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 请教几个理论物理问题                    

刘明成

                  （河北师范大学物理学院，河北 石家庄  050016）

摘要：笔者是一位理论物理教师，在教学过程中发现了几个理论物理问题.35年来先后查阅了大量的书籍和文献，始终没有得到圆满的解答，已经请教了许多专家，都没有得到圆满答复.问题涉及理论物理学多个分支，笔者殷切地希望您能解答其中部分问题？如果您没有时间，能否转交给其他专家、朋友或者推荐到某家杂志或网站.笔者对于这些问题有自己观点，有兴趣的读者联系：1922538071@qq.com.

关键词：机械能守恒定律；相对性原理；狭义相对论；广义相对论；量子场论

Ⅰ.经典力学、热学、电磁学方面

1.  对于同一个物理过程，如果在一个参照系系机械能守恒，在其它参照系是否一定守恒？流体力学中伯努利方程是否满足力学相对性原理？在经典力学中稳定场都是连续的，根据黎曼可积条件环路积分一定为0，那么稳定场是否一定是保守力场？保守力经过伽利略变换后是否仍然是保守力，如何证明？一句话，机械能守恒定律是否满足力学相对性原理？这个问题在中国物理教学界讨论60年至今没有定论，您如何看待这一问题？

2.  在牛顿力学中有内势能、外势能的概念，它们之间存在怎样的区别与联系？

3.  惯性力是否都是保守力，如果存在非保守力的惯性力，不满足爱因斯坦广义相对性原理？例如一个物理过程，在一个惯性系能量守恒，在另一个非惯性系不守恒，显然不满足爱因斯坦广义相对性原理.

4.  由于质点受到万有引力而具有的势能叫引力势能，由于质点受到重力而具有的势能叫重力势能，而把弹性势能定义为由于弹性形变具有的势能是否具有不一致性？

5.  对于同一个物理过程，如果在一个参照系动量守恒，在其它参照系是否一定守恒，包括非惯性系？对于同一个物理过程，如果在一个参照系角动量守恒，在其它参照系是否一定守恒？一句话，动量守恒定律、角动量守恒定律是否满足力学相对性原理？

6.万有引力、重力、动能、动量、角动量、转动惯量、势能（重力势能、引力势能、弹性势能以及转动势能等）等都与引力质量有关的物理量都与质量成正比，静电力、电磁能等都与电量成正比，如何理解这些关系？

7.根据质能方程，能量与质量成正比，动能和势能（重力势能、引力势能、弹性势能以及转动势能等）都与质量成正比，但是电势能与电量成正比，与质能方程存在着不协调性. E_p =kx²不能体现能量与质量成正比，笔者认为不是弹性势能的一般公式，是否应该从教材中删除？

8.声波运动方程是否力学相对性原理？

9.在经典热学中温度有两种定义方法：分子的平均动能的标志以及利用熵定义.现代物理学认为在没有实物粒子的真空也有温度的概念，而是通过光谱定义，频率与温度成反比.如果微观粒子不辐射电磁波，例如中微子根据现代物理学的观点是否存在温度的概念？如果把温度用分子的平均动能定义，可以得出重力改变温度的现象，以至于近年来人们一直研究引力熵减现象，您如何看待引力熵减现象？如何把传统定义与现代物理学定义统一起来，即证明三种温度定义等价？

温差电效应、温度和电阻的关系说明温度和电磁场之间存在联系，用分子的平均动能定义温度具有一定的局限性，热传导本质上是否也是电磁场的传播？

10. 在理想气体方程中玻意耳定律和焦耳定律是否独立，如何证明？

11.在经典力学中时间是可逆的，而热力学中时间是不可逆的，它们是否可以统一？太阳系模型没有历史性的思想，与生物进化论、热力学第二定律相矛盾（时间单向性），牛顿力学方程，时间是双向，无法解决宇宙演化问题.

12.相对论力学已经十分完善，相比之下相对论热学的讨论仍然存在诸多争议.对于理想气体，压强和熵是相对论不变量，分子的平均平动动能、内能、功、热量、温度是协变量，您认为是否正确？在狭义相对论框架下研究温度，现在学术界提出了运动系比静止系温度低、温度高、相等以及没有关系四种结果，100多年来一直争议不断，您如何看待这个问题？力不是洛伦兹变换的不变量，温度是否伽利略变换的不变量? 洛伦兹变换下温度的变换关系在物理学中一直没有定论，笔者认为主要是对于温度的两种定义不等价，需要重新进行考察.

13.在经典力学中万有引力定律对于惯性参照系成立，满足伽利略变换，而库仑定律仅仅适用于静止参照系，不满足伽利略变换，背后是否有更本质的规律？

恩格斯在《自然辩证法》415页中写道：“康德完成了物质的理论，因为他认为物质是斥力和引力的统一”.万有引力定律是否需要修正，增加斥力部分？

14.运动电荷受到的洛伦兹力在低速状态下对于伽利略变换为何不协变？通电直流导线受到的安培力在低速状态下对于伽利略变换为何不协变？

15.机械波在介质中传播时，质点之间的作用力是弹力，弹力类似于摩擦力本质上也是电磁力，因此在某种意义上可以认为机械波是电磁波在介质中传播的表现形式，这样就可以理解机械波与电磁波的共同点.电磁波既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，因此真空中无需引入以太的概念，光在介质中传播也是电磁波在介质中传播，狭义相对论的基础就更加牢固了.这样理解可以吗？

16.电子的所谓经典半径只是用来表达光子-电子散射截面的一个长度而已，电子的Schwarzschild半径目前没发现其用途.经典电动力学利用电磁自能计算电子的半径，能否利用引力自能计算电子的半径，假设引力自能等于mc²?

17.经典电动力学认为加速运动的电荷能够辐射电磁波,而量子力学指出电子在同一能级内做加速运动不能辐射电磁波，如何把它们统一在一起？

18.现代物理学认为宇宙中存在熵增原理，这背后是否有更本质的内涵？根据对称性原理也应当存在熵减的现象，如何理解这些关系？广义相对论中时间是时刻存在的，广义相对论方程中没有时间方向，而热力学中时间存在着方向，如何理解这些关系呢？

Ⅱ.广义相对论与宇宙学方面

1.假设真空中有两个相对静止物体质量均为M，以系统的质心为参照系，它们在万有引力作用下开始加速运动到接近光速，根据相对论两个物体的质量都将不断增加，增加的质量应该来源于引力场，如何用数学定量表达？是否辐射引力波？

在中子星上一个物体从高处开始下落，在地面上的观察者测量物体的速度（和光速可以比拟）不断增加，由狭义相对论可以得出其质量应该不断增加，进一步根据质能方程可以得出其能量不断增加，根据机械能守恒定律其能量保持不变.如何理解这个问题？

2.一个物体与其激发的引力场的能量之和是否为0？关于这个问题，有人认为这个之和是可以为0，如有人认为宇宙创生于无.但也有人不认同.在引力规范理论中，如果将Lagrange关于度规g_{ab}作变分，得到的张量，认作为物质与引力场的“能量-动量张量之和”，那么这个和就是0（这就是变分原理得到的结果）.为何现代物理学计算的引力场能量与质能方程计算的物体的能量不是一个数量级？引力规范理论中，拉格朗日度规还没有分清量子引力张量效应，是分为韦尔张量效应和里奇张量效应的.在强引力场中重新需要定义质点的能量，如何定义呢？“将Lagrange关于度规g_{ab}作变分得到的张量认作为物质与引力场的能量-动量张量之和”，理由是什么？

3.广义相对论认为没有物质时空不存在，同时认为质量改变了时空结构，这两种表述之间的关系如何理解？笔者认为引力场是相对时空，物体的质量改变了附近的时空结构，一个物体不存在时，时空依然存在（绝对时空），其它物体产生的引力场，只有所有物质不存在时，时空才不存在（这种情况不可能存在）.这种理解是否正确？

4.黑洞是根据万有引力定律或者说广义相对论得出的结论，没有考虑到电磁相互作用（例如分子之间的斥力）、强相互作用和弱相互作用等方面，如果考虑到这些因素，是否存在黑洞？物质在塌缩到黑洞的过程中，费米子是否仍然满足泡利不相容原理？现代物理学研究黑洞向外辐射粒子，这是否与黑洞的定义矛盾？万有引力定律对于运动质量是否近似成立？

5.在经典力学万有引力定律中三体问题无法求精确解，在广义相对论中是否也存在三体问题？

6.现代物理学认为狭义相对论钟慢效应是速度引起的，广义相对论钟慢效应是引力引起的，两种效应独立存在、互不影响，在广义相对论里统一处理，如何统一定量表达？

7.现代宇宙学认为宇宙钟存在暗物质与暗能量，那么在太阳系中也应该存在暗物质与暗能量，因此推导行星的运行轨道也需要考虑这些因素，得出的轨道与经典力学计算出来的椭圆轨道应该有区别？从实验观察得到的结论与牛顿力学、广义相对论计算的偏差不大可以得到什么结论？

8.能量守恒定律是时间均匀性的一种反映，能量守恒是一切“封闭系统（其内的各粒子与其外的力作用都可忽略不计）”的基本特性，广义相对论认为引力改变了时空结构，时空不再均匀，此时能量守恒定律为何依然成立？

9.在月球上观察地球，地球是否也是沿着自己的短程线在运动，地球质量较小，它对时空结构的影响有如此之大吗？

10.世界上的主流认识是：目前没有发现被普遍认可的与广义相对论的预言向冲突的观察（实验）证据.广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？尤其是在太阳系外？

11.相对性原理要求惯性系之间没有优越的速度，河外星系红移等却具有优越速度；满足相对性原理的基本物理规律没有时间方向，宇宙演化本身就给出时间方向？微波背景辐射是否说明绝对参照系的存在？

12.现代科学认为太阳系各星体运行基本在一个平面内是由于星云演化过程造成的，可是现代天文学观察到各个恒星系的行星、各个行星的卫星等运行基本都在一个平面内，难道都可以用星云演化来解释吗？

Ⅲ.狭义相对论与广义相对论的综合问题

1.爱因斯坦晚年致力于引力场与电磁场统一的研究，如果统一场论按照广义相对论的基础建立，那么电磁场也应当满足广义相对论的等效原理，如何证明？

2.根据爱因斯坦的广义相对性原理，物理定律对于任何参照系都成立，那么下面的理想实验如何解释：现代物理学认为“一个粒子惯性质量为m是指在无穷远处观察该粒子，粒子携带的质量加上它的场能之和才是它的惯性质量m”.假设在真空中相距充分远处有两个质点A、B，惯性质量均为m，带有等量的同种电荷，它们在万有引力和静电力的共同作用下处于平衡状态，能否根据等效原理相当于每个质点的惯性质量为0？如果把其中的一个质点的电荷换成异种电荷，能否根据等效原理相当于每个质点的惯性质量为2m?

3.在爱因斯坦电梯中也可以设计类似实验：假设电梯绝缘，上部带有正电荷，电梯之中有一负电荷，它们在万有引力和静电力的共同作用下处于平衡状态，在电梯自由下落的过程中爱因斯坦思考广义相对论的过程是否仍然可行？

4.中子引力干涉实验表明：中子在引力场中的干涉行为与它的质量有关，这与爱因斯坦广义相对论之弱等效原理的论断：“质点在引力场中的行为与它的质量无关”不符！

5.假设在一个封闭系统中有两个物体，一个不带电荷也没有磁矩，另一个带有电荷，它们的引力质量相等，分别位于A、B两点，观察者处于线段AB的中点，两个物体同时由静止出发相向运动，它们所受的力大小相等.按照狭义相对论，它们的引力质量在任何时刻都相等，引力能量相等，可是根据经典电动力学由带电的物体将不断地辐射光波，那么能量从何而来？

6.笔者认为电磁波的传播媒介就是引力场，因此引力的传播速度与光速始终相等，不知是否正确？

7.狭义相对论认为运动物体的时钟延缓，广义相对论认为强引力场中时钟延缓，两种效应能否统一？是否可以从广义相对论方程推导出狭义相对论效应？只有把两种效应统一在一起，才符合爱因斯坦科学简单性原则.狭义相对论框架内是否也存在机械能守恒定律，如果存在，如何证明？

8.狭义相对论性原理原理认为物理规律对于所有惯性系都成立，麦克斯韦方程组对于洛伦兹变换协变；广义相对论性原理认为物理规律对于所有参照系都成立，对于非惯性系麦克斯韦方程组形式如何？

Ⅳ.量子力学与量子场论问题

1.在相对论量子力学中，一个粒子的能量不但可以为正值，也可以为负值，负值对应于反粒子.根据质能方程反粒子的惯性质量是为负值，可是1960年数学家和物理学家提出并证明了一条定理：在广义相对论（GR）中一个孤立物体的质量必定是非负的.这些关系如何理解？仅仅靠一个空穴的概念了之？

2.真空破缺的动力学机制是什么？真空为何存在零点振荡能，能量来自何处？泡利不相容原理背后是否有更本质的内容，是否也是一种相互作用，是哪一种力？

3.现代物理学认为反粒子携带正能量，由于数学上的性质的差异，其数学表征为负频率，从而在原先的相对论性量子力学中认为是负能量与负频率，而采用了场论中的算符表述，这些就都变成了正常的正能量与正频率，只不过相同的粒子却带有相反的电荷（包括QCD中的色荷，以及弱相互作用中的同位旋）.这与爱因斯坦的科学思想是相悖的，是否说明量子场论和相对论量子力学有着不可调和的矛盾？

4.经典电动力学认为加速运动的电荷能够辐射电磁波，由此可以可以得出盎鲁效应（也译作安鲁效应，是1976年由当时在英属哥伦比亚大学的威廉·盎鲁(WilliamG.Unruh)所提出），此效应预言:一名加速运动的观察者可以观测到惯性参考系中观察者无法看到的黑体辐射，即加速运动的观察者会发现自己处在一个温暖的背景中.即惯性参考系中观察者所看到的量子基态，在一名加速参考系的观察者看来则是处在热力学平衡态.量子力学指出电子在同一能级内做加速运动不能辐射电磁波，根据量子力学的观点不存在安鲁效应，如何把它们统一在一起，是否存在安鲁效应？如果存在安鲁效应，显然与广义相对性原理矛盾.

5.假设一个中性的¹₁H在电磁场中作变速运动，根据经典电动力学应当不辐射电磁波，可是如果我们把电子和质子分开来分析，那么它们应该都辐射电磁波，如何解释这个问题？

6.量子力学的有效范围是高能领域，一般来说微观物理是高能范围，所以量子力学适用于微观领域.从数学上可以知道，在最低能级层面，无论是强力、弱力还是电磁力，带同种性质的力荷的粒子之间都是排斥力，而带不同性质力荷的粒子之间是吸引力.这是数学上的必然结果.随着能量的增高，各种量子修正都会逐渐变得越来越重要，强力是吸引的，弱力是排斥的，是一种近似说法.各种量子修正把现代量子力学变得日益复杂，是否类似于当年托勒密的天体力学？现代高能物理的所谓量子修正有两个来源，一个是量子场论本身要求的圈图展开，更高阶的圈图会对低阶结果给出量子修正，而这仅仅是因为现在的数学无法计算不做展开的非微扰量子场论，和量子场论的基础做出修正是两个截然不同的概念.另一个，是源自量子场论的重整化，对于重整化的本质我们还有很多不知道的东西，这也是现代弦论、圈量子、非对易几何等等理论在做的事情，从后者来说，弦论等理论的确是一种“重新思考”，然而现代弦论等理论也遇到了难以克服的困难.是否应当重新考虑其基础？

7.量子统计物理证明了，任何具有上限能量且有有限个能级的平衡孤立系统，可以出现负绝对温度.当温度T→+∞后，系统内能再增大，温度跳变到T＜0，这就是负温度状态.负温度的存在，不仅在理论上得到证明，而且在核磁共振与激光技术中已有应用.由量子统计物理可知，粒子具有的统计平均速率与系统温度的平方根成正比，V∝T^0.5，当T＞0时，V为实速率；当T＜0时，V=vi为虚速率.此时洛伦兹变换是否仍然成立？

8.量子力学中电磁辐射与麦克斯韦方程组揭示的电磁辐射如何统一？根据麦克斯韦方程组变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，在量子力学中避开了这一问题根据能级变化产生电磁波，它们并没有完全统一.

9.质子、电子质量不同，为什么电荷一致？

10.量子力学为何必须利用复数来表达，背后是否有本质的内涵？

Ⅴ.相对论与量子力学之间的问题

1.希格斯粒子解释了宇宙质量之源，是否具有反粒子，说明宇宙质量消失的途径？质量守恒定律和希格斯机制是否矛盾？根据狭义相对论，运动物体的质量增加，是否与希格斯粒子有关？

2.量子力学中的真空并非一无所有，它们和光子之间根据现代物理学理论应当有相互作用，可是狭义相对论认为在真空中的光速是不变的，显然存在着矛盾.如何理解这些关系？量子力学认为宏观物体存在物质波，显然这与广义相对论是矛盾的，如何理解这些关系？

3.对于一个宏观物体来说，P=h/λ，当物体静止时，P=mv=0，此时λ为无穷大？对于运动观察者而言，动量不等于0，λ为有限值，具有波粒二象性.因此一个物体是否具有波粒二象性，与观察者有关，与相对性原理矛盾？

E=mc²=hν=hc/λ，所以λ=h/mc≠0.假设P=MV=h/λ=h/(V/ν)=hν/V，则hν=MV².这与E=mc²是矛盾的.这说明宏观物体的能量不仅仅是物质波的能量，它们之间的关系是什么？

Ⅵ.光学问题

1.光子是电中性粒子，为什么有电磁波的特性？笔者认为光子是中性电磁质量，光子之间没有相互作用力，是否正确？

2.假设真空中一个光子，在地面静止观察者测量光子频率为v，照射到某种金属表面上可以发生光电效应，根据多普勒效应在运动的观察者测量频率应该是变化的，那么是否就无法发生光电效应呢？笔者认为爱因斯坦的光电效应方程适用于静止系，对于运动系需要重新表达，如何表达才能具有伽利略变换的不变性或者洛伦兹变换不变性呢？

Ⅸ 统一场论问题

1.笔者提出了四种相互作用力之间的关系，万有引力与弱相互作用、电磁力与强相互作用是互为反作用力，在此基础上分析了宇宙常数、暗物质与暗能量、引力徉谬和密度徉谬、太阳角动量的逃逸的问题，从根本上说明卡西米尔效应(Casimireffect)是不存在的，定性地解释了“DI海格立斯双星进动”问题和轻子为何不参与强相互作用，对统一场论的研究可能会有所帮助，不知是否正确？为何基本相互作用都是汤川型强相互作用？爱因斯坦广义相对论可能不是最普遍的引力规律，按照这种假设，暗能量（应该是弱相互作用效应）可能不是实体物质，而是大尺度上偏离广义相对论的几何效应.

2.现代物理学的理论是根据对称产生的，可是我们周围的世界又是不对称的，李政道教授把分立对称性失效的原因列为21世纪科技界面临的四大难题之一，您是如何理解这个问题呢？笔者根据现代科技理论提出了对称的相对性与绝对性原理，不知是否正确？另外分析了有限与无限的相对性与绝对性、离散与连续的相对性与绝对性、运动与静止的相对性与绝对性、时空的相对性与绝对性、同时性的相对性与绝对性等.

3.现代物理学认为不同相互作用力在低于大统一能标的情况下没有任何联系，可是大统一能标是人为确定的，现代物理学认为弱相互作用和电磁力是一种力，为此1979年诺贝尔奖金授予温伯格、萨拉姆和格拉肖的弱电统一理论，中微子不带有电荷也不具有磁矩，没有电磁力，只存在弱相互作用，如何理解这些关系？现代物理学认为中微子存在运动质量，也应该存在万有引力，运动速度是否会发生变换？

大统一理论预言的质子衰变在实验中也没有发现，说明大统一理论也存在着弊端.质子之间的强相互作用是引力，电磁力是斥力，如何统一在一起？

4.现代物理学认为波包括三类：机械波、电磁波和几率波，这三种波能否也像各种作用力一样统一在一起？

5.现代物理学认为参与强相互作用的粒子叫强子，不参与强相互作用的粒子叫轻子.大统一理论既然把强相互作用和电磁力统一在一起，电子是否不但可以叫轻子，也可以称为强子？

6.根据德布罗意物质波的观点，任何物质都具有波粒二象性，可是现代物理学实验仅仅局限在分子及其以下层次，对于宏观物体是否具有波粒二象性并没有测量到，量子力学认为宏观物体波动性可以忽略，说明广义相对论是近似成立的.如果太阳系各星体具有微弱的波动性，太阳系还稳定吗？

7.太阳为什么没有变成天文学氢弹（像地球人的氢弹），而是非常准确地每秒提供6亿吨氢核燃料，并赐于地球人最合适的生息条件.核聚变的作用力是强相互作用还是弱相互作用？笔者认为弱相互作用是斥力，强相互租用是吸引力.因为核聚变是吸引力，笔者认为是四种相互作用力的合力，主要是强相互作用和万有引力，不知道是否正确？

Ask  a  few  theoretical  physics  questions

Liu Ming-cheng

(College of Physics‚Hebei Normal University‚Shijiazhuang 050016‚China)

Abstract: The author is a teacher of theoretical physics. During the teaching process, several theoretical physics problems have been discovered. Over the past 35 years, a large number of books and documents have been consulted successively, but satisfactory answers have never been obtained. Many experts have been consulted as well, yet no satisfactory replies have been received. These problems involve multiple branches of theoretical physics. The author earnestly hopes that you can answer some of these questions. If you don't have the time, could you please forward them to other experts or friends, or recommend them to a certain magazine or website? The author has his own views on these problems. Interested readers can contact via 1922538071@qq.com.

Key words: law of Conservation of Mechanical Energy; principle of Relativity; special Relativity; general Relativity; quantum Field Theory