天幹地支之時空動態模型天幹太陽傳統文化(天幹地支轉化)
一:我國天幹地支計時法是由何而來?
天幹地支與六十四卦三百八十四爻構成瞭太農歷和公歷嚴謹的周期規律,現代科技也無法撼動!!!在此基礎上延伸的中國夏歷更是把陰歷演譯的天衣無縫!!!這便是中國人民傳統文化的魅力和智慧!!!天幹地支配合紀日使中國歷法幾千年一在延續。
二:20二十四-02-09
我國傳統文化中“核心”數字新解
卞光曹
關鍵詞:同構,自然常數e,5行,天幹地支,導數,面積、體積
卞光曹、卞寶瑞所著的《同構的world世界:自然數學的哲學原理》【1】一書,論證瞭數學的基礎是由1+1=2的線性體系一步步發展起來的。用演化的思想,證明無限不循環的無理數,稱為自然常數的e=2、71828……(引用【4】給出瞭小數字點後幾十位),是一個層次上效率最高的表達元素個數。書中認為虛數i是人的意識作用過程,用e的虛指數推導出瞭負數,從演化的角度實現瞭復數體系的構建。並用e的虛指數構成瞭多維正交的向量空間進行拓展思考,用蘊含瞭信息和能量的信號同構這個地球,進行推導和證明,獲得瞭很多有利的結論。其從公理演繹的角度,推導出一些自洽完備的結論,很有啟發意義。相比較立足於現象進行論證的學術活動,更有其開拓和創新的意義。
《同構的world世界:自然數學的哲學原理》,對於數字從0、1到10,23皆有基於e的正向進化演化的論述。本文認為,基於書中提出來的以e為基礎的演化思想,可以對5行,10天幹與12地支等我國傳統文化中的基礎,進行另一種特有的方式的合理性解釋,從而解釋瞭其在咱們國傢傳統文化之中得到普遍使用的緣故。
書中論證瞭e=2、71828…是一個層次上效率最高的表達元素個數,從而,二進制可Yi經過多層次的嵌套表達不斷逼近這個無限不循環的無理數,而三進制會產生冗餘,不能完備的推進表達。於是,本文將會試圖論證,由e的演化進行數學的解析方法推導,當推導出的一個數字大於5小於6,那不如就可以解釋5行必然具有很多良好的特點。一個數字,假如大於22小於23,那不如就可以解釋10天幹和12地支構成的22個表達元素的體系,必然具有很多良好的特點,從而被人們作為表達元素的個數,將每個表達元素賦以不同的特性,用以表達時間空間的變化。
本文將從由e出發的形成圓、球與簡單容易的數乘兩個方面來進行思考。
(1)、依據圓和球作為思考對象
圖1
依據圖1,在從圓心O點開始,半徑X不斷的變化時,圓的面積也在不停的發生變化。圓,可以看作是由圓心O點開始的圓環,一圈圈的組成,x越大,越遠離圓心O點,圓環擴展的就越大。圖1中的圓環的寬度預示為微元Δx,當Δx趨向於0時,設圓環拉成矩形的矩形面積為dA, 圓環面積為
,由於
因 此,在x點處的圓環的面積,將等於圓環拉成矩形的矩形面積。此矩形的長度即為此處圓的周長2 πx,圓環的面積為2 π xΔx。以O為圓心,半徑為x的圓的面積寫成積分形式,
,此式的積分值為
,即為一般所見的圓的面積公式。依據微積分定理,
的導數即為2πx,即圓的面積對半徑的求導的值等於此半徑的圓的周長。
同樣的思想和計算方法,得到球體的表面積與球的體積存在以下關系:對球半徑R求導後就成瞭球的表面積,球的體積公式
,對球半徑R求導後就成瞭球的表面積公式
,反向的,即存在以下的定積分關系:
=
。
另外,對於正多邊形和正多面體,其內切圓的半徑,多邊形的周長與面積,內切球的半徑,多面體的面積與體積之間也存在類似有關系。【2】
當圓的半徑為r=e=2、71828…時,
直徑l=2
=5、43656…,
周長:c=
17、0794…
面積為
=
=23、2134…,
當圓的直徑為l=2、71828…時,
周長:c=
8、539734…
面積:
=
=5、803351…
當圓的周長:c=e=2、71828…
面積:
=
=0。588002…
項目
類型
半徑
直徑(邊長)
周長
面積
二維平面圓1
e=2、71828…5、43656…17、0794…23、2134…
二維平面圓2
1、35914…e=2、71828…8、539734…5、803351…
對於幾何體來說:
當球的半徑為e=2、71828…時,則
球的表面積為:
92、8536…,
球的體積為:
84、1341…
當球的直徑為e=2、71828…時,則半徑為1、359140。
球的表面積為
=5、803351…
球的體積為:
=
10、51676…
項目
類型
半徑
直徑
表面積
體積
三維的球1e=2、71828…5、43656… 92、8536…
84、1341…
三維的球2
1、35914…e=2、71828…5、803351…
10、51676…
一些結論:
[if !supportLists]1。 [endif]當平面圓1的半徑為e時,其面積得到23這樣一個數字。平面圓2的直徑為e時,得到8卦和5行這兩個數字。
[if !supportLists]2。 [endif]由1,半徑為e時,由於半徑是一個“基礎”的量,是高維降為低維時的參照量,可以看作是陰陽兩個個體,都具有單獨的“因子”,它們組合時,會自然出現直徑為2e,與
相乘實現周長為17,緊接著升維到面積出來23這樣一個數字。如人類染色體共有23對,八字時空運行體系裡天幹加地支加人的陰陽屬性,共23個表達元素。
[if !supportLists]3。 [endif]由1,直徑為e時,由於直徑隻與
相乘即能夠得到周長,而周長是面積的導數。這個過程,可以看作“自己一身”的最省原則的演化。所以獲得瞭8卦數和5行數,獲得瞭基礎的表達元素
[if !supportLists]4。 [endif]當三維的球1的半徑為e時,得到92,84兩個數字。當三維的球2的直徑為e時,出現5和10兩個數字。球的半徑r與表面積的關系是
,與體積是
的關系。
[if !supportLists]5。 [endif]由4,球的直徑l=2r,與表面積的有關系是
,可以看作是l為邊長的正方形乘以
形成瞭球的表面積。由直徑e“代替”半徑e,則存在著“簡單”的隻要乘以
關系。而由表面積用積分關系升維到體積時(球的表面積是體積關於半徑導數,體積是表面積關於球半徑的積分),則顯現瞭5和10這兩個常用的數字。
(2)依據簡單互相作用作為思考對象
兩個變量互相作用時,最簡單容易的是相乘。假如變量隨著某個維度如時間發生變化,其一般形式是積分運算,也可以運用卷積運算得到其變化的關系函數。俺們這裡隻考慮線性變化的簡單情況,直接表達為乘積的形式。
一維的情形下,
f(x)=ax,其導數為a。
形成二維平面面積時,我們用“性質”最有利的正方形代表
,其一階導數為
,1111當x=e=2、71828…,則
形成三維幾何體時,我們用“性質”最有利的正方體代表
,其二階導數為
,當x=e=2、71828…,則
形成更高維度時,
,其三階導數為
,當x=e=2、71828…,
,其四階導數為
,當x=e=2、71828…,
項目
類型
邊長
周長
面積
低一維的值(與周長無導數關)
二維正方形
e=2、71828…4*e=10、873127…7、389056…5、43656…
三維立方體
e=2、71828…12*e=32、6193…20。0855322、167168…
一些結論:
[if !supportLists]1。 [endif]傳統文化之中,因為人們沒有幾千年後的微積分工具,處理事物之間關系,隻能是簡單容易的數乘關系。因此用正方形,立方體來思考傳統文化之中的一些數字,可能更加能推導出一些有用的結論。
[if !supportLists]2。 [endif]導數,反映瞭低維度的一種變化和內在結構。當e=2、71828…時,二維正方形的低一個維度的值為5、43656…,球體的低一個維度得到22、167168…。
[if !supportLists]3。 [endif]由2,我們獲得瞭5和22這兩個數字。22是10天幹和12地支之總數,5是5行的數字。
[if !supportLists]4。 [endif]單純的乘法與加法,並得不到一個“核心”的數字。需要經由微積分的動態數學的思想才能解決一些變化發展演化的問題。即必須轉向圓這類圖形的計算,才可得到“核心”數字。
[if !supportLists]5。 [endif]上一個維度對其某一個關鍵變化量求導數的意義,可以看作是尋覓到一個低維的瞬時的“線性”的量。低維的瞬間量,可Yi經過不斷累加的方式,也就是通過積分運算,得到上一個維度的測度。這裡由e出發,形成的正方形、立方體,其最高維度的面積、體積,進行對邊長的求導,則獲得瞭5和22這兩個數字。
匯總:
依據以上(1)和(2)兩種模型的思考,能夠得到以下一些思想:
[if !supportLists]1。 [endif]上面從不同模型出發,推導顯現瞭兩個大於5小於6的數字,5、803351…5、43656…。印證瞭5這樣一個數字,是由自然常數e在遵循最省原則的進化時,得到的一個重要的“節點”數字,古代人們用5種形態表達這個地球,具有其合理性和最優性。 另外,亦有人運用矩陣方法剖析其形成5行的相克相生關系時,證明其是能實現循環生克關系的最小數字。
[if !supportLists]2。 [endif]在圓和球裡,顯現瞭2三、而在正方形和正方體裡,顯現瞭2二、22是人構造的反映天地運行規律的數字,分為10天幹和12地支。23這樣一個數字與22緊密相連,人類染色體共有23對,分別來自爸媽,22對是常染色體,1對是性染色體用來區分性別。傳統文化之中描繪人的生命活動規律的四柱時空運行體系裡,天幹加地支共22個表達元素,再加上人的陰陽屬性(預示為乾造或坤造,是一個整體的表達),共23個表達元素。
[if !supportLists]3。 [endif]中國古代人們有“天圓地方”的思想,一般認為是對天與地的幾何形態的認知;更深入的可以理解為古代人們對日、月、星相、季節、一些客觀規律的不斷出現和輪回歸結為“圓”的匯總,而對地面上的物體來說,更加的多是靜止、具有棱角的、具有方位的;人居於其天地中間,也同時稟賦瞭天地的一些屬性。這裡可以拿來同構說明一些具有良好特性的數字的來歷起源和用法。對於具有良好特性的一些數字,如5行,8卦,23等數字,是由“圓”、“球”這幾個幾何體,依照最省原則形成的,人們後期剖析,發現具有許多優良特性。而在後天使用時,更加的多是簡單容易的進行相乘,累加等運算,因此用“正方形”、“正方體”這類幾何體進行思考和建模。前者對“圓”,“球”這類的體、面,面、線呈現導數關系的維度升降的最優化空間結構。後者對方形,矩形、或是其它由方形、矩形組合的不規則形態組成,也是由四方體、多面體或是四方體,椎體、多面體組合的空間結構進行剖析,從面獲得瞭22如此的表達元素個數,分解為10天幹和12地支共22個表達元素,去作為基礎表達元素,利用他們之間的相互之關聯聯系,建立演化模型,推導這個地球的規律
[if !supportLists]4。 [endif]現代科學,已經發展瞭各式動態的數學思想和工具去描繪更復雜的形態。如卷積運算,張量數學,空間場描述等方法,以描繪動態復雜的信號互相作用。
[if !supportLists]5。 [endif]我國傳統文化的一些體系模型,多數都是通過各式
,
的關系組合形成的。如由8卦形成64卦,由天幹地支形成以60為周期的甲子法記時循環。
[if !supportLists]6。 [endif]在以自然常數e為基礎的一維轉到二維,二維轉到三維的過程中,才會致使2。5。8。7。10。22。23等我國傳統文化中常常見到的數字。維度的降低,反映瞭低維度的一種變化和內在結構,反應瞭低一個維度上的結構分佈。而低維度的結構,通過乘以一個變化量的累積加法,即能夠得到高層次的“面積”、“體積”。
[if !supportLists]7。 [endif]依據文獻【1】的論證,小於某個無理數的最大整數,才能通過互相聯系,互相運動不斷的逼近這個無理數。如e=2、71828…通過陰陽屬性不斷的互相作用,表達其實也就是說形態。因 此,結出基於一個層次上效率最高的數字e=2、71828…,依據圓和球,正方形、立方體是最高效率的進化演化,最省原則的實現瞭一個維度向另一個維度進化的幾何體。於是,上面演化出來的數字並不是巧合或是湊數而得到的,值得我們深入的思考。
[if !supportLists]8。 [endif]在5行的基礎上,構建瞭10天幹與12地支之關系,10天幹藏12地支,12長生順序變化。不同五行代表著不同的屬性,更拓展到人的外貌,性格,社會職業,社會地位,以及流年變化等方面。-
[if !supportLists]9。 [endif]擁有某個方面的哲學層次或方法論層次的思想是第1位重要的,緊接著必須用數學工具進行量化和關系解析,後者也是重要的。
總述:
自然常數e=2、71828…作為一個層次上效率最高的元素個數,用他進行嵌套演化,表達其它表達元素,在當今社會物理和數學的發展和應用中,e被大量的使用,在以e為基礎的進化過程中,必然還會有其它更高層次的“核心”的元素個數,可以 使用於更“高效”的表達(固然初期需要學習的表達元素個數增多瞭,增添瞭學習成本,不過,後期使用時,嵌套的層次變少瞭,更方便使用【1】)。
本文討論傳統文化之中經常使用的5,8,10,22,23等表達元素的個數,可以由自然常數e進行推導而來。相比於以前人們一直在用匯總歸納的方式方法思考這幾個“核心”數字具有的各式性質,本文用演繹法思考這幾個數字的來歷起源,運用瞭嶄新的方式和探索的思路。這幾個新的方式方法和思路,對俺們更深入的理解傳統文化具有特殊的啟發意義。
參考書籍:
1。《同構的world世界:自然數學的哲學原理》 卞光曹 卞寶瑞 吉林人民出版社 20二十四年5月
2。20二十四年第 1期 《數學教導研究》從圓面積函數的導數等於圓的周長函數說起石冶郝
3。1995年第六期 《數學通報》維數不同的相關量之間的微積分關系 王金貴
4。e= 2、7182818284590452353602874713527…
三:你是如何看古時候的幹支的?
天幹是三皇時期的五大發明,它們分別為甲乙框、丙丁燧、戊己犁、庚辛鉆鑿和壬癸針線。地支是伏羲氏用亥、子、醜、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌十二個圖畫會意字刻畫瞭人的生命起源和生老病死的生命過程。緊接著伏羲又用天幹地支創立瞭幹支歷法。幹支歷法不是生意人創立,是新石器時代的伏羲氏創立。源出伏羲贊。
四:求解易經64卦天幹地支象數問題
天幹是象數,地支也是象數,天幹預示的是四方,地支預示的是四時,這在許多典籍中皆能看得出。姑且不論這種提法對錯,單從“上下四方曰宇,古往今來曰宙”此句話中就能夠看出天幹地支抓住瞭時空的這個概念的關鍵。因此我想論證一下天幹地支代表一種象數說的合理性。
先從天地生成之數說起,天數13579和為25,地數二十四6810和為30。
以為1為太極,再依據“天德不可為首”,因此要把3確定為天(奇)數的基數;把2作為地(偶)數的基數。(待續)
因 此,依據3天和2地能構成如下關系表:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 2+2 2+3 2+2+2 2+2+3 2+3+3 3+3+3 2+3+2+3
上行的12345678910對應下行的123及7個數字和之式子。
所謂天幹是天為地之幹的之義,所以用地數和30除以天基數3得10,10這個結果是天幹之個數。而地支是地為天之枝的表述,用天數之和25除以地的基數2,得商12餘1,餘的1回歸太極,12這個結果我們把它看作是地支之個數,我們就能夠建立天幹和地支之基本象數表。
天幹象數表
甲 乙 丙 丁 戊……癸
1 2 3 4 10
1*3 2*3 3*3 4*3 10*3
3 6 9 12 30
同理地支象數表
子 醜 寅……亥
1 2 3 12
1*2 2*2 3*2 12*2
2 4 6 二十四
註意和提防兩表最下面的一行數字,假如把甲子用3替甲,2替乙,那麼甲子的值就是5,六十甲子的任何一個組合,都像這樣換上一幹一支的數字和,就會發現,陰陽屬性及五行屬性清晰地顯示出來,那說明甲1乙2……癸10以及子1醜2……亥12中的數字都是序數,而兩表中最下面的數字才是象數。
用地與月不同速運行過程中的兩速度比例關系,可以作為驗證結論。
五:科學工作者對未來宇宙演化提出瞭哪三種假設
宇宙起源學說
蓋天說
“蓋天說”是中國古代最早的宇宙結構學說。這一學說認為,天是圓形的,像一把張開的大傘覆蓋在地上;地是方形的,像一個棋盤,日月星辰則像爬蟲一樣過往天空,所以這一學說又被叫作“天圓地方說”。
“天圓地方說”固然符合那個時候人們粗淺的觀察常識,但事實上卻非常難自圓其說。打比方說方形的地和圓形的天如何連接起來,就是一個問題。於是,天圓地方說又修改為:天並不與地相接,而是像一把傘高懸在大地上空,中間有繩子縛住它的樞紐,四周還有八根柱子支撐著。不過,這八根柱子撐在哪些地方呢?天蓋的傘柄插在哪裡?扯著大帳篷的繩子又拴在哪裡?這幾個也都是天圓地方說無法回答的。
到瞭戰國末期,新的蓋天說誕生瞭。新蓋天說認為,天像覆蓋著的鬥笠,地像覆蓋著的盤子,天和地並不相交,天地之間相距8萬裡。盤子的最高點便是北極。太陽圍繞北極旋轉,太陽落下並不是落到地下面,而是到瞭我們看不到的地方,就好像一個人舉著火把跑遠瞭,我們就看不見瞭一樣。新蓋天說不但在認識上比天圓地方說前進瞭一大步,而且對古時候教學和天文學的發展產生瞭重要的作用與影響。
在新蓋天說中,有一套很有意思的天高地遠的數字和一張說明太陽運行規律的示意圖——七衡六間圖。古時候很多圭表都是高8尺,這和新蓋天說中的天地相距8萬裡有直接關系。
蓋天說是一種原始的宇宙認識論,它對很多宇宙現象不能作出正確的解釋,同時本身又存在很多漏洞。到瞭唐代,天文學傢一行等人通過精確的測量,徹底否定瞭蓋天說中“日影千裡差一寸”的講法後,蓋天說從此便破產瞭。
渾天說
日月星辰東升西落,它們從哪裡來,又到什麼地方去瞭呢?日月在東升以前和西落以後究竟停留在哪些地方?如此問題一直使古代人們困惑不解。直到東漢時,著名的天文學傢張衡提出瞭完整的“渾天說”思想,才讓人們對此問題的認識前進瞭一大步。
渾天說認為,天和地的關系就好像雞蛋中蛋白和蛋黃的關系一樣,地被天包在當中。渾天說中天的形狀,不像蓋天說所說的那樣是半球形的,而是一個南北短、東西長的橢圓球。大地也是一個球,這個球浮在水上,回旋漂蕩;後來又有人認為地球是浮於氣上的。無論咋樣說,渾天說蘊含著樸素的“地動說”的萌芽。
用渾天說來說明日月星辰的運行出沒是相當簡潔而自然的。渾天說認為,日月星辰都附著在天球上,白天,太陽升到我們面對的這邊來,星星落到地球的背面去;到瞭夜晚,太陽落到地球背面去,星星升上來。如此循環往復,便有瞭星辰日月的出沒。
渾天說把地球當作宇宙的中心,這一點與盛行於歐洲古時候的“地心說”不謀而合。但是,渾天說固然認為日月星辰都附在一個堅固的天球上,但並不以為天球之外就一無所有瞭,而是說那裡是未知的world世界。這是渾天說比地心說高明的地方。
渾天說提出後,並未能立即取代蓋天說,而是兩傢各執一端,爭論不休。不過,在宇宙結構的認識上,渾天說顯然要比蓋天說進步得多,能更佳地解放很多天象。
另一邊,渾天說手裡有兩大法寶:工是那個時候最先進的觀天儀——渾儀,借助於它,渾天傢可以 使用精確的觀測事實來論證渾天說。在咱們國傢古時候,根據這幾個觀測事實而制定的歷法具有相當的精度,這是蓋天說所無法比擬的。另一大法寶就是渾象,利用它真的可以形象地演示天體的運行,讓人們不得不折服於渾天說的卓越思想,因此,渾天說逐漸取得瞭優勢地位。到瞭唐代,天文學傢一行等人通過大地測量徹底否定瞭蓋天說,使渾天說在咱們國傢古時候天文范疇稱雄瞭上千年。
宣夜說
宣夜說是我國歷史上最有卓見的宇宙無限論思想。它最早出現於戰國時代,到漢代則已明確提出。“宣夜”是說天文學傢們觀測星辰往往喧鬧到半夜還不睡覺。據此推想,宣夜說是天文學傢們在對星辰日月的辛勤觀察中總結出的。
不論是我國古代的蓋天說、渾天說,還是西方古時候的地心說,乃至哥白尼的日心說,無不把天看作一個堅硬的球競,星星都固定在這個球殼上。宣夜說否定這種觀點,認為宇宙是無限的,宇宙中充滿著氣體,所有天體皆在氣體中漂浮運動。星辰日月的運動形式是由它們各自的特性所決定的,決沒有堅硬的天球或是什麼本輪、均輪來束縛它們。宣夜說打破瞭固體天球的觀念,這在古時候眾多的宇宙學說中是特別難得的。這種宇宙無限的思想出現於2000多年前,是特別可貴的。
另一邊,宣夜說創造瞭天體漂浮於氣體中的論理,而且在它的進一步發展中認為連天體自己一身、包括遙遠的恒星和銀河都是由氣體組成。這種十分令人驚異的思想,竟和現代天文學的很多結論一致。
宣夜說不但認為宇宙在空間上是無邊無際的,而且還進一步提出宇宙在時間上也是無始無終的、無限的思想。它在人類認隻史上寫下瞭光輝的一頁。可惜,宣夜說的卓越思想,在咱們國傢古時候沒有受到註重和重視,幾至失傳。
地心說
地心說是長期盛行於古時候歐洲的宇宙學說。它最初由古希臘學者歐多克斯提出,後經亞裡多德、托勒密進一步發展而逐漸建立和完善起來。
托勒密認為,地球處於宇宙中心靜止不動。從地球向外,依次有月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星,在各自的圓軌道上繞地球運轉。其中,行星的運動要比太陽、月球復雜些:行星在本輪上運動,而本輪又沿均輪繞地運行。在太陽、月球行星之外,是鑲嵌著所有恒星的天球——恒星天。再外面,是推動天體運動的原動天。
地心說是全地球第1個行星體系模型。盡管它把地球當作宇宙中心是錯誤的,然而它的歷史功績不應抹殺。地心說承認地球是“球形”的,並把行星從恒星中區別出來,著眼於探索和揭示行星的運動形式,這預示著人類對宇宙認識的一大進步。地心說最要緊的成就是運用數學計算行星的運行,托勒密還第1次提出“運行軌道”的概念,設計出瞭一個本輪均輪模型。依照這個模型,人們能夠對行星的運動進行定量計算,推測行星所在的具體位置,這是一個瞭不起的創造。在一定時期裡,根據這個模型能在某種程度上正確地預測推算天象,由此在生產實踐中也起過一定的效果。
地心說中的本輪均輪模型,總歸是托勒密依據有限的觀察資料拼湊出來的,他是通過人為地規定本輪、均輪的大小及行星運行速度,才使這個模型和實測結果取得一致。不過,到瞭中世紀後期,隨著觀察儀器的不斷改進,行星地段和運動的測量愈來愈精確,觀測到的行星實際位置同這個模型的計算結果的偏差,就逐漸顯露出來瞭。
不過,信奉地心說的人們其實沒有認識到這是因為地心說本身的錯誤造成的,卻用增添本輪的辦法來補救地心說。#初這種辦法還能勉強應付,後來小本輪增添到80多個,但仍不能滿意地計算出行星的準確位置。這不能不讓人懷疑地心說得對性瞭。到瞭16世紀,哥白尼在持日心地動觀的古希臘先輩和同時代學者的基礎上,終於創立瞭“日心說”。從此,地心說便逐漸被淘汰瞭。
日心說
1543年,波蘭天文學傢哥白尼在臨終時發表瞭一部具有歷史意義的著作——《天體運行論》,完整地提出瞭“日心說”理論。這個理論體系認為,太陽是行星系統的中心,一切行星都繞太陽旋轉。地球也是一顆行星,它上面像陀螺一樣自轉,一面又和別的行星一樣圍繞太陽轉動。
日心說把宇宙的中心從地球挪向太陽,這看上去好像很簡單,事實上卻是一項非凡的創舉。哥白尼根據大量精確的觀測材料,運用那個時候正在發展中的三角學的成就,剖析瞭行星、太陽、地球之間的聯系,計算瞭行星軌道的相對大小和傾角等,“安排”出一個比較和諧而有條理的太陽系。這比起已經加到80餘個圈的地心說,不但在結構上優美和諧得多,而且計算簡單。更加的重要的是,哥白尼的計算與實際觀測資料能更佳地吻合。因此,日心說最終代替瞭地心說。
在中世紀的歐洲,托勒密的地心說一直占有統治地位。由於地心說符合神權統治理論的需要,它與基督教會所渲染的“上帝創造瞭人,並把人置於宇宙中心”的講法不謀而合。假如有誰懷疑地心說,那麼這樣就是褻瀆神靈,大逆不道,要受到嚴厲制裁。日心說把地球從宇宙中心驅逐出去,顯然違背瞭基督教義,為教會所不容。為瞭捍衛這一學說,不少仁人志士與黑暗的神權統治進行瞭前仆後繼的鬥爭,付出瞭血的代價。意大利思想傢佈魯諾,為瞭維護日心說,最終被教會用火活活燒死;意大利科學工作者伽利略,也由於支持日心說麗被法庭判處終身監禁;開普勒、牛頓等自然科學工作者,都為這場鬥爭作出過重要貢獻。
大爆炸說
1929年,天文學傢哈勃公佈瞭一個震驚科學界的發現。這個發此刻相當大的程度上致使如此的結論:所有的河外星系皆在離我們遠去。即宇宙在高速地膨脹著。這一發現促使一些天文學傢想到:既然宇宙在膨脹,那不如就也許有一個膨脹的起點。天文學傢勒梅特認為,如今的宇宙是由一個“原始原子”爆炸而成的。這是大爆炸說的前身。美國天文學傢伽莫夫接受並發展瞭勒梅特的思想,於1948年正式提出瞭宇宙起源的大爆炸學說。
伽莫夫認為,宇宙最開始是上個溫度極高、密度非常大的由最基本粒子組成的“原始火球”。依據現代物理學,這個火球必定迅速膨脹,它的演變過程似乎一次巨大無比的爆發。因為迅速膨脹,宇宙密度和溫度不斷降低,在這個過程中形成瞭一些化學元素(原子核),緊接著形成由原子、分子構成的氣體物質。氣體物質又逐漸凝結聚集起星雲,最後從星雲中逐漸產生各式天體,成為如今的宇宙。
這種學說普通人聽起來非常離奇,匪夷所思。在科學界,也因為這個學說缺乏有力的觀測證據,由此在它剛剛問世時,並未予以普遍的響應。
到瞭1965年,宇宙背景輻射的發現使大爆炸說重見天日。原來,大爆炸說曾預言宇宙中還應該到處存在著“原始火球”的“餘熱”,這種餘熱應表現為一種四面八方皆有的背景輻射。特別使人驚訝的是,伽莫夫預言的“餘熱”溫度竟恰好與宇宙背景輻射的溫度相當。另一邊,因為有關天文學數據已被改進,因此依據這個數據精密推算出來的宇宙膨脹年齡,已從原來的50億年增到100-200億年,這個年齡與天體演化研究中所發現的最老的天體年齡是吻合的。因為大爆炸說比其他宇宙學說能夠更加的多、更佳地解釋宇宙觀測事實,因此越來越顯示出它的生命力。
此刻,大都天文學傢都接受瞭大爆炸說的基本思想,不少過去不能解釋的問題正在一步步解決,它是最有作用與影響、最有希望的一種宇宙學說。
星雲說
太陽系到底是如何產生的,此問題直至今依然沒有令人完全滿意的答案。長期以來,人們為瞭解決此問題,曾經提出過很多學說,其中“星雲說”是提出最早,也是在當代天文學上最受註重和重視的一種學說。
最初的星雲說是在一18世紀下半葉由德國哲學傢康德和法圍天文學傢拉普拉斯提出的。因為他們的學說在內容上大同小異,因而人們一般叫作康德一拉普拉斯星雲說。他們認為:太陽系是由一塊星雲收縮形成的,先形成的是太陽,緊接著剩餘的星雲物質進一步收縮演化形成行星。
星雲說出現以前,人們一般把天體的運動變化看作是上帝發動起來的,叫作“第1次推動”。康德一拉普拉斯的星雲說,用自然界本身演化的規律性來說明行星運動的一些性質,無疑對這種荒謬的看法是一個有力的打擊,也為天文學的發展建立瞭不朽的功勛。
但是,康德一拉普拉斯星雲說隻是初步地說明瞭太陽系的源頭問題,還有很多觀測事實卻難以用它來解釋。所以,星雲說在很長久裡陷入瞭窘境。直到本世紀,隨著現代天文學和物理學的進展,尤其是近幾十年裡,恒星演化理論的日趨成熟,星雲說又換發出瞭新的活力。
現代觀測事實證明,恒星是由星雲形成的。太陽系的形成在宇宙中並並非一個獨一無二的偶然的現象,而是普遍的必然的結果。另外,關於太陽系的很多新發現亦有力地支持瞭星雲說。
在如此的背景下,現代星雲說逐漸完善起來瞭。當然,星雲具體是如何演化的,這一點還有不少分歧的建議。有一種看法認為:形成太陽系的是銀河系裡的下團密度較大的星雲,這塊星雲繞銀河系的中心旋轉著,當它通過旋臂時受到壓縮,密度加大,達到一定密度時,星雲就在自己一身引力的效果下,逐漸收縮。收縮過程中,一方面使星雲中间位置部分內部增溫,最後形成原始太陽,當原始太陽中心溫度達到700萬攝氏度時,氫聚變為氦的熱核反應點火,於是,現代太陽便真真正正誕生瞭。另一邊,因為星雲體積縮小,因而自轉加快,離心力加大,逐漸在赤道面附近形成一個星雲盤。星雲盤上的物質在疑柔和吞並過程中,最後演化為行星和別的小天體。也就是說,此刻人們己能用星雲說比較詳細地描述太陽系的源頭過程,不過還有許多具體問題未能很好解決,還有待完善和充實。
宇宙的最初三分鐘
摘自 中華網 科技博覽 王艷紅
道生一,畢生二,二生三,三生萬物。道者,無也。 —老子《道德經》
宇宙誕生之前,沒有時間,沒有空間,也沒有物質和能量。大概150億年前,在這四大皆空的“無”中,一個體積無限小的點爆炸瞭。時空從這一刻開始,物質和能量也從此產生,這便是宇宙創生的大爆炸。
剛剛誕生的宇宙是炎熱、致密的,隨著宇宙的迅速膨脹,其溫度迅速下降。最初的1秒鐘過後,宇宙的溫度降到約100億度,這時的宇宙是由質子、中子和電子形成的一鍋基本粒子湯。隨著這鍋湯繼續變冷,核反應開始發生,生成各式元素。這幾個物質的微粒互相招引、融合,形成愈來愈大的團塊,並逐漸演化成星系、恒星和行星,在個別天體上還顯現瞭生命現象。緊接著,能夠認識宇宙的人類終於誕生瞭。 這幅大爆炸圖景,是目前關於宇宙起源最可能的一種解釋,被叫作“大爆炸模型”。大爆炸理論誕生於20年代,在40年代由伽莫夫等人進行補充和發展,但一直寂寂無聞。直到50年代,人們才開始廣泛註意和提防這個理論,但是也隻是覺得它很好玩,並不信服。人們更願意認為,宇宙是穩定的、永恒的。
不過,愈來愈多的證據表明,大爆炸模型在科學上有強大的說服力。我們不得不相信,宇宙有一個開始,也將有一個終結。它產生於“無”,也終將回歸於“無”。 宇宙:可有始,可有終?
在人類歷史的多數時期,有關創世的問題,一向是留給神去解決的。宇宙追溯於何處?終點又在哪裡?生命怎樣產生?人類如何出現?對這幾個疑問,很多皆能給出一份體系完備的答案。至於上帝從哪裡來,這種問題是不該問的。
直到近日幾個世紀,人們才開始學著把神撇開,以超越的角度,去思考世界的本源。這樣一來,就有一個重大的原則性問題需要解決:宇宙是永恒存在的,還是有起始的?
這兩種說法一直以來一直困擾著科學工作者、哲學傢和神學傢,對於一般人來說,更是難以理解。假設宇宙在時間上沒有起源,即過去一直存在,那麼宇宙的年齡就是無窮大瞭。無窮大這個概念,一聽就使人頭昏腦脹:既然已經是已經過去瞭無窮久的時間,我們的“此刻”又是什麼呢?而假如說宇宙是有起始的,那麼它就是從“無”中突然產生的瞭,這最初的一剎那,又是如何呢? 憑著人類在短暫的生命裡獲得的常識,實在是非常難想清楚這幾個東西。但是,俺們是可以從科學上尋求一些佐證。大爆炸模型的一個基本假設是宇宙的年齡有限,這個說法令人信服的直接理由,來自物理學中一條最根本的定律——熱力學第2定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律,冥冥中早已規定瞭宇宙的命數。 簡來講之,第2定律認為熱量從熱的地方流向冷的地方。對任何物理系統,這都是大傢都知道並且清楚明瞭的特性,毫無神秘之處:開水變涼,冰淇淋化成糖水。如果想把這幾個過程倒過來,就非得額外消耗能量不可。就最寬廣的意義來講,第2定律認為宇宙的“嫡”(無序程度)與日俱增。例如,機械手表的發條總是愈來愈松;你可以把它上緊,但這就要消耗一點能量;這幾個能量來自於你吃掉的一塊面包;麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量;太陽為瞭提供這幾個能量,需要消耗它的氫來進行核反應。也就是說宇宙中每個局部的嫡減少,都須用其它地方的嫡增添為代價。 在一個封閉的系統裡,嫡總是加大的,一直大到不能再大的程度。這時,系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡狀態,不會再發生任何變化,除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說,是不存在“外界”的,因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態,就完全死亡,萬不復。這種情景稱為“熱寂”。
宇宙正在緩慢地、但堅定不移地走向這無法抗拒的命數,幾代智者為此懷疑人類的存在是不是有意義。暫且撇開這種沮喪的情緒,作一個簡單容易的推理,我們就能夠發現,宇宙不會有無限的過去。很簡單,假如宇宙無限老,那它早就已經死瞭。以有限速率演變的東西,是沒有可能永久維持下去的。換句話說,宇宙必定是在某個有限的時間之前誕生的。 大爆炸:有推論有依據
第2定律明示瞭宇宙有起始,但這個重要推論居然被19世紀的科學工作者忽視瞭,它隻是在後來成為大爆炸模型的佐證。該模型的提出,是基於20世紀初的天文觀測。
20年代,天文學傢埃德溫·哈勃註意和提防到,不同距離的星系發出的光,顏色上稍稍有些差異。遠星系的光要比近星系紅一些,即波長要長一些,這樣的現象被叫作“哈勃紅移”。它說明,各星系正以相當高的速度彼此飛離。一列火車快速駛遠時,它的汽笛聲聽來會沉悶許多,由於聲波相比於我們的頻率變低、波長變長瞭,這便是多普勒效應。把聲波換成光,產生的作用就是紅移。哈勃對眾多星系的光譜進行研究後確認,紅移是一種普遍現象,這表明宇宙正在膨脹。 這一發現,奠定瞭現代宇宙學的基礎。
假如宇宙正在膨脹,那它過去必定還算小。假如能把宇宙史這部影片倒過來放,我們勢必會發現,在過去的某個時刻,所有的星辰都是聚合在一起的。這個時刻大約是100多億年前,要準確推斷它比較困難。
另外,宇宙膨脹的速度會隨時間發生變化,這與引力有關。萬有引力作用於字宙中一切物質與能量之間,起到剎車的效果,阻止星系往外跑,從而使膨脹速度愈來愈慢。在誕生初期,宇宙從高密度狀態迅速膨脹,隨著時間的推移,體積愈來愈大,膨脹速度愈來愈小。將這個過程向回追溯到宇宙創生的那一霎那,可以發現那個時候宇宙體積為零,而膨脹速度為無限大。這便是大爆炸。
大爆炸是空間、時間、物質與能量的源頭。這幾個概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前發生瞭什麼、是什麼挑起瞭大爆炸,如此問題在邏輯上就是沒有意義的。那以前所有的,隻是“無”。
以上所述僅是旁證,似不足以令大都人信服。假如150億年前發生瞭一場大爆炸,如此驚天動地的力量是否在今天的宇宙結構上留下瞭某種印跡?於是,有一陣子,科研人員熱衷於尋找宇宙創生的遺跡,勁頭賽過當年的考古學傢尋找伊甸園。亞當和夏娃的文物是一樣也沒發現,原初宇宙最要緊的遺跡倒真給找出來瞭,這便是微波背景輻射。 依照大爆炸理論,最初的幾分鐘裡,宇宙是一個炎熱的火球,到處充滿溫度高達幾十億度的光輻射。因為此時的宇宙處於熱動平衡中,這種輻射具有獨一無二的光譜特征,稱為“黑體譜”。1965年,貝爾電話公司的兩位物理學傢彭齊亞斯和威爾遜偶然發現,宇宙確實浸潤在一種熱輻射之中。這種輻射以一樣的強度從空間各個方向射向地球,其溫度約為3K,譜線具有完美的黑體譜特征。微波背景輻射的發現,是對大爆炸模型最有力的鼓勵。
知道瞭今天宇宙背景輻射的溫度,就比較容易精密推算出,宇宙誕生後約1秒鐘各處的溫度約為100億度。在如此高溫下,不但我們熟悉的物質無法存在,連原子核也會被撕得粉碎。宇宙隻能是一鍋由質子、中子和電子等構成的基本粒子湯。
隨著這鍋湯變冷,核反應發生瞭。中子和質子比較容易聚合在一起,產生由兩個質子、兩個中子組成的氦核。計算表明,氦核形成的過程持續瞭大概3分鐘,形成的氦約占宇宙物質總質量的四分之一。這個過程用完瞭所有的中子,餘下的質子就成瞭氫原子核。
因此,大爆炸模型預言宇宙應當由大概25%的氦和75%的氫組成,這與天文測量結果極其符合。最初三分鐘裡形成的氫與氦,構成瞭宇宙中99%以上的物質。形成行星和生命的豐富多彩的重元素,隻占宇宙總質量的未到l%,它們多數是在恒星內部形成的。
依據推斷,宇宙的形成距今約100~200億年。
生命:既永恒又無恒
天文觀測表明,各式天體的年齡均小於200億年,這與大爆炸理論契合得特別好。我們的地球大約是50億年前形成的,人類出現的時間更短得不值一提。宇宙此刻還算得上年輕,擔憂末日的來臨,對單個人來講是十分無聊的事。然而,為全人類的命數想一想此問題,還是很有必要的。
依照大爆炸模型,宇宙在誕生後不斷膨脹,與此同時,物質間的萬有引力對膨脹過程進行牽制。假如宇宙的總質量大於某定數值,那麼總有一天宇宙將在自己一身引力的效果下收縮,造成與大爆炸相反的“大坍塌”。假如宇宙總質量小於這一數值,則引力不足以阻止膨脹,宇宙就將永久膨脹下去。
在非常遙遠的將來,打比方說1億億億年之後,所有的恒星都燃燒完畢,茫茫黑暗中,潛伏著一些黑洞、中子星等天體。宇宙的尺度已經膨脹到現在的1億億倍,而且還在擴張下去。在這個系統裡,引力雖不足以使膨脹停止,但會不露聲色地消耗著系統的能量,使宇宙緩慢地走向衰亡。黑洞在霍金效應的效果下釋放出微弱的輻射,最終全都以熱和光的形式蒸發掉。足夠長的時間之後,連質子這樣穩定的基本粒子也衰變、消亡瞭,宇宙最終變成一鍋稀得難以置信的湯,其中有光子、中微子,愈來愈少的電子和正電子。所有這幾個粒子皆在緩慢地運動,彼此愈來愈遠,不會再有任何基本物理過程出現。 這是寒冷、黑暗、荒涼而又空虛的宇宙,它已經走完瞭本人的歷程,面對的是永恒的生命,抑或永恒的死亡。這種情景,差不多就是“熱寂”瞭。 假如引力足夠強大,宇宙終有一天開始收縮,又將怎樣呢?在大尺度上,收縮過程與大爆炸後的膨脹是對稱的,像一場倒放的電影。收縮的過程起初很緩慢,隨後愈來愈快。在轉折點過後,宇宙的體積開始縮小,背景輻射溫度上升。漆黑寒冷的宇宙變成一個愈來愈熱的熔爐,生命無處可逃,全都被煮熟烤焦。最後,行星、恒星也毀滅瞭,分佈於如今浩瀚空間中的物質被擠進一個很小的體積內,最後三分鐘來臨瞭。
溫度變得如此之高,連原子核也被撕毀,宇宙又成瞭一鍋基本粒子湯。然而這種狀態也隻能生存幾秒鐘的時間。隨後,質子和中子也無法區分,擠成一堆由誇克構成的等離子體。在最終的時刻,引力成為占絕對優勢的效果力,它毫不留情地把物質和空間碾得粉碎。在這場與大爆炸的“暴脹”相對的“暴縮”中,所有的物質都因擠壓不復存在,一切有形的東西,包括空間和時間本身,都被消滅。 這便是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中誕生於無的宇宙,現在也歸於無。無數億年的輝煌燦爛,連一絲回憶斷然不會留下。
宇宙的源頭
宇宙是廣漠空間和其中存在的各式天體以及彌漫物質的總稱。
宇宙是物質世界,它處於不斷的運動和發展中。
歷經百年,科學工作者們一直在探尋宇宙是何時、怎樣形成的。直到今天,科學工作者們才確信,宇宙是由大概150億年前發生的一次大爆炸形成的。
在爆炸發生之前,宇宙內的所存物質和能量都聚集到瞭一起,並濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,之後發生瞭大爆炸。
大爆炸使物質四散出擊,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應下降,後來相繼出此刻宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。
然而,大爆炸而產生宇宙的論理尚不能確切地解釋,“在所存物質和能量聚集在一點上”之前到底存在著哪些東西? “大爆炸理論”是伽莫夫於1946年創建的。
連續創生論 〔 作者:佚名 轉貼自:www。scitom。com。cn 點擊數:196 文章錄入:pdyuan 〕
由於大爆炸理論其實沒有被證明是真理,所以並不是所有人都會同意大爆炸理論。在近代宇宙學史上曾經和大爆炸理論抗衡的宇宙形成理論還有連續創生論。
1948年,兩位奧地利天文學傢邦迪和戈爾德提出一種理論,承認膨脹宇宙但否定大爆炸。後來英國天文學傢霍伊爾發展並普及瞭這個理論,在星系散開的過程中,星系之間又形成新的星系;形成新星系的物質是無中生有的,而且運動的速度非常緩慢,用如今的技術無法測出。結論是,宇宙自始到現在大體上保持著同一狀態。在過去無數個紀元中,它看上去就是此刻這個樣;在未來的無數個紀元中,它看上去還是此刻這個樣子,因此既沒有始也沒有結束。
這種理論被叫作連續創生論,由此形成一個穩恒態宇宙。在十來年的時間裡,大爆炸和連續創生論的爭論非常激烈,但沒有實際的證據來決定哪一個對。
1949年,伽莫夫指出,倘若大爆炸曾經發生,伴隨而生的輻射在宇宙膨脹過程中應該損失能量,不過現在應該以射電輻射的形式存在,作為一個均質背景從天空的四面八方射來。這種輻射在絕對溫度5K(-268℃)時或許應該是天體的特點。美國物理學傢迪克進一步發展瞭這一看法。
1964年5月, 德國出生的美國物理學傢彭齊亞斯和美國射電天文學傢R·W·威爾遜接受迪克的意見,探測到與伽莫夫預見的特點非常相似的射電波背景,它顯示出宇宙的平均溫度為絕對溫度3度。
大都天文學傢認為,射電波背景的發現為大爆炸理論提供瞭結論性的證據。此刻一般天文學傢都接受大爆炸理論,而丟棄瞭連續創生論的看法。所以,連續創生論已是明日黃花瞭。
被物理學顛倒瞭的現實 至為寫於2003年1月12日
六:一個物理問題
這不是絕對的,有人試過,按你說的情形是20度的先結冰
1。姆佩巴效應
人們大多都會認為,一杯冷水和一杯熱水同時放入冰箱時,冷水結冰快。事實並 不是如此。1963年的一天,在地處非洲熱帶的坦桑尼亞一所中學裡,一群學生想做一點冰凍食品降溫。一個名字叫埃拉斯托·姆佩巴的學生在熱牛奶裡加瞭糖後,準備放進冰箱裡做冰淇淋。他想,假如等熱牛奶涼後放入冰箱,那麼別的同學將會把冰箱占滿,由此就將熱牛奶放進瞭冰箱。過瞭不久,他打開冰箱一看,使人驚訝的是,本人的那杯冰淇淋已經成為瞭一杯可口的冰淇淋,而其他同學用冷水做的冰淇淋還沒有結冰。他的這一發現其實沒有引起老師和同學們的註意和提防,相反在為他們的笑料。姆佩巴把這特殊現象告知瞭達累薩拉姆大學的物理學教授奧斯博爾內博士。奧斯博爾內聽瞭姆佩巴的敘述後也感到有點驚奇,但他相信姆佩巴講的一定是事實。尊重科學的奧斯博爾內又進行瞭實驗,這樣的結果也姆佩巴的敘述完全相符。這就確切地肯定瞭在低溫環境中,熱水比冷水結冰快。從此以後,全地球很多科學雜志載文介紹瞭這種自然現象,還將這樣的現象命名為"姆佩巴效應"(MpembaEffect)。
2。姆佩巴效應的歷史
熱水比冷水更快結冰的事實已被知道瞭許多個世紀。最早提到並記錄載入此一現象的數據,可追溯到公元前300年的亞裡斯多德,他寫道:
"先前被加熱過的水,有用且助於它更快地結冰。因此當人們想去冷卻熱水,他們會先放它在太陽下。。。"
但在20世紀前,此現象隻被看成是民間傳說。直到1969年,才由Mpemba再次在科學界提出。自此之後,許多實驗證實瞭Mpemba效應的存在,但沒有一個唯一的解釋。
大概在1461年,物理學傢GiovanniMarliani在一個關於物體如何冷卻的辯論上,說他已經證實瞭熱水比冷水更快結冰。他說他用瞭四盎司沸水,和四盎司未加熱過的水,分別放在兩個小容器內,置於一個寒冷冬天的屋外,發現沸水first of all結冰。但他沒能力解釋此一現象。
到瞭十七世紀初,此現象好像成為一種常識。1620年培根寫道"水輕微加熱後,比冷水更加容易結冰。"不久之後,笛卡兒說"經驗顯示,放在火上一些時日的水,比其它水更快地結冰。"
直至1969年,那已是Marliani實驗500年以後,坦桑尼亞中學的一個命叫Mpemba的中學生再發現此現象的故事,被刊登在《新科傢》(NewScientist)雜志。這個故事告知科學工作者和老師們,不要忽略非科學工作者的觀察,和不要過早下判斷。
1963年,Mpemba正在學校造雪糕,他混合沸騰的牛奶和糖。本來,他應該先等牛奶冷卻,之後再放入冰箱。但因為冰箱空間不足,他不等牛奶冷卻,就直接放入去。結果令他很驚訝,他發現他的熱牛奶居然比其同學的更早凝固成冰。他問他的物理老師為啥,但老師說,他一定是與其他同學的雪糕混淆瞭,由於他的觀察是沒有可能的。
那個時候Mpemba相信他老師的講法。但那一年後期,他遇到他的一個朋友,他那朋友在Tanga鎮制造和售賣雪糕。他告知Mpemba,當他制造雪糕時,他會放那些熱液體入冰箱,令他們更快結冰。Mpemba發覺,在Tanga鎮的其它雪糕銷售者亦有一樣的實踐經驗。
之後的日子,Mpemba學到牛頓冷卻定律,它描述熱的物體如何變冷(在某些簡化瞭的假設下)。Mpemba問他的老師為啥熱牛奶比冷牛奶先結冰。這位老師同樣回答是一定Mpemba混淆瞭。當Mpemba繼續爭辯時,這位老師說:"所有我能夠說的是,這是你Mpemba的物理,而不是普遍的物理。"從此後,這位老師與其他同學就用"那是Mpemba的數學"或"那是Mpemba的物理"來批評他的錯誤。但之後的日子,當Mpemba在學校的生物實驗室,try用熱水和冷水做實驗時,他再一次發現:熱水first of all結冰。
更早時,有一位物理教授Osborne博士訪問Mpemba的那間中學。Mpemba問他此問題。Osborne博士說他想未到任什麼解讀,但他遲些會try做這個實驗。當他回到他的實驗室,便叫一個年輕的技術員去測試Mpemba的實驗。這位技術員之後報告說,是熱水first of all結冰,又說:"不過俺們將會繼續重復這個實驗,直至總結出正確的結果。"不過,實驗報告給出同樣的結果。在1969年,Mpemba和Osborne報導他們的結果。
同一年,科學上很常常見到的巧合之一,Kell博士單獨地寫瞭一篇文章,是關於熱水比冷水先結冰的。Kell顯示,假如假設瞭水最開始是透過蒸發冷卻,和維持均勻的溫度,這樣,熱水就會失去足的質量而first of all結冰。Kell因此表明這樣的現象是真的(那個時候,這現象在加拿大城市是一個傳聞。),而且能夠用蒸發來解釋。不過,他不曉得Osborne的實驗。Osborne測量那失去的質量,發現蒸發不足以解釋此現象。之後的實驗采用密封的容器,排除瞭蒸發的作用與影響,仍然發現熱水first of all結冰。
3。對姆佩巴效應的各式解釋
何謂Mpemba效應?有兩個形狀相同的杯,裝著相同體積的水,唯一的分別為水的溫度。此刻將兩杯水在一樣的環境下冷卻。在某些條件下,初溫較高的水會先結冰,但並不是在任何情況下,都會這樣。例如,99、9℃的熱水和0。01℃的冷水,這樣,冷水會先結冰。Mpemba效應並不是在任何的初始溫度、容器形狀、和冷卻條件下,都可看見。
普通人會認為這好像是沒有可能的,還有人會試圖去證明它沒有可能。這種證明一般是如此的:30℃的水降溫至結冰要花10分鐘,70℃的水必須先花一些時日,降至30℃,緊接著再花10分鐘降溫至結冰。因為冷水必須做過的事,熱水也必須做,所以熱水結冰慢。這種證明有錯嗎?
這種證明錯在,它暗中假設瞭水的結冰隻受平均溫度作用與影響。但實際上,除瞭平均溫度,其它因素也特別重要。一杯初始溫度均勻,70℃的水,冷卻到平均溫度為30℃的水,水已發生瞭改變,不同於那杯初始溫度均勻,30℃的水。前者有較少質量,溶解氣體和對流,造成溫度分佈不均。這幾個因素會改變冰箱內,容器周圍的環境。下面會分別考慮這四個因素。
1、蒸發——在熱水冷卻到冷水的初溫的過程中,熱水因為蒸發會失去一部分水。質量較少,令水較容易冷卻和結冰。這樣熱水就可能較冷水早結冰,但冰量較少。假如我們假設水隻透過蒸發去失熱,理論計算能顯示蒸發能解釋Mpemba效應。這個解釋是可信的和很直覺的,蒸發的確是非常重要的一個因素。不過,這不是唯一的機制。蒸發不能解釋在一個封閉容器內做的實驗,在封閉的容器,沒有水蒸氣能離開。許多科學工作者聲稱,單是蒸發,不足以解釋他們所做的實驗。
2、溶解氣體——熱水比冷水可以留住較少溶解氣體,隨著沸騰,大量氣體會逃出水面。溶解氣體會改變水的性質。或者令它較易形成對流(因而較易冷卻),或減少單位質量的水結冰需要的熱量,或者改變沸點。有一些實驗支持這種解釋,但沒有理論計算的鼓勵。
3、對流——因為冷卻,水會形成對流,和不均衡的溫度分佈。溫度上升,水的密度就會下降,因此水的表面比水底部熱—叫"熱頂"。假如水主要透過表面失熱,可是,"熱頂"的水失熱會比溫度均勻的快。當熱水冷卻到冷水的初溫時,它會有一熱頂,因此與平均溫度相同,但溫度均勻的水相比,它的冷卻速率會較快。固然在實驗中,能看見熱頂和有關的對流,不過對流能不能解釋Mpemba效應,仍為未知。
4、周圍的事物——兩杯水的最終的一個分別,與它們自己無關,而與它們周圍的環境有關。初溫較高的水也許會以復雜的方式,改變它周圍的環境,從而作用與影響到冷卻過程。例如,假如這杯水是放在一層霜上面,霜的導熱性能很差。熱水也許會熔化這層霜,從而給自己創立瞭一個較好的冷卻系統。明顯地,如此的解釋不夠一般性,許多實驗都不會將容器放在霜層上。
最後,過冷在此效應上,或許是重要的。過冷現象是水在低於0℃時才結冰的現象。有一個實驗發現,熱水比冷水較少會過冷。這象征著熱水會先結冰,由於它在較高的溫度下結冰。但這也不能完成解釋Mpemba效應,由於我們仍需解釋為啥熱水較少會過冷。
在許多情況下,熱水較冷水先結冰,但並不是在所有實驗中皆能觀察到這樣的現象。並且,盡管有許多解釋,但仍沒有一種完美的解釋。因 此,姆佩巴效應依然是一個謎。