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现代核文明时代被认为起源于狭义相对论的一个简单公式 E = m c2,称为质能等同化(或质能互变)公式;没人敢怀疑,更不敢试图驳倒它。但是这个质能按固定比例等同化(或互变)的简单公式也导致哲学家明明白白不敢同意的一些概念和结论。讨论文章颇多。大家疑惑的关键问题是:质量和能量能互变吗?
《相对论研究进展——隐埋半个世纪的相对论研究》一书[1]详细论述回答了这个问题。答案是:不能!决不能像魔术师将鸡蛋变成鸡那样变!也不好设想是冰变水,或水变冰那样变。总而言之,没有变的意义。正确的理解是:在物理世界这舞台上,质量是演员,它必带着能量和动量这两件道具来演戏。演员和道具都对观众起戏的作用;而且道具只有在戏上演时起作用,后台无数的道具都是无意义的。依据戏的背景和情节,演员和道具的搭配是有一定的,能立刻起到身如其境的现实真实感。质量和能量、动量的搭配也是依当时当地的背景情节而定。因为背景情节的变动,质量和能量、动量的数量数值及搭配也随之变动。一个极端是动量对固有坐标系统(即质心系统)为零,此时质体对其它坐标系统在转换中交得出的道具只有能量;另外,牛顿和所有物理学原著都称质量的代表性质就是动量;将这两者合并解释,就容易误解为动量为零时质量变为能量。其实,当这能量全部透入另一相邻系统(质体或质体组合),应考虑它的质量所附着的质心系统会与这相邻系统的质心系统重合,加进时的动量仍无从发觉,因而好像原来质量没有加入一样,虽其能量已全部由Lorentz换标公式转为这相邻系统的动量和各式各样能量。这相邻系统增添了的动量和能量也和它原来因有质量而本体上搭配在一起的动量和能量全无区别;所以,外来能量的加入就相当加进了质量一样。这很容易被误会为质量变为能量和能量又变为质量。
事实上,在广义相对论里已经证明这个所谓的质能等同化肯定并不依固定比例,而是必须由质量所存在空间的引力场或它的加速度来决定。从写出的公式来看,其解算十分困难,绝对不如传统狭义相对论中那样清楚明确,无法求得在引力场中和附有加速度时的质量与能量来方便现实地应用这质能等同化关系[2]。其实,这个目的只待将广义相对论演为狭义的形式就能迅速达到,这在推广后的光速可变的狭义相对论中已经初见端倪[1]、[3]。为了要符合相对论的观点,运动质体的质量和能量就得依它附带在一起的‘固有坐标系统’来变动,并从质量和能量、动量的“本体搭配”上来认识。
《相对论研究进展——隐埋半个世纪的相对论研究》一书中从五个不同观点,说明质量和能量不能全部彻底地按固定比例相互转变[1]:
第一,认定一块静止孤立的木头石块经常具备有一宗固定的现场活动能量是无据的,其本质上的错误是将台后道具经常记账,当作是不断起戏的作用。
第二,认定能量较动量更能代表质量是错误的。
第三,认定将一个坐标系统内对时间的“守恒”意义作为串穿许多坐标系统的“万有”意义是习惯上一种不求甚解的误会。
第四,认定不可在质量“毁灭”的假定上来论证质量与能量全部彻底地互变,这实际上是一个质体与其他外体接触或遇到外部物理环境变化过程中质量和动量、能量的重新再搭配的过程,无需任何“毁灭”过程的假定。
第五,论定不可因形式上依据一个积分常数的量纲而脱离现实去假定这样一宗物理数值必然存在。
以上所有这些论证都是遵循经典推导演算途径而得出的结论。从中,更值得突出强调下面五个重要结论:
(1)运用c≠c´的狭义相对论能量公式,就能自动地显出一块木石在静止孤立时c=c´情况下的静能必然为零,只有和外界接触c≠c´情况下才显示发挥其质量本体上应搭配的能量。
(2)质量“毁灭”说法,其实是在质体的固有坐标系统(即质心系)中无法由自身显出其动量而认为质量“毁灭”。
(3)高能粒子碰撞的质能转变问题,应串穿其全部“瞬时”固有坐标系统集,将“守恒”意义扩展为“万有”意义来解答。这个扩展并不适用于空时四维空间的所有坐标系统,正适合在空时四维相对论空间安装经典力学的绝对次空间观点。
(4)上述安装绝对次空间条件经过简单演算,马上导出c´=﹣c 的狭义相对论;自动表述出有关坐标系统的“瞬时”性质和求解质量与速度函数关系时α=±1的两种可能性。这样,c=c´的传统狭义相对论便自动补足其c=﹣c´的对称体系,同样回到传统质量能量公式E0=m0 c2=m0 c´2。这个正确理论正好全部结合到基础电磁学,解答一对正负电子和二个光子间的如何相互转变而不涉及“毁灭”。
(5)在假定质体存在的基础上,质体组合都能通过Lorentz转换公式将其可正可负的组合能量表现出好像是质量;这个相当也不会经常干净利落正好与质量为固定比例,除非经过“引火线”将这组合能量全部化为动能。所以,始终是能量的收集或释放问题,而不是质能互变问题。
如果关心这个问题的物理学爱好者或哲学爱好者,阅读此文后有任何疑惑和不解,可以进一步细读文末所引二书[1] 、[2],以及书中所列参考文献。一个多世纪来,相对论主宰现代物理学的一个重要关键就是肩负一个质能公式,进进出出,如走单帮;而另方面,也是这质能公式导致一些不能为哲学家所同意的概念和结论。《相对论研究进展——隐埋半个世纪的相对论研究》书中对这个问题的详尽分析和论述能有助于对问题的澄清和进一步开展讨论研究。
[1] 董俊,董纳,《相对论研究进展——隐埋半个世纪的相对论研究》 [M]. 英国环球出版社,2025,148-165
[2] C. Mɸller, The Theory of Relativity , [M] , London :Oxford Press ., 1952 , 290-295
[3] Dong Jun, Na Dong, The jump and stagnation of mass with speed,[J] IET.Quant.Comm.1-9(2022).
IET Quantum Communication - Wiley Online Library,http://doi.org/10.1049/qtc2.12038
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