自然系统的物理学基本原理Word格式.docx

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在现有物理学中，分子、原子、基本粒子或者更细微的物质单元称为微观物质世界，相对应的物质现象称为物质的微观现象；

我们日常生活所及的物质世界称为宏观物质世界，对应的物质现象称为宏观物质现象；

星系或星系以外更大层次的物质世界称为宇观物质世界，相对应的物质现象称为宇观物质现象。

许多人不同意对宇观物质层次的划分，这些持不同意见的人认为宇观与宏观没有什么区别，物质范围从宏观扩大到宇观星系尺度上不会有什么明显不同的物质规律。

我认为，尽管物质的规律是统一的，但不同尺度上的物质规律有着与其它尺度物质规律显著不同的特点，所以，对物质层次向上或向下的划分都还是必要的。

宇观系统论根据不同尺度动力学规律的特点从小到大的范围划分为四个不同的物质层次：

微宇观、微观、宏观和宇观。

微宇观是基本粒子以下的物质层次，这一层次的动力学特点是它的动力学规律必须与整个宇宙系统的规律联系起来才能获得阐明。

微宇观是一个从微观到宇观统一的物质层次，在这一层次中，粒子的动力学体系几乎不受微观电磁力和宏观万有引力的影响，它是宇宙学效果在最基本的物质元素上的直接体现。

这是我将之称为微宇观的直接原因。

通常，微观是指动力学体系主要由电磁相互作用支配的物质层次，宏观是指动力学体系主要由万有引力支配的物质层次，或者包括主要由万有引力和电磁力共同支配的物质层次。

宇观则是动力学体系主要由万有磁力支配的层次，或者包括主要由万有引力和万有磁力共同支配的物质层次。

现有的物理学理论仅仅是适用于微观和宏观的理论，它们在微宇观和宇观层次上将不再适用。

宇观系统论则是一个同时适用于这四个物质层次的新理论，而且，一个真正的统一理论必须实现从微宇观到宇观物质规律的统一。

图1.1　物质世界的统一图景

物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象之间有着本质上的联系。

但在目前，描述物质微观现象的物理理论与描述物质宏观现象的物理理论之间存在着无法逾越的鸿沟。

譬如，描述物质宏观现象的牛顿动力学无法用于描述微观电子的运动规律，在描述宇观物质现象（如星系的动力学现象）时它也导致了很严重的暗物质问题等。

描述物质微观现象的量子力学也无法用于描述宏观物质的动力学规律，更无法用于描述天体的运动。

总而言之，在现有物理学理论体系中，物质的微观规律、宏观规律之间似乎是大相径庭、毫不相容的，这是现有物理学理论体系的主要缺陷。

不管是从科学的角度还是从哲学的角度出发，我们都有理由认为物质世界是高度统一的。

目前物质现象的差异以及物理理论之间的割裂状态主要是由于我们对物质世界还缺乏深入的认识，只有在物质现象和物理理论都统一之后，我们对物质世界的认识才算是彻底的。

目前，描述微观物质现象成功的理论是量子力学和狭义相对论，描述物质宏观现象成功的理论是牛顿的动力学理论。

在宇观物质现象方面，基本上适用的是牛顿的引力理论，广义相对论也被广泛地应用于宇观物质规律的研究。

但是，牛顿引力理论无法解释许许多多天体现象，如星系的结构和星系中恒星的运动问题，星系在星系团中的运动问题，更突出的还有环星系问题，旋涡星系中旋臂的形成、维持和演化问题。

另一方面，广义相对论在宇宙学上得出的都是自相矛盾的结论，所以，宇观物理学直至现在仍然是一种需要填补的空白。

宇观系统论将物质规律的高度统一性上升为“统一性原理”作为它的基本假设。

统一性原理要求物质世界遵循完全相同的物质规律，当前的物理学却并没有揭示这种统一的规律。

宇观系统论研究的正是物质的微宇观现象、微观现象、宏观现象和宇观现象之间的统一问题，它以现有的微观物理学、宏观物理学、天体物理学和宇宙学作为自己的基础，从微观本质上揭示物质的宇观现象及其规律。

在宇观系统论中，微观粒子和宇观星系遵循完全相同的动力学规律。

从宇观系统论得出的结论都是自然而合理的，它解释了宇观范围内的许许多多奇特的物质现象，初步实现了物质现象和物理理论之间的统一。

2物质系统

凡是具有联系的物质整体都可以看作是一个系统，系统最主要的特性是它的物质性。

以前的热力学对由大量粒子组成的宏观系统进行了深入的研究。

与热力学系统相互作用着的环境称为外界。

由系统与外界的关系，热力学把系统分成三类：

（1）孤立系统：

与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。

（2）封闭系统：

与外界没有物质交换，但有能量交换的系统。

（3）开放系统：

与外界既有物质交换，又有能量交换的系统。

热力学对系统的这种区分存在很大的局限性，热力学系统只有局部物质系统的意义。

除了热力学现象外,其它物理现象也必须对与之相连的系统进行具体的研究。

为此，宇观系统论将物质系统分为两大部分：

整体物质系统和局部物质系统。

这里，我们把理想的、与外界没有任何物质相互作用关系和能量关系的物质系统称为整体物质系统。

与之相对应，整体物质系统中任何一部分物质组成的系统称为局部物质系统。

由于物质与相互作用和能量的不可分离性，更由于“外界”环境的物质性，有“外界”存在就必定有相互作用关系和能量关系，所以，严格地说，整体物质系统是一种没有“外界”的物质系统，而局部物质系统则是有“外界”的物质系统。

宇宙是一个完美的整体物质系统，它完全符合与“外界”没有任何物质相互作用关系和能量关系这一前提条件。

或者说，宇宙完全没有“外界”，作为一个整体，宇宙不可能与宇宙之外的物质产生任何相互作用关系和能量关系。

另一方面，如果某种物质与宇宙系统内部物质产生相互作用，这种物质必定是宇宙物质的一部分（即它不可能是“外界”）。

所以，整体物质系统又可以称为宇观系统（在以后，整体物质系统、宇观系统和宇宙这三个概念是等价的）。

天体系统则是典型的局部物质系统，它是宇观系统中的一个组成部分。

原子系统也是比较典型的局部物质系统。

作为一种概念的延伸，地球生生态系统和人类社会系统等等都属于局部物质系统的范畴。

宇观系统由于没有“外界”，它的存在、运动和变化都只能被局限在本系统范围之内，它与局部物质系统有着本质上的区别。

譬如，宇观系统遵循完整性原理；

在宇观系统中，物质的运动状态只有吸收态而不可能有束缚状态和散射态；

宇观系统中物质的分布和压力场的分布都是各向同性的，而局部物质系统则完全没有这种特性。

热力学中的孤立系统也属于局部物质系统，由于“外界”物质的存在，任何孤立系统都不可能完全隔绝本系统物质与外界物质之间的场相互作用的联系，因而也无法隔绝与场相互作用有关的能量交换。

文[1]已经证明宇观系统的空间标度和温度的演化规律为

（2.1）

（2.2）

以上关系表明，宇观系统的膨胀和收缩运动规律与正常高温介质膨胀和收缩的规律完全相同。

但是，宇观系统的一切物理过程都是“绝热”的等熵等质的过程,这是因为宇观系统不可能从“外界”吸收物质和能量,也不可能向环境释放物质和能量缘故。

3物质系统的基本运动

旋转和直线运动是物质运动的基本模式，在物质系统上，它们表现为系统的自旋和径向的线性运动。

根据相对性原理，系统整体在空间中的相对运动状态是无法确定的，因而对研究系统内部的物理规律来说没有意义。

为了区别，我们把系统质心不改变的自旋和径向运动称为绝对运动，把系统质心改变的运动把为系统的相对运动。

虽然绝对运动和相对运动都无法在单一的实验结果中体现出来，但他们都可以通过对比实验结果的方法来确定。

譬如，我们可以通过另一参考系的观测来确定系统相对于该参考率的速度。

宇宙系统整体的膨胀-收缩运动和自旋运动会在宇宙星系或光的运动中体现出来，我们可以通过适当的宇宙观测手段观测到宇宙整体系统的运动状态。

1929年，哈勃从天体光谱的多普勒红移规律发现了远处星系相对于银河中心的系统退行现象，证实了宇宙空间在向外膨胀。

宇宙空间膨胀可以用哈勃定律表示如下：

　　　　（3.1）

宇观系统以物质辐射的速度即光速向外扩散（膨胀运动）或向内收敛（收缩运动）。

宇观系统膨胀的哈勃常数等于系统光速与系统空间半径之比。

　　　　（3.2）

现代的大爆炸宇宙学就是在哈勃的发现基础之上建立起来的。

宇宙系统的整体膨胀和收缩运动对宇宙物质的演化起着关键的作用。

宇宙系统整体的自旋运动对宇宙物质的起源和运动以及物质之间的相互作用起着决定性的作用。

宇宙系统整体的自旋运动可以通过对星系光谱的多普勒红移或蓝移的精细观测研究来发现。

我们从星系光谱的红移数据中减去哈勃红移和引力红移项就可以得出星系光谱或背景微波辐射的系统自旋红移和蓝移数据分布，获得如下图的宇宙系统自旋的红移图景。

图3.1系统自旋光谱红移图

精确的宇宙自旋的红移图景可以从宇宙微波背景辐射的多普勒红移观测到。

由于宇宙微波背景辐射是各向同性的，辐射频率仅受宇宙系统整体运动的影响，因而从微波背景辐射精细结构中获得的宇宙系统自旋图更加清晰，更加准确。

我们对微波背景辐射精细结构的观测会受到宇宙系统膨胀的影响，这是因为微波背景辐射源是占绝大部分宇宙物质质量的质磁波子，质磁波子总是以光速运动的，而地球或其它星系的运动速度则低于光速，所以，微波背景辐射的膨胀红移并不遵循哈勃定律而是近蓝远红的规律（9图3.2）。

图3.2　近蓝远红的背景红移

这样，用微波背景辐射观测到的宇宙自旋图景应该是图3.1和图3.2的结合，如图3.3所示。

图3.3真实的宇宙背景红移图

我们惊奇地发现，宇宙系统的自旋图与中国古代的太极图完全相同，宇宙自旋图中的红移和蓝移区域组成了太极图上的阴阳两个极。

可见，宇宙的整体运动不仅决定着宇宙物质的一切运动和变化，而且在人类漫长的演化岁月中影响着人的大脑和思维的结构，这使得思维朴素的古人在冥思默想的所谓真气修炼中感悟出宇宙整体运动的信息，形成了“天地一真气”、“太极生两仪”的朴素而深刻的宇宙观。

宇宙系统整体的运动直接决定着宇宙物质的物理规律，宇宙系统的膨胀收缩和自旋运动是基本粒子和电磁相互作用产生的根本原因，是自然界一切相互作用的根源。

4物质系统的基本变化

衰变是粒子与它的环境介质之间保持的一种动态的动力学平衡体系，所以，衰变是系统物质存在和变化的最基本的方式。

任何物质都有其产生和衰亡的变化过程，这就是物质的衰变。

物质的衰变现象是普遍存在的，经典物理学概念下的基本粒子以及构成基本粒子的更细微的结构单元都无一例外地存在着衰变相互作用。

物质在发生衰变辐射的同时，也发生着逆衰变吸收的过程，衰变和逆衰变是同时存在的可逆的反应。

在一定的条件下，物质的衰变辐射和逆境衰变吸收保持动态平衡状态。

这种动态平衡使物质保持相对稳定的性质。

当物质条件发生改变时，物质的衰变-逆衰变平衡就会发生移动，当物质的衰变平衡移动到一定程度时还会引起物质性质的根本性变化。

可以想象，宇宙中所有的物质必定存在某种最基本的衰变相互作用。

这种最基本的衰变建立在粒子和宇宙物质的最小衰变基元即背景质磁子气体之间，它是事物腐败、生命衰老、原子裂解和基本粒子衰变的根源。

我们把宇宙物质的最基本的衰变称为质磁衰变，把质磁衰变辐射的最小微粒称为质磁波子。

质磁衰变是物质一切运动和变化的基础，是一切物质产生相互作用的根本原因。

原子物理学和高能物理学已经初步揭示了原子核和基本粒子的衰变现象，人们正是通过对原核衰变现象的研究才认识了原子内部复杂的微观结构，认识了电磁相互作用和强相互作用，发展了完整的电磁学理论体系和原子物理学体系，认识了弱相互作用，并且发展了弱电统一理论和量子色动力学。

基本粒子的衰变暗示着基本粒子具有更复杂的微细结构，对基本粒子衰变现象和规律的研究是了解