作用学基本原理

王昌益

蓬莱市国土资源局

绪论

随着人类生产与科学的飞速发展，人们对科学理论水平的要求越来越高，对现有的传统科学理论不断提出这样和那样的质疑。例如，在工程生产与工程力学研究与实验过程中，人们针对“力不变、变形量不断增大”现象、“变形随着作用时间的延长不断增大；力大，变形速度大；力小，变形速度小；但力大而作用时间短所产生的变形量不一定很大；力小而作用时间长所产生的变形量有时很大〔如滴水穿石就是在小力作用下产生较大变形的很好例证）…”现象等对力学关于力就是作用的思想提出了质疑；针对“变形与作用间的直接关系规律”对工程力学与材料力学的科学性提出了质疑；针对“具有统一规律的大自然和不能统一的自然作用理论对物理学的科学性提出了质疑”；… 各种质疑反映了人们对传统基础理论中存在许多不科学性问题要求整改的迫切愿望。

力学是传统基础理论的核心，它是一门应用非常广泛的基础理论科学，它直接用于指导人们从事生产实践与科学研究。目前，在生产建设与科学研究中，人们仍然应用力学作指导理论。然而，根据笔者近20多年来的研究得知，在力学中存在许多不科学性问题。由于历史与认识的局限性，力学关于作用及其与自然演化之间关系规律的认识存在很大缺陷。归结起来，力学中存在的缺陷共有以下几点：（1）.力学对作用、作用量和力的本质含义认识不足：力学不认识“作用是自然界中存在的关于物体使它物体发生变化的一种现象；作用量是指作用现象的量，是指在作用时间内作用物对受作用物构成作用的量；力是指在一瞬间或单位时间产生的作用量”；力学认为，“力是由作用物的作用本领产生的作用”，所以才有“到目前为止，人类发现了四种自然作用（自然力）”的力学论述；….力学这种关于“物的力产生作用”的学说是在“神的本领产生作用”的神作用说基础上产生的；力学是从神学观念中脱胎而出的“作用学假说”，所以，它保留了神学关于“物的本领产生作用”的错误思想。在力学中，“力就是作用，力也是作用量，作用量就是力、就是作用现象”，概念十分混乱；这种概念不清、认识模糊现象给人们的生产与科研活动带来极大恶果。（2）.力学对力、合力、阻力三者的本质及其相互间的关系规律认识不足，不认识合力是虚力、阻力等于实力的负值等客观规律；（3）．力学不认识作用与变形之间关系规律的本质，不认识作用与变形之间存在的非常简单的直接关系式；（4）．力学不认识相对运动的本质，不认识四种自然作用的本质及其统一规律；（5）．力学不确切了解相对动量在碰撞现象中起关键性作用，所以，在“动量起决定作用”的牛顿思想指导下建立起来的牛顿三大力学定律和动量守恒定律都存在一定的科学性问题；(6).力学不认识物质关系变化是自然发展演化的基本现象，不能很好地指导人们研究自然体的演化规律，不能很好地指导人们预测未来事件的发生并提前防治自然灾害。

传统基础理论中存在的种种缺陷不消除，不仅更完善、更科学的基础理论难以建立，而且，诸多生产难题与科研难题和科学预测难题永远难以解决。例如，在工程建设过程中，要使工程建设既能保证使用要求的服务年限，又能确保花钱最少、最为经济，就必须准确计算工程将会受到的外作用量和准确选择相应的材料。按照传统力学与工程力学理论，我们很难做：要么不能满足使用要求，要么浪费材料。因为传统理论不能准确计算工程将受到的作用总量、不能准确计算材料和工程的使用期限。再如，不破除“力是作用或是作用物的本领”思想，人们就不能建立正确的作用学思想。如果没有正确的作用学思想作指导，人们就不能准确预测象地震、火山一类自然灾害发生的时间、地点与强度，就不能做到防患于未然。所以，我们必须尽块建立更科学的作用学理论。

然而，长期以来，很少有人能够破除封建迷信和“定律迷信”等束缚、完全面向自然的现实状态、在大自然中探索揭示大自然这种自然统一的基本规律、建立具有普遍性指导意义的、科学理论水平更高的基础理论。所以，真正的作用学理论直到进入21世纪还尚未得到建立与完善。

作用学是关于作用与自然或自然体发展演化一般关系规律研究的科学。作用学是在自然科学诞生、发展与完善基础上建立起来的一门新兴的基础理论科学。概括来说，作用学研究的基本对象是自然或自然体的运动、作用和变化三个基本现象或物质关系或质空关系变化现象，更准确说，作用学是关于自然发展演化一般规律研究的科学。作用学研究的内容主要是作用与自然物演化之间的定量关系规律，但所涉及的内容包罗万象。

作用学研究的目的与任务：（1）.揭示作用学基本概念的本质及其相互关系规律，为建立作用学基本理论体系奠定基础；（2）.揭示作用与合作用、阻碍作用之间的对立统一规律，建立作用学对立统一理论；（3）.揭示物质关系变化规律，认识相对作用规律；（4）.揭示作用的本质与统一规律，创立自然作用统一理论；（5）.揭示作用与变形之间的直接关系规律，为建立指导工程建设与工程演化研究的理论或建立工程作用学奠定基础，为科学预测奠定基础；（6）.揭示地球或地壳演化规律，建立地球动力学；…

作用学建立的理论依据是力学定律和对立统一规律。虽说力学理论体系中存在许多不科学性问题，但绝不可否认，在力学中有许多来自生产实践与科学实验的科学思想与内容，这些科学思想与内容仍然具有指导价值。在本文关于作用学的建立研究中，这些科学思想与内容构成了指导作用学理论建立的理论基矗作用学建立的方法是理论推导、实验分析、实际观测、论证与检验相结合的方法。作用学是在揭示传统自然科学基础理论中存在的种种缺陷基础上建立起来的，它保留了传统基础科学理论中的科学内容，删除了传统基础科学理论中的错误内容，从而使自然科学基础理论水平获得较大提高。作用学是一门非常有用的基础理论科学。无论是在生产建设还是在科学研究过程当中，无论是在实际生产问题的解决过程还是在灾害预测与预防研究过程中，无论是研究解决自然科学还是研究解决社会科学问题，作用学都有着非常巨大而不可替代的指导作用。

第一章 物质、空间和物体

作用学研究的最基本对象是物体及其构成部分——物质与空间。因此，作用学首先从认识物体及其构成部分开始。

§1.1.物质、空间和物体的一般认识

自人类诞生以来，人们一直在自觉不自觉地认识物质与空间及其组合体。然而，直到今天，要给物质、空间和物体下个确切定义还是很难。列宁曾给物质确立了一个定义：“物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们的感觉所复写、谢映、反应。”根据列宁这一物质定义，人们普遍认为，客观实在或客观存在的实物都是物质。作用学认为，把物质定义为客观实在还是比较科学的，但客观实在不包括现象。在自然界中被看到和被感知到或不被感知到的一切存在或客观实在都是物质，它是客观上一切实际存在的泛称或统称，如地球、岩石、动物或植物、山、水、大气、光、天体、星系等等，都可以统称为宇宙的物质。与物质相对，空间是指客观上的虚无与不存在或虚空之所，是虚无的代名词。物体则是物质与空间的组合体。正象我们所看到的：宇宙由众多天体与它们之间的广阔空间组合而成，其内既有客观上的各种存在，又有虚无空有的虚无之所。在宇宙中，所有的天体和所有的物质微粒都是宇宙的构成部分。构成宇宙的物质部分并不是实体，也是由物质与空间合成起来的质空组合体，天体中的物质部分也不是实体，也是物质与空间的组合体，如地球上的岩石内部既有物质也有空间。因此，物质仅指构成物体的实物部分，空间仅指构成物体的虚空部分。

物体是物质与空间的组合体，也是物质的组合体。在物体内不仅有物质存在，而且有空间存在；物质与空间都是物体的构成部分；物质与空间总是联系在一起，不仅物体内部的空间是物体的部分，而且物体外部的空间也与物体构成一体。物质是客观实在，是大自然中所有客观存在的泛称；空间则是客观上的不实在，是虚无空有，是实际中不存在的虚空；空间是相对于物质而出现的，物质是相对于空间而存在的；两者相互对立，但是，两者又互相依存、相互统一、共同组合成物体。尽管空间是虚无、是不存在，但它能构成物体的组成部分。就像一个箱子，箱子由物质与空间合成；虽然箱子内的空间是箱子占有的空间，但这个空间总是构成箱子的一部分。由于箱子内的空间是箱子占有的空间，所以，箱子本身实际上并没有空间。随着箱子运动，箱子不断让出空间又不断占有空间，使箱子内的空间总是它物体的空间。箱子占的是地球的空间部分，地球占的是太阳系的空间部分，太阳系占的是银河系的空间部分，…。所以，箱子、地球、太阳系、银河系都没有自己的空间，它们的空间只是虚无空有，连空间都没有。

大自然首先赋予我们的就是这样一些天然的、物质与空间的、对立统一的物体，供我们来认识与研究，我们必须先来认识物体的质空对立统一规律。物质与空间对立统一于物体的规律构成了大自然中一切对立统一现象发生的基础，也是作用对立统一规律产生的原因。物质是物体的泛称，物体有大小和形状，物体可以运动，有物质存在的多少、有存在状态与分布位置、分布密实之分，物体可以运动和变化，而空间没有形状和大孝不能运动但能随物质的变化而变化。

物体是由物质与空间组合而成的质空组合体。正像我们看到的，物体各式各样、千差万别，但又有着统一规律。纵观整个宇宙，我们可以看到：基本粒子构成了分子或原子；分子或原子构成了物体；岩石构成了岩体；岩体合成了地壳；山川、江河与湖海构成了人类生存活动的场所；地核、地幔、地壳与山川、河湖海洋及大气构成了地球；地球与月亮构成地月卫星系；恒星与行星组成行星系如太阳系的九大行星组成行星系；行星系组成恒星系如银河系；恒星系又组成宇宙。我们所说的物体就是指由自然宇宙中存在的所有这些质空部分联合而成的质空组合共同体或其中的任意一个部分。

物体可以以孤立体的形式运动与变化，也可以以组合体的形式群体运动与演化。在群体运动与演化的现象中，其部分可以独自运动与演化，而不与整体同步。但是，部分的运动与演化却构成了整体演化的一部分，直接关系到整体的演化发展进程。部分的运动现象就是整体的演化现象。所以，孤立运动现像是不存在的，运动只是忽视关系变化现象而得到的概念，运动的本质是物质关系变化现象或自然发展演化现象。虽然作用学研究的核心是作用，但因作用是物体的现象，作用学研究怎样也离不开物体，物体构成了作用学研究的基本对象，所以，作用学研究首先必须认识物体。认识物体的基本任务是认识物体的质空关系或物质关系。

§1.2.物体的虚实度

构成物体的客观实在部分被称为物质，物体所含物质的量叫质量；物体的物质占有物体的空间的量叫实量；物体内没有被物质占有的空间部分叫空量；物体的实量与空量之和叫体积。质量与体积之比叫密度.即

ρ=m/V.

作用学认为，构成物体的物质部分实际上就是物体的实在部分，构成物体的空间实际上就是物体的虚无部分，所以，物体的物质应称物体的实部，物体的空间部分应叫物体的空部。实部的量就等于实量，记为V_T；虚部的量就等于虚量，记为V_F.实量与虚量之和等于物体所占空间的量或等于物体的体积。即

V=V_T+V_F

实量与体积之比等于物体的实度，记为T，即

T=V_T/V；

虚量与体积之比等于物体的虚度，记为E，即E=V_F/V.虚度与实度之和等于1.即

F+T=1

通常人们所说的绝对真空就是虚度等于1、实度等于零的空间。若物体完全由物质构成，其内不存在任何空间，其实度等于1，其虚度等于0.实度等于1、虚度等于0的物体就叫实体。普通物体的密度^ρ与实体的密度^ρ_T之比等于普通物体的实度。即

T=ρ/ρ_T

绝对实体在宇宙中是不存在的，我们只能根据实际问题研究的需要确定实体。目前，人类发现的最密实的物体是中子星或黑洞(坍缩星)，所以，我们可以假定中子星是实体。但笔者认为，有中子星存在，就有比中子星更密实的物体或物质存在。我们只能假设中子星是实体。实体的变形能力小，抗变能力大；非实体的抗变能力小，可变能力大。所以，研究物体的虚实度对认识作用与变形之间的关系规律有着极其重要的意义。因此，确定物体的虚实度是必要的。如果假设宇宙中物体的最大密度是^ρ_T=2.3×10¹⁴克/厘米³，那么，水的实度是

T_水=^ρ/^ρ_T=4.35×10^-15

水的空度是

E_水=1-4.35×10^-15≈1

地球上发现的最大物质密度不超过20g/cm³，假设地球上最大物质密度是23g/cm³，那么，地球上密度最大物体的实度只不过是T=10^-13，其虚度也不过是E=(1-10^-13)≈1.因此，地球上的所有物体都是易变形物体。

在地球上，物质的虚实度都是相对而言的。我们可以假定地球上的最大物质密度是20克/厘米³的物体是实体，它的实度最大、虚度最小，其它物质的实度等于其它物体的密度与该实体的密度之比。单纯研究物体的虚实度或密实度都没有多大意义，只有与实际问题的解决联系在一起的概念与研究才有价值。一般来说，虚实度都是受作用物相对与作用物而言的。在实际研究中，我们只需研究作用与受作用两物体间的相对虚实度。如果作用物的密度是^ρ_T，受作用物的密度是^ρ，那么，受作用物相对于作用物的实度就是

T=^ρ/^ρ_T ，

受作用物相对于作用物的虚度是

E=1-^ρ/^ρ_T

这又多了一个问题，在探测研究中，所使用的探测工具不是实际工程建筑物，所以，在探测中不可以将探测工具的密度当作建筑物的密度来进行计算。受作用物的实度与虚度或受作用物相对于作用物的相对实度与虚度是衡量受作用物抗变性能的自然参数，它是物体的特有参数。

§1.3.宇宙

目前，天文学家能够观测到的空间半径距地球100亿光年，这个距离就是人类所能够认识的宇宙范围，等于宇宙的空间半径。也就是说，目前人类称之为宇宙的空间范围其半径是距地球100亿光年距离的球面所辖区域范围。天文学家借助于射电天文望远镜能观测到距地球100亿光年远处的天体现象，借助于电子显微镜能观测到原子的运行。到目前为止，人们以观测到宇宙空间中存在的10亿个星系，在微观世界可以了解到比原子更为小的粒子700多种，已发现原子107种，已发现的化合物更是种类繁多。目前可视半径100亿光年的空间范围被称为总星系。在这个总星系之外还会有其它星系，但目前观测不到。在总星系中，有密集成群分布的恒星密布区和稀散零星分布的恒星稀少区。恒星相对密集的区域叫星系。星系密集分布构成星系团。星系有各种形状和大校星系间距平均17亿光年以上。每个星系团中含有几十至几千个星系。星系的直径小的为0.34万光年，大的直径是850万光年。银河系是宇宙中的较大星系，其直径为10万光年。行星系是由恒星和围绕它旋转的行星构成的宇宙分子。行星又与它的卫星构成卫星系。比卫星小的就是陨星和宇宙尘埃，更小的是宇宙气体(分子和原子),再小的是那些高速运动的宇宙射线、高能粒子和电磁辐射与光辐射物质。除了以上所述的物质以外，再没有其它存在，只有广阔的空间。

在银河系有400多颗恒星，恒星排列成旋涡状，其厚度为1万光年。除恒星外，银河系还有许多星云。在银河系中的恒星大孝密度不等，恒星间距很大，至小几万光年以上。恒星分布的密度平均7万光年，即，7万光年距离有一颗恒星。太阳系是银河系中的一分子，是由一颗恒星(太阳)和九大行星组合而成的行星系，其直径只有118亿公里，合79天文单位(79×149.6×10⁶公里)。太阳系中的物质集中于太阳，九大行星以太阳为中心作旋转运行。除九大行星外，太阳系还又3颗卫星和许多小行星、彗星、陨星(流星)、星际物质、宇宙射线、高能粒子和电磁辐射等物质。九大行星中体积最大的是木星，最小的是水星，木星是水星的73500倍。离太阳较远的冥王星和离太阳较近的水星、金星、地球和火星有许多类似特性，它们体积孝密度大、卫星多、均是固体表面，重元素多。离地球较远的木星、土星、海王星和天王星有类似特性，它们体积较大、密度较孝没有固体表面，氢元素特别是气体元素较多。太阳系中唯一一颗恒星就是太阳。太阳直径为139.2万公里，为地球直径的109倍，其体积为141.152亿立方公里，约为地球体积的140万倍，其密度为1.41克/厘米³，约为地球密度的0.256倍，其质量为1.991×10³³克，约为地球质量的33.30倍。太阳是银河系中的一颗中等恒星，其中心的物质密度很大，为60克/厘米³，是铁的21倍，其表面的密度较小，为0.01g/cm³.太阳表面是气体，由多种元素构成，主要是氢、占气体总质量的71％，其次氦，占气体总质量的26.5％，再次是氧、碳、氮、氖等气体，约占2％，还有铁、镍、硅、硫、钙等约占0.4％以上，其余50多种元素不足1％.太阳表面是光芒四射的光球层，厚约300公里，平均温度5500℃，辐射强度为2×10¹⁰尔格/厘米³。太阳光由光球层发出向四面八方辐射传播，单位时间的总辐射量达3.8×10³³尔格/秒，单位时间传播到地球的辐射量只有1.8×10²³尔格/秒，绝大部分射向其它星体和太空。太阳系的九大行星表面几乎都有气体，只是大气层厚度、密度和成分有很大差别。与地球体积相近或比地球体积大的行星表面都有液态物质。彗星是来自太阳系以外的特殊天体。彗星似乎象行星一样绕太阳旋转，但轨道为椭圆形或抛物线形。流星是遨游在宇宙空间的星际尘埃。流星有的能垂直地面冲向地表，但大多数与地面呈斜交飞行状态。流星通过大气层运动因与大气碰撞或摩擦，大部分在落到地面之前就完全燃烧变成辐射物质与气体和灰烬，有的不能全部烧尽，其剩余部分则落到地面形成陨石。据统计，每年到达地球的陨星达数万之多，但只有很少一部分落下来成为陨石，落到陆地上的陨石平均每年不到一块。在广大天体之间的广阔空间也不是绝对的虚空，也是充瞒着物质的。这些物质主要是星际物质、宇宙射线和电磁辐射。星际物质是直径为0.3-3微米的星际尘埃和星际气体(主要由尘粒、无机物分子和有机物分子构成)。宇宙射线是来自天体的高能粒子。在宇宙空间普遍存在着这种高速飞行的粒子，其能量可达几亿到几十亿电子伏。地球是太阳系的一员，是宇宙中的一个尘粒。它绕太阳公转，自身还自转。月亮是地球唯一一颗卫星，月亮绕地球公转，自身也自转。地球表面的各种物质，可归结为固态、夜态和气态三种物质都是我们所熟悉的。在地表以下，地球有三层结构，地壳、地幔和地核。在微观世界，中子和质子等构成原子核，原子核与电子组成原子，原子或离子组成分子。在宇宙中那些高速运动的微观物质，如电磁辐射和宇宙射线，是最不容忽视的物质，它们既在微观世界控制着物质关系变化，也在宏观宇宙中控制着天体之间的关系，构成控制宇宙统一的最重要的作用物质。

总之，宇宙物质虽然复杂多样，但有着非常明显的统一规律。这一统一规律是由自然自身的作用统一规律决定的，而不是由神一类事物作用控制的。在宇宙中不存在神一类主宰自然发展与演变规律的东西，只有千差万别的运动物质与空间之组合体及其现象。我们只能着眼于自然，在自然宇宙中的物质关系及其变化与统一规律中找到其控制作用，建立科学的作用统一理论。

§1.4.方向数的概念

为研究宇宙统一规律，我们引入方向数概念。方向数是指物体运动的方向数、物质运动可以改变的方向数、宇宙中任意一质点与它周围物质相互联系的物质关系方向数、物质所在位置与它的中心之间关系的方向数和宇宙中物体受作用的方向数之总称。方向数概念是认识四种自然作用的本质与统一规律不可缺少的概念。方向数看起来是一个很简单的概念，其实，它并不是想象中的那么简单。试问：在宇宙空间物质可以作直线运动的方向数有多少？可能你会回答说有无数多。然而，这样回答是不正确的。相对于宇宙中心点来说，可以作直线运动的方向数是确定的，即

N=4πR²

式中，R表示宇宙的半径。也就是说，相对于宇宙中心而言，物质可以作直线运动的方向数等于以宇宙中心为原点、以宇宙空间的半径为球面半径的球面面积。虽然相对于其它任意点来看物质运动的直线方向数也有这么多(如图所示),但是，相对于不同点的运动方向线具有平行关系，相对于所有空间点的运动方向数所表明的意义都相同。也就是说，在宇宙中存在物质的运动方向数只有N=4πR²个。因此，宇宙中物质运动的方向数是一个确定的数，任何物体运动的方向都是N=4πR²个方向数之一。那么，物质可以改变的运动方向数有多少呢？也是N=4πR²个。在宇宙中的运动质点改变运动的方向，其新运动方向一定是N=4πR²中的一个方向。在宇宙中存在的任意一个物体，与周围所有外界物质中的任意一个质点之间的关系距离是一条直线，这些直线也与N=4πR²个方向线中的一条线平行。如果物体向四面八方辐射物质，那么，在N=4πR²个方向远处的所有物体都将接受辐射物质的冲击作用。如果在宇宙空间到处都存在来自N=4πR²个方向的微观运动物质，它们在任何地方都来来往往穿梭运动，那么，在宇宙中存在的任意物体(如天体)都将接受在N=4πR²个方向上运动的物质的冲击作用。在围冲背景下必然出现与引斥作用假象形成有关的屏护现象。

在自然宇宙之中，一切现象都是自然发生的，也是必然发生的。尽管在生物世界，有许多事由生物来控制，尤其是在人类社会，有更多事情由高智慧的人类来主宰，但是，就整个自然宇宙而言，一切事情都来自自然本身的发展规律，都受自然规律来控制，包括人类社会活动，都受不以人的意志为转移的自然规律所控制。而控制自然、生物、人类和人类社会发展演化的规律就是天然的质空关系规律或物质关系规律。一切自然现象都受制于质空关系或物质关系规律。