前言：一、如果现有的物理学理论体系属于竖线型研究体系的话，那么我的这篇文章就属于横线型体系，竖线型体系的研究是在单一的科目内完成，而横线型则是通过一条基本的物理规律将多个科目中的物理现象联系起来，也就是综合。

二、宏观物质是由微观物质组成的，所以宏观物质的运动规律必定包含并且多于微观物质的运动规律，因此有且至少有一条运动规律是宏观物质与微观物质共同遵守的。宏观与微观的统一性是我的哲学基础。

三、这其实是一篇关于物理学上第一朵乌云——量子力学的文章。

四、在温度的定义上我与董树功先生所做的定义可谓是不谋而合，只不过是角度不同。

论旋转运动中的能量传递方向

金晖

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摘要：本文提出了旋转运动粒子之间通过摩擦力传递能量的一般规律，并提出能量并不总是由高能粒子向低能粒子传递，在旋转运动中能量可以由低能粒子向高能粒子反向传递。并且利用这一规律揭示了能量是怎样从连续传递过渡到非连续的，为经典力学与量子力学之间的物理图像的理解填平了鸿沟；为宇宙永远不会热寂提供了依据；解释了核外电子为何不会因辐射能量而掉到原子核里；提出了超导的新理论、温度的新定义。因为这所有的一系列问题都是联系在一起的。

关键词：旋转运动  同角速度运动  相对静止  场摩擦力

未来物理学的突破点在哪里？我们先来看看牛顿力学遗漏了什么：在不受外力作用的情况下任何物体都保持其静止或匀速直线运动的状态，牛顿第一运动定律并未包含旋转运动，而一个旋转系统在不受外力作用的情况下是将保持其旋转运动状态的。那么一个旋转系统在受到外力作用的情况下又将发生怎样的变化呢？这是本文要讨论的问题。

宏观物质是由微观物质组成的，所以宏观物质的运动规律必定包含并且多于微观物质的运动规律，因此有且至少有一条运动规律是宏观物质与微观物质共同遵守的，这条共同遵守的运动规律必定是宏观运动中最基本的运动规律。我认为牛顿运动定律就是宏观物质与微观物质共同遵守的最基本的运动定律，但是牛顿第一运动定律并未包含旋转运动，而牛顿第二运动定律虽然谈到了旋转运动，但仍然未涉及到旋转运动中能量传递遵守何种规律。正是因为牛顿力学在旋转运动领域的缺失和不完备，才造成了现代物理学从经典力学到量子力学其物理图像不可理解的鸿沟。

要研究运动，离不开研究能量的传递。直线运动中能量的传递规律有碰撞、弹性碰撞理论；振动运动中能量的传递规律有波动理论；旋转运动中能量的传递规律是本文讨论的中心。粒子是能量的载体，也是能量的主体，能量分动能与势能，势能只有转化成动能时才表现为运动，因此本文所讨论的能量指动能。

旋转运动

热力学第二定律的克劳修斯说法是：热不能自发地从低温物体向高温物体转移。克劳修斯在1854年发表的《力学的热理论的第二定律的另一形式》一文中提出宇宙的熵趋于一最大值，这一结论成了“热寂说”的起源[1]。虽然热不能自发地从低温物体向高温物体转移，但高温物体的能量并不一定比低温物体的能量更高，星体内部的高压使得星体内部低温物体的温度自然地升高，为能量从低能物体向高能物体传递提供了自然途径。

在某些运动中存在能量由低速物体向高速物体传递的现象。例如用一根绳子的一头系住一小物体，另一头用手拉住做直线运动，此时只要手的直线运动速度比小物体的直线运动速度快，手就可以通过绳子将能量不断地传递给系在绳子另一头的小物体。但这只是在直线运动中，在旋转运动中情况并不是这样的。如果甩动绳子让物体旋转起来，此时只要手的角速度比小物体的角速度快，手就可以通过绳子将能量不断地传递给系在绳子另一头的小物体，就算是在手的线速度要比小物体的线速度小的情况下，也并不影响能量的传递。

摩擦力总是阻碍物体之间的相对运动或阻止相对运动的趋势。如果用筷子朝一个方向不断搅动杯子里的水，此时筷子就会通过摩擦力让杯子里的水旋转起来，此时只要筷子搅动的角速度比杯中水的角速度快，筷子就可以通过与水的摩擦力将能量不断地传递给水。就算是在筷子的线速度比水的线速度小的情况下也不会影响能量的传递。因此能量并不总是由线速度快的物体传递给线速度慢的物体，在旋转运动中，能量可以由线速度慢但角速度快的物体传递给线速度快但角速度慢的物体。在存在摩擦力的一起做旋转运动的两物体之间，只要两物体的角速度不同，两物体就会有相对运动。摩擦力就会阻碍这种相对运动，两物体之间就会发生能量的传递，并且趋向于角速度相等，也就是趋向于相对静止。在直线运动中，相对静止要线速度相等；但在旋转运动中，相对于旋转中心，相对静止却要角速度相等，而线速度却并不一定相等。（以下论述中凡是提到角速度相等均指向心加速度也相等）。

微观粒子之间存在场的相互作用力，比如电子之间的相互排斥力。这种场相互作用力同样会阻碍粒子之间的相对运动，并且发生能量的传递，使粒子之间趋向于相对静止，这种作用就是场摩擦力。如果两粒子是共同作轨道旋转运动的，那么角速度快的粒子就会通过场摩擦力将能量传递给角速度慢的粒子，就算此时角速度快的粒子其线速度及能量可能要比角速度慢的粒子低得多。

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如图1：粒子A和B共同绕原点O作轨道旋转运动，假如A的角速度比B高，但线速度却比B低。假如A、B的质量相等，那么A的动能就比B小。A与B之间具有相互作用力，而A与B的角速度不相等，因此，A与B之间有相对运动，既有相互作用力又有相对运动，那么它们之间就要做功，也就是要发生能量的传递。其结果只有一个，就是趋向于相对静止，并最终达到相对静止。因为在直线运动中，相对静止要线速度相等；但在旋转运动中，相对于旋转中心，相对静止却要角速度相等，而线速度却并不一定相等。因此，当A与B达到相对静止时，其途径只有一个，就是角速度快的粒子A将能量传递给角速度慢的粒子B，并最终达到角速度相等，就算角速度快的粒子A其线速度及能量都比粒子B低的情况下也会遵守这一规律，这就是自然界中低能物质向高能物质反向传递能量的现象。可见能量并不总是由能量高的粒子向能量低的粒子传递。在旋转运动中低能量的粒子可以通过场摩擦力将能量传递给高能量的粒子，只要低能粒子的角速度比高能粒子快。

因此我们可以得出以下定律：相互之间存在摩擦力的两物质一起作旋转运动时，能量总是由角速度高者传递给角速度低者，而与运动物质本身的能量或线速度的高低无关，并且两物质趋向于相对静止，也就是趋向于旋转角速度相等。（如果将旋转运动看作是振动，那么此定律可以试着推广为：具有摩擦力的两振动物质之间，能量总是由振动频率高者传递给振动频率低者，而与运动物质本身的能量或线速度的高低无关，并且两物质趋向于振动频率相等。这其实就是受迫振动）

热泵

商品热泵的工作系数在2～7之间，如果是5的话，电动机做1J的功，通过热泵就可以向室内提供5J的热[2]。为什么热泵可以消耗较少的能量却可以获得较多的能量？已有的物理学理论没有回答这个问题。利用上面的作旋转运动的粒子之间的能量传递规律可以帮助我们理解热泵现象：

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旋转运动现象在微观世界是普遍存在的，比如分子的自旋、原子核外电子的轨道运动。如图2：在已处于平衡态的共同作旋转运动的众多粒子中，有一粒子A，粒子A受向心力的作用绕点O作轨道旋转运动，轨道半径为r₁，角速度ω₁，质量m，动能E₁。此时对A施以外力F，力F指向轨道中心O，A由于所受向心力加大，轨道半径缩小到r₂，角速度为ω₂，动能E₂。

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在这里消耗的能量是外力做功，而得到的是系统所释放的内能，因此并没有违背能量守恒定律。可见能量是可以压出来的，我们有理由相信自然界存在能量重新汇聚并释放出来的机制，只要万有引力还存在，宇宙物质就可以汇聚在一起形成星体，星体内部的高压可以将能量重新释放出来。能量是可以从低能物质向高能物质反向传递的，宇宙的总熵是不变的，宇宙热寂永远不会发生。

地球内部离中心较近的粒子由于所受压力较高，因此角速度较高，会通过摩擦力向离中心较远的粒子传递能量，使得离中心较远的粒子的动能比较近的粒子高。但是在地球内部的高压下，粒子之间会发生特别频繁的碰撞，离中心较远但能量较高的粒子会通过弹性碰撞向离中心较近但能量较低的粒子传递能量，两种能量传递的方式会起抵消作用，起到对能量的锁定作用，因此地球内部才会长期保持高温。

核外电子

根据电动力学理论，作加速运动的电子要向外辐射能量，因此会得出电子由于辐射而失去能量最后会掉到原子核上的结论，但这一结论显然与事实不符。能量的传递必须要有力的相互作用和相对运动，也就是要做功，因此两个相对静止的电子之间不会发生能量的传递。电子之间的运动是相对的，两个电子虽然在共同作旋转加速度运动，但只要相对静止，两电子之间就不会发生能量的传递，同角速度运动是一种相对静止状态，因此同角速度运动的电子之间不会辐射能量。

原子核外电子之间由于存在场摩擦力，因此核外电子之间有相同平均角速度的运动趋势，直到所有核外电子平均角速度都相同时，电子之间才会停止能量的传递，此时的原子就达到平衡态。由于每个核外电子的受力是不同的，因此处于平衡态的做相同平均角速度绕核运动的电子就只能处在一些特定的轨道上，只有当电子处于这些特定的轨道上时,其平均角速度才会相同从而摩擦力为零，否则平衡态就会被打破，电子之间就要发生能量的辐射或吸收，以重新达到平衡态。这些能使电子处于相同平均角速度运动的轨道就是原子的能级。

当然现实是核外电子之间的角速度的数值虽然可能相同，但旋转方向却并不一定相同，但这只会引起旋转运动方向的改变却并不会使电子失去能量。因此电子完全不必担心会因为辐射而完全失去能量后掉到原子核上。旋转方向不同这一点也可能是实验观测电子得到的是电子云图像的直接原因。

处于平衡态中的原子的任何一个核外电子的能量改变都会通过场摩擦力而牵动整个原子，平衡态会被打破，并且会受到很大的摩擦阻力，因此电子在吸收能量而跃迁到高能级轨道时，使电子发生轨道跃迁的能量只能大于或等于跃迁所需的能量值，否则会由于电子无法克服场摩擦阻力而不能跃迁到高能级轨道。并且跃迁到高能级轨道的电子只能吸收刚好能使电子完成跃迁的那份能量而不吸收多余的能量以达到新的同角速度运动的平衡态。在辐射中，电子辐射能量后要重新达到平衡态，所以电子也只会辐射刚好能重新达到平衡态的那份能量。原因只是在这些平衡态中的特定轨道上时，电子之间的角速度相等因而动摩擦力为零，电子之间的动摩擦力为零时电子之间就不再发生能量的传递。

超导

物理学虽已有诸多超导理论，最有代表性的是BCS超导理论，但随着高温超导材料的发现，其超导相变温度已超出了BCS理论的范围。本文以夫兰克—赫兹实验和旋转运动中摩擦力传递能量的规律为基础，对超导现象做一些新的探索。

超导体有两个重要特性：零电阻和完全抗磁性。根据欧姆定律 ,超导体的电阻为零，那么超导环内的电流就会趋向于无穷大，这显然与事实不符，就算欧姆定律在此不适用，超导体内的自由电子也不可能与超导体内的原子不发生碰撞，而不遇到阻力。因此超导的问题不在于电子的运动是否遇到了阻力，而在于电子的能量是否被吸收？为何被吸收？如何被吸收？阻力只影响电子的前进速度，而并不决定电子的能量是否损失，比如完全弹性碰撞。

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而对于完全抗磁性，一般认为磁铁能漂浮在超导盘上方，是因为超导盘存在一个与外磁场相等的磁场。如图3，实线图形SN表示漂浮在圆形超导盘上方的永磁铁，虚线图形S’N’表示超导盘存在一个与外磁场相等的磁场，如果真的是这样，那么漂浮在圆形超导盘上方的永磁铁将发生旋转后被吸到圆形超导盘表面。假如超导盘磁场在永磁铁旋转时能迅速做出反应改变磁场，那么漂浮在圆形超导盘上方的永磁铁将发生连续旋转，如果真的是这样，倒是可以利用这一原理制造出永动机了。显然磁铁能漂浮在超导盘上方，并不是因为超导盘存在一个与外磁场相等的磁场，而是磁场根本不能进入超导盘内，磁场被超导盘所反射，超导盘成了最好的磁场反射材料。其原因实际是因为超导盘内的电子绕核旋转运动已被破坏。

夫兰克—赫兹实验中，汞原子对于阴极电子能量的选择性吸收现象，现有物理学的描述是：当电子的能量未升到某一临界值时，与汞原子发生的是弹性碰撞，以致不损失能量，当电子的能量升到该临界数值时与汞原子发生的是非弹性碰撞[3]。但是对于临界值与是否弹性碰撞之间的关系，以及汞原子为何没有将能量全部吸收，而只是有选择性地吸收刚好能使其完成跃迁的那部分能量的现象，并没有给出内部作用机制的逻辑解释。

在核外电子一节中已经分析过，核外电子要完成轨道跃迁，除了要克服原子核的库仑力，还必须要克服来自周围电子的场摩擦力。在夫兰克—赫兹实验中，阴极电子在汞蒸汽中运动时与汞原子发生碰撞，当阴极电子的能量不能使汞原子的核外电子克服场摩擦阻力时，核外电子会在场摩擦阻力的反作用下将能量全部反弹给阴极电子，阴极电子就像是跟整个原子发生碰撞，因此能量不会被吸收，发生的是弹性碰撞。而当阴极电子的能量足以使汞原子的核外电子克服场摩擦阻力时，核外电子在与阴极电子的碰撞过程中，先是将阴极电子的能量全部吸收，能量传递是连续的，然后在场摩擦阻力的反作用下将能量反弹给阴极电子，在反弹过程中，当核外电子处于跃迁轨道上时与其它核外电子的平均角速度相等，此时其受到的场摩擦阻力为零，核外电子就会失去继续反弹的动力，因此只是将多余的那部分能量反弹给了阴极电子，而将刚好能使其完成轨道跃迁的那部分能量吸收了，此时发生的是非弹性碰撞，因此能量传递表现为不连续。这里有一点很关键，就是场摩擦阻力是一种弹性力，因为电子之间的电场排斥力是弹性力。

下面用一机械模型来帮助理解原子对能量的选择性吸收这一特殊现象：

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如图4：球B固定在连杆上，连杆连接在支架上，并可绕轴O自由转动。连杆受到弹簧的推力和受齿a的阻挡而达到平衡态。让球A撞向球B,当球A的能量不足以使球B克服弹簧的阻力达到齿b时，球B在弹簧的反作用下回复到齿a处，而将能量全部反弹给球A，能量不能被吸收。而当球A的能量足以使球B克服弹簧的阻力达到齿b时，能量就会被吸收，但能量不足以使球B到达齿c处，球B就会在弹簧的反作用下将剩余的能量反弹给球A，球B只能吸收刚好能使连杆达到齿b处的那部分能量。

至此我们已经清楚了原子对能量的选择性吸收是由于原子核外电子的绕核运动所引起的。要使运动电子的能量不被原子吸收，就必须要破坏核外电子的绕核运动。在低温超导现象中，就是利用低温技术降低了电子的能量，从而破坏了核外电子的绕核运动。低温超导的完全抗磁性已经很好地证明了核外电子的绕核运动被破坏，而低温超导的临界磁场现象也同时证明了只有核外电子的绕核运动被破坏，导体才会具有超导电性。因为导体内的磁场是电子的定向运动引起的，磁场不能进入超导体内说明了超导体内的电子不能形成分子电流，所以电子的绕核运动已被破坏。

除了低温技术之外还可以用其他方法破坏核外电子的绕核运动，比如在让核外电子保持较大轨道半径的绕核运动时，加上高压以缩小原子间的距离，使相邻原子的核外电子的轨道半径发生重叠，核外电子之间就会发生频繁的弹性碰撞，绕核运动就会被破坏，从而达到高压超导态。获得静高压的可能方法：

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如图5，中心是膨胀系数较大的材料，中间层是超导材料，外层是膨胀系数较小的材料。将三种材料在极低温下同轴装配，在常温下中间层就可以获得高压。用这种方法制成的材料缺点是可塑性较差，如果能将以上三种材料进行掺杂，然后通过低温冷轧，其可塑性可改善，但难度较大。

其实除了破坏核外电子的绕核运动之外，另外一些情况下导体内的定向运动电子的能量也有可能不会被导体原子所吸收，一种是定向运动电子的能量很小，不足以使原子发生能级跃迁，就像夫兰克—赫兹实验中的弹性碰撞一样；另一种是导体原子的每一个核外电子的能量都远高于定向运动电子的能量。

地球内部的高温高压状态下，高温能使原子核外电子保持较大的轨道半径，高压可以缩小原子间的距离，使相邻原子的核外电子的轨道半径发生重叠，核外电子之间就会发生频繁的弹性碰撞，原子核外电子的绕核运动可能被破坏，因此地球内部极可能存在超导电流，而地磁场就可能是地球内部的超导电流产生的。

通过以上论述得出：在微观世界中能量传递的方向并不总是由能量的高低来决定，而更普遍的是由运动粒子的角速度或振动频率的高低来决定。能量的涨落是由弹性碰撞决定的，而物理量的平均化是由摩擦力决定的，涨落是偶然现象，平均化则是必然的。温度的梯度方向正是微观粒子能量的传递方向，因此可以给温度重新下一个定义：温度是微观粒子运动角速度或振动频率高低的标志。绝对零度下，粒子停止了旋转运动，但并不停止无规则振动，因此才会有零点能。一个旋转系统是可以储存、吸收和释放能量的，其储存、吸收和释放能量的能力与旋转系统的质量有关，与旋转系统的质心的轨道半径有关，其储存、吸收和释放能量的能力好比热学中的热容。因此温度等效于频率，热力学定律等效于转动动能定理。

最后用上面的理论来分析一些物理现象：

绝热去磁法——在低温技术的绝热去磁法中，顺磁物质加上强磁场时，带电粒子如核外电子或离子在强磁场中受到洛仑兹力的作用，洛仑兹力就好比带电粒子受到的向心力，那么带电粒子在洛仑兹力的作用下旋转运动的轨道半径会缩小，运动角速度会加快，就会向运动角速度较慢的周围物质粒子传递能量，最后以平均角速度相等而达到平衡态。此时撤去磁场，带电粒子由于失去洛仑兹力的作用而向心力减小，旋转运动的轨道半径会增大，角速度会变慢，带电粒子就要向周围物质吸收能量，以达到降温的效果。

温差电现象——以珀耳帖[4]效应为例，不同导体内的自由电子所受库仑力是不同的，电子受到库仑力的作用要做向心加速度运动。初始条件下不同导体的温度是相同的，因此不同导体内做向心加速度运动的自由电子的平均角速度是相同的，所以库仑力大的导体内的自由电子线速度及能量较小，运动半径较小；库仑力小的导体内的自由电子线速度及能量较大，运动半径较大。当自由电子在电场力的作用下通过导体的接头处，电子由库仑力大的一方进入库仑力小的一方时，运动半径就会增大，角速度就会减慢，就要吸收能量；当电子由库仑力小的一方进入库仑力大的一方时，运动半径就会减小，角速度就会增快，就要释放能量。

潜热——冰的熔化具有潜热现象，冰熔化要吸收热量，因此水分子的能量显然要比冰的分子的能量高。但是冰在熔化时，水的温度却可以和冰的温度相同，这是因为在相同温度下组成冰和水的微观粒子的平均角速度（或振动频率）是相等的，但是运动半径（或振动幅度）是不同的，因此能量是不同的。因此具有潜热现象的物质的两种物态之间的能级是跳跃式变化的，或者说具有潜热现象的物质的两种物态在某一特定的温度和压力下，具有两条相邻的同角速度轨道能级。或许所有的物质在温度和压力恰当的时候都具有潜热现象。

主要参考文献：[1]《中国大百科全书》中国大百科全书出版社

[2]张兰知等编《热学》哈尔滨工业大学出版社2000年

[3]周殿清主编《基础物理实验》科学出版社2009年

[3]潭树杰，王华编著《物理学上的重大实验》科学技术文献出版社1987年

[3]戴道宣，戴乐山主编《近代物理实验》高等教育出版社2006年

[4]秦允豪编《热学》高等教育出版社1999年