平衡态方程和上表可得氢原子光谱的巴尔末公式[5]
分别是莱曼系,巴尔默系和帕邢系的光谱频率。可见前序参数是玻尔原子理论中的主量子数。
4.6 重要结论
(1) 弹性粒子有平动、转动和振动三种独立的运动模式。它们分别是热、磁和辐射的起源。波粒二象性来自微观粒子的弹性振动。
(2) 物体的状态由三种模式的运动能量 {H, L, K} 表征。能量空间是对物体内部微观粒子运动状态的完整描述,物体的宏观状态变化规律和机理(如物态方程、相变和光谱)可以在能量空间得到解释。
(3) 能量空间有三个平衡面,分别代表热(平动)平衡、磁(转动)平衡和辐射(振动)平衡。
(4) 能量量子{Hs = hv, Ls = lz, Ks= kT } 是运动能量{H, L, K} 的统计平均值。量子态是能量数字取整数的平衡状态。
(5) 序参数是运动能量的比值。序参数包括前序参数 (a)和后序参数(b),前序参数表征系统的有序度,后序参数表征系统的无序度。平衡态系统的序参数满足约束条件 a·b = 1/2 。
(6) 压强的本质是运动能量的密度。运动能量有三种模式,压强也有三种模式。压强是能量空间的向量,不是物理空间的向量。
(7) 质量和能量是两个不同的物理量。质量是物体的内秉量,能量是物体的运动量。没有运动,就没有能量。质量和能量不可相互转换。
(8) 相对论适用于高速平动粒子,量子论适用于微观振动粒子。现实物理学综合考虑弹性粒子的平动、振动和转动,适用于物体的任意运动状态。
(未完待续)
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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