杨金城 （127389226@163.com）　2008.02

第2届全国爱因斯坦相对论学术会议 论文 发表在《时空理论新探》85—98页

能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则

是宇宙万物生存和演化的自然规律

杨 金 城

成都市静安路1号万科城市花园76—E—402 邮政编码028—84781926

前 言

什么是宇宙？“物质、运动、时间、空间的总体集合”就是宇宙 。什么是宇宙学原理？“能量最低原理，动态平称原理，自然选择法则”就是宇宙学原理。

当今世界，科学技术发展到了相当高的水平，科学家发现了许多自然定理和定律。但是，人们对已经发现的自然定理和定律，一般只关心的是它们说的什么，怎么用。对于自然界为什么会存在这样的自然规律，深入考究得不多。随着科学技术的发展，要深入认识宇宙万物生存和演化的本质，发现新的自然规律越来越困难。因此，我们必须加强基础理论研究，才有利于人类社会的继续发展。

作者经过多年的思考和研究，发现宇宙万物生存和演化的规律，就是“能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则”。从这个宇宙学原理出发，研究宇宙万物生存和演化的自然规律，是十分有效而可行的。本文从这个宇宙学原理出发，去探索可观测宇宙更深层次的问题。

人类社会发展的历史表明，科学发展的道路从来都不是一帆风顺的，会碰到各式各样的困难和阻力。但人类社会总要前进，我们从来都是在大风大浪中前进的，过去是这样，现在是这样，将来一定还是这样！

一 宇宙学原理概述

我们研究的宇宙，是以物质为基础的，实实在在的可观测宇宙。物质不灭定律，能量守恒定律，是我们的理论基矗宇宙万物生存和演化的事实表明，无论宏观世界还是微观世界，物质生存和演化的基本规律，都遵守我们的宇宙学原理。我们是辩证唯物论者，物质的存在及其状态，是我们研究宇宙问题的出发点。

能量是物体状态的标志，能量由下式表示：

----------（1—1）

（1—1）式表明，物体的能量；由静能、动能、位能三部份构成。物体的能量最低状态，就是指物体在一定的约束条件下，自然选择的最低能量状态。

（1） 球形结构是宇宙万物自然选择的能量最低状态

生活在地球上的人们，都能直接看到太阳和月亮是球形状态。人造地球卫星和宇宙飞船发回的照片也清楚地表明，太阳系的九大行星及其卫星都是球形。无论太阳系的成因是宇宙尘集聚还是恒星爆炸而来，太阳系中的天体都成球形这是事实；天体观测的结果也表明，宇宙中的天体大都呈现球形状态，这就充分表明，宇宙学中的天体都自然选择能量最低的球形结构，以利天体的生存和演化。

将盛有水银的杯子带入太空舱中，水银会自然选择形成球形结构；小朋友们吹出的肥皂泡，自然形成球形；从水下上升的气泡，自然形成球形上升；泼向空中的水，自然形成球珠落下等等。这些事实，就等于从实验上证明了，宏观物体为了获得能量最低和动态平衡状态，都自然选择球形结构道理。

天体测量表明，太阳由 71 % 的氢，27% 的氦，2% 的其它元素组成。气体是最容易形变的物质，太阳自然选择球形结构，就是为了实现能量最低和动态平衡的缘故。宇宙中数以亿计的恒星，主要也由氢气组成，它们也自然选择球形结构，以此保持天体的能量最低和动态平衡状态，以利自身的生存和发展。

组成物质的原子是球形；组成原子的电子和原子核是球形；组成原子核的质子和中子是球形；各种基本粒子是球形；动物的血球是球形；生物体的细胞也是球形等等，微观世界也是球形世界。

事实充分表明，无论固体，液体，气体，在重力场或失重状态下，都自然选择能量最低的球形结构。几何原理表明：“在一切表面积相等的物体中，球体具有最大的体积”。反过来，“体积相等的物体中，球的表面积最斜。物质结构原理告诉我们，体积相等的物体中，表面积最小者能量最低，最稳定。

（2） 宇宙万物都要自然选择动态平衡状态

地球是太阳系的一员， 是宇宙沧海中的一粟，是人类生活的家园。在地面上静止的铁环倒在地上，滚动着的铁环不倒；静止的陀螺倒在地上，旋转着的陀螺东奔西跑也不会倒下；杂技团的自行车、摩托车、汔车能在环形壁上奔跑不会掉下来等等，事实表明，运动着的物体更能保持动态平衡状态。

地球在绕太阳公转的同时还要不仃地自转，以此来维持自己在太阳系的动态平衡。太阳系的其它行星与地球一样，由

公转和自转来维持动态平衡。地球的公转产生向心势能和离心势能的平衡，维持着地球公转轨道的平衡；星球自身质量产生的引力和星球自转产生的离心斥力，维持着星球自身的动态平衡。

行星绕太阳公转的轨道大都是椭圆，而且运动轨道几乎都在同一个平面内，这都宇宙学原理作用的结果。行星为了自动调节动态平衡，在过近日点时运动得快，地球运行到靠冬季这半年为179天；过远日点时运动得慢，靠夏季这半年为186天，自动调节了状态平衡。其它行星也具有这样的特性。行星轨道无论是圆形或椭圆形都是稳定的，这是由于行星在轨道上的运动方向，总是垂直轨道半径的，没有相对论的时空伸缩，轨道半径不发生变化，这就是轨道稳定不变的道理。

运动是地球和行星生存的基本条件，如果说它们一旦仃止运动，必将失去动态平衡，被太阳拉入怀抱，藏身火海。人造地球卫星的R、T、V数据表明，卫星完全符合行星运动的规律，这就等于从实验上证明了有心力场作用原理的正确性。

天体观测表明，宇宙大约由1000亿个以上的星系构成，宇宙中的天体，无论星系，恒星，行星，都在永不仃息地运动着，既要公转又要自转。行星要自转，恒星要自转，中子星要自转，黑洞也要自转。天体成球形并不仃地转动，是产生和维持动态平衡的自然规律。天体以稳定平衡为生存和演化的条件，稳定平衡又源于动态平衡，动态平衡又源于能量最低状态，能量最低是基础的基矗

宇宙万物，都具有自然选择能量最低和动态平衡状态的本能，我们称之谓自然选择法则。

二 从宇宙学原理看牛顿三大定律

牛顿在前人科学研究成果的基础上，总结出了力学三大定律，给现代科学研究奠定了理论基矗

（1）牛顿第一定律

物体在不受外力作用，或者所受合外力作用为零的情况下，静者保持恒静，动者保持匀速直线运动，这就是牛顿第一定律，又有人称“惯性定律”。

惯性概念是马赫误导的结果。马赫认为：“惯性力在本质上是一种引力”（世界科技英才录——科学思想卷，上海科技教育出版社）。王永久认为：惯性力是一种虚构的力，“这种虚构的力的本质是什么呢？在经典力学和狭义相对论中这是不可理解的”（空间、时间和引力 湖南教育出版社）

[图2—1]所示，小车在光滑的平面上运动时，它不需要克服任何阻力，也不向外辐射能量，小车保持自身的动态平衡状态，这就是牛顿第一定律的本质。

[图2—2]所示，小车在有摩擦的平面上运动时，受到平面的摩擦阻碍作用。如果给小车一个外力作用，并使外力刚好抵消摩擦阻力，小车也将维持着匀速直线运动，保持动态平衡的状态。

简而言之，牛顿第一定律，就是宇宙万物自然选择动态平衡状态的体现。

（2） 牛顿第二定律

物体受到外力作用时，物体的能量最低状态和动态平衡状态都将发生改变。物体总要千方百计地力图维持能量最低和动态平衡状态，它将产生加速运动，加速度的大小，与物体受到的外力成正比例。

F =---------（2—1）

（2—1）式表明，当物体的质量m为恒量时，第二项为零，公式就变 ，这是人们熟悉的牛顿第二定律。在相对论场合里，牛顿第二定律比较复杂，分纵向相对论和横向相对论两种情况处理。

（3） 牛顿第三定律

当物体受到外力作用时，物体也会力图维持能量最低和动态平衡状态，它必将产生形变，维护自身在新条件下的稳定平衡状态。物体将产生一个反抗形变的弹力，弹力的大小与外力大小相等方向相反，使物体保持在新的条件下的能量最低和动态平衡状态。这就牛顿第三定律的本质。

F = — F^` -------（2—2）

牛顿三大定律的本质，就是能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则的体现。

三 从宇宙学原理看开普勒三大定律

宇宙中的天体，都处在永恒地运动之中。天体在万有引力与离心力的作用下做圆周运动，并保持能量最低和动态平衡状态。开普勒在继承弟谷天体观测成果的基础上，总结出了行星运动三大定律，人称开普勒三大定律。

宇宙中天体的运动，为什么自然遵守开普勒三大定律呢？我们用宇宙学原理来回答这个问题。有人做了下面的实验：

[图A]所示，在菱形中，将内四条边系于外四边形的四条边上，然后将它放入肥皂液中浸泡一下取出，上面就有一层肥皂膜，用针将菱形图内的肥皂膜剌破，它就自然选择[图B]所示的最大面积正方形状态。·[图C]所示，是一个不规则的多边形，用针剌破多边形内的肥皂膜，它就会变成[图D]样子，自然选择最大面积的圆形状态。

可以用数学原理证明，面积相等的凸多边形中，圆的周长最短。几何原理还告诉我们：“在一切具有相同体积的几何形体中，球体具有最小的表面积”（蔡宗熹 《等周问题》人民教育出版社 1964年5月）。

物理学原理告诉我们：相同体积的物体中，表面积最小者能量最低。宇宙中的天体自然选择球形结构，就是受能量最低原理和动态平衡原理支配的结果。

（1） 开普勒第一定律

开普勒第一定律表明，行星绕日运动的轨道为椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上

太阳系中的行星是在有心力场中运动，运动轨道都保持动态平衡的路线——圆或椭圆，而且行星轨道都在同一个平面内。宇宙中的星系，以及星系中的天体，它们都与太阳系类似，天体都围绕着星系的中心运动。就象银河系一样，天体都围绕着银心转动。星系的中心必定在椭圆的一个焦点上，而且质量较大，并维持着所有天体的能量最低和动态平衡的状态。

（2） 开普勒第二定律

开普勒第二定律表明，行星在绕太阳运动的过程中，在相等的时间内，扫过的面积相等 。

开普勒第二定律，表明了行星绕日运动时，遵守角动量守恒的规律。地球在绕太阳运动时，过近日点时运动得快，过远日点时运动得慢，自动调节了动态平衡；哈雷慧星过近是点时也运动得快，过远是点时也运动得慢；人造地球卫星也能自动调节状态平衡，这就等于从实验上证明了开普勒定律的正确性。

（3） 开普勒第三定律，

开普勒第三定律，是利用万有引力与离心力的平衡关系，进行数学处理，结合圆周运动的周期关系推导得来的。

由 与 相等，得 将 代入左式，并令r=a得 ------（3—3）

（3—3）式表明，能量由椭圆的半长轴决定，与短轴无关，这叫做能量状态的简并。

太阳系中的九大行星，并非都是标准的球形，它们的自转轴就不是准中心轴，所以行星在运动中就会产生进动。水星会进动，地球会进动，每一个行星都会进动，只不过进动量大小不同而已。天体都在进动，但绝大多数天体，都有自动调节运转轨道闭合的本领，所以行星轨道都是稳定的。

四 从宇宙学原理看量子理论

普朗克创立的量子理论，是20世纪科学伟大成就之一。普朗克利用量子假设得出了黑体辐射的正确公式

（1）从宇宙学原理看原子的核式结构

1911年，卢瑟福在ά 粒子轰击金箔实验结果的基础上，提出了原子的核式结构。紧接着玻尔又在原子核式结构的基础上，提出了原子中电子分层绕原子核运动的量子化理论。原子光谱规律的发现，有力地证明了原子中的电子，绕原子核分层运动的量子化规则的正确性。

电子在原子核的库仑力作用下，绕原子核做园周运动，属于微观粒子在有心力场中的运动。根据园周运动向心力和库仑力关系可得：

rv=Z----- （4—2）

电子的能量由椭圆的半长轴来决定，与短轴无关，这叫做能量的简并。（4—2）式表明，电子绕原子核运转，R大V小，R小V大，与行星绕太阳运动的规律相似，故有人称原子模为行星模型。

在通常情况下，原子中电子排列的规律，是按能量最低原理进行，自然选择其排列的次序。

1S2 S2 P3 S3 P4 S4 P3 d--- -----------（4—3）

（4—3）式表明，电子在原子中的排列，服从量子化理论，遵守泡利原理和洪特规则。这些理论，原理和规则，都是能量最低原理和动态平衡原理的体现。原子中电子绕核运转为什么要分层呢？因为电子是原子中不可分割的微粒，且带同种电荷，电子与电子之间的斥力作用，使它们彼此分开，所以电子要分层绕核运动，以此维持能量最低和动态平衡状态。

当原子受到于扰时，有些电子可能从较低能带跃迁到较高能带。但凡是处在激态上的电子，都要寻找一切机会释放能量，跃迁回低能带上去，使原子处于能量最低的稳定状态。

（2） 从宇宙学原理看原子核中质子和中子的排列规律

原子的核式结构被公认之后，人们纷纷提出各式各样的原子核模型：液滴模型；α粒子模型；费米气体模型；行星模型等等。这些模型都只能说明一些现象，都有无法克服的困难。究其原因，是没有弄清楚建立这些模型的理论基础是什么？原子核中质子和中子之所以要结合成球形，就是受能量最低和动态平衡的宇宙学原理支配的结果。

X射线探测表明，原子核是球形，其大小可用表示，A为原子核中的核子总数。r₀为常数

1。210^-15m为一个常数 。各种原子核的密度也基本相同，约为每立方米10¹⁴吨。

---------（4—4） N是阿伏加德罗常数

（4—4）表明，原子核的密度是一个常数。原子核要结合成球形，质子和中子就必须以正四面体；正六面体；正八面体；正十二面体；正二十面体为基础来进行，这样原子核的重心和原子核的几何中心才重合。可以证明，在体积相等的正多边形中，球的表面积最小，能量最低。

伟大的科学家门捷列夫发现的元素周期表，揭示出了原子从量变到质变的规律。元素周期表，打开了人类认识微观世界规律的科学大门。

综上所述，原子自然选择核式结构，就是受能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则支配的结果。

五 从宇宙学原理看相对论

1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》，相对论从此宣告诞生！

当人们回顾上个世纪科学技术发展的历史时，不能不谈到爱因斯坦的功绩。无论你是相对论的支持者，或是相对论的否定者，都应当承认相对论和量子论的出现，有力地推动了20世纪科学技术地发展。相对论在人类科学发展史上，必将写下光辉的一页。

（1） 从宇宙学原理看相对论的时空世界

什么是相对论？相对论，就是“研究相对运动系统内，物质运动变化规律的科学理论”。这就是说，在相对运动的系统中，要有物质存在才是相对论，没有物质存在的时空关系，不是相对论。

什么是相对论的时空变换？就是“分别在相对运动系统中，测量同一事件的时间和空间之间的关系”，就叫相对论的时空变换。同一事件，是相对论时空变换的核心。在相对运动系统中，两个孤立事件的时空关系，不是相对论的时空变换。

我们的相对论时空世界，是建立在动态平衡原理基础之上的时空理论。下面，我们利用在两个相对运动的物理参考系中传播的光（物质），来推导相对论的时空变换。在我们的相对论里，惯性是没有立足之地的。换句话说，我们的相对论，是建立在宇宙学原理基础之上的一座科学大厦。

[图5—1]所示，在τ=t=0时，两个系统Σ和Σ^，重合。当Σ^，相对于Σ以速度v向右匀速运动的同时，从坐标原点射出一光信号。在Σ^，中用τ计时；在Σ中用t计时。光信号从原点出发，在Σ^，中经过时间τ；在Σ中经过时间t，到达同一点P。对于光信息从原点出发，到达P点这个同一事件有下列时空关系：

-----（a） -----（b）

将（a）和（b）两式平方后相加得：

经移项整理得： --------（5—1），

[图5—2]是在[图5—1]的条件下，改变光的传播方向，则有：----（c） -----（d），将（c）（d）两式平方后相加得：

经移项整理得： ---（5—2）

（5—1）式和（5—2）式，都是相对论时空变换的一般表达式，它们都将纵向相对论，横向相对论，超光速运动相对论的时空变换包含在其中。两个公式还充分表明，相对论的时空变换，与相对运动系统内物质运动的方向密切相关，这就充分揭示出了相对论时空的方向特征。

（2） 相对论能被彻底否定吗？

相对论由于思维的抽象，数学表达的深难，人们难于理解它。20世纪末期，洛伦兹变换被论证不是狭义相对论普适变换的情况下，有人提出否定相对论。1997年10月14日，科技日报上刊登顾钢编译的文章，《挑战经典理论——爱因斯坦相对论正确吗？》介绍了乔治——加莱斯基和彼得——马古德合著的一本书，这是一本否定相对论的代表性著作。1998年夏天，在俄罗斯举行的世纪论战学术会议上，肯定与否定相对论，也是争论的焦点。相对论究竟存在不存在？一个严肃的问题，摆在理论物理工作者面前。

“冷眼向洋看世界，热风吹雨洒江天。”人们要静下心来，认真思考和研究一番相对论。正如爱因斯坦所言，狭义相对论既使他没有发现，别人迟早也会发现的。爱因斯坦相对论有缺陷，并不等于相对论不存在。地球人想一想，不用相对论原理和方法，我们怎么去研究运动着的系统内物质运动变化的规律？又怎么去研究宇宙呢？相对论是客观存在的科学理论，相对论是否定不了的！

当前否定相对论有以下主要的错误观点：

第一， 用没有物质存在的两个空坐标之间的时空关系，当成相对论的时空变换去否定相对论。

第二， 用两个孤立事件之间的时空关系，当成相对论的时空变换去否相对论。

第三， 在相对运动系统中，丢掉了同一事件这个时空变换的核心，用非相对论的时空关系，当作

相对论的时空变换去否定相对论。

对于上述问题，只要用“什么是相对论？”“什么是相对论的时空变换？”这两把尺子一量，对与错就清楚了。

“莫道昆明池水浅，观鱼胜过富春江。” 中国的科学技术工作者，要向袁隆平先生学习，象袁先生研究杂交水稻一样，走中国人自已的科研道路，不怕别人嘲笑我们“无知”，古往今来“无知者”打败有知者的例子很多。我们要走：“古为今用，洋为中用，自力更生，奋发图强”科学研究道路，只有这样，我们炎黄子孙，才能在中华民族复兴的大道上阔步前进，再创人类进步的辉煌业绩！

六 从宇宙学原理看热力学和统计物理学

热力学和统计物理学，是建立在“能量最低原理，动态平衡

原理，自然选择法则”宇宙原理基础之上的理论。

（1） 麦克斯韦速度分布及其能量状态

克斯韦经过研究，得出了微观粒子的速度分布规律。

------（6—1）

对（6—1）式进行数学处理，得到：统计平均速率；均方根速率，最可几速率，其大小关系是：

--------（6—2）

微观系统在一定的条件下，都将自发地从几率较小的状态，过渡到几率最大的状态，系统最终都要达到状态平衡。凡是处于状态平衡下的微观系统，粒子的无序化程度最高，能量最低，熵最大，最稳定。

因此，微观系统达到状态平衡时，系统的真实状况，应当是能量最低的最可几状态。

-----（6—3）

（2） 微观系统的能量、温度、能量均分定理

（A）利用统计平均能量定义的温度和能量均分定理

统计平均能量：----------（6—4），

玻耳定义的绝对温度：-----------（6—5）

能量均分定理是： ----------（6—6）

（B）利用系统处在状态平衡时，熵最大，能量最低定义的温度和能量均分定理

能量最低状态时系统的温度：-------（6—7）

平衡状态下的能量均分定理是： --------（6—8）

现行的热力学和统计物理学，用统计平均能量来定义温度时，玻耳兹曼人为地引入一个2∕3常数。物理公式中能随便引入常数吗？任意引入了常数的物理公式正确吗？正确的物理定律及其表达式，应当是自然地导出，才是正确而可靠的。 玻耳兹曼将熵变原理公式，留刻在他的墓志铭上，可见微观系统的能量最低状态是很重要的。根据微观系统达到状态平衡时，无序化程度最高，能量最低，熵最大的道理，

现行物理学中的相关公式应当作出修正。

七 从宇宙学原理看物体的磁化与退磁

磁性物质分为顺磁、抗磁、铁磁三种。磁性物体在结构上由磁畴组成，磁畴是一些区域性磁化的微小个体。无外磁场作用时，磁畴作杂乱无章地排列着，对外不呈现宏观磁性。当外加磁场作用在磁体上时，磁畴在磁场力的作用下，经过畴壁位移或磁畴反转，磁畴作有规则的定向排列对外呈现出宏观磁性。

磁性物质分为软磁和硬磁。所谓软磁，就是已经被磁化了的物体，当外加磁场去除后，磁畴自动从有序向无序转化，磁畴恢复杂乱无章的排列，磁体就自行消除了宏观磁性。所谓硬磁，就是当物体上的外加磁场去除后，大部份磁畴仍能保持原来的有序取向，对外保持一定的磁性。

磁体被磁化的实质，就是当外界向磁体注入能量时，磁体的能量增加，磁畴从无序排列向有序排列转化，对外磁体呈现出宏观磁性。去磁就是当外磁场去除后，磁体就自行释放能量，磁畴自发地从有序向无序转化，最终自然选择能量最低状态的无序分布，物体就失去了宏观磁性，这就是去磁。

磁体的磁化和去磁，就是磁体为了获得能量最低和动态平衡状态，自然选择的结果。

八 从宇宙学原理看超导特性

物体的导电的能力决定于两个条件：第一，导体能提供的带电粒子的多少；第二，带电粒子在导体中易于定向运动的程度。

在原子中，同一个能态上若有了两个电子，它们的自旋方向必定相反，这就是泡利原理。泡利原理的实质，就是原子自然选择能量最低状态的体现。两个电子自旋反向排列在一起，它们的能量交换积分最低。导体的价电子公有化后，它们便自然选择成对地结合在一起，形成自旋反向的电子对。

超导体导电与普通导体导电没有本质上的差别，同样是自旋反向的电子对在导体中定向运动的结果。导体与超导体的差别是，一般导体的电子对分布在导体之中，如[图8—1]所示；超导体的电子对分布在导体的表面，如[图8—2]所示。当外加电压时，电子对就在超导体的表面畅通无阻地定向运动，所以电阻率极小，这就是超导体导电的本质。

电子对的产生，是能量最低原理作用的结果，不是什么虚声子作用制造出来电子对。人们都还记得，当超光速现象出现时，就有人人为地引入虚速度、虚质量来满足洛仑兹变换的需要。这样虚、那样虚，说穿了都是人为地凑合。

超导体为什么具有抗磁性呢？当外加磁场作用于超导体时，超导体的能量状态相应升高，分布在超导体表面的电子对，为了维持超导体能量最低和动态平衡状态，电子对中一半电子将改变自旋的排列方向，使所有的电子自旋方向一致，产生一个反向磁场，以抵抗外磁场的作用，维持超导体的能量最低和动态平衡状态。外加磁场的大小有个限度，当外加磁场超过临界值时，会引起原子实磁感应而扰动，从而破坏物体的超导特性。

在超导状态下，外加电压也不能太大，外加电压过大也会使用原子实受电磁力的扰动，破坏原子实的有序密排列，干扰和阻碍电子对的定向运动，进而破坏物体的超导特性，这就是临界电场原理。

九 从宇宙学原理看纳米特性

纳米技术，是20世纪80年代末期出现的新技术。将构成物体的物质加工到纳米尺寸大小之后，材料就呈现出许多人们预想不到的、稀奇古怪的的特性。纳米材料特性，用宇宙学原理最好说明。

假设将有一个半径为1毫米的小球，研磨成半径为10纳米的球形颗粒后，表面积就扩大了100000倍，物体的能量大大提高了，物质的活性也就大大地增强了。 物质能量状态提高后，就导致了物体的物理、化学、生物、冶炼、---特性的改变。例如：块状金的熔点是1337K，将金颗粒制成2nm大小后，其熔点降为600K；块状银的熔点是1173 K，银纳米化后，熔点降为373K。

金、银、铜、铝等等都是强反光材料，纳米化后，它们都变成了强吸光材料，变成了黑色物质。这就是当光照射到纳米材料时，由于光波波长与晶粒尺寸相当，就容易产生共振吸收，反射很小，金、银、铝也会变成黑色物质。当物质微粒尺寸纳米化后，还容易诱发晶体振荡，导致晶体的晶格断裂，引起声、光、热、电、磁等物理性质变化。金属大都是电的良导体，纳米化后，晶粒活性大大增强，原子实无规范则振动强烈，不能给载流子提供顺畅的通路，所以纳米化后有的物体的导电能力变得很差，甚至变成了绝缘体。纳米特性的实质，就是物质微粒化后，能量状态极大地提高了的体现。

纳米材料由于活性很强，容易产生化学反应，有些纳米材料还可以当催化剂用。任何化学反应，都爱能量最低原理，动太平衡原理，自然选择法则的支配。用宇宙学原理来研究化学反应，是最有效的方法。

任何物体的性质，都决定于物体的能量状态。物体的能量提高了，组成物体的分子的活泼性就增强，物体的稳定性就降低。

十 从宇宙学原理看光的传播规律

（1）关于光子问题

光是宇宙中传递信息的使者，光具有波动和粒子两重性，光的传播速度是恒定的。光的一种能流，质量是能量的载体，没有质量就没有能量。现在出现的所谓虚时空，虚粒子，负能量就是一种误导。根据质量和能量的关系，可以得到光子的质量。

----------(10—1) ε= -----(10—2)

非常明显，能量公式都是包含质量的表达示。在微观领域中，电磁场能，玻尔磁子，核磁子等等，没有不包含质量的，宇宙中没有质量为零的物质存在。光的穿透能力的强弱，就决定于光子的质量，可见光的穿透能力弱，X光的穿透能力强，就是由质量大小决定的。

下表是光子的频率，能量按相对论关系计算出的光子质量，依据的公式是

从上表可以得知，γ射线光子的质量是无线电长波光子的质量的10²⁴倍，粒子的质量是随速度而变的，动质量m以静质量m₀的1，5倍为极限。要获得更高能量粒子，单凭提高被加速粒子的速度办不到，只能提高被加速粒子的质量来实现，相关内容，请参阅（《相对论再思考》[第一届全国爱因斯坦相对论问题学术会议论文集] 地震出版社 2002年7月）。

（2） 光的传播特性

光的传播遵守费马原理和独立传播特性。费马原理告诉我们：“光从空间一点传播到另一点，是走光程为极值路径的。”费马原理正是宇宙学原理的体现。

从空间一点Ａ射出的光，经平面镜反射后要它通过另一点Ｂ，光的路程应怎么走呢？根据费马原理，从A点射出的光，要在平面镜MN上反射后通过B，光程必须走极值路径。

从Ｂ作ＢＣ⊥ＭＮ，取ＢＣ＝ＣＤ，连ＡＤ交ＭＮ于Ｏ，连ＯB则ＡＯＢ就是走的极值路程。光走A ·

的极值路程，也自然的符合光的反射定律，也正是能量最低和动态平衡的宇宙学原理的体现。

（3）球面镜成像原理及其正确的作图方法

光的反射定律，是曲面镜成像原理及其正确的作图方法的基矗现行的光学著作中，人们都根据由球形折射面的近似关系，得出的高斯薄透镜方程来进行近轴作图。近轴作图的结果，不满足费马原理，也不符合高斯成像公式。准确的球面镜成像作图问题并不难，只要紧紧抓住费马原理或光的反射定律来进行，问题就解决了。下面我们以球面镜成像原理及其正确的作图方法来说明。

（A）凹球面镜成像的正确的作图方法[图10—2] 所示：

（1）从物A作通过球心C的入射光线ACM，交镜面于M，其反射光线必然是MCA。

（2）从物A作射向顶点O的入射光线AO，其反射光线必然为OP，且有∟AOC=∟POC。

两条反射光线MA和OP的交点A^，即是A的像。

（B） 凸球面镜成像的正确的作图方法[图10—3] 所示：

（1）从物A作射向球心C的入射光线AC交镜面于G，其反射光线必然是GA。GA的延长线为GC。

（2）从物A作射向顶点O的入射光线AO，其反射光线必然是Oq，且有。GA和Oq两条反射光线的延长线GC和ON的交点A^，，即是A的像。

[图10—2]所示，分别从A和Á向主轴作垂线AS和ÁŚ，得相似三角形∆AS0 ~∆ÁŚ0；∆ASC ~∆ÁŚC，由相似三角形得到

和 -------（10—4）

令物距SO=u 象距 ŚO=v 球面半径为R，将这些参数代入（1）式并经过移项整理得到：

--------（10—5）

[图10—3]所示， 采用[图10—2]同样的方法处理，可以得到凸球面镜的成像公式

--------（10—6）

上面，我们仅给出了球面镜成像的正确图方法，若将这种方法应用于抛物面镜；双曲面镜；椭球面镜的成像作图，也能得到正确的结果。并可以证明，其结果都符合费马原理，遵守光的反射定律。详细内容，请参阅《曲面镜成像原理及其正确的作图方法》，四川师范大学学报（自然科学版）1996年第19卷增刊——西南四省区物理学会联合学术会议教学专辑 51—54 。

十一 从宇宙学原理看数学物理方程

宇宙中大到天体，小到基本粒子，都要自然选择能量最低和动态平衡的状态。人们发现的自然规律，都要用数学物理方程的形式表述出来，才能获得实际应用。数学物理方程正确与否，看它是否符合能量最低原理和动态平衡原理，这是检验数学物理方程正确性的唯一标准。

（1）从宇宙学原理看自自由落体和变分法

在地球引力场中，物体自由落下的运动规律，满足自由落体运动方程，也是短程线方程。

---------（11—1）

（11—1）式，就是自由落体运动方程，它与物体的质量无关。

如果让物体沿着光滑的软杆下落，在此约束条件下，物体将自然选择地走能量最低和动态平衡的最速降落曲线。

这里的变分，就是求m从A到B的最短时间。函数的函数称泛函，求泛函的极值叫变分。

（2） 从宇宙学原理看拉格朗日方程

在研究数学物理方程时，人们从能量最低的角度出发，寻求建立满足极值条件的数学物理方程。在拉格朗日、达朗贝尔、哈密顿、泊松等科学家们的努力下，以动能T与势能U为基础，建立起了一系列的数学物理方程，有力地推动了现代科学技术的发展。

在建立数学物方程时，人们必须根据能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则来建立数学物理方程来。比如动能，它就是从相对论的能量出发，利用二项式定理展开自然得出的动能E_K，或者根据自由质点从运动到质点静止下来所消耗的功来定义E_k：

-------（11—3）

这里的（1 2）不是随意引出来的，是自然得到的结果。

根据牛顿第二定律的质点微分方程移项得（10—4）式，F为主动力，N为约束力。

------（11—4）

再利用哈密顿原理，结合拉格朗日函数L，就可以建立最小作用量原理积分方程式（11—5）式。 ---------（11—5）

最小作用量原理，就是要（10—5）式的积分为一个极值。这就表明拉格朗日方程，也是建立在能量最低原理，动态平衡原理基础之上的理论。利用拉格朗日函数，就能确定粒子运动轨迹随时间变化的规律，这是一条科学研究的有利之路。

（3） 数学物理方程与拉普拉斯变换

数学物理方程的求解，是比较麻烦的。拉普拉斯提出了一种变换，将边界条件包含在内的数学变换，使其解拉普拉斯方程的结果，再求反演而得到其解，使求解数学物理方程变得简单容易了。限于篇幅，这里就不详述了。

-------（11—6）

（11—6）式就是拉普拉斯变换公式。解数学物理方程时，首先对方程进行拉普拉斯变换，然后求拉普拉斯方程的反演，就得到方程的解。数学物理方程的内容十分丰富，这里只是从宇宙学原理，说明数学物理学方程的建立方法及其重要意义。

十二 结 论

1， 物质、运动、空间、时间构成的宇宙中，物质生存和演化的规律，就是能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则的宇宙学原理。

2， 宇宙万物生存和演化的规律，是从有序向无序发展，从高能态向低能态转化。生物的生存和进化，是有序和无序有机地、能动地、自然地进行。从外界吸收能量使无序向有序转化，释放能量就从有序向无序转化。生物体的生命过程，就是生物体进行自组织、自发展、自完善的过程。

3， 一切自然科学规律，都要以数学物理方程的形式表达出来，才能服务于人类社会。建立数学物理方程，检查数学物理方程正确与否的尺子，就是宇宙学原理。符合宇宙学原理的数学物理方程，才正确地表述了物理规律。

4， 宇宙学原理是认识宇宙，研究宇宙自然规律的基矗宇宙万物的生存和演化，都可以从能量的变化表现出来，能量真正具有统一场论特征，地球人应当在能量的研究上狠下功夫。

参 考 文 献

1 爱因斯坦 论运动物体的电动力学 《 相对论原理 》 科学出版社会 1980

2 成都电讯工程学院编 《热力学和统计物理学》 北京科学教育出版社 1961。7

3 自然科学史研究所主编 《中国古代科技成就》 中国青年出版社 1978

4 杨金城 狭义相对论再探讨 《第七届全国理论物理前沿基础研讨会论文集》 1993。7

5 杨金城 狭义相对论新时空观在现代物理中的作用和地位 《大自然探索》 1994。4

6 杨金城 曲面镜成像原理及其正确的作图方法 四川师范大学学报第19卷增刊 1996

7 杨金城 二维时空相对论及其应用前景 《贵州师范大学学报》 第16卷增刊 1998

8 杨金城 超光速运动相对论 《贵州师范大学学报》 第19卷增刊 2000

9 杨金城 多普勒效应的宽带原理及其应用 《通信世界》 2001。16期

10 杨金城 光通信器件的设计基础 《网络电信》 2001。1—2期合刊

11 杨金城 相对论新时空观在现代物理学中的作用和地位 《相对论再思考》 2002。7

12 杨金城 相对论的基本原理 《科学中国人十年优秀论文逊 人民日报出版社 2003。11

13 杨金城 从宇宙学原理看宏观世界的动态平衡 《科学中国人十年优秀论文逊 2003。11

14 杨金城 关于理论物理几个基本问题的探讨 《科学中国人》 2004。12期

15 杨金城 相对论新论的基本原理——纪念爱因斯坦相对论发表100周年 四川师范大学学报

（自然科学版）增刊 2005年7月

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