中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2015）01-0010-02
由于教学院校地处经济活跃的珠三角，因此应用型人才是电子科技大学中山学院一直坚持的培养方向。如何让教学活动向应用型靠拢，符合应用型人才培养方案是教学改革的重要目标。
应用型人才不同于原来的精英式本科教育，又和高职高专教育区分。高频电子线路课程知识点分散，理论性较强，要求学生具有一定的信号分析和电路分析能力，一直都是学生心目中的难课[1-2]。应用型人才的特点决定了讲授的方法既要符合中山学院学生的基本情况，又不能迎合部分学生畏难的学习情绪。因此为了进一步提升授课效果，设计了广义教学方法，此方法采用建立联系、强调本质的理论讲授方式，既可以提高学生的学习兴趣，又不回避理论难点保证知识含量。
一、广义教学法运用的意义
针对工科人才培养的具体问题，对高频电子线路课程进行了广义式教学改革。
高频电子线路只是一门专业基础课，但却是了解电子信息专业乃至整个工科的一扇窗户，其课程的主要理论都和相近科目甚至是其他自然科学，人文科学具有千丝万缕的关系。如果在讲述中帮助学生建立联系，明确概念，教学质量会得到大幅提高[3-4]。本教学法的顺利实施可以帮助学生掌握高频电子线路课程学习方法，形成的广义课程教学方法不仅适用于高频电子线路课程，还可以在其他课程中进行推广。
二、广义教学法的内涵与特征
广义，相对狭义而言。事物定义适用的范围有大有小，大者为广义。对于课程的理解也有广义和狭义之分，事实上，电子信息学科各课程之间存在密切联系，如果只是在某一单独课程的立场上理解问题，肯定会增加学习的难度。以高频电子线路与部分课程关系为例。模拟电子线路和电路分析课程为高频电子线路提供电路分析的知识储备，信号与系统为其提供信号分析的基础知识，而高频电子线路又是通信原理的基础课程。除此之外，高频电子线路还与高等数学、大学物理等众多课程存在各种联系[5]。如果相关基础课程掌握不牢的话，学习高频电子线路的确存在一定困难。另一方面，在学习高频电子线路的同时，也能够对知识进行回溯式学习，利用高频课程的讲述加深专业认识，理解相关基础课程。因此，为了帮助学生掌握高频电子线路甚至是其他课程，在讲授中适当跳出课程，通过介绍其他课程或其他知识来辅助学生学习，可以有效地帮助学生理解实验内容，从而提升授课效果。
三、广义教学法的运用策略
科学知识并不处在高高在上的神坛令人仰望，而是生产生活的一个映射，是认识世界的一个窗口，高频电子线路必然和生活中的一些现象一些事情相对应，如果找到这些对应之处，通过广义讲授就可以改进教学。
（一）振荡条件讲授方法
以正弦波振荡器的振荡条件讲授为例，传统讲授方法从振荡器工作原理入手，通过电路和信号分析，最终得到振荡条件结论，尽管推导详尽，思路严谨，但并不受学生欢迎，也难以帮助学生建立振荡器的概念。采用广义教学法用生活中常见现象比拟振荡器，例如以荡秋千比拟振荡器振荡，在荡秋千起步阶段，振荡的幅度需要从无到有地建立起来，希望每一次都比上一次荡得更高，符合A0F>1的起振条件;当秋千荡到一定高度保持即可，符合AF=1的平衡条件;荡秋千无论初始时刻还是普通时刻，都需要掌握力的方向，符合φA+φF=2nπ（n=0，1，2…N）的相位条件。另外荡秋千要不停修正力度和方向，符合稳定条件。
通过上述事例的广义讲述，将日常生活和高频电子线路有机联系起来，学生能够快速掌握振荡器的工作原理，还能够利用日常物理现象进行相似性记忆，减少了畏难情绪，提高了学习的积极性。
（二）丙类功率放大器弱过压区应用讲授方法
根据丙类功率放大器负载特性可知，临界状态输出功率最大，转换效率也不低，常用于输出级。在弱过压工作状态，当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅Ucm变化较小，多用于需要维持输出电压比较平稳的场合，常应用于发射机的中间放大级。实际电路设计中，抑制各级之间相互干扰是普遍考虑的设计问题，在讲授中可以与电路设计思想联系举例，再扩展思维思考，古人云“不以物喜，不以己悲”是人生的境界，丙类功率放大器在弱过压区，输出电压不随负载的变化而变化（近似认为），也达到了“不以物喜，不以己悲”的境界，自然是“好修养”的电路。
学生在听讲过程中，往往感叹类似高频电子线路的工科课程竟然可以和古诗词找到关系。与此同时，也理解了丙类功率放大器的弱过压应用原理。
（三）集电极调幅实验原理讲授方法
广义教学不仅是用生活的例子比拟理论内容，也可以用理论内容去指导实验。以集电极调幅实验为例。集电极调幅实验中，学生经常无法获得正常的调幅波形，原来讲授方法是要求学生升高输入载波电压完成实验，尽管学生能够完成实验，但是不会理解升高输入电压的作用。
与丙类放大器动态特性知识联系可知，若电源电压变化，则动态线随VCC值的不同平行移动。在欠压及临界状态时，VCC的改变对集电极电流脉冲的振幅与通角的影响极小，因此分解出的基波电流变化也很小，回路上的输出电压的变化随着变小，这就是说在欠压区内不能产生有效的调幅作用。未产生调幅波形的实验电路基本处于此工作状态下。当动态特性曲线进入过压区后，集电极电流脉冲的振幅下降，出现凹顶脉冲。在这种情况下，分解出的基波电流随集电极电压VCC的变化而变化，输出高频电压的振幅也会随之变化，实现了集电极调幅。
因此，令集电极调幅电路工作在过压状态是本实验能否成功的关键。通过升高输入电压，可以令丙类功率放大器的工作状态从欠压向过压过渡，从而完成实验。通过讲授，学生认识到了即使只是升高输入电压也和理论内容紧密联系，在实验的同时巩固了理论知识，达到了教学的目的。
四、精选课程作业
作业可以帮助学生梳理课程，复习知识，是教学必不可少的环节。为了熟能生巧，教师往往希望作业多一些;为了减少课业压力，学生往往希望作业少一些。因此作业量的权衡和作业内容的选择需要进行仔细思量。根据本校学生的实际情况，作业安排如下。
1.高频小信号放大器作业题目为2-11，此题目知识点包括：（1）二端口等效电路;（2）品质因数;（3）电路技术指标（电压增益、通频带、矩形系数等）;（4）电路稳定性;（5）多级电路指标。作业要求：等效电路分三步化简：（1）高频交流等效;（2）二端口等效;（3）系数转换。
2.高频功率放大器作业题目是3-9，此题目知识点包括：（1）二端口等效电路;（2）品质因数;（3）电路技术指标（电压增益、通频带、矩形系数等）;（4）电路稳定性;（5）多级电路指标。作业要求：在原始题目上增加负载特性内容。上升Rp画出临界状态动态特性折线，分析临界状态的电路指标。
3.正弦波振荡器作业题目是试谈对正弦波振荡器
的理解，或讲述本章知识重点及难点。作业要求：（1）字数不限;（2）体裁不限。
4.振幅调制与解调作业题目是5-21，此题目知识点包括：（1）调幅波波形图;（2）调幅波电路技术指标;（3）检波电路技术指标;（4）检波失真现象。作业要求：在原始题目上增加调幅波波形图和技术指标分析。
5.振幅调制与解调作业题目是6-14，此题目知识点包括：（1）调频波波形图;（2）调频波电路技术指标;（3）变容二极管调频电路分析。作业要求：在原始题目上增加调频波波形图和技术指标分析。
需要说明的是，习题对应教材为阳昌汉主编《高频电子线路》（第三版），哈尔滨工程大学出版社出版。如前所述，课程作业共五次，每次一题，作业量较少，减少了学生的课业压力，另外通过在教材原有习题的基础上增加新问题，将课程知识点广义连接，作业知识点基本涵盖了大纲要求，保证了作业效果和目的。需要指出，第三次作业即正弦波振荡器一章作业是作文式题目，属于教学实验式作业，作业效果非常理想，尽管字数不限，但是学生都精心完成，并未敷衍了事。体裁不限，有些学生用打油诗的方式讲述对振荡器的理解，有些用框图描述振荡器的知识内容。从中可以发现，只要教学形式新颖得当，学生的学习潜力是无穷的，教学效果自然可以保证。
应用式教育不是实训教育，应用型人才也需要理论知识作为发展基础。广义式教学不是浪费教学时间“闲扯”，也不会回避课程中的知识重点和难点，只是通过强调事物本质的理论讲授方式，广泛地建立联系，广泛地理解问题提高教学质量。其教学形式较新颖，易于激发学生的学习兴趣，从根本上解决教学问题。通过本年度的教学改革，学生的逃课情况、作业作弊情况均有所下降，课程知识掌握情况也较为理想。
参考文献：
[1]于效宇，刘艳.基于应用式教学的“高频电子线路”学时改革[J].中国电力教育，2011，（32）.
[2]于效宇，刘艳.高频电子线路教学方法研究与改进[J].中国电力教育，2010，（30）.
[3]刘艳，于效宇.“高频电子线路”实验课程教学方法研究[J].中国电力教育，2012，（23）.
一、惯性概念的肇始和牛顿的综合
惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月。
在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起过广泛的影响，然而他关于物理学的论述，许多都是错误的。他把物体的运动分为自然运动和强制运动。他认为圆周是完善的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外，地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如果没有其他物体阻碍，物体力图回到天然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。他还进而指出，关于物体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时，运动也立即停止。从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：一，自然运动不涉及曳力的问题，只有强制运动才存在力的问题；二、力是物体强制运动的原因。从今天来看，这显然是错误的，然而它束缚了人们近两千年。
从这种把物体的运动归结为外力作用的观念，可以提取出静止物体具有惯性的概念。开普勒在他1609年发表的著作《新天文学》和1619年发表的著作《宇宙谐和论》中写道；“天体有留在天空中任何地方的性质，除非它被拖曳着。”“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性。”“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”这大概是关于物体惯性的最早陈述。可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性，甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关，然而他显然受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有惯性的问题。
伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学和运动两门新科学的对话。（1638年）中，其中一个重要的结果如下。假设沿斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面变成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认识到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响，他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动，因此我们还不能说伽略发现了惯性定律。
最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛卡儿是唯理论哲学家，他试图建立起整个宇宙在内的各种自然现象都能从基本原理中推演出来的体系，惯性定律就是他的体系中的一条基本原理。他在他的《哲学原理》（1644年）一书中把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。
牛顿1661年进入剑桥大学学习亚里士多德的运动论，1664年他从事力学的研究，摆脱了亚里士多德的影响。他继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，他也继承了笛卡儿的研究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，澄清了动量概念和力的概念。1687年出版著作《自然哲学的数学原理》，以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系。惯性定律就是牛顿第一定律，表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它的力迫使它改变这种状态。”惯性定律真正成为力学理论的出发点。
根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态的属性，这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性，运动的物体也具有惯性；物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此，人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度。从此，人们对于运动中的种种惯性现象都能很好地理解；在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。
二、惯性与能量
对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。
能量是物理学里普遍关注的问题。运动的物体有动能；相互作用的物体有势能，如重力势能、引力势能、电势能等等；其他还有热能等等。在研究弹性变形体和流体的运动时，人们认识到经受应力的物体的势能分归属于物体的每一部分，而流体的输运则伴随有能量的传送。麦克斯韦电磁场理论建立和被赫兹电磁波实验证实之后，人们认识到电磁作用是通过场实现的，电磁场的实在性在认识上开始形成，场中不仅贮存有能量，能量的传送也是通过场来传输的，即存在能流：能流与场的动量联系在一起。人们研究电子的运动，运动电子周围存在变化的电场，变化的电场又产生磁场，两者的共存又导致存在能流和动量，它们同电子的速度平行。因此这一附加的动量意味着电子存在附加的惯性质量。有一时期，甚至有人猜测可能电子的全部质量来源于电磁场。这里第一次遇到电磁能量的惯性，提示了惯性与能量的联系。
1905年爱因斯坦发表狭义相对论，这是一个崭新的物理理论，它统一了力学理论和电磁学理论，带来了时空观的根本变革。爱因斯坦随后证明质能关系，E=mc2，一定的质量对应于一定的能量，反之一定的能量对应一定的质量。在这里，能量包括了能量的各种形式，突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样，惯性是能量的属性，能量具有惯性（质量），任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。
能量具有惯性拓宽了对于惯性的认识，也拓宽了对于能量的认识。它带来的重大实用价值就是核能的释放。在裂变反应中，裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量，质量亏损释放出大量裂变能；在聚变反应中，聚变产物的静质量小于聚变前物质的静质量，质量亏损释放出大量的聚变能。它也使得人们很好地认识许多物理现象，包括涉及物质的全部质量与能量转化的正反粒子对的产生和湮没过程。
三、牛顿的绝对空间和马赫原理
让我们再回到惯性定律。惯性定律是近代力学的基础。作为基础性的定律是值得深思的。显而易见，考查物体的运动离不开参考系。惯性定律并非在任意的参考系中都成立。惯性定律成立的参考系称为惯性系，凡是相对于惯性系作匀速直线运动的参考系也都是惯性系，惯性定律在其中都成立；而相对于惯性系作变速运动的参考系，惯性定律都不成立，它们就称为非惯性系。在非惯性系中考查物体运动，牛顿第二定律也不成立。为了在非惯性系中仍然保持牛顿第二定律的形式，除了物体之间实在的相互作用之外，还必须考虑一种与物体质量有关且与非惯性系相对于惯性系的加速度有关的力。这个力因为与物体的惯性有关，故称为惯性力。通常认为它不是物体之间实在的相互作用力，因而是“虚拟的”。
立刻产生一个问题，惯性系在哪里，或者什么样的参考系是惯性系？深入地研究发现，这在理论上和实践上都存在根本的困难。首先，要问什么是惯性系，回答是惯性系就是惯性定律成立的参考系，那就是说，在这个参考系中一个不受外力作用的物体总是处于静止或匀速直线运动状态。那么不受外力作用又是什么意思呢？这就是说，在惯性系中处于静止或匀速直线运动状态的物体是不受外力作用的。这样就又回到什么是惯性系的问题。这是一具逻辑循环，无助于解决什么样的参考系是惯性系的问题。其次，在实践中地球是一个相当好的近似的惯性系，我们在观察实验室中的许多力学现象，都可以把地球看作惯性生活费，但是地球肖自转，并且绕着太阳在旋转，有一些力学现象显示出地球的这种转动效应，例如惯性离心力，科利奥莱力等，因此地球并不是严格的惯性系。太阳及其邻近的恒星组成的参考系是比地球更好的惯性系。进一步的研究表明太阳是银河系中的一颗普通恒星，它同其他银河系听恒星一起绕银心旋转，作变速运动，因而太阳参考系也不是严格的惯性系。根据这种经验，我们可以取更大的天体系统的平均静止参考系以趋近严格的惯性系。看来我们可以不断地趋近惯性系，但却不能找到严格的惯性系。
这样，我们有了支配物体运动的力学规律（牛顿定律）但是却无法确定牛顿定律成立的惯性系。牛顿的力学理论如同建立在沙滩上的建筑物。牛顿深知他的力学理论中的这一脆弱的根基。他提出的解决办法是引入绝对空间。他想信存在绝对空间，“绝对空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”，这样就可以在绝对空间里区别物体是处于静止、匀速运动还是变速运动，从而也就能够确定惯性系和非惯性系。为了说明绝对空间和绝对运动的存在，他提出一个著名的“水桶实验”，其大意如下。一个盛有一半水的桶挂在拧得很紧的绳子上，松开手后，桶和水的运动经历以下三种情形：（1）开始，桶在绳恢复原有状态的作用下快速旋转，由于水和桶的粘滞力很小，水尚未旋转起来，水面是平的；（2）在粘滞力长时间的作用下，水和桶一起旋转，水受到惯性离心力的作用向桶壁挤压，水面呈下凹形；（3）让桶突然静止，水仍在旋转，水面仍然是下凹。牛顿分析以上实验结果认为，在（1）（3）两种情形，水对于桶都有相对运动，但前者水面是平的，而后者是下凹的，在（2）（3）两种情形，无论水对于桶是否有相对运动，水面都是下凹的，因此，水对于桶的相对运动不是水面下凹的原因，水面下凹的真正原因在于水在空间里作绝对转动，受到惯性离心力造成的。这说明存在着可以观察出物体作绝对运动的绝对空间，加速度是绝对的。
牛顿的绝对空间和绝对运动继承了人们自古以来认为空间和时间物质及其运动相对独立而无论的直觉，被大多数人所接受，它还受到哲学家康德的支持，康德说过；“我们永远不能表象出没有空间，可是我们却很能设想空间中没有对象。”但是牛顿的绝对空间和绝对运动受到他同时代人的批评，其中著名的有莱布尼兹和贝克莱，莱布尼兹认为那种与物质客体相分离的任何空间概念都是哲学上没有必要的，贝克莱则指出，认为空间是“一种永久的、自存的、无限的、不可分的、不可变的东西”“是有害的、荒谬的”，然而他们都未能提出任何观念，发展一种新的动力学理论来替代牛顿理论，不过他们的看起来十分挑剔的批评对后有着潜在的影响。
对牛顿绝对空间的第一个建设性批评来自两百年后奥地利的物理学家和哲学家马赫。马赫在他1883年出版的《力学史评》一书中对牛顿的绝对空间和绝对运动作了深刻的批评。关于牛顿的“水桶实验”，书中写道：“牛顿的旋转水桶实验只是告诉我们，水对于桶壁的相对旋转不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球及其他天体质量的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，直到厚达几英里时，那就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”“如果把水桶固定，让众恒星旋转，能够再次证明离心力会不会存在吗？”在马赫看来，牛顿水桶实验中凹行为并不能区分究竟是水相对绝对空间的转动，还是水相对于众星体的转动，因此，并不能由此得出存在绝对空间的结论，相反地，把水面下凹行为看成是由于水相对于从星体转动，水桶内壁以外的所质量的吸引和带动所造成的，要更自然些。
马赫是出于他关于我们的世界的一种非常儿到的哲学见解，对牛顿的绝对空间作出深刻批判的。他在书中写到；“我们不要忘记，世界上的一切事物都是相互联系、相互依赖的。”要注意，马赫强调的是相互联系、相互依赖、相互影响，那种只有一方依赖于一方而不被另一方所依赖，一方可影响另一方而不被另一方所影响的事物是不存在的，是虚构的，也是“同科学中的思维方式相矛盾的”（爱因斯坦语）。在牛顿力学中绝对空间就是这样的虚构，它会影响到物体的动力学性质，譬如，只有相对经来说，惯性定律才成立，但是物质的运动反过来却不能对绝对空间产生丝毫影响。既然是一种不能被人们的经验所证实的虚构，它就应该从科学中剔除出去。概括起来，马赫的观点是，物体的运动不是绝对空间中的绝对运动，而是相对于宇宙中其他物质的相对运动，因而不仅速度是相对的，加速度也是相对的；在非惯性系中物体所受的惯性力不是“虚拟的”，而是一种引力的表现，是宇宙中其他物质对该物体的总作用；物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质作用的结果。马赫的精辟见解被爱因斯坦取名为马赫原理。
马赫的批判带来了人们对于运动和惯性认识的重大变革。牛顿认为存在着绝对空间和绝对运动；物体的惯性是它自身的属性，如果撤掉了一个物体周围的所有其他物质，那么这个物体将由于它自身的惯性作惯性运动。而马赫则认为，根本不存在绝对空间和绝对运动，物体的运动是相对于宇宙中天体的运动；物体的惯性是宇宙中所有天体作用的结果，撤掉一个物体周围的所有其他物质，则无法去判断它作什么运动，因而它也就不再具有惯性。
马赫独树一帜的思想深刻地提示了牛顿力学理论根基上的纰漏，同时也指出了改造牛顿力学理论的契机，这就是放弃绝对空间和绝对运动，把物体的惯性与宇宙中所有其他物质对它的作用联系起来。
爱因斯坦建立狭义相对论后就认识到“狭义相对论不过是必然发展过程的第一步”，他时而思考狭义相对论的不足。一方面，狭义相对论指出，所有的惯性系都是等价的，速度是相对的，不存在绝对静止的惯性系，因此狭义相对论否定了一个优越的参考系（绝对静止的惯性系）；但是它却肯定了一类特别优越的参考系，那就是惯性生活费，它比非惯性系更要优越，其中的物理规律特别简捷。然而对于为什么惯性系在物理上比其他参考系更优越，狭义相对论不能作出回答。另一方面，狭认相对论指出，物理作用传播的极限速度是光速c，这样狭义相对论就在整个物理学中排除了超距作用。引力是力学研究的重要课题。然而牛顿引力定律的表述是超距作用的，牛顿引力定律与狭义相对论不相容。因此需要发展一种把引力问题纳入，且能回答是否存在特别优越参考系的更为广泛的相对论。马赫的思想对于爱因斯坦无疑是一个重要的启发。爱因斯坦曾说过：“……可以十分正确地认为马赫是广义相对论的先驱。”
四、惯性质量和引力质量
发展一种新的理论，仅有哲学上的启迪和对于旧理论的批判是不够的，还需寻找建立新理论的突破口。爱因斯坦建立广义相对论的突破口来自三百年前伽利略的另一项重要贡献。
伽利略在他的《关于力学和运动两门新科学的对话》中写道：“我曾经做过试验，可以向你保证，从200肘尺高处放下的一颗一两百磅甚至更重的炮弹，不会比一同放下的仅重半磅的枪弹到达地面要领先一秒钟。”这段叙述表明所有物体的重力加速度相同。亚里士多德曾根据他的运动风，重物下落是物体回归天然位置的自然运动，物体越重，趋向天然位置的倾向就越大，自然得出物体越重，下落得越快。伽利略反对亚里士多德的运动知识化，他以实验事实作了不力的反驳。然而他并同有认识到这条定律的深刻含义。
所有物体的重力加速度均相同，反映的是任何物体的惯性质量与引力质量相等。根据牛顿定律，作用在物体上的外力等于物体的质量乘以获得的加速度，这里的质量是物体的惯性质量；另一方面，物体下落时，作用在物体上的力是地球对它的吸引力，它与物体的引力质量成正比。既然物体在重力作用下加速度不依赖于物体，则引力质量与惯性质量成正比；选取相同的单位，两者相等。
我们知道，惯性质量是物体惯性的量度，反映物体对加速度的阻抗，而引力质量是物体引力属性的量度，反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性，描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题，并第一次想到用实验来明确检验两者的等同性。他在他的《原理》一书中记叙了他所做的实验。他做了两只等大的圆木盒，用11英尺长的细绳悬挂起来构成摆，一只装满了木料，另一只装入得量的金或银、铅、玻璃、沙、食盐、水以及小麦等等，比较它们的摆动周期。根据牛顿定律容易得出周期T。可以看出仅当惯性质量m惯与引力质量m引之比与材料无关，两摆的周期才会相等。牛顿实验中没有观察到两摆周期的差异，由此他推算出m引/m惯=1+0（10-3），即两者相符合的精度在10-3以内。以后又有不少物理学家做实验，把精度提高了许多，如1830年贝塞耳得0（10-5），1889年厄缶得0（10-8），1964年迪克得0（10-11），1971年布拉金斯基得0（10-12）。
看来惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。那么，这是一种巧合吗，还是有更深刻的原因？它意味着什么？这是又一个值得思考的问题。人们研究发现，在牛顿力学中无法加以说明，于是长时期里它就成为游离于物理学之外而不加重视的一个结论。
爱因斯坦对于惯性质量和引力质量严格相等的印象很深，他在给英国格拉斯哥大不所作的报告《广义相对论的来源》中说：“在引力场中，一切物体都具有同一加速度。这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等的定律，它当时就使我认识到它的全部得要性。我为它的存在感到极为惊奇，并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。”他一直深信：“一个有希望受到应有的信任的理论，必须建立在有普遍意义的事实上。”而这一惯性质量同引力质量相等的定律的确是一个奇特的具有普遍意义的事实。他不断地思考这一问题，终于有一天找到了问题的答案。他于1922年在日本京都大学所作的报告《我是如何发现相对论》中说道：“这个难题的突破点突然在某一天找到了。那天，我坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现一个念头：如果一个人正在自由下落，他决不会感到他有重量。我吃了一惊。这个简单的想象给我的印象太深刻了。它把我引向新的引力理论。我继续想下去：下落的人正在作加速运动，可是在这个加速参考系中，他有什么感觉？他如何判断面前所发生的事情？”爱因斯坦在这里所说的突然闪现的念头就是那著名的爱因斯坦升降机的理想实验。设想观察者在一个密封的升降机里做力学实验，一种情形是升降机静止在地面上（地球看成是惯性系），它是一个惯性生活费，其中存在地球的引力场，由于m惯=m引，任何物体的重力加速度均相等为g；另一种情形是升降机远离一切物体，即处于没有引力场的地方，它相对于某个惯性系以加速度g上升，它是一个非惯性系。在这两种情况下，观察者测得物体下落的加速度是g，他观察到的力学现象都相同，他无法断定他所在的参考系究竟是有引力场的惯性系还是并无引力的非惯性系。这表明物体在非惯性系中的运动等效于引力场作用下的运动，或者说非惯性生活费与引力场等效，爱因斯坦把它称为“等效原理。”根据等效原理，引力场可以用非惯性来消除，例如在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力，在这个自由落体系中，惯性定律很好地成立，一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态，这一参考系实在是很好的惯性系，其中物理规律具有狭义相对论的形式。另外，非惯性系与引力场等效，非惯性系与惯性系就没有原则性的区别，它们都可以同样好地用来描述物体的运动，没有哪一个比另一个更优越。由此爱因斯坦把狭义相对性原理推广为一切参考系都是等价的，没有哪一个比另一个更优越，爱因斯坦把它称为广义相对性原理。爱因斯坦的广义相对论就是在等效原理和广义相对性原理这两条原理的基础上发展起来的。在广义相对论中，惯性系不再是理论上和实践上不可捉摸的，它就是自由落体系；前述狭义相对论的两点不足通过等效原理和广义相对性原理联系在一起一揽子加以解决，广义相对论清楚地回答了不存在特别优越的惯性系，所有的参考系对于描述物体的运动都是等价的，而引力问题通过广义的时空坐标变换纳入相对论理论中。
由此可见，原来牛顿力学中无法加说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实，而是成为意义得大的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石，并由此发展了广义相对，这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。
五、马赫原理的检验和评价
马赫的思想启发爱因斯坦，引导他改造牛顿力学，建立了广义相对论，马赫的功绩不可磨。然而马赫认为物体的惯性来源于宇宙中其他物质作用的想法（马赫原理）还值得进一步研究。
根据马赫原理，物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质对物体作用的结果，那么物体近旁如果有一个大质量物体，它就会对物体的惯性产生影响。例如，处在银河系中的一个物体的质量应来自两部分，一部分来自宇宙整体的影响，它是各向同性的；另一部分来自银河系的影响，它应是各向异性的，物体朝着或离开银心加速时惯性质量会稍有不同。是否存在这一各向异性的影响是物理学家关心的问题。
有一些关于马赫原理的实验检验，其中一个实验的要点如下，如果惯性质量是各向同性的，原子Li7的基态能级在磁场中劈裂为四个等间距的能级，能级之间跃迁的吸收光谱是一条谱线；但如果惯性质量是各向异性的，能级的劈裂不是等距的，则能级之间跃迁的吸收光谱不是一条而是靠得很近的三条谱线。实验在12小时间隔内进行，在此时间内地球的自转相对于银心处于不同位置。结果没有观察到谱线分裂，根据观察到的线宽，估计出质量的各向异性部分与各向同性部分之比M/M<10-21。结果并不支持马赫原理。
物体在受到外力（去掉外力性质的重力—引力及合外力不为零的情况下）的时候其内部到底发生了什么情况？这才是区别物体是否是广义惯性运动状态的根本标准。这涉及到牛顿力学物体概念内涵的改变。如果把熵状态（熵空间）作为力学思维的出发点，许多纠缠不清的问题都好解决。
前言
——把简单的事情搞复杂了，太累；把复杂的事情搞简单了，贡献。——摘自某电视广告词。
无论是维护还是反对广义相对论的人，其实都面对的是一团“乱麻”，说它对，也说不清对在哪，说它错，也说不清错在哪，那是因为没有一个“对的理论参考系”。我的惯性力学三定律，也许提供了此“参考系”。相对论的产生，就是把空间问题（也是场的问题）引进到物理学里来，无论如何，这是一个进步。但是，仅把“运动”当作出发点，来定义空间，总觉得有点犯了循环逻辑错误的嫌疑，因为运动（速度）本身就是由时间与空间（距离）来定义的。用时间与空间来定义时间与空间，就好象是自己拽自己的头发把自己拽起来一样，不解决问题。因为“运动”仅是物体对它物的位置关系，而位置关系仅是物体属性对外关系体现的一方面，不是全部。反过来，又仅以运动与空间角度来认识“属性”，就犯片面性的错误了。广义相对论还是正在“探索”过程中的不成熟的不能算作真正理论的理论。
我在我以前的文章里说过，物体的广义惯性的对它物关系的体现有两种，一个是力（作用关系），一个是运动（位置关系）。而许多人总是在运动（机械运动）上来思考什么惯性啊、引力啊、什么等效原理啊、什么参考系等等，这是片面的，是许多问题纠缠不清的根源之所在。又把“运动”关系当作出发点来思考，或仅以“运动”角度以为就可以解决什么属性问题，就是本末倒置了。通常说“标”与“本”的关系，在力学里，仅从“运动”角度来解决力学问题，就是“治标”，不是治本。广义相对论就是如此错误之大成者。永远要值得注意的是，关系是某物属性的体现，不是属性本身。抛开了某物及某物的属性，而要解决属性问题，是解决不了的。广义相对论就是抛开了物体这一最基本的前提，仅用什么度规什么坐标系（参考系）的变换来解决惯性及“引力”等问题，引得许多人到如今还在争论不休，就是此原因。我们还是回到“物体”本身上来，回到体现其属性的另一个关系——力作用关系上来。就容易解决许多纠缠不清的问题。在我这里，同样的物理常识，就有了不同的思维方式。我在此是在重新调整力学的思维方式。
一、受力的物体内部到底发生了什么情况？
有人说受力（接触力，像磁性力另说，而外力性质的重力与虚构性质的惯性力是在此我要重新认识的“作用”。）物体发生了形变，但这是外在的问题，此外在的形变也有因为物体内部的情况的变化引起的因素。受合外力为零（接触力）的物体也形变。我们要看看在受到合外力为零与不为零情况下的物体的内部到底发生了什么情况。我现在举几个现象方面的例子：先用水性质的物体来说明一下。
1.有“重”的情况：
（1）在地面上的装满水的容器，当该容器在水平方向上，受外力的作用（也有加速度），此容器中的水里就压强梯度情况发生。
（2）在离心机中的装满水的试管，在离心机转动的情况下，其水里也有压强梯度情况发生。
（3）静止在地面上的装满水的容器，在垂直发生方向上，其水里也有同样的压强梯度情况的发生。此容器的外力就是地面对其支撑的力。
2.“失重”的情况：
(1)在地面上以静止或匀速直线运动的装满水的容器，水平方向上，水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。
(2)处在自由落体运动状态下的装满水的容器，其水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。
（3）在公转的太空实验室里装满水的容器，其水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。
(4)在车厢里的地板上，有此装满水的容器，假设此容器与其地板之间没有摩擦力，当此车厢突然在水平方向上加速时，在车厢里的人看来，此容器有加速运动（在地面上的人看来，此容器还是静止的），但其容器里的水在水平方向上没有压强梯度情况的发生。此容器没有外力作用之。
说明：
（1）在原来的力学里，有“重”的情况的（1）与（2）的压强梯度被解释为虚构的惯性力（也被称为没有来源的力）造成的。其（3）的压强梯度被解释为“引力”（也是虚构的力）造成的。在我这里，其压强梯度不被解释，是认识的出发点（公理化。如果除了虚构的惯性力与引力的原因的解释，而有其他的原因的解释，我的此出发点不成立。）。是表示其物体有外力作用之，也是表示对此外力有反作用力，其反作用力就是其物体的广义惯性力。反过来，其物体有外力作用之，必有物体内部的此“压强梯度”情况的发生。其外力或其广义惯性力与此“压强梯度”在量上有正比关系。“失重”的情况也“统一”理解为没有外力作用之。
（2）气体也有此“压强梯度”情况的发生；固体的此“压强”表现为“胁强”。
（3）离心机里的此“压强梯度”的二阶导不为零。
（4）把此“压强梯度”的“唯象”性，变为抽象的ρ梯度（就是我的惯性力学三定律里的P内），是新的物理量，物理单位名称为“坦”。
（5）于是，原来牛顿力学的“刚性”的与“没有内部结构”的物体概念就变为有不是“绝对刚性”与有“内部结构”内涵的物体概念。
（6）当一辆汽车突然撞在“刚性”障碍物上时，此汽车就撞坏了，是由于其负加速度突然非常变大，依我的广义惯性运动定律，其汽车的P内也突然变大，也就是其质量部分的胁强变化突然变大，就造成了车体的破坏。其前面（被撞的部位）之所以被破坏得厉害，是因为汽车不是绝对刚性的物体（有一定的弹性）。
（7）在实践上，人们在说战斗机里发生的“失重”与“超重”时，已经没有了所谓的“引力与惯性离心力”原因的区别，已经都统一为“重力”的说法了。所以，我的“理论”容易被一般人理解，不是“超玄”的。完全可以直接代换中学力学里的“牛顿相应的定律”。在中学力学教材里独立的“失重与超重”问题，就不必讲了，此内容已经包含在惯性力学三定律里了。
（8）在爱因斯坦的“等效原理”里说什么“在惯性系（所谓的自由空间等）里与在引力场里的局部惯性系（某加速值的）里的所有的物理规律是相同的或所有的实验结果是相同的等同类不同方式的说法，比形而上学还形而上学。实际上只有一个“现象”是相同的，就是此“压强梯度”现象。如此的比形而上学还形而上学的“等效原理”，带来的直接错误后果就是把“光束与升降机的运动速度合成思维实验”带到了“动力学”里，也随带着把狭义相对论的理论带到了“动力学”里，于是，就繁衍出了什么“一级近似、强引力场、光线引力弯曲、引力透镜、黑洞”等劳什子。而爱因斯坦实际上是用“广义惯性”（用度规）在重力场里的“广义惯性运动”（测地线）
来定义引力场（弯曲时空），本来是“同一关系”，其定义结果——弯曲时空的前提（广义惯性）已经解释了“引力”，结果被人（爱因斯坦本人在此也糊涂）错误地理解为几何性质造成了引力的因果关系。如果还有人以为我的惯性力学三定律是什么广义相对论的什么级近似情况的定律，那实在是为广义相对论的继续存在找借口。不能为了“光”一定存在在力学里，把我们的认识搞混（昏或浑）了。我的惯性力学三定律是已经吸取了广义相对论的合理内核的结果。
(9)参考系是“观察”及“失重与有重”是体验，但这都是感性表达，而理论必须是客观性与理性的表达，于是，用此“压强梯度”现象与“ρ梯度”来说明与表达，这就是客观性与理性。（牛顿第一定律的物体的状态也是表示物体的失重状态）
二、空间问题
1.物体的内部空间问题
物理意义的空间与物体的内部空间的涵义是什么？这是困扰爱因斯坦一生的问题，（见爱因斯坦晚年对他的早年著作《狭义与广义相对论浅说》第十五版的附录）当物体有体积的时候，就应该说有内部空间。但是，爱因斯坦就在此问题上拿不定主意。比如一只两头没有盖（有盖也可以）的大油桶，你说此大油桶占据了什么空间，是圆柱体积？我想通了，是油桶的质量部分占据的空间才是物理意义上的物体内部空间。爱因斯坦的“物体具有空间的广延性”，应该就是此涵义。P内就是指此空间结构。
爱因斯坦之所以没有总结出此惯性力学三定律，其原因是把注意力用在了参考系的变换，而忽略了物体的内部空间性，而他到了晚年认识到“物体（不是物质）具有空间的广延性”时（见《狭义与广义相对论浅说》第十五版的附录说明），就已经说明了他开始注意到了物体的内部空间（物体质量部分所占据的空间）性问题，但他已经来不及总结出此惯性力学三定律了。
2.物体的外部空间的问题
地球有重力场，地球也是物体，地球的内部空间也可以定义为物质质量部分占据的空间。地球的此空间，也有此质量部分的“压强梯度”现象（中聚度，如在地球的大气层与海洋中也有此压强梯度。），也可以说P内，但是，具有物理性质的重力场（空间）可以延伸至月球轨道之外，而与质量无关。为了解决此问题，只得承认有一个独特的有物理意义的空间——重力场。而此空间的物理量P外与P内的物理单位相同。P内与P外对距离的积分，还可以理解为有的书中所说的“内势与外势”问题。于是，就一定应该有具有重力场的物体与不具有重力场物体之分情况。只有此种区分，许多问题都顺理成章。进而，重力场必须是有范围的。否则，许多悖论都出现了，许多“应该”发生的“异常现象”没有发生就无法解释。比如：“九星连珠”现象的发生，按理（万有引力）应该有异常现象发生，结果，什么异常现象都没有发生。而按我的结论，就可以很好地说明为什么没有异常现象发生。所以，我说的“只有整体天体才具有重力场，而重力场是有范围的”，是合乎情理的。
3.引力场概念必须抛掉
只要承认在任何物体之间有所谓的引力，引力场概念就没有存在的意义。只要承认任何物体之间有引力作用，广义相对论也不成立，我的惯性力学三定律也不成立。有“引力”的作用，就没有“场”的“作用”（属性问题），这是不相容的。然而，奇怪的是，多年来学术界竟可以同时运用之。爱因斯坦把把统一场论问题留给了后人，而后人又把此问题转化为四种相互作用力的怎样统一的问题。而通常的解决此不相容的办法是假设什么微粒子的传递，复杂了，麻烦了。靠假设的“东西”（不是某客观东西的抽象）建立的理论，不是理论。
4.熵空间
有重力场的空间与无重力场的空间是我的理论的前提，是思维的出发点。但是，最好是用“负熵空间与熵空间”（不是狭义的熵）来理解此出发点。因为此空间具有物理意义。有了我的惯性力学三定律，有了熵空间与负熵空间，与其分别对应的原来的绝对空间、欧氏空间、平直时空与惯性系及原来的弯曲时空、非惯性系与引力场这些概念也就没有存在的必要了。
离心分离机之所以有"分?quot;效应，也说明其试管在旋转的情况下，试管内部空间是负熵空间。而放在地球重力场内的静止的"试管"中也有此"分离"效应。
重力场可类比静电场，但又不是静电场。但有人把重力场（引力场）当作“电磁场”来看待，又弄出个什么“引力波”来，是没有客观事实根据的。
5.有关的若干问题
（1）什么绝对运动、相对运动、加速系、绝对时间、相对时间、平直时空、弯曲时空等等，统统撵回到纯运动学那里去；坐标系是描述用的；参考系是操作性问题，不是力学思考的前提问题。把参考系与坐标系也“撵”回到纯运动学那里去。物理就是研究物质的道理，抽象的空间、时间与运动的“本身”没有物理。去掉物体的抽象运动，是形式的问题。不能说空间有物理的属性，弯曲时空有“引力属性”是错误的。弯曲时空是不能证明存在与否的，因为是形式，是抽象的。物质的物理与其形式（空间时间与运动）是同一性关系（内容与形式的关系），不是因果关系。
在操作上，有重力场的空间有确定的参照物，而没有重力场的空间就是熵空间。通过我的广义惯性运动定律的加速度a可以转换出其他的运动形式，如a=v2/r等，然后再运用什么坐标系与参考系来描述。绝对参考系问题是具体问题具体分析的问题。如有绝对方向参考系，飞机上的“陀螺仪”就是例子。
（2）牛顿的惯性定律实际上包含两个涵义：物体在惯性运动状态时有“被动性”（无外力情况下），而在非惯性运动状态时（有外力的情况下）又有了要改变非惯性运动状态的主动性（能动性）。这才叫对立统一。然而人们只注意了“被动性”方面。
（3）自由落体运动（包括抛体运动），都是广义惯性运动。
（4）把物体的惯性问题与坐标系什么参考系结合起来，叫什么惯性系，这是把“关系”直接赋予了属性的逻辑错误。要把运动状态本身与为了描述运动状态的参考系问题分离开来。
（5）静止在空间中的卫星才可以用“引力定律”计算其“力”，但此力不是“引力”，是其卫星的广义惯性力，此广义惯性力的反作用力的外力应该是某一个阻止卫星下落的另一个实在“力”。宇宙中的天体运动都是广义惯性运动。而与其广义惯性力抗衡的外力，除了碰撞和爆炸等外力外，几乎没有恒定的其它外力与之进行“强”相互作用。所以，计算正在公转运动的行星“引力”是错误的。
（6）当我说“战斗机飞行员已经体验了等效原理的所有内涵”时，有人也许会问：战斗机是在地球的重力场内飞行的，重力场是大范围的ρ非均匀空间，而大范围的ρ均匀空间的等效原理的情况没有算在内，怎么能说战斗机飞行员已经体验了等效原理的所有内涵？回答是：因为地面的水平方向的空间也是ρ均匀空间，重力等势面是二维ρ均匀空间。
（7）像这样的提法：“一个观察者，当他的加速度计读数为零时，他不能辨别他是否在外层空间相对于恒星匀速运动，还是在地球重力场中自由降落因而相对于恒星作加速运动。”这是马赫哲学的提法。把恒星当作了“绝对参考系”。这是抽象的理论与具体问题分不开的错误，容易造成思维的混乱。
（8）之所以我说可能仅在恒星、大行星及部分的整体性的卫星周围存在重力场。也是考虑了重力场内的天体的广义惯性运动一般都是圆锥曲线运动，而拿不准星团、星系内的天体的运动是否是属于这样的运动，从而也拿不准其是否也具有重力场。但从星系内的星体的运动速度角度来看，不符合“引力”定律。因此，我倾向于星团和星系空间不是“重力场空间”的认识。它们仅是类似“流体力学旋涡效应”。接着，就不得不说星系内的真空空间不是“真空”。无论怎样的“真空”，在星系这样大空间范围内，仍然有“流体效应”。
所以，以“引力”为原因来描述天体起源过程，真是牵强附会的提法，而原始星云各粒子"小质量"之间不会达到足以吸引其它粒子的“能力”。在此方面问题上，笛卡儿的“旋涡理论”也许还有它的存在价值。
（9）当我们说产生重力场是整体天体的功能时，可用导电（直流电）螺线管产生磁场的类比来理解其不依赖中心“质量”的机制。而仅对于重力场本身，我们只要能够测量与描述它就够了。目前热核聚变控制问题是靠外因的控制方式，从整体科学的角度，最好是用系统自我控制方式才能解决。太阳就是自我控制方式的热核聚变，重力场的产生机制问题的解决，就与此相关。
（10）天狼星的视曲线的运动被解释为有密度非常大的伴星（白矮星）存在。掉过来的看法，则是其伴星也许仅是一般类似地球密度的行星，因其公转运动与天狼星无“力”的关系，其视曲线运动需另外解释。
（11）没有发现距离很近，且体积与质量都相等的两个星体互相公转的现象存在。天文观测发现某恒星亮度周期变化，说明有不发光的星体公转，可以类似日食现象。但不能说明是同样的星体。在宇宙中发现的两棵很近的恒星，实际距离很大，并不互为公转。所以，只有一种质量很大的中心星体，而绕其公转的星体体积相对来说又很小的现象存在。这说明如果水星体积与太阳体积同样大，那么会造成内部压强梯度不均匀分布的情况出现，于是，不是被这压强不均匀性所撕裂，也会落到太阳上去。客观上，天体在起源与演化过程中，自然就避免了这种情况的发生。如果水星的体积与太阳体积一样大，则会碎裂，因为会造成其内部的ρ梯度值方向的不平行情况。所以,要保证在重力场内的天体公转的广义惯性运动状态，还有其自身线度及与中心整体天体距离的限制（因为重力场的ρ梯度分布是不均匀的）。星体产生重力场也有尺度的限制，超过了，就爆炸。小了，就不能形成。行星是重力场产生后，有火山不断爆发的阶段及吸收大量星体撞击阶段。
（12）当有人说“苹果自由下落运动是惯性运动”时，有人就反驳道：“重力是万有引力，惯性是运动状态。”这是目前普遍典型的错误认识。“重力是万有引力”的错误自不必说。而“惯性是运动状态”错误认识的实质是把“关系当作了属性”，同时，又是抛开了惯性的另一个在“关系”方面的体现——“力”。
（13）在我的理论里，只有“卡文迪斯实验”与之不相容（实际上与广义相对论也不相容），除了此实验，一切都顺理成章。在此，我完全有理由声明：“卡文迪斯实验”是个伪事实。是一个人云亦云，以讹传讹的伪事实。也许是卡文迪斯本人的测量误差造成的，也可能是卡文迪斯有意的在欺骗公众。这也许是科学历史上最大的“欺骗事件”。如果此实验出现在牛顿发现“万有引力”之前，还有余地承认它。可是，此实验是发生在万有引力被发现之后，是“马后炮”，是“事后诸葛亮”，就有理由否定它了。
（14）有人说：1.新理论必须比现有的理论能解释更多的观察事实；2.新理论必须能够推出现有理论全部成功的结论；3.新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本。又有人说，一个好的理论，至少满足三个条件：1.与实验事实符合；2.能解释现有现象；3.能预测新的现象。
我的惯性力学三定律满足了“新理论必须能够推出现有理论全部成功的结论”条件，因为，该三个定律能推导出牛顿第二三定律、自由落体定律、牛顿引力定律、浮力定律与包含了爱因斯坦的“等效原理”。我的惯性力学三定律本身就满足了“新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本”的条件。我的此三定律与重力场仅产生于整体天体的结论，已经解释了大量的现有现象（也算被我的理论排除的原来理论解释的现象）。我的新理论仅与“卡文迪斯实验”不符合（是伪事实），其它都符合。实际上，“能够预测新的现象”条件是非常重要的条件，也就是说有指导“实践”的意义。我的理论能预测人类能够制造“重力场”，接着，就能够解决“热核控制”等实际问题。
广义相对论似乎也满足该条件，但是，其一，把牛顿力学借口为“近似”，就原封不动地退回到中学教科书中去，没有满足“新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本”的条件；其二，没有“比现有的理论能解释更多的观察事实”；其三，仅预测了太阳的星光偏转现象，而此现象可有另外的解释。其它的预测，如引力波、黑洞等，到目前还没有证实；其四，到目前还没有表现出具有指导实践意义的事例。可以说，广义相对论仅有一句话有意义，就是“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重性’”这句话。也就是这一句话，才有“一字千金”的份量，在科学的历史上有“永垂不朽”的价值，从而，把人类对大自然的认识向前推进了一大步。
广义相对论也许还有一个价值，让许许多多的物理人跟着学了一遍连“数学系”都当作“选修科目”的黎曼几何，不白学，也许还有“书到用时方狠少”的意义。如果黎曼在天有灵，应该对爱因斯坦感激涕零。
2001年8月9日完稿
参考文献
[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。
[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。
[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。
［4］马英卓：等效原理的对与错，《当代物理世界—物理论文集》网站。
［5］马英卓：万有引力真的失灵了吗？《当代物理世界—物理论文集》网站。
[6]马英卓：用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界—物理论文集》网站。
根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞里面是个奇点，那是个物质密度无限大的点。但是科学家又说，在这样一个密度无限大、引力无限大的奇点里，所有的物理定律统统失效，科学完全不起作用，当然相对论在黑洞无限大的奇点处不再成立。那么这个密度无限大的奇点到底存不存在？这里面有个逻辑上的悖论。如果黑洞里没有奇点，那么广义相对论就会成立，可是之后，适用的广义相对论又会推论出黑洞里有奇点。如果黑洞里有奇点，那么广义相对论就不再成立，但是这个奇点的存在又证明了广义相对论的正确性和适用性。推论与条件显然是相矛盾的。这样一个悖论式的理论到底能不能说明黑洞里的情况呢？
抛开广义相对论不说，从现实出发，这样密度无限大的点真的会存在吗？如果真的存在的话，我们还真的无法想象。一般的科学家都倾向于认为，无限的情况或许只是在数学里有。
这么说的话，黑洞里可能还真的没有那个可怕的奇点，我们如果把这个奇点铲除了，黑洞就会变得有些奇妙了。量子力学认为，如果1立方米的空间里，物质的含量超过1050千克，也就是密度达到1050千克/立方米的话，物质就无法再压缩了，物质粒子之间的排斥力会超过引力，那么之后，这些被压缩的物质就会反弹，膨胀开来。这个过程就像我们压缩一个弹簧的过程一样，开始的时候，压力超过弹簧的反弹力，弹簧不断被压缩，但是压缩到一定程度后，弹簧的反弹力就会超过压力，从而反弹开来。
这么说来，在黑洞里的物质反弹膨胀的时候，黑洞里的物质分布也许就像我们这个不断膨胀的宇宙一样，很可能这个时候，黑洞里的物质上面也会演化出生命来呢。甚至我们本身就可能生活在一个不断膨胀的黑洞里，大爆炸产生我们宇宙的时候，可能就是黑洞里的物质被压缩到极限后开始反弹的时候。
如果我们真的生活在黑洞里，黑洞之外的智慧生命是无法发现我们的，因为他们是无法看到来自黑洞内部的光线的。但是黑洞里的生命却可以看到黑洞之外的世界，因为外面的光子会不断掉进来，这些光子就携带了外面世界的信息。但我们虽然能看见黑洞外面的世界，却无法走出黑洞，去探索那个外面的世界。因为光子都无法走出黑洞，我们就更无法走出去了，黑洞外的世界对于黑洞里的生命来说，是可望而不可及的。这么说的话，如果我们生活的黑洞并不大，我们看到的宇宙范围应该还包括了黑洞之外的世界，例如也许几亿光年外的世界就是黑洞之外的世界。可我们也许永远也无法去探索那几亿光年之外的世界。
一、惯性力学
严格说来：牛顿第三定律(互为作用力定律)应该是力学“体系"定律，是在各种作用方式力以及各种属性力之间建立关系的定律；去掉牛顿第三定律后的广义力学核心四定律（见[2]文），应该称为“惯性力学”核心三定律（以下简称“惯三律”）。“广义”是相对牛顿力学及牛顿惯性而言的。之所以还保留“广义惯性”一词，也是因为只有惯三律被大多数人接受后，才会完成它的历史使命，再改变为“惯性”一词。牛顿第一第二定律（以下简称牛二律）是惯三律的物体外部空间在ρ均匀空间情况下的定律，是其推论，不再是惯性力学的核心公设性质的命题
（一）广义惯性使牛顿力学进化
爱因斯坦独具慧眼，从司空见惯的现象中及自由落体运动与质量因素无关的经验事实，总结出了等效原理，且明确与准确地说：物体的同一性质按照不同的处境或表现为“惯性”，或表现为“重性”（[3]第55页）。这个同一性就是广义惯性，这个处境就是空间。牛顿第二定律实质是其第一定律涵义的数学表达式。所以，广义惯性的发现，其革命意义是指动摇了牛顿第一定律的核心地位。广义惯性包含了牛顿惯性，所以，又是其进化。同时，也说明了需要建立一个取代牛二律的进化性质的核心命题系统的新力学理论。广义惯性又引出了两种空间及其区别的新问题。这个新问题困扰了爱因斯坦的一生，走了一大圈“弯”路后，在他晚年时，才看到了解决这个问题的曙光――物体具有空间的广延性（[3]第十五版说明），由此“广延性”再往前走一步，就是[2]文说
*男，1949年生，1983年毕业于东北师大数学系，长春市吉林工学院家属宿舍14号楼43号（130012）
的ρ空间及其区别的标志是其梯度值的有否。这说明还需要一个新的涉及空间的基本概念及与其相对应的原来等效原理所没有涉及到的新的经验事实：物体质量部分的压强梯度现象（注：在固态的具体物体内部，此“压强梯度”表现为“胁强”），也就是爱因斯坦的物体的空间广延性的具体体现。同时也引出了物体的非刚性及其具有内部空间结构的抽象性质（[4]第六章）。于是，“万事俱备”，只欠建立一个新的核心命题系统了。可以说，惯三律就是这个系统。广义惯性是由于把“重性”也归于同牛顿惯性一样的物体属性，所以，其革命意义也主要体现在“重力”方面。“引力”是对重力本质的错误认识。广义惯性与场概念把原来引力中的两个平权的物体分离开来：一个是仅表现广义惯性的一般（非整体）物体；另一个是具有产生重力场的特殊性的中心物体。一般物体与中心物体之间已经没有“力”的关系了。但通过重力场（原来引力场与自转惯性离心力合成的重力场涵义需要改变）有“能”的关系（见此文的“ρ空间与能”一节）。到此为止，广义惯性已经完成了其逻辑任务，即取消了引力及导出了中心物体的特殊性（当然也具有广义惯性的一般性）。这个特殊性的中心物体就是整体天体。于是，广义惯性与整体天体就构成了理论的内部逻辑性（也就是“自圆其说”）。广义惯性取消了惯性质量与引力质量的区别。当然，更没有质量的第三个属性――产生引力场。说重力场是特殊的ρ空间，也有其对应的经验事实，即具有重力场的质量部分的天体，一般都具有密度及压强（也有温度及磁场因素）与中心距离近似反比分布（中聚度）的现象。同时，其现象也表明了这个天体（中心物体）的特殊性。中聚度现象已经是整体性的一种体现。
（二）再看牛顿力学
为什么人们回避牛顿第二定律中的“力”（外力）的反作用力就是物体的惯性力的道理呢？就是因为把重力也当作外力（引力）时，物体本身没有反作用力――惯性力（重力加速度与物体质量的大小无关），这正是牛顿力学理论内部的不能“自圆其说”的地方，这也正是爱因斯坦所注意的地方。为了回避这矛盾性（无意识的），不得不让其“外力”担当“广义”的力的重任。“力是物体加速运动的原因”这一没有条件限制的观念，是牛顿力学最主要的思维定势。不管是相对的加速运动还是“绝对”的加速运动，人们都在头脑中马上反映出来要乘上物体的质量，使力成为其运动的原因。于是，其直接错误后果就是把非牛顿惯性系内或重力场内的物体“自由”或有阻力的“不自由”的加速运动，也当作有外力（不包括阻力）正在作用之。之所以把非牛顿惯性系中的外力惯性力叫做虚构力，是说明牛顿力学中还有第二个观念：“力是物体对物体的直接作用”――这是作用方式力，但有的教材除了摩擦力外，把作用方式力几乎都归结于弹性力则是错误的。又从这第二个观念来看其外力惯性力时，真的不存在另一个物体来表现之，只得权宜称为虚构力。当把重力也当作外力时，发现确实有另一个物体（中心物体）与之对应，这可是“真实”的外力了。麻烦又出现了，这个引力是超距作用性质的力，从作用方式力的观念角度来看时，又难理解了。为了让引力回复到可理解的直接作用性，又引起了从牛顿时代起至今的许多人去虚构在两个超距的物体之间飞来飞去的各种“微粒子”，以此物来担当引力成为直接作用性的重任。引力本来也是虚构力，还要为这虚构的“东西”再虚构一些东西，麻烦可就大了。因为凡是具有质量的物体都具有广义惯性，也可以说是“万有”惯性。之所以惯性力学在力学体系中占有主要及重要的地位，而其他属性（如弹性与磁性等）力学占次要地位，且以“惯性力”作为力的物理单位，也是由于其“万有”的原因。但作为表现广义惯性力的重力的空间（重力场）及场源物体（整体天体）可不“万有”。这两个角度分不开，还会认为重力（引力）“万有”，这又会回到为什么会超距作用的难理解的怪圈。广义惯性使探索“引力作用机制”的研究方向成为毫无意义的方向，是徒劳无功的方向，因为引力本身是由牛二律的局限性而派生出来的虚构的力。
（三）再看广义相对论
爱因斯坦特有的知识结构（马赫哲学、狭义相对论、四维时空、光、场及黎曼几何），决定了他走上了一条充满荆棘的理论之路。马赫的功绩是看到了牛顿力学体系中有一个缺陷，就是物体的运动状态依参考系的不同而有所不同，于是，作为判断牛顿惯性运动的前提也就成为不确定的了（相对性）。不得已，马赫把现象世界的远处的恒星当作其绝对参考系了。马赫的错误就是把牛顿惯性定律中的物体的属性（保持性）与其运动状态问题混在一起了。爱因斯坦受马赫哲学的启发，又发现了等效原理，但同时又继承了马赫的错误。被夸大为改变人们时空观念意义的四维时空，只不过是用“运动”（还是光运动）角度来规定空间的一种方法。规定有结构的空间可有各种方法，其各种方法是平权的。用什么方法来规定空间则取决于理论与实践的需要。如果去掉了“光速”的弯曲时空还有力学意义的话，与牛顿引力定律正是互为补充的关系本体性的场的描述：一个是以广义惯性“运动”的角度的描述；一个是以广义惯性“力”的角度的描述。而牛顿引力势所包含的空间意义，正是中心结构的ρ非均匀空间（重力场）的经验性的描述。终究是“描述”，都不能代替核心命题性质的“表述”。没有明确的命题表述，其描述也就没有明确的理解前提。惯三律与广义相对论都以等效原理为其经验基础。只不过爱因斯坦又走上了光速的等效原理之路。而光速的等效原理是由“思维”实验得来的，且唯一能验证其理论的星光在太阳附近偏转现象，爱因斯坦在具体计算其偏转角度时，实际上是“非常谨慎地用惠更斯原理”（[5]第23页）。而惯三律所依据的“低速“等效原理，连幼儿园里的儿童都可以感觉到坐滑梯时的加速度与坐汽车时的汽车加速度的区别，因其身体内有胁强的有否或大小之区别。战斗机飞行员已经体验了低速等效原理的所有内涵。所以，任何脱离与回避“低速”等效原理的力学理论，肯定是不会成功的理论，因为其现象普遍存在于客观世界，且与力学密切相关。爱因斯坦之所以对“光”情有独钟，也许是无意识的回避其理论中的一个内在矛盾：“产生”引力场的中心质量（中心物体）必须很大，而体现弯曲时空（引力场）作用的物体必须很小且产生与不产生引力场无关紧要，这与引力中的两个平权的物体涵义是矛盾的。而“光子”正好是最小的物体，也就回避了这个矛盾。只有“整体天体才产生重力场”的结论，才可以解决这个矛盾。
引力波、黑洞与四种相互作用力的统一的课题，来源于爱因斯坦。引力已经不存在了，当然“引力”波也不存在了；如果重力场有边界，重力场就与电磁场不同，当然引力“波”也不存在了。如果以光线在重力场中弯曲的角度而导出的“黑洞”，黑洞不存在，因为光线在重力场中弯曲的原理不是由于“引力”；如果是由于“弯曲时空”原理而导出的“黑洞”，黑洞也不存在，因为本来弯曲时空是由光线的弯曲（光子的广义惯性运动）而规定出来的，反过来又认为光线的弯曲是由弯曲时空所造成的，这是什么逻辑？如果光线在重力场中有红移效应，那么，由此原理而导出的黑洞，黑洞有可能存在。引力都不存在了，也就无所谓四种相互作用力的统一的问题。目前的“大统一理论”仅剩下“引力”没有被统一进去，也正说明了这个问题。
二、ρ空间概念
（一）场
电磁波的发现，为物理学带来了场概念。仅作为数学意义的场，是具有结构的空间，而作为物理学意义的场，当然是具有物理意义的且具有结构的空间了。从逻辑学角度，由于场具有不依赖负荷者的存在与否的性质，所以，场是本体概念（不一定是物理学中的实体才叫本体）。场作为非质量因素的“物体”，没有力学中质量的物体的作用特征。场的作用性是：某种物理性的场使其场内的物体能够表现出相应的自身属性。“力场”是使其场内物体在体现其自身属性时，其物体对其他物体的力作用，而不是场本身在对物体有力的作用。重力场的作用涵义就是在物体相对场（参考物为中心物体）的平动状态或非“自由”加速运动状态情况下，该物体对其它物体的广义惯性力的作用。原来力的作用观的主动作用“力”与被动作用（物体）的关系是绝对的（虽然还说是相互的），而场的作用观则是场内物体由于自身属性对场有主动反映。这两种作用观是不相容的（[6]第92页）。“引力场”概念本身就是这个“不相容”的混合体，从而造成了理论思维的混乱。没有这两种作用观及本体性场与关系本体性场的区别认识，则其理论思维是混乱的。只有本体性的场，才能逻辑定义关系本体性的场，才能有清晰的认识。
对场本身不宜过多深究。之所以对场感觉玄，还要深究，其原因往往也是由于总想回到力作用观的理解下才觉得“塌实”的一种心理趋向。只要能测量及描述之就够了。重要的是，要深究场源物体产生场的物理机制与对场有反映的物体的物理属性及其物体在场内怎样表现其属性的内容。麦克斯韦方程、无线电台与收音机这三要素，就已经意味着深究了该特殊电磁场的所有方面。
(二)ρ空间与能
ρ场与势场都是标量场（本体性），是说明ρ场概念的内涵中还有“势”涵义。也就是说，物体与中心物体通过重力场有“能”的关系。在天文学领域，许多人在运用引力定律时，已经以中心天体为势场中心的角度来计算了。从熵的角度（不是狭义的热力学中的熵，而是耗散结构理论中的熵）：ρ均匀空间（原来称为欧氏空间、牛顿绝对空间与平直时空）则是能量为零的熵空间；ρ非均匀空间是具有能量的负熵空间。也可以说，广义惯性就是物体通过某种运动状态来保持或主动改变某种运动状态来达到其内部熵状态的一种属性。所以，用熵与负熵角度来区别由广义惯性引出的两种空间，才是其区别的本质。通常说质量（仅指宏观物体质量）也具有能量，其真正的涵义应该是物体内部的负熵能量，质量是其负熵能量的“和”。物体内部的负熵状态，除了静止在重力场中的情况外，一般都是随机的及暂时的。而作为“恒定”的重力场（包括质量部分的整体天体）这一中心结构的负熵空间，正是有序结构空间，也正是整体性空间。当把重力场这一特殊的空间变为具有负熵意义的空间时，其内容将要与物理学分道扬镳了。物体内部负熵空间的产生原因，来自其外力或自身的动能或其外部负熵空间。而不能化为物体内部空间的重力场，其产生及维持的原因则是未知的。但整体天体产生重力场这一经验命题，毕竟大大地缩小了寻求其原因的范围。而“引力”的认识，反而以为不存在其原因了。在这里要强调一下，ρ场仅是力学中的抽象概念，ρ场包含物体内部的空间及重力场，重力场是特殊的ρ场。
(三)作为基本概念的ρ空间
为什么ρ空间姗姗来迟呢？就是由于从经验层次的现象（已经归纳的现象）再变为抽象层次的基本概念的过程，是人们最不习惯的过程，总不容易摆脱“具象”。之所以不习惯，其原因之一也是因为人们先有了原来理论的抽象及已经习惯了的思维方式，即使有了“具象”也看不到其抽象意义。而由抽象变为“具象”的过程，那可容易多了，但也往往“具象”出来客观世界不存在的东西。
从逻辑学角度，基本概念是不能被其它概念来定义的概念，其内涵具有一定的模糊性。ρ空间也是如此，只能用“感觉”到的物体质量部分的压强梯度现象来说明之，但又不是压强梯度本身。“真空”是具象空间，真空里照样存在“重力场”的ρ梯度值的有否，可用具象的压强梯度来检验之。但不能认为真空是ρ均匀空间。ρ空间与压强梯度的关系可类比铁粉末直观表现磁场结构的关系。摆脱不了具象，不能变为一个基本概念，也是爱因斯坦的“一无所有”的空间怎能分出两种空间的困惑原因之一，而用“运动”规定出来的弯曲时空又不能区分出是表述了物体的广义惯性还是表述了场的属性。特别强调的是：物体内部空间只能指物体质量部分所占据的空间，也是爱因斯坦晚年醒悟的“物体具有空间广延性”的涵义；而重力场空间不仅包含质量部分（整体天体）的空间，也包含没有质量部分的空间。这样就避免了变为“一无所有”的无边界的抽象参考系而带来的“相对”不清的问题。总的说来，ρ空间仅在数学形式上是标量场（其梯度为矢量场），但在物理意义上，则包含了表述广义惯性、可变为物体内部空间及重力场的本体性场、势、能、熵与质量部分的压强梯度等涵义。
三、惯性力学及其例题
在中学教材中，加速度可直接用一个字母来表示。ρ梯度与加速度一样，也可直接用一个字母来表示，设定其字母为P，其物理单位名称为“坦”。为了遵从现在教科书的习惯，力的物理单位仍用“牛顿”。那么，广义惯性力定律需要乘上量纲系数k，运动定律需要乘上k的倒数。在计算习题时，可设量纲系数为1。物体内外空间的ρ梯度，以下简称内P与外P。惯三律可以改写为以下形式：
①广义惯性定律：物体总保持其内部的ρ均匀空间时的运动状态。
②广义惯性力定律：F=kmP内
③广义惯性运动定律：P外－P内=1/k×a
惯三律的运动定律：其三个矢量在同一条直线上，并且方向相同；如有一矢量方向相反，则变正负符号；如有一矢量不在其直线上，依习题具体情况有时可用矢量分解的角度化为其直线上的矢量。值得注意的是，P矢量的垂直方向，该P矢量为零。特别值得注意的是，由于设量纲系数为1，绝对值a有物理意义的双重性，有时表示P值，有时又表示物体的加速度值。原来牛顿力学中也隐含这双重性，但没有P物理量之前，其物理涵义是混乱、自相矛盾或是错误的。在做习题时，一定要依题意，来决定双重性的哪一方，比如当外P=g时，有时仅表示以单位为坦的重力场的强度值，有时仅表示以单位为加速度的自由落体运动的值，这时的g就不能再乘质量了。当物体内p=g时，表示物体处在相对重力场的静止及平动状态，仍需要以“坦”为单位来计算，表示物体处在非广义惯性运动状态，（准非广义惯性运动状态则是非g值的不自由落体加速运动状态）这时物体必有广义惯性力（重力）与其反作用的真正的外力存在。
由于惯三律取代了牛二律的理论核心地位，当然，其解题思路及解法也具有取代性。惯三律与牛顿力学的解题思路及解法的区别的关键就在于：合外力的解法，在今后仍可继续运用。但在针对某一物体的受力分析过程中，该物体的质量与其内部的ρ梯度值的乘积值仅是该物体的广义惯性力的值，其力的反作用力，才是真正的合外力。牛顿惯性力、惯性离心力、科里奥利力与重力都是真实的该物体的广义惯性力。
例题1：
一辆装满水的车厢以恒加速度a1=10m/s2在水平轨道上运动，一个质量为m=2kg且运动方向（以车厢为参考系）的加速度为a2=8√2m/s2的小球从车厢上部落下（不接触车厢壁），求小球的阻力f及其与垂直线的夹角θ。（示意图略）
解：地面重力场P1=10（坦）。
（1）水平方向的车厢外P1=0，其内P为P2，依运动定律，P1-P2=a1，即-P2=a1=10（坦）。（2）垂直方向的车厢内P3及车厢加速度a3，依运动定律，P1-P3=a3，因其相对地面平动，a3=0，即P1=P3=10（坦）。（3）车厢合内P42=P22+P32=102+102=200，即P4=10√2（坦）；夹角由tgθ=p2：p3=10：10=1，得θ=450。（4）小球外P4，小球内P5，P4方向，依运动定律，P4-P5=a2，即P5=P4-a2=10√2-8√2=2√2（坦）。依广义惯性力定律,F=mP5=2×2√2=4√2，又依互为作用力定律,f=-F，即f=4√2（牛顿）。答：略。注：如把惯三律的一些特殊情况转化为一系列推论，直接用其推论，则解题步骤将很简单。
例题2：
一架质量为m=5000kg的飞机，在竖直环行轨道上以速度v=100m/s飞行，求：（a）环行轨道的可能的最大半径r；（b）在其环行轨道最低点处作用机上的升力f。（示意图略）
解：（a）在可能的最大半径的环行轨道的最高点处，飞机的内P=0，飞机的外P=g=10（坦），依运动定律，P外―P内=a，故P外=a=10（米/秒2），而a=v2/r，故P外=v2/r，r=v2/P外=1002/10=1000(米)。（b）在此轨道最低点处，依运动定律，P外-P内=-v2/r，故P内=P外+v2/r=10+1002/1000=200（坦），依广义惯性力定律,F=mP内=5000×20=105，又依互为作用力定律,F=-f，得f=105（牛顿）。答：（略）。
注：例题1中的车厢内有一半水的情况下，水面是斜面，其合内P4垂直其水面。而水中有压强梯度，则表象说明了车厢内的ρ空间。但合内P4不直接等于水的压强梯度，虽然其方向相同。这是抽象命题转化为经验命题的问题，其合内P4与其水的压强梯度之间有调整系数。车厢内如果是真空（或有空气阻力略）的情况下，车厢内只有P1，小球相对地面是自由落体运动，没有外力作用之（判别标准之一），小球内P为零。所以，此真空情况下的习题没有求阻力的问题，是纯运动学问题。如果小球有悬线系在车厢顶上，不论车厢内有水还是真空情况下，小球会相对车厢静止，小球质量部分的空间与车厢质量部分的空间是合为一体的空间，要计算此题，需要把重力场P1与车厢水平加速度a1共同“直接”转换为小球两内P，再计算其合内P，再求其广义惯性力及悬线张力。例题1是平动方面的解法，例题2是转动方面的解法。而转动方面的解法，有时也需要换作内P=v2/r，及也可内P=ω2/r、内P=2ωv、再用合内P方法来求解。读者如果有兴趣，也可以合内P的角度用高中数学来推导此环行轨道任意点的广义惯性力的公式。
另外，教材中的机械能部分也应该作相应的调整。势能公式中的g换为内P1，即E=Mp1h。如果不换，其实质涵义是质量为m的物体正在做自由落体运动，其公式仅表示物体变化的动能。惯三律的运动定律对距离的积分后再乘上质量的数学式，正是惯性力学的机械能守恒定律，然而这已是大学物理教材的内容了。由于广义惯性取代了牛顿惯性的理论核心地位，力学体系的结构也须重新调整。由于力概念分为作用方式力与属性力，力学体系的结构也应有这两部分相对独立的内容。属性力学仍然包含惯性力学、弹性力学、电磁力学。实际上有些应用力学，如爆炸力学等，也属于属性力学范畴。以往把引力定律作为牛顿力学的核心命题来运用则是错误的，因为引力定律仅是经验公式。当然，引力定律在惯性力学这里也是经验性质的命题，仅具有特殊例题的地位；
四、引力与重力场
（一）惯三律与引力定律
在惯三律这里，引力定律的运用分两种情况：一种是物体的内P=0，物体的加速度a≠0，其外P=kM0/r2（k为引力常数，M0为重力场的中心物体的质量）的情况，也就是物体在重力场中正处于广义惯性运动状态的情况，其外P=kM0/r2的涵义是表示重力场强度及其强度的分布状态。在以往，外P=kM0/r2这一公式是由引力定律和所谓的引力质量与惯性质量相等的角度得来的；另一种是在物体的加速度a=0，物体的内P≠0，其外P=kM0/r2的情况，也就是物体在重力场中正处于非广义惯性运动状态的情况。由此种情况再利用惯三律就导出了引力定律。由于天体的运动一般都是广义惯性运动，所以引力定律在天文学中的运用，仅适合于第一种情况。然而遗憾的是，以牛顿三定律与引力定律为出发点的天体力学，虽然在实际应用方面，有部分内容已经按第一种情况来计算了，但仍然是引力涵义的理解。还有相当部分的内容是按第二种情况来计算的。按引力涵义理解的第二种情况而得出的一些天文学的结论则是错的，比如：两个天体绕公共质心旋转问题，这是只有在ρ均匀空间的前提下才成立的问题，而在ρ非均匀空间（重力场）的前提下，此问题不成立。有的天体演化假说竟可以说公转的天体能被中心天体的引力吸出个包来，岂不可笑。可以说，以相互作用力的角度而运用引力定律的天文学的许多结论，几乎都要成问题。
当说到平稳地落在金星地表面上的探测器是由于其巨大的大气压而压“扁”的时候（由此理不能压扁），实质是由于金星地表面的ρ梯度值非常大，以至在探测器的质量部分的内部形成了巨大的胁强，从而就象地球的地面上的“面团”变扁的原因一样，而变扁了。这说明了金星表面重力值大大地超过了地球表面重力值。而金星质量小于地球质量，可见引力定律适用的近似性、局限性及经验性，说明了引力的理解也是错的，也说明了重力场的强度不依赖中心物体的“质量”。如果说有无大气层则标志了其星体的表面重力值的差别，为月球直径三分之一的天王星卫星有大气层，如果其表面重力值大于月球表面重力值，那也说明了重力场与中心物体的质量因素无关。牛顿引力定律的中心质量仅具有重力场“势”的初始量的意义，而不完全代表实际的中心天体的质量。从重力场强度分布角度，其平方反比律仅在某一空间范围内成立，在接近重力场中心处及其边缘处，也可能是立方反比律，究竟以什么“律”分布，这由实践探测来决定。目前流行的所谓引力常数随宇宙时间变化的说法是没有意义的。从天体演化角度，随着重力场与整体天体起源演化过程，其重力场强度当然是要变化了，不仅有长期的变化，还有随机的小的变化。但这随机的小的变化，就足以使某些整体天体发生地质的地震或火山喷发等现象的发生。然而这已不是物理学的事了。
（二）重力场有边界的证明
最近哈勃望远镜观测到一颗恒星的有一光环，其光环外边缘呈辐射状，其光环内边缘完整，内边缘与中心发光恒星之间区域是黑色空间（此照片许多人都看到了）。这个结构可以说是重力场有边界的证明，边界就在其光环内边缘处，这也说明光环“静止”在空间中。如果这颗恒星的重力场没有边界，那么，光环中的物质必有公转运动，于是，光环的外边缘就不会是辐射状。土星光环的外边缘就没有
辐射状，就是因为它有公转运动，也说明它处在土星的重力场的范围内。
五、整体科学体系
（一）整体自然观的本体论
说自然界是一个统一的整体，好像就是这个整体自然观，然而，这是笼统的认识。更准确的认识应该是：自然界是由不同层次的与同层次的不同的整体所组成的。宇观世界（宇观世界的一部分在以前也被当成了宏观世界）是由某些整体性的卫星、行星、行星系、恒星、恒星系、宇宙中的各种星系所组成；宏观生命世界由DNA、细胞、生命个体与群体、人类社会所组成；微观世界由分子、原子、某些整体性的基本粒子所组成。
由于这三个世界的整体不同，其属性也有所不同，所以，这三个世界的分界线应该是：微观在分子空间尺度之内；宏观在分子空间与近似月球的空间尺度之间；宇观在近似月球空间尺度以上。
这些整体有其内部的有序结构，性质与功能，有其起源与演化过程。这三个世界有其演化的同步性。当然，自然界中还有各种非整体，但也一定属于某个整体，是其组成要素及局部。只有自然界的整体，才有起源与演化问题。而非整体则没有起源与演化问题。
（二）整体科学体系与物理科学体系
整体自然观为科学提供了一个新的科学体系（整体科学体系）框架与背景。整体科学体系是研究自然整体的整体性质与功能、有序内部结构及其起源与演化过程的科学理论系统。由经典物理学发展到今天的现代物理学，物理学已成为无所不包的科学，简直成了自然科学的代名词。这意味着什么？意味着把物理学的原则、观念、概念、思维方式与思维方法也带到了整个自然科学，也带到了自然界，从而，忽视了与抹杀了对整体性方面的认识。这两种科学体系在观念上、思维方式及思维方法等方面都截然不同。
（1）本体论问题
在物理学的物体观中，物体没有内部有序结构、有可分割性及没有起源演化性；在整体自然观中，自然整体物体有内部有序结构、有整体属性的不可分割性及有起源演化性。物理学是非整体观下的科学。物理学本身没有错，错误就在于把整体的客体也看成了非整体，还把分子与原子当作力学的粒子，天体还被认为是物理学中的一般物体。在此，还有必要澄清一个认识问题：非整体与整体是矛盾关系，但还有一般性与特殊性的关系。自然整体仍然有物理学的一般性，只不过多了一个整体性。比如：凡是具有质量的物体（不管是整体与非整体）都有惯性；而重力场仅是整体天体所具有的；当我们说起源演化性的时候，也仅是自然整体所具有的。另外，还要澄清一个认识问题：抛开“本体”，单独说属性与关系也有起源演化问题，是不妥的，属性与关系必有其自然物为其载体。某物有起源演化过程，其整体的属性与关系也自然随之出现。某物没有起源演化问题，其属性与关系也自然没有之。说惯性与引力也有起源问题，其错误之一，惯性与引力是属性与关系，没有与其载体一起说明，其错误之二，惯性与引力的载体是一般性的物体，没有起源问题，当然惯性与引力也就没有起源问题。况且，引力本来就是人为虚构的东西……。
（2）方法论问题
物理学是对自然界的单一因素的研究，而整体科学注意的是（前提是整体）多因素之间关系的研究。说“物理学是对自然界分析的科学”的说法不太准确。当把物理学体系的知识运用到自然客体上时，而产生的相应的所谓交叉学科本身，如地质力学、电生物学、地磁学、太阳系物理学等等学科，才是对自然“整体”的分析（非整体要素）的认识。相对未来的整体科学理论来说，这种交叉学科的内容一般仅具有感性认识（现象层次）的性质。整体科学研究具有复杂性原则，是一因多果、一果多因、互为因果、多因多果的因果论。而物理学研究则具有简单性原则，探求一个终极原因的因果论。而当涉及到许多要素之间的复杂关系的认识时，则需要整体哲学。当地球物理学家对地球的各种因素之间的关系的东一下西一下的无章法的论述而痛苦不堪时，最有体验需要一种不同于物理学思维方法的哲学。
（3）认识论问题
说物理学的性质是实验科学，应该是指它的认识手段主要是靠实验。实验是通过人为改变自然客体的方式认识世界的。这种“人为”认识而带来的思维方式与“自然性”是对立的，在认识自然整体方面容易造成认识误区：其一，容易把人的因素外化为客观因素，形成了外因思维方式，比如对地球及生物的演化过程中的一些历史事件，就容易用“偶然”的灾变说的思维方式来对待。当然，在某些事件上，其偶然外因也是更高层次的整体的必然内因；其二，容易把人为改变后的自然整体简单还原，比如用打破原子核的方式认识其要素时，而又必须回复未打破原子核之前的原子核结构的认识，那么，未打破原子核之前的原子核结构能否一定就是质子与中子的简单组合么？也许自然状态的原子核原本不是质子与中子的分立状态的组合结构
（4）学科分类问题
与整体自然观对应的学科体系则是整体科学体系。其具体学科的分类标准就是以各种整体为分类原则，如：地球学、行星学、星系学、原子学、细胞学等等。作为现代物理学的量子力学，仍属于物理学范畴，因为量子力学是对微观整体的分立状态（量子状态）的宏观表现的描述。至于广义相对论，在我的前文与此文中已提及，在此不再重复。
六、引力理论的分化及需要解决的问题
广义惯性使独立的引力理论分化为两个相对独立的科学体系之内的问题了。一方面是惯性力学仍属于原来的物理学体系，也包含对重力场的描述；另一方面，整体天体及其产生重力场的内容，则属于正在孕育的且将充满无穷活力的整体科学体系的内容了。虽然重力场产生于整体天体的未知的物理机制，但不影响广义惯性及其与重力场的关系是一个独立的问题，而且是已经解决了的问题。
探索重力场的产生机制的问题。则是实践方面的任务。但首先希望有关科学机构尽快着手进行小行星或火星卫星的表面重力值的探测活动，这是极其重要的。如果证实了其值为零，也就从侧面证明了重力场产生于整体天体这一经验命题。当然还有理论上的繁重任务：其一是改造目前大中学物理教材相应的部分。其二是更具挑战性的是要改变由引力定律的“引力”角度而引出的许多天文学方面的结论，问题不仅仅是改变结论的问题，而是将要引出许多新的天文学研究成果。牛顿力学是ρ均匀空间条件下的理论，在重力场（负熵空间）条件下，牛顿力学的许多内容是不适合的，有许多新的内容有待于探讨。
上面整体科学体系一节所讲的仍然很笼统（1）现在急需要操作性很强的哲学层次上的整体科学思维方法被研究出来。目前的一般系统论、控制论、耗散结构理论、协同学等一般科学理论，正是研究复杂性问题的理论。这些理论的出现，也正说明解决复杂性问题（也是整体科学思维方法问题）是我们这个时代的需要。整体科学体系需要这个“操作系统”。人体是自然界中相当高级与复杂的系统，要解决复杂性问题，也许会从人体这里得到很多启示。（2）整体天体有不可拆构性，微观整体的结构有相对不可直观性，然而，怎么才能认识其内部有序结构，也需要一个思维方法及实验方法来解决此问题。（3）需要解决某些学说及模型的合理性的问题，比如，宇宙大爆炸学说的合理性的问题，我们不可能在实验室中再重新爆炸出一个地球来。（4）科学哲学就是解决科学理论的合理性问题的，但是，目前的科学哲学的案例主要是物理学，其合理性标准是否也适合于整体科学理论体系还是一个问题。二十一世纪将是整体科学体系产生与发展的世纪。物理学该“减肥”到原来的状态。科学大综合的凝聚点就是整体科学体系。科学大系统需要重新调整。然而，目前需要的是观念的更新，这个新观念应该是整体自然观。
参考文献
[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。
[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。
[3]爱因斯坦：狭义与广义相对论浅说，上海科学技术出版社，1979年。
[4]（前苏）福克：空间、时间和引力的理论，科学出版社，1965年。
如果人们相信宇宙有一个开端，那么很明显的问题是，在开端之前发生了甚么？上帝在创造宇宙之前，他在做甚么？时间是绝对的，也就是说，时间从无限的过去向无限的将来流逝。时间独立于宇宙，在这个背景中，宇宙可以存在，也可以不存在。
直至今天，在许多科学家的心中，仍然保持这样的图景。然而，1915年爱因斯坦提出他的革命性的广义相对论。在该理论中，空间和时间不再是绝对的，不再是事件的固定背景。相反地，它们是动力量，宇宙中的物质和能量确定其形状。它们只有在宇宙之中才能够定义。这样谈论宇宙开端之前的时间是毫无意义的。这有点儿像去寻找比南极还南的一点没有意义一样。它是没有定义的。
哈勃测量来自星系的光，令哈勃惊讶的是，他发现几乎所有的星系都飞离我们而去。此外，星系离开我们越远，则飞离得越快。宇宙不随时间不变，不像原先所有人以为的那样。它正在膨胀。星系之间的距离随时间而增大。
宇宙膨胀是20世纪或者任何世纪最重要的智力发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正分开运动，那么，它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变，则大约150亿年之前，所有星系应该一个落在另一个上。这个时刻是宇宙的开端吗？
如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，就存在一个奇点，这是具有无限密度和无限时空曲率的点，时间在那里有一个开端。
在我得到第一个奇点结果数月之后，即1965年10月，人们得到了确认宇宙有一个非常密集开端的思想的观察证据，那是发现了贯穿整个空间的微弱的微波背景。这些微波和你使用的微波炉的微波是一样的，但是比它微弱多了。它们只能将匹萨加热到摄氏负270.4度，甚至无法将匹萨化冻，更不用说烤熟它。实际上你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道去，在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。早期非常热和密集状态遗留下的辐射是对这个背景的仅有的合理解释。随着宇宙膨胀，辐射一直冷却下来，直至我们今天观察到它的微弱的残余。
虽然彭罗斯和我自己的奇性定理预言，宇宙有一个开端，这些定理并没有告诉宇宙如何起始。广义相对论方程在奇点处崩溃了。这样，爱因斯坦理论不能预言宇宙如何起始，它只能预言一旦起始后如何演化。
对我们结果的另外解释，这也是得到大多数科学家赞同的解释。这个结果显示，在早期宇宙中的非常强大的引力场中，广义相对论崩溃了，必须用一个更完备的理论来取代它。因为广义相对论没有注意到物质小尺度结构，而后者是由量子理论制约的，所以人们预料总要进行这种取代。在通常情况下，因为宇宙的尺度和量子理论的微观尺度相比较极为巨大，所以是否取代无所谓。但是当宇宙处于普朗克尺度，也就是1千亿亿亿亿分之一米时，这两个尺度变成相同，必须考虑量子理论。
为了理解宇宙的起源，我们必须把广义相对论和量子理论相结合。宇宙现在状态的概率可将结局为这个状态的所有历史迭加得到。但是这些历史如何起始的呢？这是一个改头换面的起源问题。是否需要一个造物主下达命令，宇宙如此这般起始呢？还是由科学定律来确定宇宙的初始条件呢？
事实上，即便宇宙的历史回到无限的过去，这个问题仍然存在。但是如果宇宙只在150亿年前起始，这个问题就更加急切。询问在时间的开端会发生甚么，有点像当人们认为世界是平坦的，询问在世界的边缘会发生甚么一样。世界是一块平板吗？海洋从它边缘上倾泻下去吗？我已经用实验对此验证过。我环球旅行过，我并没有掉下去。
正如大家知道的，当人们意识到世界不是一块平板，而是一个弯曲的面时，在宇宙的边缘发生甚么的问题就被解决了。然而，时间似乎不同。它显得和空间相分离。像是一个铁轨模型。如果它有一个开端，就必须有人去启动火车运行。
爱因斯坦的广义相对论将时间和空间统一成时空。但是时间仍然和空间不同，它正像一个通道，要么有开端和终结，要么无限地伸展出去。然而，詹姆.哈特尔和我意识到，当广义相对论和量子论相结合时，在极端情形下，时间可以像空间中另一方向那样行为。这意味着，和我们摆脱世界边缘的方法类似，可以摆脱时间具有开端的问题。
假定宇宙的开端正如地球的南极，其纬度取时间的角色。宇宙就在南极作为一个起始点。随着往北运动，代表宇宙尺度的常纬度的圆就膨胀。诘问在宇宙开端之前发生了甚么是没有意义的问题。因为在南极的南边没有任何东西。
时间，用纬度来测量，在南极处有一个开端。但是南极和其它的点非常相像。至少我听别人这么讲的。我去过南极洲，没有去过南极。
同样的自然定律正如在其它地方一样，在南极成立。长期以来，人们说宇宙的开端是正常定律失效之处，所以宇宙不应该有开端。而现在，宇宙的开端由科学定律来制约，所以反对宇宙有开端的论证不再成立。
詹姆.哈特尔和我发展宇宙自发创生的图景有一点像泡泡在沸腾的水中形成。
其思想是，宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现，然后再消失。这些对应于微小的宇宙，它们膨胀，但在仍然处于微观尺度时再次坍缩。它们是另外可能的宇宙，由于不能维持足够长的时间，来不及发展星系和恒星，更不用说智慧生命了，所以我们对它们没有多大兴趣。然而，这些小泡泡中的一些会膨胀到一定的尺度，到那时可以安全地逃避坍缩。它们会继续以不断增大的速率膨胀，形成我们看到的泡泡。它们对应于开始以不断增加的速率膨胀的宇宙。这就是所谓的暴胀，正如每年的价格上涨一样。
通货膨胀的世界纪录应归一战以后的德国。在18月期间价格增大了一千万倍。但是，它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了十的30次方倍。和通货膨胀不同，早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大的均匀的宇宙，正如我们观察到的。然而，它不是完全均匀的。在对历史求和中，稍微具有无规性的历史和完全均匀和规则历史的概率几乎相同。因此，理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规性在从不同方向来的微波背景强度上引起小的变化。利用MAP(微波各向异性)卫星已经观察到微波背景，发现了和预言完全一致的变化。这样，我们知道自己正在正确的道路上前进。
早期宇宙中的无规性，意味着在有些区域的密度，比其它地方的稍高。这些额外密度的引力吸引使这个区域的膨胀减缓，而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。请仔细看这张微波天图。它是宇宙中一切结构的蓝图。我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。上帝的确在掷骰子。
在过去的百年间，我们在宇宙学中取得了惊人的进步。广义相对论和宇宙膨胀的发现，粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像。取而代之，广义相对论预言，宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。它还预言时间在黑洞里终结。宇宙微波背景的发现，以及黑洞的观测，支持这些结论。这是我们的宇宙图像和实在本身的一个深刻的改变。
本文的主要内容就是20世纪是如何完成科学的社会化和社会的科学化的。20世纪整个的一百年里，理论科学的发展基本上可以概括为两次科技革命和四大理论模型；应用科学也可以概括为两大超级能量和两大生活技术。
两次科技革命的第一次指的是在19世纪20世纪之交物理学领域发生的科技革命，包括相对论和量子力学的出现。第二次科技革命，在我看来还是一个正在进行中的、尚未完成的革命。这场革命发生在20世纪后半期，就是非线性科学的革命。四大理论模型是在20世纪快结束的时候基本形成的。这个四个模型包括宇宙学中的大爆炸模型、粒子物理学中的夸克模型、分子生物学当中的DNA双螺旋模型、地学中的大地板块模型。也有人说还可以再加一个计算机领域的冯？诺伊曼模型。这四个模型或者五个模型大体可以表达20世纪最重要的一些理论成就。当然不是说其他的成就就不重要，而是说这几个成就格外的重要，因为它们构成了20世纪理论科学发展的一个平台。
应用科学的两大超级能量，第一个能量就是核能量的释放，包括核武器的研制、核能量的释放和利用等。这个可以称之为超级能量的释放。第二个是登月工程。登月工程之所以能够称为一种超级能量，是因为它代表了人类对地球引力的征服，代表了人类走向太空。这是一个人类自古以来从未想象过的一种现实，可以称它为一种超级能量的开发。
那么什么是两大生活技术呢？这指的是20世纪后期发生在我们眼前的两种技术。第一个就是生物技术，第二个是信息技术。人有两方面的存在，一个是社会学存在，一个是生物学存在。人类的生物学存在正在遭受生物技术的改造和改变，这是一种生活技术。人作为社会学意义上的存在，是一种交往性的存在。人是通过交往来认同自己的，每个人都要跟人家交往，把一个人关在一个屋子里老不让他交往，他最后不是发疯就是变成非人。但是交往是要依靠技术的，基本的交往技术就是信息技术。所以今天的信息技术就是我们第二大生活技术。
一、世界图景的重建
我们先来看物理学革命。物理学革命分为相对论革命和量子力学革命。相对论基本上是家喻户晓的了，因为爱因斯坦是20世纪最大的科学明星。爱因斯坦曾经跟卓别林说，为什么所有人都喜欢你，是因为他们都理解你；为什么所有人都喜欢我，是因为他们都不理解我。这就反映了爱因斯坦的相对论非常难理解，不要说一般大众，就是学物理的要真正地理解相对论也是很不容易的，所以爱因斯坦就开了这么一个玩笑。
大家知道相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论主要是在时间空间问题上的一场革命。关键是引出了同时性的相对性。比如说现在我们正在王府井搞讲座，此刻天安门那儿有一场隆重的仪式，那么在什么意义上说，此刻天安门和王府井的两个事件是同时的呢？你可以说我们看表看到是同时的，都是10点钟开始，那边也10点，我们这儿也10点。可是这毕竟是两块表，如何才能知道它们是一致的呢？的确，我们不能肯定现在这块表定的时间和天安门广场那块表的时间完全一样，因此讲同时性就需要对钟。爱因斯坦说，你必须告诉我你是怎么对钟的，他要求同时性要有一个操作的定义。由于要对钟，所以需要信号。最快的信号是光，可以用光来对钟。但是光的速度仍然是有限的，这就意味着在对钟的过程中光信号从天安门传到王府井是需要时间的，这就会遭遇一种相对性效应。在一个静止的人看你对钟和一个运动的人看你对钟，对出来的是不一样的。爱因斯坦借此提出同时性的相对性，也就是说，对于一个参照系中的观察者来说是同时的，对另一个参照系的观察者就不是同时的。根据这个同时性的相对性，爱因斯坦就推出了他所谓的狭义相对论。同时性的相对性还比较好理解，但由此出发得出了很多很古怪的结果。
第一个古怪的效果叫尺缩钟慢。在不同的参照系里的人看来，尺子的长度是不一样的。一个运动的尺子会比在静止时短，这个叫尺缩；运动的钟要慢一点，这是钟慢。这个尺缩钟慢效应不是任何外力作用造成的，就是参照系本身造成的，是运动学效应不是动力学效应。由于运动是相对的，你看见我的钟慢了，我看见你的钟也慢了，那么到底是谁慢了呢？由于处在不同的参照系，这个问题是没有意义的。但是，要是让一对双生子派一个人先出去跑一圈再回来，由于他们都会发现对方时钟慢了，生命的生长也慢了，于是对方都比自己年轻了，这样再次碰面就会出现悖论：到底是哪一个更年轻？这就是著名的双生子悖论。这个悖论在狭义相对论里解决不了，只有在广义相对论才能解决。大家知道，一个宇宙飞船飞出去又飞回来，它必然要经历一个加速运动才能飞出去，飞出去之后要想再回来，它又要经历一个减速运动。一加速一减速就不符合狭义相对论的条件，就是广义相对论处理的问题了。经历了加速场的人，按照广义相对论来说，他应该是绝对地变年轻了。因此按照广义相对论，这个双生子悖论是可以解决的，答案是坐宇宙飞船出去转一圈的那个人变年轻了。这是我们要说的尺缩钟慢效应。
还有一个很重要的推论，就是很多人都知道的质能转化公式，E等于MC2，E是能量，M是质量，C是光速。根据这个公式，稍微有一点点质量的损失，可以变成巨大的能量。过去分别有质量守恒和能量守恒，现在两者是一回事，合起来叫质能守恒，这个也是狭义相对论所得出的结论。
接着我们说一说广义相对论。广义相对论处理的是加速问题。牛顿力学里面有两个质量，一个是牛顿第二定律规定的那个质量，我们称为惯性质量；另外一个是万有引力定律里面的，叫引力质量。在牛顿时代，引力质量和惯性质量被认为当然是同样一个质量，但是这个并没有予以说明。爱因斯坦认为，这两个质量的同一性实际上表明了引力场和加速场的等效性。说白了就是，引力场和加速场本质上是一回事。爱因斯坦最喜欢用电梯做思想实验，历史上称为爱因斯坦电梯。比如说你坐在封闭的电梯里，并且用台秤秤自己的重量，现在你发现台秤上显示你的重量大于你的体重，那么爱因斯坦说，你不能肯定究竟是你所在的电梯正在向上加速运动，还是地球的引力突然增大了。这就是加速场和引力场两者不可分的意思。根据这个等效原理，他推出了广义相对论。
广义相对论也有很多重要的预言。其中最有意思的一个推论就是，他认为物质和空间之间不能够像过去那样看成相互外在的两个东西，比如说空间是一个篮子，物质就像篮子里的菜；空间是那个书架子，物质就是书架上的书。爱因斯坦说这不对的，实际情况是，空间变成了物质的某种几何性质。广义相对论主张，有什么样的物质，就会有什么样的空间。就好比篮子装了菜，篮子就发生变化；书架装了书，书架会发生变化。任何有质量的物质都会引起周围空间的弯曲，质量越大、引力场越大，空间弯曲得越厉害。过去我们认为月亮绕地球转，是因为有地球的引力在拉着它，现在，按照广义相对论的说法，好是因为地球的引力场让地球周边的空间变弯了。月亮某种意义上是在走一个直路，只不过空间弯了，它走的直路在我们看来也是一个弯路。
空间弯了，一向走直路的光线当然也会弯曲。这个说法当然是非常奇特的，一般人觉得不可思议。爱因斯坦说只有在特别强大的引力场之中，光才能发生弯曲。我们地球周围最大的引力场就是太阳，太阳质量最大，可是白天太阳很亮，没有办法用它来判定光线是否在经过它是否发生了弯曲。但也有办法，就是等日全食的时候，月亮正好把太阳全部遮住的时候，我们再来看一看处在太阳背后的那个恒星的光，能不能绕过太阳被我们看见，如果能的话就证明爱因斯坦说得是对的。这件事情正好发生在第一次世界大战之后，英国的爱丁顿率领一个考察队专门去考察日全食的时候光线是不是发生弯曲，考察的结果居然是真的发生了弯曲。当时就一下子轰动了，爱因斯坦从此成为家喻户晓的科学家。
我们讲这些基本的东西，是要想说明爱因斯坦的相对论，对人类关于时间、空间、宇宙的基本观念产生了一场革命性的转变，因此我们说爱因斯坦是20世纪的一个科学革命家。下面我们再来讲讲量子力学。量子力学从某种意义上说，比爱因斯坦的相对论还要深刻，它里面所包含着的革命性因素还要多，主要表现在几个方面。
第一个是微观领域里物质的波粒二象性。微观粒子既表现出波的特性，又表现出粒子的特性。粒子的一个特点是它有个定义明确的界限，有自己独一无二的位置。波则是一个弥散的东西，不能说波在什么位置，波是处在整个空间之中。这本来是两种完全不一样的物质形态，但量子力学发现，微观粒子既像是粒子也像波。比如说这个屋子有两个门，我们每个人进来的时候总只能从一个门进来，你不能说我同时从两个门进来的。可是量子力学发现，微观领域的粒子就是从两个门进来的。同样，它也是从两个门出去的，因此，你就不好说它出去之后究竟在什么地方。
第二个叫做测不准原理。一个粒子的能量和时间、质量和动量不能够同时精确测定，也称为不确定性原理。为什么量子领域会发生这个事情呢？主要的一个原因是我们对量子领域的现象必须通过实验才能了解，可是实验总是会对对象有干预。比如说我们这个黑屋子里面有一个球，现在我们来问这个球在什么位置，当然我们不知道在什么位置，因为屋子太黑了我们看不见。为了知道它在什么位置我必须把灯打开。可是把灯一打开之后，那个灯的光线就对那个球产生作用。对一个宏观的球来说，光线不大可能对它产生什么明显的影响，可是在量子微观领域，这个光子跟这个球差不多，它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打开灯之后看见那个球在某个位置，你也不能说没打开灯之前那个球在什么位置。如果你不开灯你看不见，一开灯球又变了位置了，所以这就是为什么量子力学说搞不清楚它在什么位置的一个根本原因。
量子力学还有很多这类稀奇古怪的现象。经常有物理学家自嘲说，如果你在学过了量子力学之后没有意识到自己根本不懂量子力学，那么你就真是不懂量子力学。只有当你知道自己不懂量子力学之后，你才能说自己稍微懂得一点量子力学。量子力学在20世纪初产生后，与实验符合得非常好，成了整个20世纪科学的一个基本的平台。今天诸位都用了手机，用了电子设备，其实里面都包含着量子力学的理论成就。量子力学我们就讲到这里。
下面我们讲讲四大理论模型。
四个理论模型里面宇宙学和相对论联系最深。牛顿以来的宇宙学基本上就没了，因为宇宙被认为是无限的，无限的宇宙没法研究。爱因斯坦相对论提出来之后，他发现可以把宇宙整体作为一个研究对象，建立方程。这个宇宙方程导出的解都表明宇宙不是稳定的，但他当时觉得宇宙总体上应该是一个稳定的东西，所以他加了一个宇宙学项，强行把从相对论宇宙学中导出了一个静止的宇宙模型。也有一些数学家试解爱因斯坦的宇宙方程，提出了好多次数学方案，这些方案都表明宇宙是不稳定的。由于没有观测证据，数学家自己算着玩，也没有人当真。
有意思的是，大概在20年代末，美国的一位天文学家叫哈勃（哈勃望远镜就是以他的名字命名的），他发现银河系外面的星系都有红移现象。红移就是光谱向红端移动，向低频段移动，人们马上联想到多普勒效应。多普勒效应很简单，说的是一个运动的振动源在观察者看来，振动的波长和频率都是要发生改变的。我们都有这个经验，一列火车鸣着汽笛向我们开来的时候声音越来越尖锐，离我们而去的时候声音越来越低沉。这不是因为它这个汽笛声调发生了变化，而是因为我们和火车之间的运动关系发生了变化。它向着我们来的时候是越来越尖锐，声音的频率发生了蓝移；离我们而去的时候声音越来越低沉，发生了红移。河外星系都有这样的红移现象，这就意味着所有的星系实际上都在离我们远去。如果所有的星系都离我们远去，这就意味着整个宇宙都在膨胀。
这个观察证据发现之后，立即就被人联想到那些数学家所给出的宇宙膨胀模型。理论与观测相遇了，现代宇宙学就这样成长起来了。如果说宇宙是膨胀的话，那么往回追溯它应该越来越小，小到一定地步应该就变成一个点。从点状如何膨胀出一个宇宙？点之前又是什么东西？这就是一个大问题。宇宙学家提出一个理论说，宇宙是从起点处高温、高压、高密度的奇点状态爆炸过来的，爆炸瞬间之后，是一团宇宙雾，或者说一锅宇宙汤，随着温度慢慢变低，依次产生现在我们看到的这些物质，核子啊、电子啊这些东西，后来慢慢再出现星系、星云，出现行星，整个宇宙就出来了。在冷却的过程中实际上还有点雾没有彻底冷却，这个很稀薄的一层雾始终还在，大概相当于绝对温度三度这样子的辐射，是早期宇宙汤的一个遗迹。这个遗迹后来居然也被发现了，这个发现也是非常巧的。几个搞射电天文的人做了一个射电望远镜调试，怎么调试也不能复零，老有一点本底噪音。这个本底噪音当时被认为是望远镜没做好的一种表现，他们很苦恼。但是他们在普林斯顿大学吃饭的时候跟同事们谈起来，说我们造了一个望远镜，怎么调也调不到零，本底噪音不知道怎么来的。说者无心听者有意，旁边的理论宇宙学家一听，这个本底噪音不就是宇宙背景辐射吗？他们于是结合起来研究，证明那个本底噪音就是宇宙汤在冷却过程中留下的那一点点雾，称为微波背景辐射。这个辐射的发现就成了对热大爆炸宇宙模型的一个有力的支持，这个模型从此就有力地确立下来了。这个模型也很受理论物理学家喜爱，因为很多高能物理实验在地面上不好做，做不出来，但有了这个模型，我们就可以虚拟地在宇宙早期去做。因为宇宙早期温度高，密度大，成了理论物理学家很钟爱的一个模型，他们可以在这个模型的基础上做思想试验。
第二个模型就是所谓的夸克模型。大家知道一分为二的思想。所有的物质都是由分子构成，所有的分子都是由原子构成，所有的原子都是原子核和电子构成，原子核由质子和中子构成，质子和中子由基本粒子构成，还能不能接着分下去呢？过去我们说一尺之捶，日取其半，万世不竭。可是问题是，你想是可以这么想，但能不能真的分得下去得靠科学来说话，得做实验。实验结果却表明，这个夸克模型分不下去了。因为到了量子领域之后，质能转换关系开始起作用了。打个比方说，你用刀去切苹果，在宏观领域里，苹果是苹果刀是刀，是两个不同的东西。可是到了微观领域，代表着分解方的刀和代表着被分解方的苹果是可以互相转换的，相当于说，你切着切着，刀切没了，变成苹果了。本来应该是苹果越切越小，由于刀切没了，转化成了苹果，因此苹果被切之后有可能变成两个更大的苹果。由于质量和能量可以相互转化，高能粒子在切割的过程中并不是越变越小，这样一来，所谓的无限可分就变得没有意义了。夸克模型认为夸克实际上根本打不开，一个很重要的原因是道高一尺魔高一丈，你敲击的能量越大，它禁闭的能量也越大，所以根本就打不开。这是夸克模型。
大家都很熟悉了。今天我们处在一个生物技术的时代，基因的时代。基因时代之所以能够到来，与DNA双螺旋模型的发现是有关系的。过去我们只知道有基因，基因在染色体上，那么具体来说基因是什么样，有什么样的内在结构，过去都不知道，现在都搞清楚了。20世纪50年代有两位英国的年轻人，在前人的工作的基础上最终发现了DNA实际上是两个链缠在一起，缠成一个双螺旋，有了这个双链条模型后人们才能精细地对基因进行研究和加工。今天我们知道的基因复制、基因修补、基因重组，都是建立在这个DNA双螺旋模型的基础之上。所以这个模型对于今天生物科学的发展，对于我们生物技术的发展都是功莫大焉。但是大家也要注意到，DNA双螺旋模型的发现是与微观物理学的发现有直接关系的，刚才我们讲的量子论和相对论都是有贡献的。因为DNA这个东西很小，必须用电子显微镜来看。电子显微技术实际上是建立在当时量子力学这样一些物理学基础之上的。所以某种意义上说，这个DNA双螺旋模型的发现，理论物理学也是有很大功劳的。
大地我们过去只知道有纵向的运动，地震就是典型的纵向运动，上下动。人们从来没想到大地还有水平的运动，地那么大的东西怎么会水平运动呢。但是有些人就注意到了，我们的世界地图几大块之间的关系，实际上暗示了它过去可能是一个整体。有一位地质学家叫魏格纳，有一天他躺在床上看世界地图就发现，非洲大陆跟美洲大陆边界好像能接上，他就想是不是早期它们是一整块的，后来才分开的。这个思想当然过于大胆了，人们很难设想地球那么大的玩意儿还能够水平运动。他有了这个设想之后，就想去验证它，而且写了书，但是得不到大多数人的认同。所以这个大地水平运动理论，一直经历了大概半个世纪的争论，反复地研讨，最终在20世纪60年代终于得到了地质学界的认同，被认为是地质学中的一场革命。这场革命确立了大地的板块模型，以及这个板块的漂移运动。有了这个板块模型，所有的关于地质、地球物理的研究就有了一个崭新的面貌。所以板块模型也被认为是20世纪最重要的一个模型。
第五个模型我们讲的是冯？诺伊曼模型。冯？诺伊曼模型是计算机领域的一个模型，今天我们用的电脑基本上都属于冯？诺伊曼机。冯？诺伊曼机的一个基本原理就是把操作程序代码化，把数据和程序储存在一起。大家知道我们今天的硬盘里既存数据，也存软件。软件就是操作程序，数据是我们用的，比如说文字、图象等。冯？诺伊曼机发现把它混在一起可以提高效率，过去这两个部分是分开的，操作是操作、数据是数据，但是运算速度很慢。冯？诺伊曼提出来把两者混在一起，统一编码，这样就大大地提高计算机的运算的速度。今天我们用的电脑依然属于这个范畴。因此有人认为冯？诺伊曼模型也是20世纪最重要的理论模型之一。
20世纪60年代以来，不断出现了一批横断学科、新兴学科，被有人称为第二次科学革命。在我看来，这场科学革命是比相对论、量子力学更加深远的一场思想变革，它要打破近代自牛顿以来的一些对世界的看法，参与这场科学革命的学科很多，非线性科学、复杂性科学、系统科学、生态科学都卷入其中。
这些新的科学都想破除传统科学里面的机械决定论思想。牛顿力学世界观的一个理想是，给定全部的初始条件我就能告诉你世界的过去、现在和未来。法国科学家拉普拉斯对此有一个形象的表述。他说只要有一个万能的计算者，你告诉他这个宇宙的初始条件，他就能算出宇宙的过去、现在、未来。在他看来，难题只在于有没有这样一个万能的计算者，世界的决定论特征是没有问题的。拉普拉斯的这个形象的说法，现在看来是有问题的。决定论的信奉者也是征服自然、改造自然的信奉者。我们因为能掐会算，能够精确地预言、预测，因此我们什么都不怕，我们可以无所顾忌地改天换地。因为我能够精确地知道，我对自然界的改造会造成什么样的后果。如果你不能够知道后果，那么人类对自然会有所敬畏。新的科学认为人类对自然的研究，并不能够获取完全的确定性。我们只能或然地了解世界，我们对于世界长远的后果是没法了解。这就是所谓的非线性效应、复杂性效应、生态效应。过去有一个箴言说人算不如天算，包括这个意思。历史上的许多原始文化、传统文化都强调要敬畏自然，主张自然的很多后果我们是难以预料的。但是，这个论调是近代科学所不理会的，近代数理科学传统认为自然界是一个确定的体系，现在看来这个信念过于理想。新的科学发现了路径依赖和初始条件敏感，就是说初始条件微小的变化将会非线性放大，放大到不成样子。通俗的讲法就是所谓的蝴蝶效应，说的是北京的一个蝴蝶扇一下翅膀，结果在纽约造成一场风暴。一个玩笑说，坏了一只马蹄铁，损失一匹战马，损失一匹战马带来一场小小战役的失败，小小战役的失败带来一场大战役的失败，大战役的失败带来战略性的失败，战略性失败带来国家的灭亡。这每一步都是非线性放大，结果是一只马蹄铁坏了导致一个国家灭了。非线性效应在现在看来不是个别的、孤立的，而是普遍的，处处都存在。过去认为整个宇宙尺度上，还是牛顿力学说了算，现在看来牛顿力学只能是小范围说了算，大范围反而都是非线性系统。我想这是一个很重要的观念革命。
第二个方面是整体论的出现。过去的科学都主张对世界进行分割、切割，把宏观的东西还原为微观的东西，把整块的东西切割成小的东西。我们先对小的、简单的东西进行研究，研究了小的东西，那么大的东西自然就可以拼出来了。方程都是微分方程，微分方程算出来之后进行积分。微积分的过程就是一个原子化的过程，积分的过程就是一个拼装的过程。所以近代以牛顿力学为代表的世界观，基本上是一个拼装、拆拼的世界观。我们做什么事、看什么问题，都先是把这个事情把它拆开了、分解了，模块、板块化。现在我们管理学里面经常搞模块化、板块化，其实就是来自经典科学里面的原子论思维。流水线生产也是，把汽车都拆散了。过去造东西是一个工匠从头造到尾，现在是一个人造一点点，造完以后拼起来就行了，又快又好。这是现代性思维的一个很重要的部分，也是古典科学的拼装世界观的反映。这种拆拼世界观、原子论世界观有个问题，就是忽视了世界、事物本身是个有机的整体，拆和拼的过程中肯定会损坏或者忽略掉有机的部分。我们都知道有许多东西是拆不出来也拼不出来的，这就是整体的东西。比如我们说一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃，这就是一个整体论效应。如果按照线性相加的原则，一个和尚挑水，两个和尚就挑两担水，三个和尚挑三担水。但这是原子论的思维，实际上并不是这么回事，和尚越多越没有水吃。也有人说，一个中国人是一条龙，三个中国人成了一条虫，这也是整体论效应，搞在一起反而内讧、相互拆台。这个效应你通过拆分拆不出来，拆出来之后的东西就像我们刚才讲的量子效应那样，有可能越拆越大，越拼越小，这就不是线性效应。
还有一个方面是，新科学确认了世界的不可逆性。牛顿力学根本上认为，一个物理系统是可以反演的。时间变成负的无所谓，反正牛顿方程里面的时间都是以平方的方式出现的。不可逆性早在19世纪后期热力学第二定律出现的时候就已经认识到了。人们发现一杯热水放在空气里面，它只会越来越凉，一直凉到和空气温度一样为止。从来没有一杯冷水放在桌上，能从空气中吸热把自个儿烧开了。从来只听说过破镜难圆，没听说过一个破碎的镜子最后自己能重回圆满，打碎的瓷器难复原、覆水难收都是这个意思。可是按照牛顿力学，这种逆转原则上是可以的。宏观上看一个物理系统总是按照一个不可逆的方向发展，一杯水总是慢慢地变冷或者变热和室温保持平衡，从来没有越来越偏离室温的情况出现。这种不可逆现象出来以后，很多科学家很苦恼。因为所谓的热力学定律不过就是微观定律的一个宏观表现而已，微观领域的粒子肯定都是符合牛顿定律的，因而是可逆的，可是为什么微观里面是可逆的，宏观就不可逆呢？当时有一位奥地利的物理学家叫玻耳兹曼，一直在试图解决这个问题，结果到死也没有解决问题。最后他是自杀的，没解决这个问题很苦恼，自杀了。这个问题到现在也没有完全解决，但是新科学，就是非线性科学、系统科学、复杂性科学、生态科学都试图把这个不可逆性作为一个基本的现象来处理，而让牛顿力学的东西作为一个次级的现象。这是新科学的一个崭新的变化，这个变化将更加符合我们的日常生活经验。
科学与人文在现代之所以分裂有一个重要的原因就是古典的物理学、古典科学不再关注价值问题，只关注事实，造成了事实和价值的二分。事实和价值之所以二分，是因为古典力学、古典物理学、古典科学所面对的对象是一个机械。机械本身是没有目的的，没有目的就没有价值。有机体都是有目的的，机械没有目的。如果你把世界本身看成个机械，那么这个世界本身就谈不上什么价值，价值只属于人。于是，人和自然、事实和价值、科学与人文之间就发生了分裂。可是新的科学认为世界本质上不是一个机械，而是一个有机体。这个有机体有自身的目的、有自身整体的效应。机械论理想局部是合理的，但是它是有限度的。因为特定的目的、特定的目标我们可以把世界看成个机械，但是根本上来看，世界并不是一个机械，而是一个有机体。这个有机体有整体效应，有非线性效应，它的变化过程是不可逆的。一个人只能由小孩长成青年，青年长成中年，中年变成老年，老年最后死掉，不可能倒着长，倒着长不是有机体的模式。想倒着长恰恰是机械自然观的一个必然后果。从这个意义上说爱因斯坦的相对论，特别是狭义相对论总体上看也还属于机械自然观的范围。爱因斯坦相对论是允许时间倒流的，逻辑上它允许时间倒流。好莱坞电影里面特别喜欢借用这个东西，来幻想时间倒流，从而产生一些非常异样的场景叠加，那就有戏可看了。电影总是要有戏可看，所以他们特别喜欢援引相对论这些东西。其实可逆性思想已经遭到了新科学的质疑。
1大爆炸宇宙学的理论基础
宇宙是处于不断运动和发展中的物质世界.《淮南子・原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙.”在天文学上，我们把广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质总称为宇宙.宇宙学的任务就是寻找我们所能观测到的宇宙部分的大尺度特性和总体规律.千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是如何起源的？
1915年，爱因斯坦建立了广义相对论.广义相对论从一建立就与天文现象有着密切的关系，有关广义相对论的一系列关键性检验，都是由天文观测完成的.1916年爱因斯坦预言了引力波的存在.1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》，开创了现代宇宙学.广义相对论对理论天体物理学研究产生了巨大影响，成为现代天体物理学的重要理论基础.科学家们纷纷借助广义相对论把所观测到宇宙作为一个整体来研究，预言宇宙正在膨胀.
1927年比利时天文学家乔治・勒梅特从广义相对论出发，在理论上提出了大尺度空间随时间而膨胀的的观点.1929年，美国天文学家埃德温・哈勃通过观测发现，所有遥远的星系都在远离我们，并且距离越远的星系退行的速度越大，哈勃提出从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的谱线红移，建立了著名的哈勃定律.由哈勃定律可以推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说.从这一观点倒推回去，物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个密度极高且温度极高的状态.哈勃的发现暗示着存在一个大爆炸的时刻，当时的宇宙无限紧密，哈勃定律也成为宇宙膨胀理论的基础.
2大爆炸宇宙学的主要观点
1932年勒梅特进一步提出“原始原子”爆炸起源的理论，认为最初宇宙的物质集中在一个超原子里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成今天的宇宙.1940年代，美籍俄裔物理学家乔治・伽莫夫与他的两个学生拉尔夫・阿尔菲和罗伯特・海尔曼一道，将这一理论进一步发展.1948年伽莫夫和他的学生把相对论引入宇宙学，正式提出热大爆炸宇宙学说.热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温高密的原始物质，温度超过几十亿度.大约200亿年前发生了一次大爆炸，之后随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，形成了现在的星系等天体.他们还预言了宇宙微波背景辐射的存在，为大爆炸宇宙学打下了基础.
在现代宇宙学研究中，对于宇宙的起源有多种学说，大爆炸宇宙学是关于宇宙形成的最有影响的一种学说.大爆炸宇宙学认为，我们的宇宙曾经有一段从热到冷的演化史.在这个时期里，宇宙体系并非静止的，而是在不断地膨胀，致使物质的密度从密到疏发生演化.这个从热到冷、从密到疏的过程就如同一次规模很大的爆发（目前观测计算大爆炸的时间大约在距今138亿年前）.大爆炸宇宙学为我们描述了宇宙在初始状态之后的演化图景.爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在.大爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降.随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成通常的气体.气体逐渐凝聚成星云，星云进[JP3]一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们所看到的宇宙.[JP]
3大爆炸宇宙学的验证
大爆炸宇宙学是通过实验观测和理论推导发展的.根据大爆炸理论，宇宙在初始状态后在不断膨胀.1929年哈勃所提出的星系谱线红移量与星系间距离成正比的哈勃定律，论证了我们的宇宙正处于膨胀之中的观点，成为支持大爆炸理论的一个有力证据.
1948年伽莫夫、阿尔菲和海尔曼在提出热大爆炸宇宙论时就曾预言，宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，从大爆炸以后冷却到现在，其温度约为几K或几十K.六十年代初，美国贝尔电话实验室的工程师阿诺・彭齐亚斯和罗伯特・威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统.1964年，当他们测量围绕银河系的银晕气体射电强度时，意外地接收到一个连续不断的无线电干扰噪声，信号强度在各个方向上都一样，而且在以后的长时期测量中，也没有季节性变化.这种噪声的波长在7.35cm微波波段，对应于有效温度为3.5K的黑体辐射.后来，在与普林斯顿大学的罗伯特・迪克探讨后，意识到这种无法消除的背景辐射正是伽莫夫等预言的宇宙大爆炸的残余辐射.经过进一步测量和计算，他们把辐射温度修正为2.7K，于1965年7月将这一发现公诸于世.彭齐亚斯和威尔逊的这一发现被称为3K宇宙微波背景辐射.3K微波背景辐射的实测结果与大爆炸理论的预言相符，成为大爆炸宇宙学的又一重要观测证据.由于这一发现，彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖.
大量的天文观测证据表明宇宙正处于加速膨胀时期.为解释这一现象,在广义相对论框架下,通常需要引入一种称为暗能量的未知的能量成分.最简单的暗能量模型是具有常数状态方程(w1)的真空能.这一模型能满足大多数的天文观测检验,但是面临着宇宙学常数问题和年龄问题.因此,人们很自然地去考虑更为复杂一些的情形.最流行的做法是采用Ricci标量的不同函数形式去替代爱因斯坦-希尔伯特拉格朗日量,即著名的f(R)理论.这一理论受到了非常广泛的研究.然而,f(R)理论的四阶方程使得它很难进行解析分析.与f(R)理论相类似,人们提出一种基于修改teleparallel引力的方案,即f(T)理论,来解释宇宙近期加速膨胀现象.最近,国外学者的研究表明,可以从海森伯非微扰量子化方法出发,得到修改引力理论.
根据这一方法,用场的算符代替场方程中出现的相应的经典场。然后,考察度规的量子涨落对宇宙演化的影响.显然,如果1,修改的拉格朗日密度近似为希尔伯特-爱因斯坦拉格朗日密度,也就是说这里考虑的修改引力近似为广义相对论.为了充分考虑度规的量子涨落对宇宙演化的影响,或者认真对待从海森伯非微扰量子化方法得到修改引力的方案,本文将考虑的所有可能取值.
1修改引力的场方程
对于拉格朗日密度(6),唯象考虑一种最简单的文献[10]中提出的情况。一般而言,应该是时空坐标的函数.对于这一比较复杂的情形,需要另起一文进行详细的讨论。文献[15~18]对能量-动量张量的不守恒情形进行了详细的讨论.如果1,量子涨落甚至可以抵消引力作用.但是,如果很小,度规的量子涨落的影响也就很微弱,拉格朗日密度(6)近似为希尔伯特-爱因斯坦拉格朗日密度.为了充分考察度规的量子涨落的影响,本文将考虑参数所有可能取值,并将在下一章进行详细的讨论.
2宇宙学上的应用
把修改引力的场方程(13)应用到均匀各向同性的Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker(FLRW)宇宙在广义相对论中,所有这些不同形式导致相同的场方程和能量-动量张量.2种拉格朗日密度,mLp和mL,得到广泛地讨论和应用.文献[16]详细讨论了物质的拉格朗日密度mL作为物质能量密度的任意函数的情形.在本文研究中,物质的拉格朗日密度在场方程中出现,所有相关结果都很大程度上依赖于mL的选择.一般而言,物质的拉格朗日密度没有一个唯一确定的选择,而且仍是一个值得研究的问题.按照文献[14]的做法。有了这些基本方程,现在可以来考察度规的量子涨落对早期宇宙、暴胀、辐射主导、尘埃主导和暗能量主导时期的影响.首先考察量子涨落对很早时期的宇宙的影响.从方程(21)和(22)很容易看出,发现可以满足条件H0和H0,也就是说可以实现反弹宇宙,从而避免大爆炸奇点.如果只有正常物质,如辐射,这反弹宇宙不可能在广义相对论中实现.
3讨论和结论
论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、在材料科学中的应用
（一）在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含ca钙矾石、含ba钙矾石和含sr钙矾石的al-o键级基本一致，而含sr钙矾石、含ba钙矾石中的sr，ba原子键级与sr-o，ba-o共价键级都分别大于含ca钙矾石中的ca原子键级和ca-o共价键级，由此认为，含sr、ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
（二）在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(fe、co、ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在lnf3中ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，nbo2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的nbo2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温nbo2及其等电子化合物vo2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。
二、在能源研究中的应用
（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由guassian98程序中的半经验方法uam1、在uhf/3-21g*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函ub3lyp/3-21g*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。
（二）在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。ago等[8]用半经验分子轨道法以c32h14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种li-c和具有共价性的li-li的混合物。satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。
三、在生物大分子体系研究中的应用
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。
参考文献：
[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994
[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12
[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147
[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973
[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1
[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449
[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1
[8]agoh,nagatak,yoshizawak,etal.bull.chem.soc.jpn.,1997,70:1717
[9]agoh,katom,yaharaak.etal.journaloftheelectrochemicalsociety,1999,146(4):1262
——编者
美国物理学家L·斯莫林在《物理学的困惑》一书中说，从18世纪80年代到20世纪70年代，我们对物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步，但自20世纪70年代以来，我们对基本粒子的认识还没有一个真正的突破[1]。许多科学界人士和我们一样，不禁要问：物理学到底怎么了？
1.物理学的现状与困惑
拨开历史的长卷可看到，自16世纪自然科学从神学中解放出来以来，物理学经历了波澜壮阔的发展历程。伴随经典力学和热力学的创立与发展，人类开始了轰轰烈烈的机械工业革命；伴随爱因斯坦相对论和量子理论的创立与发展，人类构建起了日新月异的现代文明。这就是让无数人为之奋斗的物理学，正是它推动着人类的发展进程！
然而，自上世纪70年代后，宇观方面物理学面临越来越多的挑战和课题，迟迟得不到解决，如暗物质和暗能量至今给不出合理的解释；微观方面提出的攸关量子场论命运的诸多预言得不到检验，如希格斯粒子、质子衰变等至今尚未找到或证实。
问题还远不止这些。随着现代物理学的发展，它与经典物理学间的矛盾日趋尖锐，本想通过深入研究找到弥合矛盾的方法，然而得到的却是事与愿违的结果，变得更加难以调和；再比如，尽管200多年来科学家们已竭尽全力，但引力常数G的测量精度仍然是物理学基本常数中最差的，等等。
针对物理学面临的问题和困境，一些新的理论被纷纷提出，然而这些理论大都昙花一现。卡鲁扎—克莱因理论、爱因斯坦统一场论、SU（5）大统一理论、超对称理论等都先后失败的事实表明，物理学陷入了重重困惑之中。
2.导致物理学现状的根源
斯莫林断言，“弦理论、圈量子引力和其他方法，它们都还没有到达那个前沿。我相信我们还缺失某个基本的东西，我们还在做着错误的假定。我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质……我越来越觉得量子理论和广义相对论在深层次上都把时间的本质弄错了。”[1]
如果将人类认识自然界的方式放在微观、宏观和宇观的尺度轴上进行观察，不难发现人类认识自然界，既不是从微观粒子开始的，也不是从宇观的天体、星系开始的，而是从宏观的身边事物开始的，而后才开始向微观和宇观延伸。
在宏观领域，根据万有引力和库伦力的作用力性质不同，对物质的表述分别用质量和电荷两个概念。然而，我们从宏观所看到物质的性质是由物质微观层面上的性质所决定的。事实是，我们根据宏观上建立的质量、电荷概念来推导物质在微观上的性质，显然这是本末倒置了。
宏观环境的物质模型是我们动用所有的感官才建立起来的。然而到了微观和宇观环境，我们只能靠视觉观察，探索者唯一倚重的知识只有宏观经验，而问题恰恰就出在这里。比如，在广义相对论的框架下，我们得到了一个宇宙大爆炸模型，然而发生宇宙大爆炸的奇点却不适用任何物理定律。我们从已知导出了一个未知事物，单从逻辑上看就已经不自洽了。
牛顿力学和电磁理论在宏观应用上的巨大成功，使人们不假思索地将质量和电荷直接引入到微观和宇观领域，导致更多物质概念被提出，如图1所示。可见，将宏观体验直接推广到宇观和微观是导致物理学陷入困境的根源。
3.突破物理学困境的方法
由于我们用宏观物质层面的概念去认识微观现象难以理解，于是为了能从宏观知识推导出微观现象的规律，不得不借用复杂的数学工具，由此物理学就被数学化了。
广义相对论和量子理论都带有浓重的数学化色彩。由于错误的根源在于宏观概念的超范围运用，导致数学化了的物理学最终还是走进了死胡同（当然，数学也被殃及了）。比如，量子电动力学用拉格朗日的数学方程来描述，后来遇到发散困难后，不得不打上一个“重整化”的补丁；当发现跟费米理论不相协调后，又不得不再打上“规范不变性”的补丁；规范不变性与对称性相对应，当发现许多粒子不具有这种对称性时，又不得不再打上一个“对称性自发破缺”的补丁。
然而这个经过多次修补后的规范理论，自上世纪70年代以来，不论在解释或预见基本粒子的新性质方面，还是在解决它所面临的概念困难方面，再也没能取得进展。
可见，物理学的数学化并不能将误入歧途的物理学拉回到正确的轨道上来。美国物理史学家曹天元教授在《量子物理史话》一书中说，“以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架，然后再从细节上做量子论的修正，这可以称为‘自大而小’的方法……现在人们开始认识到，也许‘自小而大’才是根本的解释宇宙的方法。”
弦理论是采用“自小而大”方法的一个理论，它几经沉浮最终脱胎换骨成有11个时空维度的M理论。在科学界经历了一系列的失败后，霍金和大多数科学家认为M理论是大设计的唯一候选者。但三维空间中的动态宇宙，在四维时空中成为爱因斯坦的静态宇宙——一种永恒的“存在”，而这种永恒的“存在”本质上是不存在，因为永恒“存在”意味着时间静止了，而存在的时间为零的事物是不存在的。
既然四维时空意味着不存在，那么5个维度下的宇宙就更不存在了，更何况多达11维的宇宙。可见，用弦理论这根“弦”是无法将广义相对论和量子理论连接起来的。
4.系统相对论的物理统一方法
系统相对论[2]采用“自小而大”的研究方法，从cn粒子假设入手，逐步架构起各种粒子、物体和天体。通过流体态物质和刚体态物质定义与分类，系统相对论将自然界形态各异的所有物质统一在能量的概念下，从而实现了物质的统一。
从微观到宏观、宇观，整个宇宙是一个不可分割的有机整体，如图2所示。适用于宇观高速领域的广义相对论和适用于微观的量子理论，如同黑辐射理论中的适用于高频段的维恩公式和适用于低频段的瑞利-琼斯公式一样，它们都是不正确的；所不同的是，后者在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上；而前者只能退居到“相当于”的地位上，因为它们的基础存在问题，如时间概念。
时间是物体运动速度大小的一种度量方式，表达的是物体的运动性质和存在性。可见，时间、质量、电荷都是一种物理量，是我们理解和描述事物的一种方法和工具，而不是事物本身。
5.结束语
笔者认为，通过修正现有理论的方法是不可能解决当前所面临的各种挑战和课题的；只有改变原来的“自大而小”的研究方法，首先找到真正的宇宙之“砖”，才能构建出一个真实的宇宙，进而一揽子解决当前所面临的各种挑战和课题。
参考文献：
[1]L·斯莫林[美]物理学的困惑·李泳译·长沙：湖南科学技术出版社，2008P64，P252
[2]刘泰祥·系统相对论·北京：科学技术文献出版社，2012
过去数十年来，物理学家一直在为量子力学跟重力理论的结合而奋斗，毕竟自然界中其他作用力的身世早已厘清且各就符位．例如电磁力就可以用光子的量子力学运动来描述。但是，若想以量子重力来描述两个物体问的重力，马上就会遇到困难：最后计算出来的解都是无限大。现在，美国加州大学们克利分校的物理学家侯拉瓦认为他发现问题所在了：这一切都跟时间有关。
更确切来说，问题在于爱因斯坦的广义相对论中空间和时间是如何结合的，众所周知．爱因斯坦了牛顿系统中绝对的时间观，并提出时间事实上是另一个维度，和空间紧密结合在一起，所形成的时空结构是会受到物质影响而弯曲变形的问题在于，在量子力学中，时间仍旧维持着牛顿力学系统中那种超然独立的角色，是物质演出的舞台，而不会受到物质出现与否的影响，这两种时间的概念是不相容的。
侯拉瓦表示，解决方式就是在非常高能量的状态下，把时间跟空间断开，一如受量子重力主导的早期宇宙，侯拉瓦说：“我回到牛顿的想法，将时间和空间视为不对等之物”而在低能量状态，广义相对论便会从背景架构中浮现，将时间和空间重新缝合。
侯拉瓦以某些奇特物质改变相态的方式来解释这种广义相对论的浮现。举例来说，这就像低温液态氦的性质会发生剧烈改变，形成一种不具摩擦力的超流体．他以各种诡异相态转变的数学来建构他的重力理论，而且到目前为止都还可行，也能符合计算机仿真出的量子重力。
侯拉瓦的理论发表之后．等于为物理界打了一针强心剂当初就是爱因斯坦预测水星运动的准确度高于牛顿的重力理论，广义相对论才大获全胜。侯拉瓦的重力理论也能获得一样的成功吗?目前的答案似乎是旨定的。葡萄牙里斯本大学的罗勃等人，已经运用该理论正确描述出行星的运动，