基于質(zhì)量體數(shù)量的變化描述物理理論的體系架構(gòu)

【摘 要】從數(shù)學(xué)角度分析了物理量基本單位的特點，基本單位彼此獨立意味著它們彼此之間沒有相關(guān)性，一個基本單位不是另外一個或多個基本單位的函數(shù)，由此將導(dǎo)致一個基本單位對其他基本單位的微分/求導(dǎo)的結(jié)果等于零。用工程計算軟件MATLAB詳細驗算了一種流傳較廣的E=Mc2的計算過程，結(jié)果表明在正確使用現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具的前提下，該方法不可能推導(dǎo)出E=Mc2。討論了物理速度、算法速度和相對運動速度三者之間的區(qū)別與聯(lián)系。從物理量的基本單位出發(fā)推導(dǎo)了牛頓第二運動定律。引入質(zhì)量體的概念，牛頓萬有引力定律可以補充完善為：任意兩個質(zhì)量體通過連心線方向上的力相互吸引，引力傳播速度就是產(chǎn)生該引力的質(zhì)量體的運動速度，光速是引力傳播速度的極限。牛頓第一定律可以補充完善為：一切質(zhì)量體在沒有受到外力作用或者雖然有外力作用但是外力作用小到可以忽略不計的時候，總保持勻速直線運動或者靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有且僅有一個質(zhì)量體時，這是宇宙的初始狀態(tài)，此時該質(zhì)量體以光速運動。從質(zhì)量體數(shù)量變化的角度描述了物理理論的體系架構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】物理量;基本單位;質(zhì)量體;牛頓第一運動定律;牛頓第二運動定律;光速原理;牛頓萬有引力定律

中圖分類號： O572.31 文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）34-0008-006

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.003

Describing the System Architecture of Physical Theory from the Evolution of the Numbers of Mass Bodies

WANG Yi-feng

（Kunming Institute of Physics， Kunming Yunnan 650223， China）

【Abstract】The characteristics of basic units of physical quantities are analyzed from a mathematical point of view. The independence of basic units means that they have no correlation with each other. A basic unit is not a function of another or more basic units， which will result in the differential/derivative of one basic unit to other basic units being equal to zero. A calculation process of E=Mc2， which is widely spread on the internet， is checked in detail by the engineering calculation software MATLAB. The results show that it is impossible to deduce E=Mc2 by using existing mathematical tools correctly. The differences and relations among physical speed， algorithmic speed and relative motion speed are discussed. Newtons second law of motion is derived from the basic units of physical quantities. By introducing the concept of mass body， Newtons law of universal gravitation can be supplemented and perfected as follows： any two mass bodies attract each other through the force in the direction of the connecting center line， and the velocity of gravitational propagation is the velocity of the mass body generating the gravitation， and the light speed is the limit of the velocity of gravitational propagation. Newtons first law of motion can be supplemented and perfected as follows： all mass bodies will remain in uniform motion in a straight line or at rest when they are not acted by external forces， or when they are acted by external forces， but the effect of external forces is too small to be negligible. When there is one and only one mass body， this is the initial state of the universe， at that time the mass body moves at the light speed. The system architecture of physical theory is described from the evolution of the numbers of mass bodies.

【Key words】Physical Quantity; Basic Unit; Mass Body; Newtons First Law of Motion; Newtons Second Law of Motion; Newtons Law of Universal Gravitation; Principle of Light Speed

0 引言

物理是關(guān)于“物”之“理”，是人對物質(zhì)世界運動規(guī)律的理解和概括。首先有“物”，然后才有“理”?！拔铩庇卸嘤猩?，這里說的多和少是一個數(shù)量上的概念，形象地說就是從“一（物）”、“二（物）”直到“萬（物）”。人類的物理認(rèn)識是在“萬（物）”已經(jīng)呈現(xiàn)的背景下形成的?，F(xiàn)有物理理論已經(jīng)涵蓋了從“二（物）”直到“萬（物）”的范圍，例如，牛頓萬有引力定律指明了只要有兩個物體就有引力存在。如果認(rèn)同“萬物始于一”的觀點，那么“一（物）”就是根本，“一（物）”的運動規(guī)律問題就是最基本的問題。作為一個完整的理論架構(gòu)，應(yīng)該從“一（物）”開始說起。

“物”包括了物質(zhì)、物體、質(zhì)點、粒子等一切有質(zhì)量的東西或者實在。質(zhì)量是各種“物”概念的共同點，據(jù)此作者提出了質(zhì)量體（mass body）的概念[1]，這里所說的“體”包括了點、線、面、體。質(zhì)量體包括了兩方面的數(shù)量含義，一方面是該質(zhì)量的量值有多少，另一方面是該質(zhì)量所占的體積有多少;并且這兩個數(shù)量的取值范圍均在無窮小與無窮大之間。質(zhì)量體是作者在分析過程中提出的僅有的一個新概念。本文將主要使用質(zhì)量體的說法。

物理理論體系架構(gòu)可以從不同的視角來考察。本文從物理量基本單位的分析開始，從質(zhì)量體數(shù)量變化的角度描述了物理理論體系的架構(gòu)。

1 從數(shù)學(xué)角度看物理量的基本單位

物理量的基本屬性稱為量綱，它們是物理量的度量單位。在物理學(xué)的國際單位制中，將量綱分為基本單位、導(dǎo)出單位和輔助單位。其中基本單位包括質(zhì)量（千克，kg）、長度（米，m）、時間（秒，s）、電流（安培，A）、熱力學(xué)溫度（開爾文，K）、物質(zhì)的量（摩爾，mol）和發(fā)光強度（坎德拉，cd）等七個物理量?；締挝槐舜霜毩?。導(dǎo)出單位和輔助單位均由基本單位組合而成。

從數(shù)學(xué)角度來看，基本單位彼此獨立意味著它們彼此之間沒有相關(guān)性，一個基本單位不隨另外一個基本單位的變化而變化;從函數(shù)的角度來看，意味一個基本單位不是另外一個基本單位的（單元）函數(shù)，由此將導(dǎo)致一個基本單位對其他基本單位的微分/求導(dǎo)的結(jié)果等于零。

以質(zhì)量和時間這兩個基本單位為例，因為不同的量綱可以相除，所以質(zhì)量可以除以時間，但是一旦要從相除過渡到微分/求導(dǎo)，將出現(xiàn)兩個不同的選項。

這是一個“二選一”的問題，具體如何選擇反映了不同的物理觀。如果認(rèn)同dm/dt=0，則意味著認(rèn)同質(zhì)量不是時間的函數(shù)，也就意味著認(rèn)同質(zhì)量不隨時間變化。

時間只是七個基本單位之一。基本單位彼此獨立，意味著質(zhì)量不僅不隨時間變化，也不隨其他基本單位而變化，概括起來就是質(zhì)量不變。不變意味著守恒，即在數(shù)值上保持為一個常量。質(zhì)量不變與質(zhì)量守恒內(nèi)涵相同。質(zhì)量守恒無法證明，只有認(rèn)同或者不認(rèn)同兩個選項。是否認(rèn)同質(zhì)量守恒是不同物理觀分歧的起始點。另一方面，如果認(rèn)同質(zhì)量守恒，同時又認(rèn)同可能導(dǎo)致質(zhì)量不守恒的觀點，這在邏輯上是相互矛盾的。

兩個基本單位的組合可以構(gòu)成導(dǎo)出單位。例如，速度等于長度除以時間，

式中，v為速度，L為長度，記t為時間。另外，這里用“≡”表示量綱意義上的等價關(guān)系。量綱相同不一定量值相等。本文用符號“=”表示量值或者數(shù)值意義上的等量關(guān)系。

前面論證了一個基本單位不隨另外一個基本單位的變化而變化。進一步地，基本單位彼此獨立在邏輯上還意味著一個基本單位不隨另外兩個或者兩個以上的基本單位而變化，這一點從數(shù)學(xué)上說就是一個基本單位不是另外兩個或者兩個以上基本單位的（二元或多元）函數(shù)。概括起來說就是一個基本單位不隨其他一個或多個基本單位的變化而變化。

仍以質(zhì)量為例，質(zhì)量、長度和時間都是基本單位，基本單位彼此獨立意味著質(zhì)量不僅不隨長度而變化、不隨時間而變化，同時也不隨由長度和時間定義的速度而變化，即質(zhì)量不是速度的函數(shù);認(rèn)同這一推論則意味著要否定質(zhì)量隨速度而變化的觀點，例如靜止質(zhì)量、運動質(zhì)量以及愛因斯坦狹義相對論中給出的質(zhì)量-速度關(guān)系式

式中，m0為靜止質(zhì)量，c為光速。

還有一個類似的概念是引力質(zhì)量。引力的本質(zhì)是“力”，另一方面，引力質(zhì)量本質(zhì)上還是質(zhì)量，只是它是與引力相關(guān)的質(zhì)量，換言之，從數(shù)學(xué)角度來看，引力質(zhì)量將質(zhì)量視為引力的函數(shù)。從七個基本單位可以看到，其中沒有一個是力的量綱;換言之，可以推斷力的量綱一定是若干個基本單位的組合，由此一來引力質(zhì)量必然是若干基本單位的（多元）函數(shù)。如果認(rèn)同前述的一個基本單位不隨另外一個或者多個基本單位的變化而變化的觀點，那么引力質(zhì)量就是一個偽概念。

2 用MATLAB驗算網(wǎng)上常見的一個推導(dǎo)E=Mc2過程

既然上節(jié)中提到了狹義相對論中的質(zhì)量-速度關(guān)系式（3），這里再順勢用MATLAB驗算一下網(wǎng)上常見的一個推導(dǎo)E=Mc2的過程[2]，該過程如圖1所示，其原始出處作者未能查到，這里只是轉(zhuǎn)引。

在函數(shù)記號y=f（x）中，x稱為自變量，y稱為因變量。定積分的一般形式為■f（x）dx，式中積分下限a和積分上限b均為常數(shù)，即■f（x）dx為固定積分限的積分。積分號里面dx之外的部分稱為被積函數(shù)。如果積分限是變化的，則稱為變限積分;變限可以是只變一個積分限，例如■■dx等;也可以是兩個積分限同時變化，例如■■dx等。變限積分還有一種比較特殊的形式，即以被積函數(shù)f（x）的自變量x作為積分的上限或者下限，例如■f（x）dx等。

MATLAB是一款功能強大的工程計算軟件，是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用和影響最廣泛的三個計算機數(shù)學(xué)語言之一。利用MATLAB的符號運算工具箱，可以直接求解一般的微積分計算問題。當(dāng)然MATLAB不是萬能的，對于某些特殊的微積分問題，MATLAB同樣無能為力。

式中f'（x）為一階導(dǎo)數(shù)。進一步取f'（x）的導(dǎo)數(shù)可以得到二階、三階及高階導(dǎo)數(shù)。在MATLAB中，如果函數(shù)及自變量已知且均為符號變量，可以用diff（ ）命令求解給定函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)。

表明MATLAB無法直接計算式（8）所示的自變量v為上限的變限積分。

下面換一個角度來看一看圖1中的（H）環(huán)節(jié)即式（8）的計算問題。文獻[4]第294-295頁給出了一道例題33，為了方便對比，現(xiàn)將該例題及有關(guān)證明部分摘錄如下：

設(shè)函數(shù)f（x）在閉區(qū)間[a，b]上具有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)，試證：存在ξ（a，b），使得

式（10）中的ξ1在（a+b）/2和x之間。該題后面的證明過程與本文無關(guān)，暫略。

具體到式（8）來說，其中的被積函數(shù)可以記為

比較一下式（8）和（10），如果再把一階導(dǎo)數(shù)表達式（12）和二階導(dǎo)數(shù)表達式（13）代入，可以看出在圖1所示的計算過程中難以從（H）得到（I）。那么（I）是如何得到的？

在MATLAB中輸入下列語句

得到這個形式的結(jié)果僅僅是因為改變了一下積分上限的符號;換言之，在圖1所示的計算過程中，從（F）環(huán)節(jié)到（H）環(huán)節(jié)，積分上限均為被積函數(shù)的自變量v;等到（H）環(huán)節(jié)要具體計算定積分的時候，先把v換成另外一個非自變量符號例如w，得到積分結(jié)果以后再將w換回v，于是得到了（I）環(huán)節(jié)所示的結(jié)果，即

但是這種處理方式無論是從邏輯還是從數(shù)學(xué)角度來看都是不正確的，在這種情況下，再討論后面的處理步驟已經(jīng)沒有任何意義。換言之，在規(guī)范使用數(shù)學(xué)工具和滿足邏輯一致性的前提下，按照圖1所示的步驟不可能從狹義相對論的質(zhì)量-速度關(guān)系式導(dǎo)出質(zhì)量-能量關(guān)系式E=Mc2。

3 物理速度、算法速度和相對運動速度

作者在文獻[5]中指出關(guān)于超光速有兩個問題需要厘清，第一個問題是物理層面上的與“物”相關(guān)或者與質(zhì)量體相關(guān)聯(lián)的超光速，簡言之，就是一定要有一個以超光速運動的質(zhì)量體，這一層面上的超光速可以稱為物理超光速;第二個問題是算法層面上的超光速，算法包括簡單的相加或者向量合成等，這時講的超光速不與“物”或者質(zhì)量體相關(guān)聯(lián)，可以稱之為算法超光速。例如從某一點往相反的兩個方向發(fā)射兩個光子A和B，它們的相對速度為2c，它等效于光子A不動，光子B的運動速度為2c;如果要從光子A上發(fā)射一個粒子去追趕光子B，該粒子的運動速度必須大于c。算法超光速只有虛擬意義，例如相對速度為2c并不等于光子A或B的運動速度真的因為一相對就從c變成2c，而要發(fā)射一個運動速度大于c的粒子去追趕另一個光子也是不可能的，因為質(zhì)量體的運動速度不可能超光速。

這里做一個簡單的區(qū)分，將算法定義為計算過程，不同的算法得到不同的結(jié)果。這是為了有別于數(shù)字信號處理中所說的算法，在數(shù)字信號處理中不同的算法處理可以得到相同的結(jié)果。

深入思考一下，可以意識到與物理超光速和算法超光速對應(yīng)的兩個較底層的概念分別是物理速度和算法速度。算法是人想出來的，沒有人就沒有算法，所以可以簡單地將物理速度理解為表面上與計算過程無關(guān)、本質(zhì)上與人無關(guān)的速度;反之，引入計算過程得到的速度稱為算法速度。從邏輯上說，因為質(zhì)量體是運動的，光速是一切物理速度的極限，所以在數(shù)值上，物理速度的下限大于零，上限是光速;而算法速度則基本上不受此限制。

物理速度屬于絕對速度，算法速度基本上屬于虛擬速度，位于絕對速度與算法速度之間的是相對運動速度，三者之間既有聯(lián)系、又有區(qū)別。通常所說的質(zhì)量體的運動速度基本上屬于相對運動速度。例如，停駛的汽車是靜止的，但是這種靜止是相對路面等周圍物系而言的靜止，不是絕對靜止，這是因為地球本身是運動的。

相對運動速度之所以是相對的，主要原因是運動速度量值的確定與所選用的參照體或者參照系有關(guān)。相對運動速度一般可以寫為（v±a）（v>0，a>0）的形式。對于光子來說，其物理速度為c，其相對運動速度為（c±a）;但是因為一般情況下c>>a，從近似計算的角度來看，光速數(shù)值與其他速度數(shù)值的加/減相當(dāng)于一個大數(shù)與一個小數(shù)的加/減，這時小數(shù)被“吃掉”，即c±a≈c，但是在理論分析特別是符號計算中，不能將（c±a）寫為c。

從邏輯上說，在同一個計算過程中如果涉及到兩個速度，這兩個速度的定性應(yīng)該具有一致性，如果是相對運動速度，那么兩個速度都應(yīng)該取為相對運動速度;如果是絕對速度，那么兩個速度都應(yīng)該取為絕對速度;不能一個取為相對運動速度，另外一個取為絕對速度。具體以圖1所示的定積分為例，積分下限取為0，說明積分下限的定性為相對運動速度，這是因為從物理意義上來講，絕對速度為0的質(zhì)量體不存在;而積分上限雖然寫的是自變量v，但實際上狹義相對論中的v只變到c而不是（c±a），說明積分上限的定性為絕對速度，與積分下限的速度為0所對應(yīng)的速度定性不一致。

速度的數(shù)值本身只有大小、沒有方向，屬于標(biāo)量。如果給速度的數(shù)值附加上方向性，速度就成了一個向量。根據(jù)數(shù)學(xué)中的向量分析理論，向量可以合成/分解，于是作為向量的速度也可以合成/分解。但是這種合成/分解應(yīng)該主要從算法的角度來理解，或者從運動方向的變化趨勢來理解。不應(yīng)該理解為有幾個速度向量就有幾個真實的運動速度，這是因為真實的運動速度與質(zhì)量體相對應(yīng)，一個質(zhì)量體只有一個運動速度，也就只有一個運動方向。

不妨想象一下速度是怎么樣成為向量的？或者說速度的方向性是怎么附加上去的？牛頓第一定律指出，一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài);反之，在受到外力作用的時候，原來的勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)就要被打破，勻速變?yōu)榉莿蛩?，靜止變?yōu)檫\動，這種運動狀態(tài)的變化說明產(chǎn)生了速度。力是向量，把相應(yīng)方向的作用力映射到同一方向上的算法速度，該算法速度就成了向量，從而滿足向量運算規(guī)則。從根本上說，質(zhì)量體的運動方向及運動速度發(fā)生變化的原因是力的作用、而不是某種算法例如向量運算。

4 從基本量綱關(guān)系出發(fā)推導(dǎo)牛頓第二運動定律

可以證明，質(zhì)量、能量和速度三者之間在量綱上存在下列關(guān)系[1-7]

能量≡質(zhì)量×（速度）2（16）

這里用“≡”表示量綱意義上的等價關(guān)系。量綱相同不一定量值相等。本文用符號“=”表示量值或者數(shù)值意義上的等量關(guān)系。

將式（2）代入式（16），有

加速度a的量綱為m/s2。

另一方面，能量是一個物理系統(tǒng)對其他物理系統(tǒng)做功的能力，簡單地說就是能量等于功;而功又等于力與在力的方向上通過的位移的乘積，于是在量綱上有

能量≡功≡力×長度（19）

將式（16）代入式（19），則有

因為質(zhì)量m和加速度a都是確定的，所以式（20）可以從量綱意義上的等價關(guān)系過渡到數(shù)值意義上的等量關(guān)系，即將式（20）中的“≡”替換為“=”，這就是牛頓第二運動定律。

文獻[8-9]從動量的角度推導(dǎo)牛頓第二運動定律。式（17）指出，動量的量綱為質(zhì)量×速度。一般情況下，將動量記為p，并有

可以看到，這里如果不取dm/dt=0，則推導(dǎo)不出F=ma;要想得到F=ma必須接受dm/dt=0，而接受dm/dt=0又意味著認(rèn)可質(zhì)量不是時間的函數(shù)，這就是式（1）;由此再往前推，就是質(zhì)量不變或者質(zhì)量守恒。

這里的邏輯鏈?zhǔn)沁@樣：認(rèn)同F(xiàn)=ma→dm/dt=0→質(zhì)量不隨基本單位時間變化→質(zhì)量也不隨其他基本單位變化→質(zhì)量同樣不隨基本單位組合而成的導(dǎo)出單位變化→速度是一個導(dǎo)出單位→質(zhì)量不隨速度變化→狹義相對論中的質(zhì)量-速度關(guān)系式是錯誤的;換言之，F(xiàn)=ma與狹義相對論中質(zhì)量-速度關(guān)系式在邏輯上是矛盾的。

5 對牛頓萬有引力定律的補充完善

牛頓給出的萬有引力定律中沒有時間量。這一點被解讀成牛頓認(rèn)為引力速度是無窮大[10]，即引力可以瞬間傳播至任何地方，不管距離有多遠，引力都能瞬間到達[11]。

瞬間意味著時間無窮小，因為速度等于長度除以時間，故與瞬間對應(yīng)的速度無窮大。在物理層面上，速度無窮大的前提之一是可以超光速。如果認(rèn)同該前提，那么不停地超光速下去，邏輯上講就可以讓速度趨于無窮大。反之，如果認(rèn)同光速是一切速度的極限，那么超光速就是不可能的，速度無窮大的前提就不成立，隨之相關(guān)的瞬間傳輸、引力瞬間到達也是不可能的。

萬有引力定律一直講到了兩個質(zhì)量體。簡單想象一下只有兩個質(zhì)量體的情況，質(zhì)量體是運動的，如果引力速度是無窮大，因為引力速度遠大于質(zhì)量體的運動速度，那么這兩個質(zhì)量體根本沒有時間拉開彼此之間的距離，也就不可能形成目前質(zhì)量體數(shù)量無窮多的宇宙體系。從邏輯上說，只要引力速度大于質(zhì)量體的運動速度都會出現(xiàn)這種情況。因此最合適的選項為引力傳播速度就是產(chǎn)生該引力的質(zhì)量體的運動速度[12];由于光速是一切物理速度的極限，因此光速也是引力傳播速度的極限。

基于上述分析，引入質(zhì)量體的概念，牛頓萬有引力定律可以補充完善為：任意兩個質(zhì)量體通過連心線方向上的力相互吸引，引力傳播速度就是產(chǎn)生該引力的質(zhì)量體的運動速度，光速是引力傳播速度的極限。

6 對牛頓第一運動定律的補充完善

一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)，該結(jié)論稱為牛頓第一運動定律，簡稱牛頓第一定律，又稱慣性定律。物體的這種保持原來的勻速直線運動或者靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)稱為慣性，換言之，慣性是一切物體都具有的性質(zhì)。

作者在文獻[5]中指出，有一種情況是牛頓第一定律沒有指明的，即物體有外力作用、但是外力作用小到可以忽略不計的情況，顯然這時物體還是保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)。如果再引入質(zhì)量體的概念，牛頓第一定律可以補充完善為：一切質(zhì)量體在沒有受到外力作用或者雖然有外力作用但是外力作用小到可以忽略不計的時候，總保持勻速直線運動或者靜止?fàn)顟B(tài)。

按照補充完善前的牛頓第一定律，光保持勻速直線運動的狀態(tài)意味著沒有外力作用;但是根據(jù)牛頓萬有引力定律，只要有兩個質(zhì)量體就有引力。所以從邏輯上說，光保持勻速直線運動的狀態(tài)并不意味著沒有外力作用，因為引力本身就是典型的外力，只是在絕大多數(shù)情況下這種引力太小、不足以改變光的勻速直線運動狀態(tài);換言之，補充完善后的牛頓第一定律具有邏輯上的自洽性。

7 當(dāng)有且只有一個質(zhì)量體時，該質(zhì)量體的運動規(guī)律

萬有引力定律的適用條件是“任意兩個質(zhì)點/質(zhì)量體”，如果“只有兩個質(zhì)量體”，萬有引力定律顯然還是適用的。人類目前所感知的宇宙是由數(shù)量無窮多的質(zhì)量體構(gòu)成的。什么情況下才可能“只有兩個質(zhì)量體”？形成這一概念的最簡單的想法就是畫一條直線將整個宇宙分為左右兩邊，然后分別把左右兩邊的質(zhì)量體加在一起，加到最后就是“只有兩個質(zhì)量體”。

在“只有兩個質(zhì)量體”的基礎(chǔ)上，很自然地會形成“只有一個質(zhì)量體”的想法。如果進一步把兩個質(zhì)量體合并在一起，結(jié)果就是一個質(zhì)量體。

應(yīng)該注意的是，這里討論的是物理問題。當(dāng)有且僅有一個質(zhì)量體時，該質(zhì)量體的質(zhì)量就是整個宇宙的總質(zhì)量，該質(zhì)量體的能量就是整個宇宙的總能量，并且該質(zhì)量體以光速運動，三者之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)語言描述是

式中，EU為宇宙總能量，MU為宇宙總質(zhì)量，c為光速，即宇宙總能量和宇宙總質(zhì)量比值的平方根等于光速，這是作者提出的光速原理。

根據(jù)諾特定理，宇宙的總能量和總動量肯定是守恒的，但是諾特定理并沒有告訴我們?nèi)绾斡嬎?，也沒有指出守恒量具體為多少。光速原理給出了這些問題的答案，具體來說就是在認(rèn)同宇宙總質(zhì)量MU不變、同時光速c不變的前提下，宇宙總能量守恒于式（24）。

在式（24）中兩端除以光速c可得

PU的量綱為質(zhì)量×速度，它是動量的量綱。在宇宙質(zhì)量守恒、光速數(shù)值不變的前提下，式（25）表明了宇宙動量守恒。

從邏輯上說，如果認(rèn)可諾特定理是正確的、普適的，因為光速原理給出的結(jié)果滿足諾特定理的要求，那么光速原理也可以被認(rèn)為是正確的。

從分析論證的角度來說，萬有引力定律已經(jīng)說到了兩個質(zhì)量體;如果說兩個質(zhì)量體的問題可以存在，一個質(zhì)量體的問題就不存在，這在邏輯上說不過去。另一方面，光速原理事實上是迄今為止第一個描述一個質(zhì)量體運動規(guī)律的模型，如果不認(rèn)同該模型，就需要另外提出某種替代模型來回答有關(guān)一個質(zhì)量體的運動規(guī)律問題，并且該模型的結(jié)果還要滿足諾特定理。

8 如何理解當(dāng)有且僅有一個質(zhì)量體時的光子分裂

當(dāng)有且僅有一個質(zhì)量體時，該質(zhì)量體以光速運動，該質(zhì)量體就是光子。質(zhì)量體的分裂本質(zhì)上是因為受到力的作用。當(dāng)質(zhì)量體有且僅有一個時，沒有碰撞、也沒有引力等外力作用，這時它如何發(fā)生分裂？這個問題應(yīng)該這樣來理解：光子具有兩種自旋狀態(tài)，可以是左旋、也可以是右旋[13]。自旋產(chǎn)生的作用力同樣是力，從邏輯上說，既然是力，它就可以使光子分裂。

合并/壓縮是分裂的逆過程。天體星系有一種成團傾向，星系成團本質(zhì)上是一個諸多質(zhì)量體的質(zhì)量合并過程。不久前報道的雙中子合并是一個典型的質(zhì)量體合并事例。宇宙演化是一個分裂與壓縮并存的過程，該過程在運動速度的層面上構(gòu)成光速→非光速→光速…的循環(huán)[14-16]，在質(zhì)量體數(shù)量的變化趨勢上則為從“一”到“萬”、再從“萬”到“一”的循環(huán)，即所謂萬物始于一，萬物終于一。

這一過程可以逐步分析如下：

（1）假設(shè)有唯一的質(zhì)量體P1，如圖2（a）所示，根據(jù)光速原理，P1是一個以光速運動的光子。

（2）假設(shè)在某一時刻，質(zhì)量體P1發(fā)生第一次分裂，分離出四分之一的質(zhì)量，剩下的四分之三質(zhì)量體記為P2。

（3）假設(shè)分離出的四分之一質(zhì)量體由A、B、C、D四塊構(gòu)成，如圖2（b）所示，它們?nèi)匀皇且怨馑龠\動的質(zhì)量體，屬于光子。

（4）由于在相同時間及相同方向上光子存在的唯一性，即在同一條直線上，不可能同時出現(xiàn)兩個光子[5]，于是A、B、C、D四個光子的運動方向各不相同。

（5）由于光速相同，它們在相同時間內(nèi)經(jīng)歷的運動距離相同，如果以該距離為半徑畫一個圓周，這四個光子均在同一個圓周上，因為該圓周的半徑是光子的運動距離，而光子一直在運動，所以該圓周的大小是動態(tài)變化的，并且隨著時間的推移越來越大。

（6）因為是第一批分裂產(chǎn)生的光子，所以該圓周是最外邊的一個圓;換言之，該圓周就是宇宙的邊緣，A、B、C、D四個光子位于宇宙的邊緣。

（7）作者在文獻[5-12]中指出，引力傳播速度就是產(chǎn)生該引力的質(zhì)量體的運動速度;光速是引力傳播速度的極限。A、B、C、D和P2的運動速度均為光速，因此源自P2的引力始終追趕不上A、B、C、D，或者說P2的引力對A、B、C、D沒有影響;同樣地，源自A、B、C、D的引力始終追趕不上P2，或者說A、B、C、D的引力對P2沒有影響，A、B、C、D 和P2的運動速度仍為光速。

（8）由于A、B、C、D彼此之間也有引力作用，引力的牽制使得它們的運動速度降低、從光速變?yōu)榉枪馑?同時當(dāng)引力不是太大時，它們的速度也不會降得太多，具體來說就是雖然變?yōu)榉枪馑?，但還是在光速量級，例如0.8c、0.9c等等;這也就解釋了為什么運動速度在光速量級的類星體基本上位于宇宙邊緣[12]。

（9）類星體處在宇宙的邊緣，實際上已經(jīng)暗示了其他星體過來的引力速度趕不上它，所以它的運動速度可以維持在光速量級;假如引力瞬間到達，就不會有光速量級的類星體的存在。

（10）除了類星體，還有運動速度雖然不在光速量級、但仍然比地球等八大行星的運動速度高很多的暗物質(zhì)。這類速度從何而來一直讓人困惑不解?；谏鲜龇治鏊悸房梢越忉屵@類問題。仍以圖2為例來說明，第一批次出現(xiàn)的質(zhì)量體A、B、C、D位于宇宙邊緣;現(xiàn)時宇宙中質(zhì)量體的數(shù)量無窮多，說明此后必然還有質(zhì)量體P2的分裂，并且分裂形成的質(zhì)量體散布于宇宙邊緣和P2分裂之前所在的位置之間。另外第一批次出現(xiàn)的質(zhì)量體A、B、C、D還可能繼續(xù)分裂，由此形成縱橫交錯的引力作用使得有關(guān)質(zhì)量體的運動速度先從光速變?yōu)楣馑倭考壍姆枪馑伲購墓馑倭考壍姆枪馑俅蠓档偷揭话阋饬x上的非光速，比如降低到暗物質(zhì)的速度，然后又繼續(xù)降低到八大行星的運動速度，等等。

9 基于質(zhì)量體數(shù)量變化的視角描述理論物理的體系架構(gòu)

中國春秋時期的哲學(xué)家老子（李耳）在其著作《道德經(jīng)》中寫道：“道生一。一生二。二生三。三生萬物?！崩献又v的“生”實際上就是分裂，但是老子并沒有指出“一”是什么。從某種意義上來說，牛頓一直講到了“二”;當(dāng)只有一個質(zhì)點/質(zhì)量體時會是一種什么狀況、即“一”的問題，牛頓也沒有回答。作者提出的壓縮宇宙的思想實驗[14-17]回答了“一”的問題。當(dāng)有且僅有一個質(zhì)量體時，該質(zhì)量體以光速運動。

從一個質(zhì)量體開始描繪的物理理論體系架構(gòu)如圖3所示。在認(rèn)可宇宙總質(zhì)量守恒以及光速不變的前提下，整個體系在質(zhì)量體數(shù)量的變化趨勢上形成從“一”到“萬”、再從“萬”到“一”的循環(huán)。

10 結(jié)束語

物理（學(xué)）是關(guān)于“物”之“理”，是人對物質(zhì)世界運動規(guī)律的理解和概括?！拔铩笔窃趺磥淼牟皇俏锢韺W(xué)所能回答的問題，物理學(xué)只能回答有“物”之后的問題。

“物”的數(shù)量是變化的。單獨的一個“物”是一個質(zhì)量體。人類感知的宇宙是由無窮多個質(zhì)量體即所謂“萬物”構(gòu)成的體系。萬有引力定律指出只要有兩個質(zhì)量體就有引力存在，換言之，牛頓已經(jīng)想到了“二”。如果認(rèn)同“萬物始于一”的觀點，因為從“二”到“一”只有一步之遙，所以事實上牛頓的物理觀已經(jīng)逼近了宇宙的本源。從“萬”到“二”是一個合并的過程，再往下走就是合二為一，其逆過程就是老子說的“一生二。二生三。三生萬物”。簡而言之，如同一枚硬幣有正反兩面一樣，牛頓說的合二為一與老子說的一分為二實際上是同一個過程的兩個方面，兩者構(gòu)成循環(huán)。故無論從哪一個角度來看，“一”是什么都是一個值得回答的問題。

在認(rèn)同宇宙總質(zhì)量守恒以及光速（數(shù)值）不變的前提下，作者指出“一”是一個以光速運動的質(zhì)量體，以此為基礎(chǔ)，從“一（個質(zhì)量體）”開始描繪了物理理論的體系架構(gòu)，該體系架構(gòu)的“根”是光速原理和經(jīng)過補充完善的牛頓第一運動定律，其中的萬有引力定律也考慮了引力傳遞速度的因素做了補充完善。大道至簡是該體系架構(gòu)的特點。

【參考文獻】

[1]王憶鋒.論光子本性的公理化邏輯分析[J].云光技術(shù)，2017，49（16）：41-65.

[2]質(zhì)能方程E=Mc2的推導(dǎo)過程是怎樣的？http：//www.360doc.com/content/19/0101/15/45506057_805832643.shtml

[3]M.R.Spiegel著.謝國瑞，蔣司勛，宣月華，等譯.高等數(shù)學(xué)的理論和習(xí)題[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1978.

[4]朱有清，賀才興.高等數(shù)學(xué)復(fù)習(xí)十五講（上）[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1985.

[5]王憶鋒.光速原理及其推論[J].現(xiàn)代物理，2019，9（17）：227-245.

[6]王憶鋒.論若干物理問題的量綱分析方法[J].云光技術(shù)，2018，50（2）：42-51.

[7]王憶鋒.基于量綱分析從物理和數(shù)學(xué)角度推導(dǎo)光速原理[J].現(xiàn)代物理，2019，9（1）：183-190.

[8]艾薩克·牛頓著.王克迪譯.自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理[M].西安：陜西人民出版社，2001：18-19.

[9]胡盤新.大學(xué)物理手冊[M].上海：上海交通大學(xué)出版社.2007：132-133，139-141.

[10]柯濟.引力的速度[N].光明日報，2013-01-22（3）.

[11]湯克云，華昌才，文武，等.由固體潮發(fā)現(xiàn)引力以光速傳播的觀測證據(jù)[J].科學(xué)通報，2013，58（21）：907-911

[12]王憶鋒.論以光速原理為標(biāo)志的第三次科學(xué)革命[J].云光技術(shù)，2017，49（2）：1-10.

[13]王憶鋒.論光子分裂視角下二進制數(shù)據(jù)的量子態(tài)表達[J].紅外，2017，38（23）：7-12，30.

[14]王憶鋒.論光子分裂視角下的宇宙觀（上）[J].紅外，2017，38（3）：1-5.

[15]王憶鋒.論光子分裂視角下的宇宙觀（中）[J].紅外，2017，38（16）：6-11.

[16]王憶鋒.論光子分裂視角下的宇宙觀（下）[J].紅外，2017，38（17）：44-48.

[17]王憶鋒.論超光速量子糾纏的不可能性[J].云光技術(shù)，2016，48（2）：52.