物理学中物质的共性

      （《物理学上的时空与物质》7）

物理学上关于时空与物质的基本概念和基本规律

第一章  牛顿力学关于时空的基本概念和基本规律 

§1.1  牛顿对时间与空间的观点

§1.2  参照系与坐标系

第二章  牛顿力学关于物质的基本概念和基本规律

§2.1 物理学中的物质 

2.1.1  物理学中的物质指的是什么？

2.1.2  物理学中物质的共性

虽然在某些物理特性上暗物质和暗能量与通常重子物质很不相同，可是，这三类物质，仍具有相同的物质共性。为什么说，这三类物质具有相同的物质共性呢？暗物质是由于研究星系的运动才发现的。星系的运动基本上可由牛顿力学来研究，这就意味着暗物质遵从牛顿力学规律。暗能量是由于研究宇宙学、并结合天文观测才发现的，而宇宙学的理论基础是广义相对论。另外，重子物质、暗物质、暗能量的密度分布也是根据广义相对论并结合天文观测计算出来的。这些都意味着暗能量应遵从广义相对论规律，暗物质也还要遵从广义相对论规律。无论是牛顿力学还是相对论，都要研究物质的惯性质量、动量、能量等特性，这些特性就是物质的共性；重子物质具有这些特性，‘暗物质’、‘暗能量’也具有这些特性。

        在目前，物理学对物质，大致可以这样粗略地定义：物质是位于时-空中的客观实在，是一切物理现象（如光现象、热现象、基本粒子创生和湮灭现象等）和一切物理量（如惯性质量、动量、能量、自旋、电量等）的载体（例如热现象的实质是分子的无规运动，热现象的载体是一群分子，这一群分子显然是物质；又如基本粒子都有自旋，基本粒子是自旋的载体，基本粒子显然是物质；等等）。常有一种说法，认为‘客观实在’就是物质，固然，物质必然是‘客观实在’，但并非一切‘客观实在’都是物质。例如，太阳光照在一个物体上所形成的影子，虽然也是一种‘客观实在’，却不是物质（因为‘影子’无法用物理量作定量描述）。凡是物质，它必定可由惯性质量、动量、能量等物理量（对有的物质，这些量中有的可能取值为零，这是特殊情况）来描述，而且这些物理量都有严格的定义，并可以由它们导出一些数学公式，其推论可通过实验来验证。这些问题，以后我们还要详细谈论。

任何物质必定于某一时刻处在某一空间位置，因此，物质不可能脱离时空存在。可是，以后我们将要看到，在数学理论上时空却可能脱离物质而存在；亦即可以存在没有物质的时空，这就是Minkowski时空。可是，由于量子力学效应，量子振荡总是存在的，以后本书将说明， 借助于Lorentz 与Levi-Civita守恒定律，有可能在时空中创生出物质；因之在实际上时空总是与物质相伴而存在的。

现代物理的研究所得出的基本看法是，在微观上物质常以‘物质场’的形式存在，而‘物质场’要遵从量子力学的规律，故常叫做‘量子场’。‘量子场’的特点是物质以一个个粒子的形式存在，这些粒子的惯性质量、动量、能量、自旋等物理量都是量子化的。在宏观上，于经典（即非量子化的）物理学的范围内，物质可以‘物质场’ 的形式存在，其质量是连续分布的；物质也可以‘质点’或‘质点系’ 的形式存在，其质量是间断分布的。对于通常重子物质，既可以粒子的形式存在，也可以连续场的形式存在；作者猜测，对于暗物质和暗能量，有可能只能以连续场的形式存在，也许这就是暗物质和暗能量与通常重子物质的根本差别。当然这个问题目前还没有得出结论。

目前在物理学中，牛顿力学和狭义相对论所研究的对象主要位于地面附近或太阳系中（和恒星附近）。在这些区域，暗物质、暗能量均可忽略不计，故本书在下面讨论牛顿力学和狭义相对论时，都不考虑暗物质和暗能量。

本章着重讨论牛顿力学关于时空的基本概念和基本规律。