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第二章相互作用问题我们已经讲述了物体如何运动这个专题，紧接着的第二个问题将是物体之间怎样相互作用？假如宏观的星球、微观的原子以及常规的物体之间不存在着相互联系，那么整个世界将是一堆散沙、一片支离破碎的蛋糕。事实上，世界的各个部分都相互制约、相互影响。我们看到，所有的天体之间都保持着一定的距离，保持着一定的平衡，它们之间既不相互碰撞，又不相互远离；我们看到，地球、火星、金星等等都在围绕太阳旋转，而月亮也在围绕地球作园周运动，它们既不脱离轨道远抛而去，也不会被拉向太阳或者地球；我们看到，在空中放置一个物体，它总是要作落体运动，它总是力求垂直达到地面，而不是跑向其他方向……。然而，这些相互作用是如何产生的？是什么在背后决定着它们的规律？这些作用是怎样实施、怎样传递的？我们看到和感觉到的相互作用已经很不少了，这些相互作用之间有没有共同的本质？据说，有一次牛顿坐在一棵苹果树下，思索着为何月球以地球为中心作园周运动，这时，一只苹果掉在他的头上，在这一瞬间，一种灵感便闪电般出现了：月球受到的力与苹果受到的力会不会一样呢？由此便产生了万有引力定律。但是，这个定律合理吗？本章的目的就是探索相互作用的本质。一蒸汽模型（一）我们假设有一个密封的容器，在其中盛满了1大气压、100℃的水蒸汽。这时水蒸汽分子均匀地分布于整个容器之中。但是，当我们逐渐缩小体积时，水蒸汽的状态将会发生什么样的变化呢？如果我们事先不知道这个事实的话，那么我们将很自然地想到，水蒸汽的密度将相应地变大，也就是说，没有其他变化，只是水蒸汽相对密集一些而已。但事实并不如此，水蒸汽的密度没有增长，而是出现了液相！部分水蒸汽分子凝结为液珠。在容器中，气态与相比较起来大为密集的液态共存！在这里，密度发生了突变，两个差别巨大的密度同时存在，组成一个平衡体系。这是由于物质的内在性质而决定的。水分子之间存在着极性力、氢键、范德华力等等，这些力都是近距作用，它们只对周围的分子产生联系，或者说通过这些作用将水分子相互粘结起来。我们可以将这些作用力统称为“粘性力”。当水分子的密度较小时，各个分子自由自在地游荡于空中要比它们挤在一起稳定得多，各个分子都逃得远远的，粘性力不足以将它们团结在一起；但是，当水蒸汽密度达到某一个定值时，例如在100℃及1个大气压下，分子之间的粘性力就可以将彼此结合起来，而形成液态。在这里，分子要么彼此远离，使得密度小于一个大气压，要么就彼此结合在一起，如果要想让水分子进一步稍微靠拢，保持在两个大气压或者任何一个中间状态都是不可能的。当我们将这个实验移置到没有重力场的真空中去做，那么出现的将不是液层，而是液珠。在容器中漂浮着大量的水珠，它们均匀地分布于容器之中，使得每一角落里的密度都均匀一致。事实上，容器和压力也是不必需的，例如空中的云雾，我们可以通过温度的下降来使得密度上升，来使得水蒸汽变为水珠。在云雾中，在没有任何外力的作用下，云雾本身以气态和液珠共存，在空中达到相互平衡。当然，这种平衡是动态的。液珠表面的水分子不断在蒸发，而水蒸汽分子又不断在凝结；旧的液珠不断在崩溃，而新的液珠同时在不断地形成。当温度和压力保持不变时，这种平衡状态将永不改变；虽然有局部的水珠崩溃和重新组成，但就总体来说，水珠的总质量和水汽的总质量却永不改变。（二）我们的宇宙也是这样一个平衡的体系。非常类似于我们刚讲的蒸汽模型，在这里，巨大质量和高度密集的星球与相对非常稀薄的空间组成同样的平衡。在这里，最基本的组成不是水蒸汽分子，而是氢原子。至于为什么说是氢原子而不是其他的原子或分子，这只有等到原子结构这一章中再作详细的讨论。事实上，在这里，无论氢原子也好，或者假设是其它的基本粒子也好，都不影响我们的讨论。我们只须知道有这样一个基本构成成分就可以了。氢原子之间相互作用的也是一种粘性力。我们为了讨论这个粘性力，还是先近似使用氢原子的电子云模型。在这里，假定氢原子核的正电荷是球向均匀分布的，而氢原子的电子云却是椭球形的，那么，在长轴处将有负电的剩余，在短轴处将有正电的剩余，正是这种电性剩余使得原子之间彼此能吸引，能结合，这完全类似于水分子的粘性力。当氢原子密度相当大时，氢原子之间的粘性作用将趋向于使氢原子间彼此结合起来。这样，在宇宙中，一团巨大的原始星云开始收缩了。一颗崭新的恒星正要形成。在收缩的过程中，由于巨大能量的释放，压力增大，温度升高，这样就导致了氢原子的变化，或者进行核聚变形成氦、氧及其他重元素，或者原子之间彼此紧密结合而形成分子。这非常类似于水蒸汽与水珠的平衡。天体就是这样不断地演化。天体也有生死兴衰，但这只是整个宇宙动态平衡的一部分，就整个宇宙来说，正如一定温度一定压力下的水蒸汽一样，是一个稳定状态。我们的宇宙便是一个最绝对的孤立体系，既无物质的消失与创造，也无能量的增加或减少，整个宇宙处于不断的动态平衡之中，当一个星系处于衰退和灭亡之时，另一个星系却正在朝气蓬勃地形成。（三）进一步地，氢原子也是背景连续物质凝结成的“液珠”。在这里，液珠的原始构成是连续物质。这种连续物质是最基本的，既无内部结构更无大小之分，整块物质都是一个整体，没有空隙也没有密度的不均匀，它是绝对连续的。虽然它与海水、河水一样是一种流体，然而它们之间却有本质的区别，海水和河水是由无数的粒子堆砌而成的，而连续物质却象我们通常所说的空间那样均匀和那般连续。连续物质之间的作用就是“粘性”。虽然背景连续物质没有最基本的粒子，但是它的每一个无穷小的微分质元除却有质量和体积之外，还具有一个简单的性质：相互联结。粘性就是表征这个作用力量大小的一个内禀量。物质之间相互靠拢，所有的空间质元都连成一个整体，我们无法将物质的各个部分拉开。这很类似于液体状态的水，水分子之间的极性力、氢键、范德华力使得分子之间相互吸引，但是这种吸引只是近程作用，只对周围的相互连接的分子有效。连续物质的粘性也是如此，只是这里没有什么分子或者原子，没有原初的粒子结构，而是存在于每个地方。无论我们将连续物质分成多少份，或者无限地分下去，这种粘性依然存在，质元之间仍然彼此相互联结。这种性质是物质的客观属性，它如质量一样，是与物质不可分离的，是物质生来具有的。由于这种粘性的作用，在连续物质的背景上，物质的第二种存在状态便产生了——连续物质凝结成原子。当然，正如水珠的多少取决于连续物质的密度一样，氢原子的浓度也取决于连续物质的密度，这是因为两者之间存在着平衡，决定了一定密度的空间所能平衡的氢原子浓度也是一定的，当氢原子浓度小于此值时，就会继续产生，当大于此值时，则是氢原子崩溃。物质之间存在着最终的平衡。正是这样。由于星球是由氢原子密集而成的，在这里氢原子密度过长，粒子状态将逐渐变为连续状态，物质不断转化为能；而在宇宙的远处，连续状态却不断地变为粒子状态，氢原子在不断地产生！（四）现在，我们可以初步指出：这种连续物质就是世界的本源，它是宇宙中物质的最基本形式。宇宙中一切物质形态和一切性质均起源于它。首先，这种连续物质凝结为氢原子，而氢原子的密集又使得它们进一步收缩而形成星球。在这个收缩过程中，原子之间原子核的彼此融合形成了其它元素，而原子之间电子云的彼此结合则形成了各种各样的分子。其次，当这种粒子状态的物质崩溃时，它快速扩散而以光的形式为我们所观察到，它对空间的扰动和推斥我们称之为能。这种连续物质在物体中的传导便成为热。最后，连续物质的粘性是自然界一切相互作用的最根本原因。首先，粘性作用使得连续物质凝结为氢原子，而氢原子的剩余粘性又导致原子之间的彼此结合以及彼此融合，这就是所谓的强相互作用和化学键。形成原子或分子之后，剩余粘性便以极性力、色散力等形式表现出来，使得分子间彼此结合。成为地球后，也由于剩余粘性而出现重力和引力……。总之，我们的宇宙是一个完整的、统一的、平衡的封闭体系。二物质分布（一）那么，宇宙中的物质是怎样分布的呢？我们刚才讨论蒸汽模型时曾提到过，在没有重力场的情况下，蒸汽的密度是均匀的，这种均匀包括两方面的含义：（1）相同的体积内含有的水珠数相同；（2）相同的体积内含有的总分子数相同。熟悉现代物理的人们，很自然地将将此归功于分子的热运动，其实不然，杂乱无章的分子热运动并不能导致如此美好的平衡。这种平衡是由物质的本性所决定的。因为每个水分子都将与周围的空间相平衡，这使得每个分子连同它周围的连续物质形成了一个个的“弹性球”，这些弹性球都是等同的，它在空间中将由于互相的推力和斥力保持着均匀的分布，只要分子的类型完全一样，那么每个分子所占据的体积也应该完全相等，虽然分子之间不断地存在着相对运动，但是，每个分子总保持着相当的势力范围。这就如同我们在负电荷的海洋中洒进去一批正离子；正离子将均匀地分布于这个海洋之中。这就导致了分子数在空间中的均匀分布。而水珠的形成是在水分子的基础上开始的，它不影响原有的水分子与空间的平衡，又是进一步又建立了第二个平衡——水珠与水分子的平衡。既然这种平衡是物质的内在属性，那么我们必然就会得出结论：只要没有重力场，物质的分布将是绝对均匀的！或者更准确地说，只要与某种液珠相平衡的介质是完全均匀的话，那么这种液珠的分布也将是均匀的。（二）我们的整个宇宙是一个孤立的体系，它不受到任何外力的作用，没有任何因素来影响它内部的物质分布以及它的存在状态，因此，在这个物质世界中，将是完全各处等性的，物质的分布不会厚此薄彼，不会这里多那里少的。宇宙中的物质分布是均匀的！当我们考虑的尺度足够大时，连续物质在各处的密度将是完全相等的，由连续物质所凝结成的氢原子的浓度也是完全相等的，进一步地，由氢原子聚集而成的星球在各处的分布也是完全均匀的。但是，我们必须注意这个前提：考虑的尺度足够大。这很显然，因为假如我们去考虑蒸汽模型中的某个水分子以及它周围很小的环境，那么它的分布必然是不均匀的；同样的道理，假如我们用通常的尺度来考虑时，我们必然会发现，地球与其周围空间的物质分布是极不均匀的。但是，我们考虑天体的情况，就必须用天文尺度。我们考虑水蒸汽的均匀分布，就必须是对包含有几亿、几亿亿个分子的容器而言，我们考虑星球的分布，也必须是包含有成千上万个星球的范围出发。当尺度足够大时，物质将是均匀分布的，特别地，当我们考虑整个宇宙时，这种分布将是绝对地完全地均匀；这种均匀主要包括两方面的含义：（1）星球在宇宙中均匀分布；（2）物质在宇宙中均匀分布。（三）刚才讲的是整体分布，现在我们再来讨论局部分布。整体分布是完全均匀的，而局部分布却是不均匀的。我们以地球为例子。地球是原子、分子高度密集而成的，在其中原子和分子作紧密的堆砌；但是，在地球之外，在大气层之外，在地球周围一定半径的空间中，粒子物质的数量却很少，往往在1m3的体积内也找不到几个分子。既然粒子状态与连续状态的物质处于平衡的，那么必然会有：在地球上连续物质的密度大，而在真空中连续物质的密度小。但是，连续物质的密度是逐渐下降的，不存在着密度的突跃。因为假如有一个较大的密度差的话，那么连续物质必将发生流动直至恢复平衡为止。连续物质之间只能保持一个均匀的、微小的密度差，这个差值的大小是与星球的质量以及离星球的距离有关的。因为所有连续物质都趋向于无限扩散而至完全均匀，只是由于星球巨大质量的吸引才使连续物质不能逃逸。连续物质的密度是从里向外均匀下降的，其下降率是与连续物质的密度成正比的，密度越大，在单位距离内下降的程度就越大：－df=kfdr即f=e－kr而气体分子在重力场中的分布是完全取决于连续物质的密度的。连续物质的密度越大，则气体分子的密度也越大；连续物质的密度越小，则气体分子的密度也越小。在地球周围，连续物质的密度是依指数而降低的，因此气体分子的密度也依指数规律而下降，这就是大气层分布的特征。（四）地球周围的重力场是逐渐降低的，因此大气压的分布是依从指数规律而下降，但这还只涉及到同一类型的分子分布的情况，假如在这个不均匀的连续介质中，被分配的物体也有密度上的差别，质量不同，大小不同，那么又将如何分布呢？既然物体的分布要与连续物质达到平衡，那么，密度大的物体所平衡的连续物质的密度也大，密度小的物体所平衡的连续物质的密度也小。因此