一条贯通热力学和动力学的桥梁a

 吴力航（奥地利）

lihang_6@hotmail.com 

2004年9月公布于潜科学网站

 主题词：相对论；热力学系统；绝对速度；静止能；广义绝对时空观

1.前言

     爱因斯坦在上世纪初创立狭义相对论时就不无遗憾地感到，狭义相对论仍然存在着两个无法使他满意的内在缺陷。一个是狭义相对论还不得不保留惯性系的优越地位；第二个是不可能以自然的方式把引力理论同狭义相对论联结起来。他认为：“更令人满意的应该是这样一种理论，它从一开始就不区分任何特别优越的运动状态。” 为了弥补这种内在缺陷，他又进一步创建了广义相对论。以两者互为补充的方式实现了这一目标。但无可否认，相对论几乎是无法直接进入到应用技术领域中来的。一种更为理想、更为基础的理论应该是，在可以对尽可能广泛的自然规律做出统一解释的同时，又可以在应用领域中获得直接应用，就象能量守恒定律那样。

同样是描述能量与物质运动关系的热力学和经典力学动力学在当今科学体系中被分成了两大联系松散的部分，这是因为它们是源于人们对物质世界极不相同的观察角度。它们各自得出的科学论断和定律经常是难以贯通的，它们之间仅仅在能量守恒定律下若即若离地联结着，这种状况同样是可疑的。既然都是描述运动与能量之间关系的理论，为什么会存在如此巨大的差异呢？从物质的自然本性上讲，热力学和动力学果真应该有如此大的差别吗？它们是否可以更加广泛的联系、甚至完全统一起来呢？即问题又成了：对狭义相对论那两个内在缺陷的完善，是否只有建立广义相对论这一条出路呢？是否可以直接在狭义相对基础之上，将其正确的时空观放到正确的时空参照点上来消除它的两大内在缺陷呢？

本文针对狭义相对论的两个内在缺陷，提出了对实际物质微观结构状态(热力学状态)的速度表达，扩展了速度的物理含义，建立了绝对速度轴模型━━J轴。所谓J轴是以“理想气体”的物质状态作为其静止端点；以“理想晶体”的物质状态作为其光速端点而构成的一条速度轴。它是一条用速度表达的、描述了物体微观结构状况的数轴。形象地说，通过改变普通速度轴上静止端点物理意义的方法，消除了狭义相对论的两大内在缺陷，指出了从认识观到具体技术方法上全面贯通热力学和动力学的可行性。

 2. 经典力学、相对论力学与热力学之间的脱节现象

 热力学关于物质和能量的认识观比之经典力学和相对论力学对物体作了刚体假定要客观得多和合理得多。因此它可以指出：对于任何一个实际过程，由环境输入系统的能量流（功）一定会随着过程的进行，被系统分裂成属性不同的两个能量部分：自由能G和束缚能TS（热力学第二定律）。这正是一切实际过程都是不可逆过程的基本原因。但是，热力学存在着方法论上的先天缺陷：它对物质系统间能量交换规律确切定量的描述都只能是在“可逆过程”的假定之下的。在这个假定下，一切过程都蜕化成了无限慢过程而与实际过程大相径庭。而在这点上，经典力学和相对论力学却不存在这种速度上的限制。因此，这三大理论（本质上是两类）在对物质模型的认定和对于过程特征的适用性上出现了互为短长的脱节现象。这是它们无法贯通的原因之一。相对论力学建立后，对运动学和动力学的最大贡献之一就是把关于速度的描述从牛顿、迦利略时空观的偏见中解脱了出来，使得对速度的准确描述由宏观静止一直扩展到了光速，即一切真实的速度范畴。试想，如果把相对论时空观的科学性和热力学对能量以及物质模型认识的科学性结合起来将会出现什么样的情况呢？

细想一下不难明了，象经典力学那样对物体采用了刚体假定，就关上了相对论力学与热力学相互贯通的大门。因为刚体是无内部结构、因而是无热力学性质可言的。这就造成了描述能量与运动关系的热力学无法将它的广普适用性与相对论原理的科学性结合起来。它们都只能在各自的大门之内徘徊。因此，采用了不客观的物质模型是制约相对论原理获得更广泛运用的根本原因之一。用热力学中定义的物质模型替换相对论力学的物质模型一定会使得相对论的科学性更多更广的发挥出来。这样，物体的热力学特性也成了动力学问题中必须考虑的重要因素了。

热力学和动力学另一个重要的脱节点是在关于能量参照零点的认定上。作为一门描述能量与运动关系的理论，选取何种物质状态作为理论中的能量参照零点(基础能态) 显然是十分重要的，因为那会得到关于物质性质的不同判断。经典力学运动学只考虑物体的宏观运动，对宏观静止状态下物体能量状态不作考虑。或者说宏观静止是作为经典力学的能量参照零点出现在其理论中的。热力学则对宏观运动本身就不作考虑，一切关于能量的运动都是物质微观运动的结果。只有在绝对零度温度下，物质的运动（系统基本单元子的热运动）才告停止。显然，热力学是把绝对零度时的物质状态作为其能量参照零点的。由此可见，经典力学和热力学的能量参照零点是“风马牛不相及的两回事”。虽然表面上看起来以温度标定的能量参照零点与宏观运动问题似乎毫无关联，后面会看到其实它们是紧密相连并本质上相通的，这正是由热功当量定律所揭示了的自然本性。

 相对论力学突破了经典力学的思维框框，通过建立一种正确时空观的途径推导出了关于静止能的结论，革命性地把经典力学的能量观向着热力学能量观的认识方向上推进了一步。在特征上与热力学达成了一致。但是，相对论力学仍然带有着它由之脱胎出来的经典力学的特征，仍然是以宏观静止作为基本参照点的(优越惯性系)。所以，由这种性质恒定不变的物质模型（刚体）加上具有上极限（也是定数）的速度范畴（光速c）而得出的静止能必定是一个与具体物质无关的、确定可知的能量值： (静止能公式）。这与热力学认为一个静止物体（热力学系统）所具有的内能(U)是一个无穷的不可知值显然是不同的，但它们又显然都是在指着同一个物体讲述着同样一件事情。为什么会存在这样的令人无法满意的情况呢？

不难明了，选取宏观静止作为能量参照零点，就是默认了“宏观静止”是一个比其它运动状态更为优越的运动状态。（当年爱因斯坦可能忽视了这个关键之点，直觉的思维把他导向了由基于匀速运动的狭义相对论推广到基于加速度运动的广义相对论的思索路径上，即借助加速系来消除惯性系优越地位的缺陷。可以想象，这是一种再自然不过的思维逻辑，但却并不一定是解决问题的最佳途径！）另一方面，这种能量参照零点是无法将一切物质的共性揭示出来的。这种情况就象热学中的摄氏温标℃，由于它是以“人为”选定的水的三相点来作为零点温度的，在这种零度下，物质世界仍然是万千气象的，是看不出它们之间的本质差别的。而在热力学中导出的绝对温标K，则“天为”地将温度轴的零点确定在了绝对零度。在这种零度下，所有的物质都具有同一的物质状态━━理想晶体。因此，这种温标轴才是与物质微观结构、即与物体能量状态紧密相关的。基于它才能真正标定物体的能量状态，也才会产生出热力学中最为精采、最为广普适用的热力学三大定律来。

由上面的分析看出，经典力学、相对论力学和热力学之间有着极为鲜明的互为短长的互补性质。其实这种状况正是一种最有利的条件。即，只要能找到一个共同的、可以将它们之间的共性揭示出来的物理参量，就有可能从理论上和技术方法上实现两大类理论的贯通。

 3．绝对速度轴模型

 宏观运动速度u是动力学基本参量，相对论效应的神奇性质也是借助于它推导出来的。在热力学中，物质微观结构状况则是一切物质的所谓热力学性质的决定因素。一种直观的思考使得我们来考查一个物体当它以宏观速度u运动时，它的微观结构相对于静止系（观察者）究竟会呈现何种状况。例如，考察一团水蒸汽团相对我们运动时的情况。由于运动的相对性，我们在气体团中穿行和气体团相对我们运动是等价的。该气体团就相当于是被考察的某个运动物体。假设我们乘坐一驾与水分子尺度大小相当的“分子飞机”在一团水分子气体中穿行，那么我们会看到周围水分子的排列形式呈现何种变化情景呢？由于微观世界的量子化特征以及所有粒子的同质性，根据量子力学的全同性原理，我们并不会去追踪某个具体水分子的运行轨迹，而是仅对这些水分子在空间中可能出现的那些位置(阵点)所构成的几何图形、以及分子出现在这些位置上的几率大小感兴趣。随着穿行速度越来越大，我们将会看到周围的水分子越来越向我们聚拢过来（相对论长度缩短效应）。由于是量子化行为，所看见的这种聚拢过程不是连续的，而是跳跃式的，结果使得我们并未察觉出自身的运动，而只是看见周围的那个空间构型在不断地被水分子填满着。使得我们依次看见了静止时在水中、冰中所能看见的分子排列情景。最后，看到全部水分子紧密地列成了沿穿行方向上的刚性直线━━此时我们已十分接近光速c了。由此不难想见，一个相对我们运动的物体，它的微观结构其实已不是当它相对我们静止时被我们感知的那个结构了。随着u的增大，物体的微观结构也随之变化，最后会变成它的理想晶体━━所有物质的终点站。 

那么从宏观的意义上来看上述情形又会是怎样的呢？当我们从刚才那架分子飞机上下来，又重新回到宏观世界中来时，结果发现，在我们周围，平时已习以为常的、那些结构和性质千差万别的“静止” 物体其实只不过是它们此时具有各不相同的“速度” 而已。气体的速度低而理想晶体的速度最高。将这种与物质微观结构直接对应的速度定义为物质的绝对速度，并用字母J来表示它。按照晶体学理论，所有的物质最后都可归结为七大晶系、十四种布喇菲点阵。所以，任何一种类型的物质结构都将唯一的对应着一个确定的绝对速度J的张量。

 以上讨论指出：改变物质的微观构型并不是只有我们早已熟悉了的热力学操作（向系统传入或导出热量）这一种方法，使其产生宏观运动的动力学操作（向系统输入正功或负功）也同样可以改变物质微观构型。无论是向系统输入热量还是功，最终都可以落实到对物体的微观构型的改变量、即J值的变化量上来。这种性质就是热功当量定律的物理本质：系统与环境之间交换能量，无论被交换的是热量还是功，只要交换的能量相等，所引起的系统J值增量的绝对值就相等。对系统输入功使得J值增大；输入热量使得J值减小。

 现在来对普通速度轴进行改造。将普通速度轴上表示宏观静止的A点向着与表示光速的B点相反的方向延伸到一个表示“绝对静止”的C点，如下图所示。这样就得到了一条由C点到B点的绝对速度轴，简称J轴。

 C　  　　　 　A 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　B

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绝对静止　　　宏观静止　　　　　　　　　　　　　　　　光　速

 绝对速度轴

 所谓C点所代表的绝对静止，是指把构成某物体那个热力学系统的基本单元子分离到各自相距无穷远时所对应的物质形态。此时，一切物体的体积都是无穷大，一切宏观力学参量都不再存在，功和热量的差别消失了。而在C轴的另一端，B点，一切物质都以理想晶体的状态存在，系统的热力学参量不再变化，功和热量的差别也消失了。显然，获得这两种物质状态所需要的能量同样都是无穷大。由此，我们得到了一条两端都是具有决定性意义而不可超越的物质形态、中间则是仅具相对性意义的物质形态所确定的速度轴。

在这个新的速度轴上，原来都是位于A点的一切物体都将离开A点，在整个J轴上重新进行分布，重新占据一个新的点J0（J0表示某物质的物体在宏观静止时所具有的绝对速度值）。由于物质结构千差万别，因此这些新的J0点一般而言并不重合，是随物质不同而异的。这个新的静止点J0，既包含了速度的全部含义又表现了物体在宏观静止时的微观结构状况。所以，不同物质的物体，之所以性质千差万别，不过是因为它们“原始气体”中的“分子”不同以及它们的绝对速度J0值不同而已。

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