介质浮力存在的普遍性

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介质浮力存在的普遍性

段灿光

摘要：由于宇宙中不存在绝对没有物质的自然真空和人造真空，故凡在太空作机械运动的天体和人造物体，必然受到空间内介质的浮力作用和阻尼作用。本文只讨论介质浮力，文中通过分析空气对自由落体运动的影响，推论介质浮力在宇宙中存在的普遍性，并由此论证了机械运动对宇宙万事万物、以及对宇宙演变的决定性影响。

1、亚里士多德和伽利略的介质阻力与落体运动

在物理学史及哲学史上，人们对大气中自由落体运动的认识，经过了较长时期的争论。古希腊的大哲学家亚里士多德认为：“体积相等的两个物体，较重的下落得较快，”他甚至说，物体下落的快慢精确地与它们的重量成正比。亚氏的这一观点，曾流行了近二千年。直到近代，随着实验技术和计算理论的发展，人们才逐渐认识到亚氏学说并不准确。1604年伽利略从理论和实验两方面统一了落体运动的观点，形成了完整的落体运动理论。伽利略指出，物体下落的高度与时间的平方成正比，而与重量无关，即落体运动是匀加速的；通常看到不同物体下落之所以有快慢，并不是由于重量不同，而是由于空气阻力。伽利略曾在比萨斜塔上，用两个重量不同的铅球自由下落同时落地的实验证实了他的理论。

实际上，不管是亚里士多德，还是伽利略，在他们研究落体运动规律时，均已注意到了介质的影响。亚氏认为：“下落运动的快慢有两个原因：第一个是运动所通过的媒质不同（如通过水或土或空气）；第二个是运动物体自身轻或重的程度不同，如果运动的其他条件相同的话。”因此亚氏关于落体运动的定律是：“物体下落的时间与重量成反比，如果一物重量是另一物的两倍，则在同一下落中只用一半的时间。”其实第一个原因就是指介质对落体运动的影响。显然，介质密度愈大，对落体运动影响愈强；介质密度愈小，影响愈弱。第二个原因指落体比重（应该是密度，但在地表重力场中，物体的比重跟密度是等价的）不同对落体运动的影响。跟亚里士多德相比，伽利略对介质阻力的研究更为细致。1590年伽氏在《自由落体》一书中写道：“假如人们让一个铅球和一个木球从同一座高塔上同时下落，那么铅球下落得要快得多。”他曾考虑过这样一个实验，用铅、金、木头三种材料分别制作三个球，让这三个球依次在水银里、水里和空气里下落。由于这几种物质的比重成如下的关系：金＞水银＞铅＞水＞木＞空气。所以，在水银里，只有金球往下落；在水里，金球和铅球都往下落，但金球较快；在空气中，三个球都往下落，但木球最慢。由此说明液体和空气的阻力对自由落体运动具有重要的影响。伽利略认为，如果完全排除空气，那么所有物体下落得同样快。

如此看来，虽然亚氏和伽氏都已注意到了介质阻力（实质他们研究的仅是介质浮力，未包括介质阻尼力。这里为尊重原述，仍称介质阻力），但受当时科学技术水平的限制，他们对介质阻力的认识是模糊的，缺乏深入的量化分析。居于这点，亚氏推测介质阻力的大小跟落体密度成反比，或跟介质密度成线性正比均属错误的量化。伽氏理论必须在绝对无介质的真空中才成立。而真实情况是，在地球上，甚至在整个宇宙间也找不到这种真空环境，这无疑限制了伽氏理论的实际应用。即使在特定的条件下，伽氏理论也只能是真实落体运动的一种近似。对于高密度落体，空气浮力和空气阻力与重力相比均非常小，完全可以忽略不计。在这种情况下，伽氏理论跟实际的差别很小。但是，对一些低密度落体，如软木球、塑料空心球、棉花球等，在空气中自由下落必然受到空气浮力和空气阻力的影响。密度愈小的落体，受影响愈明显。如果让一个铅球和一个体积相等的软木球同时从同一高度自由下落，铅球下落必定比软木球快。甚至，如是用铅球和氢气球做实验，则两球的运动方向刚好相反，铅球向下，氢气球向上。所以，为更好地反映落体的真实运动，尤其为研究天体的运动，必须考虑介质浮力和介质阻力的作用。

为简单化，以下讨论仅涉及到介质浮力。关于介质阻力、介质阻力与介质浮力的区别在别的文章中阐述，本文不讨论。

2、介质浮力对落体运动的影响

如图1示，球体w在均匀的介质中从静止开始自由下落，下落高度为H，γo为介质密度，g为重力加速度。m、V和γ分别是球w的质量、体积和密度，a、v、s和t分别代表球w下落的
加速度、速度、距离和时间。介质阻力忽略不计，F为球w下落受到的介质浮力。关于介质浮力F
的定义、物理意义、作用机制及计算等，详见《以太浮力论》和《再论以太浮力——关于万有引力变化的讨论》两篇文章。假定H小于200米，可近似认为重力加速度g值在落体下落过程中恒定不变。如取介质浮力常数k = 1，则有

讨论一：γ﹥γ_o，落体密度大于介质密度。γ愈大，α愈大，v也愈大；γ愈小，α愈小，v也愈小。这说明在均匀介质中下落的物体，密度愈大，受介质浮力的影响愈弱，下落愈快。相反，落体密度愈小，受介质浮力的影响愈强，下落愈慢。即落体密度愈大，下落速度愈大，但两者的关系并非是亚里士多德推测的线性正比关系。假若落体密度不变，即γ=常数，γ_o愈小，α愈大，v也愈大；γ_o愈大，α愈小，v也愈小。这说明介质密度愈小，浮力愈弱，落体下落愈快；介质密度愈大，浮力愈强，落体下落愈慢。特别是，当γ_o = 0时（这就是绝对的真空环境），介质浮力系数为1，即没有介质浮力，物体在绝对的真空中下落，以α = 1代入以上式子就可得到伽利略的自由落体运动计算公式

讨论二：γ =γ_o，落体密度等于介质密度。α = 0，a = 0，v= 0，S = 0，在这种情况下，介质浮力跟地球引力刚好是大小相等，方向相反，落体相对介质静止或匀速运动。

讨论三：γ﹤γ_o，即落体密度小于介质密度，α、a 、v、S均为负值。在这种情况下，介质浮力大于重力，落体不但不下落，反而上升。这就是氢气球在空气中上升的原因。落体密度愈大，γ愈趋近于γ_o，升速愈慢；落体密度愈小，γ比γ_o愈小，升速愈快。特别是当落体密度远小于介质密度，即γ<<γ_o时（只要γ小于γ_o二个数量级以上就能满足这一条件），介质浮力系数α接近－1，（3）式和（4）式分别变为

（6）式和（7）式说明，对于密度远比介质密度小的落体，在地球重力场中不但不会自由下落，相反是以接近重力加速度值的加速度向跟重力方向相反的方向加速运动。在宇宙中，这种情况是存在的。低密度粒子从天体表面喷射出来，可能就是这种物理机制。太阳和恒星表面一些粒子运动反常加速，也可能是这种物理机制。

3、介质浮力存在的普遍性

古希腊人遵循这样的信条：自然界不喜欢真空，亚里士多德也认为宇宙中不存在绝对没有物质的空间。现代天文观测证实，无论在宇宙的任何空间都存在物质性的介质，银河系的平均密度为10^–24
g cm³，尽管这比实验室的高真空还要高几十亿倍，但还是有物质的。真空并非是不存在物质的空间，真空实质上是物质存在的一种特殊形式，真空中充满着丰富的粒子。太空中存在各种星际物质、气体星云、宇宙射线等稀薄物质，3K波背景辐射就是太空存在物质的有力证据。中国古代哲学家把太空中的稀薄物质统称为“气”，并认为“气集为物，物散为气”。这些都说明，宇宙空间处处充满着介质，万物运动无时无刻不受到介质浮力的作用。

既然太空存在以太介质、存在以太场，天体运动必然受到以太浮力的作用。天体的自转，天体之间的相对运动，构成不同的加速度场。以太场变化，加速度场变化，形成大小和方向不断变化的以太浮力，这种作用反过来影响和改变天体的运动。在一定尺度的空间区域内，天体之间、天体内部以及空间不同区域之间的物质密度差（以下简称物质场），运动场（指加速度不同形成的场），使得不同质点之间，不同空间区域之间，在万有引力和以太浮力共同作用下相对运动。以太场、物质场和运动场，在整个宇宙中无处不在，无时不存。那么，以太浮力也必定是无所不在，无时不存。以太介质浮力对星系的形成、天体的运动、天体的演化、空间变化乃至整个宇宙的演变都是非常重要的原动力。

地球作为一颗普通的行星，形状为球体，具有分层结构。从地核到大气层，密度逐渐减小，整体上物质分布非常不均匀。即便是在同一圈层内，物质分布也不是均匀的。这点在大气层内尤为突出，在其他圈层内是近似均匀的。运动方面，地球除了在行星际空间中不停地自转和绕日公转外，还受到太阳系以内和以外天体的摄动，甚至撞击，这使得组成地球的每一质点时刻都处在不断变化的加速度场中。行星际空间介质密度及其他性质的不断变化，使地球质点受到的介质浮力变化更加复杂。这样，介质浮力在不断改变地球运动的同时，还迫使地核、地幔、地壳、地表水和大气层之间产生相对运动，迫使各圈层内的质点间产生相对位移，发生整体变形。相对而言，由于大气层密度最小，受介质浮力的影响最明显、变形最大、最易发现。高层大气，如电离层，甚至于磁层，密度非常小，受介质浮力作用，整体变形更加明显，地球磁尾就是这样产生的。地核、地幔和地壳，由于密度较大，受介质浮力的影响相对较弱，其变形在短时间内也许难以发现，但并不意味着这种变形可以忽略。如以地史眼光看，这种影响必定具有深刻的反映。可以认为，介质浮力就是地球演变的动力。在短时期内，介质浮力，一是使大气层形成相对固体地球具有年、月、日周期性变化的大气潮汐，以及天气气候的相应变化；二是使地表水形成相对固体地球具有年、月、日周期性变化的大洋潮汐和相应的洋流；三是使地壳形成同样具有年、月、日周期性变化的固体潮汐和相应的重力场变化；四是使地核和地幔物质缓慢对流，引起地球质心变化，引起地球绕日轨道要素、自转速度以及其他运动的变化，从而改变和影响着地球的演变。

在微观领域里，由于各种粒子的密度不同，某些不同粒子的密度差是非常大的。各种粒子相对高速运动，构成不同的加速度场，以致粒子之间除了存在强力、弱力和电磁力外，还存在着较大的以太介质浮力。例如，在原子内部，介质浮力可使外层电子脱离原子核成为自由电子。原子核和电子的密度不同，当气体物质加速运动时，介质浮力可使电子从原子中分离出来，加速运动的气体会电离就是这种情况。且加速度不同，气体的电力度也不同，一旦加速度达到足够量级，气体还会产生强烈的辐射。不同频率的辐射，是不同能级的粒子受介质浮力作用，从原子中分离出来的结果。迴旋加速器中产生的辐射就是这方面的例子。当加速度大到使原子核周围的电子全部剥离时，裸核之间的作用就可能自然产生裂变或聚变。同理，在不同加速度场中，同种物质可能表现出不同的性质来，这也是物质内部粒子受介质浮力作用向外辐射不同的结果。尤其是分子或原子内部粒子之间结合力不强的物质，更容易受到运动场的影响而改变性质。在同一加速度场中，受到介质浮力作用，不同的粒子具有不同的运动。例如，让不同的粒子在重力场中“自由下落”，由高密度粒子推得的引力常数偏大，由低密度粒子推得的引力常数偏小。这正是因为相同质量的高密度粒子受到的介质浮力比低密度粒子的小的缘故。又如，太阳风中α粒子气体流速之所以常比质子气体快，就是因α粒子和质子以等速离开日冕层后，受到以太浮力而减速，α粒子的密度比质子的大，减速度较小，在经过相同的空间距离后，α粒子气体的流速自然就比质子气体的大。

对于生物体，无论是动物还是植物，以及不同的动物和不同的植物，组成他们的各种组织都是一些密度各异的流体和流变体。在细胞内，细胞核、细胞质、细胞膜等同样是一些密度各异的流体和流变体。一旦生物体处在加速度场中，受到介质浮力作用，生理过程必定受到影响。生长在地球重力场中的生物，随着地球一起不停地在改变自身的运动。受到介质浮力作用，生物体内各种各样的流体之间发生相对运动，使细胞变形、改变电磁性、改变新陈代谢、改变活动方式、改变信息传递和交换。这些变化过程形成生物体内不同的生理活动。不同地点、不同时间、加速度场不同，生物生理活动不同；同一地点、同一时间、加速度场相同，同类生物的生理活动相同。由于地球运动具有明显的年、月、日周期，以致生物体内的各种生理活动也会跟随出现相应的周期或节律变化。可以肯定，如果地球运动改变，介质浮力作用将会改变生物体内正常的生理活动，使生物的繁殖、变异、演化等出现异常。所以，地球运动的长期缓慢变化，就是生物进化的推动力；地球运动的急剧变化，既是大量物种灭绝的直接起因，又是大批新物种诞生的原动力。生物体一旦长期脱离地球重力场，所有生理活动过程必定异常。宇航员虽然没有完全脱离重力场，但运动场比地面有了很大变化，如果他们长期生活在太空中，必定是短命的。地史上，二叠纪末期和白恶纪曾经发生的生物大灭绝和相伴着的大创生，就应该是由地球运动突变引起的。

4、介质浮力对万事万物存在的决定性影响

总之，在我们这个宇宙内，处处存在介质、处处存在运动、处处存在物质。从宇宙到天体、从天体到地球、从地球到物质、从物质到粒子、从自然界到生物界、从宇观到宏观、从宏观到微观，介质浮力都是普遍存在的。任何时候、任何空间、任何物质都不可能避开介质浮力。在宇宙系统内，运动是一切物质存在的根本属性，任何复杂形式的运动都可以分解为最简单的机械运动。受介质浮力作用，凡是存在于宇宙内的物质和由它们之间关系表现出来的全部的客观现象，无一不受到机械运动的决定性影响。在地球系统内，因为人类赖之计时的历法是按地球运动规律编排出来的。所以，受介质浮力作用，一切地球事物，无一不受到地球运动的决定性影响，而且还具有与地球运动一致的年、月、日等周期性变化。这就是介质浮力存在的普遍性、绝对性。

主要参考文献和深入理解阅读的部分文献：
1、《以太浮力论》段灿光著本文集
2、《再论以太浮力 —— 关于万有引力变化的讨论》段灿光著本文集
3、《三论以太浮力 —— 对微观粒子运动的解释》段灿光著本文集
4、《彗尾成因论》段灿光著本文集
5、《地球大气臭氧层时空变化的物理成因》段灿光著本文集
6、《没有太阳辐射，大气将静止吗？》段灿光著本文集
7、《天体轨道的演变》段灿光著本文集
8、中学生文库《原子结构浅说》韩建成编著 32K、P74 上海教育出版社
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10、《中国大百科全书·天文学》主编：张钰哲 1980年12月中国大百科全书出版社
11、《中国大百科全书·力学》主编：钱令希 1985年8月中国大百科全书出版社
12、《中国大百科全书·物理学》主编：、朱洪元 1987年7月中国大百科全书出版社
13、《中国大百科全书·哲学》主编：胡绳 1987年10月中国大百科全书出版社
14、《太阳十讲》胡文瑞、赵学博编著 32K、P445 1987年8月科学出版社
15、《天体物理学前沿鸟瞰》方励之著大32K、P94 1989年2月科技文献出版社
16、《千万个未解之谜》姚政、尚巾主编 16K、P746
1993年12月海南出版社、国际文化出版公司合作出版
17、现代自然科学普及丛书《基本粒子探索》殷鹏程编 32K、P194 1978年6月上海科技出版社
18、现代自然科学普及丛书《原子世界探索》王植榆编 32K、P190 1979年8月上海科技出版社
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