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引力质量与电磁质量的等价关系

在爱因斯坦看来，理论物理学的完整体系是由概念，被认为对这些概念是有效的基本原理(亦称基本假设、基本公设、基本定律等)，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的.因此，理论物理学家所运用的方法，就在于应用那些作为基础的基本原理，从而导出结论;科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可精密公式来表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理.爱因斯坦指出，一旦找到了作为逻辑推理前提的基本理，那么通过逻辑演绎，推理就一个接着一个地涌现出来它们往往显示出一些预料不到的关系，远远超出这些原理依据的实在的范围.

辨析爱因斯坦与玻尔关于量子力学的争论，无法回避相对论与量子力学的理论基础是否能共容的问题.争论双方都认为是由于相对论是以存在连续的时空观为逻辑的前提，而另一方哥本哈根学派的量子力学是以无时空观念可言的定态跃迁假设为逻辑的前提，因而二者无法共容.另一种认为争论双方都有正确的一面，也各有其缺失，是争论不出孰是孰非的结论来的，应该去寻找一种新的能同时容纳二者的理论基础，用釜底抽薪的方法使争论消失；狄拉克的相对论量子力学就是这种努力的代表.但狄拉克的相对论量子力学理论为消除爱因斯坦与玻尔关于量子力学的争论所起到的作用十分有限，倒是为以后粒子物理学的建立作出了重大贡献.现代物理学的进步表现为相对论和量子论的建立，前者提出了光速不变原理，依托的是光速c；后者则提出了测不准原理，依托的是普朗克常数h.这两个自然常数是描述自然界的两个最重要参数，在许多基本的物理公式中都可以看到它们的身影，所以我们首先考虑应用这两个自然常数.

根据等式两边量纲一致的原则，周建先生认为可以建立以下的方程组：G=r₀⁵/hτ₀³（3），{K=hc²/2πA²r₀τ₀（4），式（4）中的A=1安培.对于式（4），有两点需要补充说明：第一，由于（2）式中的电力常数K的定义，通过c²=1/(ε×μ)，与导磁率相关，而导磁率是用A的平方定义的，所以在K中隐含着A的平方.于是，在新的电力常数表达式（4）中出现了A的平方，这样才能保持等号两边的量纲一致.

第二，在新的电力常数中引入了2π.这是因为电力是有方向的矢量，需要用h/2π取代h，这是在量子电动力学中普遍采用的做法.

在上面这个方程组中，除了c、h之外，还有两个待定参数，它们是τ₀和r₀.前者的量纲是秒，与时间相关；后者的量纲是厘米，与空间相关.我们希望它们也是自然常数，这样就实现了用自然常数的组合取代作用力系数的想法.在下一节，我们将证实，它们确实是自然常数.于是，我们现在有了4个自然常数，并由它们的不同组合来分别取代了引力系数G（即式（3））和电力系数K（即式（4））.由式（3）和式（4），可以解出τ₀和r₀：τ₀=〔h⁴c¹⁰/G(2πK)⁵A¹⁰〕^1/8=3.621×10^-12秒，{r₀=〔Gh⁴c⁶/(2πK)³A⁶〕^1/8=2.913×10^-14厘米.

按照现代物理学的观点，Newton的万有引力定律是广义相对论的一级近似，Coulomb^，slaw被修正为各种非线性Maxwell^，sequation的类型，它们都与广义相对论在形式上不同.在“二级近似”下，广义相对论实际上具有麦克斯韦理论的特征．笔者认为，既然它们在经典物理学中类似，应该有内在的联系.在引力场中也存在高斯定理和环路积分定理，也可以定义引力势、引力势差等概念，在静电场中也存在电势能守恒定律.当A、B两electriccharge相互吸引时，它们的万有引力与Coulomb力只是大小不同，没有任何区别，因此根据爱因斯坦的局域等价性原理，引力质量与电磁质量具有等价性，等价原理的局域特征对当代物理学的思想具有深远的影响.万有引力定律与Coulomb^，slaw在现代物理学中被修正，只能说明上面的数值应该修正，但数量级不会变化.对于相同的自然现象，必须尽可能地寻求相同的原因（10）.在物理学方法论方面，爱因斯坦巨大的、真正具有永恒启发意义的功绩在于，没有根据任何新的实验材料，而仅仅从对于经典力学的基本概念的方法论分析出发就指出，那些“放置着”我们感兴趣的一切客体的空间度量本身的变化，也就是甚至最简单的匀速直线运动的必然结果.对看来是十分“明显的”同时性概念的实质内容所作的非常深刻的操作分析，至今仍是建立一种全新的从前甚至无法想象的联系，即最简单的物理过程同建立物理理论时所使用的抽象数学空间的最深刻的度量特征的变分、变化之联系的榜样.引力质量与惯性质量的相等使爱因斯坦坚信，这是一个精确的自然规律，它应当在理论物理学中找到它自身的反映，同样Coulomb^，slaw与万有引力定律的相似也应当在理论物理的原理中找到它自身的反映.

电磁场方程组是麦克斯韦尔约一个世纪前用流体力学三个方程，加一个假设方程而建立的.鉴于量子力学，电动力学，以及相对论理论的统治地位，有人尝试电磁方程反推流体方程，从规范场论推导NS方程.使用电动力学的推迟势算法加相对论来计算力学问题，倒是可以算出激波的斜角等简单问题，但是由于介质力学方程远要比电动力学与量子力学方程推出的方程复杂.对实际介质力学问题基本没有意义.洛仑兹于是给电磁场方程的位移电流里面加上一些项，以便使电磁方程有物质方程的性质，却未得到主流学者认可.把问题翻过来做却不一样.1998年美国的Dr.HaralambosMarmanis精彩地从欧拉方程，NS方程及湍流方程推导出Maxwell方程.俄罗斯罗蒙洛索夫大学的Dmitrieyv教授也作了类似工作.（甚至还用流体力学推导了非线性薛定谔方程.和我国学者在孤波方面的研究相似）从不可压流体力学推导新的电动力学方程比原来多出许多高阶小项，这些项到底有什么物理意义？和试验相容程度如何？引起多方关心，也关心把它延拓到可压缩流动里面去.哪怕这种延拓是近似的，只要它与试验相容即可.理论上矛盾焦点在于电动力学方程是协变不变的，属于洛仑兹时空，它满足真空光速不变假设，而连续介质方程是守恒型的，属于伽利略时空，声速度不但可变，而且可以超越，如此大的差异，所以一般的物理学家就认为这两种方程相似是貌似而神离.本质差异，不能混为一谈.为了解决这个矛盾，本课题将设法探求洛仑兹变换加上非常微小的高阶修正以后，可以变成可压缩流方程简化时的某一种小扰动可压缩变换.这种变换在空间上和洛仑兹变换完全相同，在时间只相差高阶小量.通过分析说明这种差别与现有实验精度测量结果相容.从而把相对论的时空变换与可压缩修正的某种辅助函数近似等同起来.进而研究与电磁场和其他的物质场理论平行的可压缩性介质表达形式.这种理论上的延拓有着他的实验基础.物理所的张元仲教授著书说，历史上曾经提出过几种和相对论平行的假设，唯一剩下来还不能够被实验所否定掉就是物质相互流动和运动的假设.物质世界本身是复杂和多样的，别的力学性质暂时无需多加涉猎，流体可压缩性的描述可以和不可压缩场的协变不变原理相容就值得分析.如果二者都与现有的实验结果相容，那么谁更正确，就有待于进一步的实验.选择更复杂的介质力学性质，谁更与实验结果相容就会有分晓.从力学的角度来看，这种描述不仅给对微观物质世界认识提供新的武器.同时也是力学学科一个新的生长点.我国数学物理科学有许多积累可资借鉴.除了冯康，刘高联等一批力学家的介质方程哈密尔顿描述之外，在相对论方面，秦元勋教授指出罗伦兹变换的奇点，意味着方程越过光速以后从椭圆型转变成双曲型，此时粒子随速度增高而减小质量和能量.这正是可压缩流动的特点.杨文熊教授得出一个结论，相对论的质能关系只不过描述了介质方程守恒性和随体导数性质.卢鹤跋院士1996年从连续介质角度出发，突破真空均匀构造的局限，提出对于相对论的质疑，并对麦克尔荪-莫雷的经典试验给出新的解释.黄志洵教授进行超光速的研究，借鉴Sommerfeld提出的理论，提出利用量子隧道效应来产生光波越过光速时的非线性效应，并提出利用介质孤波方程代替量子力学方程计算光纤特性的看法.这些都和国际上的研究同步.所以，进一步把前述的电磁场和流体场方程之间的相同结构的规律延拓到可压缩流体和非牛顿粘性中去.研究电磁场方程加洛仑兹变换着一套数学描述改写成空气动力学方程的描述形式以后误差到底有多大，尤其是粘性和压缩性在“误差里面”影响有多大，加上这些强非线性项以后的新数学描述是否能够满足迄今为止的实验结果.从而建立起介质力学和电动力学（甚至引力场论及量子力学），描述微观世界的数学方法的平等地位.并通过进一步实验来进行新一轮的验证.

现代物理告诉我们，夸克u、d的静止质量都约330MeV/C².质子由uud组成，可它的静止质量不是990MeV/C²，而是938.27231MeV/C².因为，uud结合时，释放出了结合能.中子由ddu组成，可它的静止质量是939.56563MeV/C²，比质子重些.这表明，中子释放出的结合能要比质子少些，它实际处于比质子能量稍高的亚稳态，而质子则处于基态.从而，自由质子是稳定的，而自由中子则会通过β衰变（弱相互作用）转变为质子，其平均寿命约887秒.中子、质子释放出的结合能主要是由强相互作用贡献的，其次才是电磁相互作用的贡献，引力相互作用和弱相互作用的贡献则更小.原子核除了氢外，都是由质子和中子结合而成的，这种结合主要是强相互作用，它克服了核内质子间的电磁斥力，故放出的结合能主要是由强相互作用贡献的，它是相当大的.例如，氘核是由一个质子和一个中子结合而成的，它释放出的结合能约：2.2244MeV；所以它的核质量较一个质子和一个中子的静止质量之和小了2.2244MeV/C².氦核由二个质子和二个中子结合而成的，它释放出的结合能约：26.73MeV；所以，它的核质量较二个质子和二个中子的静止质量之和小了26.73MeV/C².它比二个氘核释放出的结合能大得多，所以，氦是远比氘稳定的元素.原子核与电子结合成原子，那主要靠的是电磁相互作用.所以，它释放出的结合能小得多.例如，氢核是质子，它与一个核外电子结合成原子仅释放出13.59eV的结合能.所以，氢原子的静止质量仅比一个质子与一个电子的静止质量之和小了13.59eV/C².所以，使氢原子电离（使质子和电子分离）需要的电离能仅需13.59eV/个.但要将氘核分离为一个质子和一个中子就需要2.2244MeV/个，要困难十万多倍！二个氢原子结合而成一个氢分子，释放出的结合能约：4.5eV.分子中单键的化学能大致也就这么多，这表明靠化学反应获得的化学能要比核能小得多，这是电磁相互作用远小于强相互作用之故.物质从气态凝结成液体，放出凝结能；反之，则要给予气化能，气化能等于凝结能.物质从液态凝结成固体，放出凝固能；反之，则要给予熔化能，熔化能等于凝固能.这些也都是电磁质量与惯性质量的转化，都是有形物质与无形物质的转化问题.

附录：以前，科学家只是从理论上推测，在太阳风暴、核反应中，“应该存在”一个非常重要而奇特的“点”——磁零点.而最近，我国天文学家通过卫星观测数据，真实地“捕捉”到了宇宙中的磁零点.最新成果发表在近期出版的《自然·物理学》杂志上.磁零点是什么？它就像地球上的台风眼——别看台风呼啸横扫数百公里，小小的台风眼里却风平浪静.我国天文学家发现，来自太阳的电磁风暴同样也有台风眼——尽管“太阳风暴”袭击地球磁场时，甚至可以引起无线通讯中断，但在台风眼之中，却有个磁场为零的地方.多年来，为寻找磁零点，欧洲宇航局启动了“星簇”计划，连续发射了四颗卫星，中国也实施了“双星”计划.日前，卫星在离地球约12.6万公里的太空中，观测到一次“太阳风暴”侵袭下的地球磁场.根据观测数据，国家天文台肖池阶副研究员、大连理工大学王晓钢教授、北京大学濮祖荫教授等为主的研究小组，首次发现了自然界中存在的磁零点.当期杂志配发评论，认为这是磁重联研究领域中“极其重要的”进展.在神奇的磁零点上，发生着太空中十分常见的物理过程——磁重联.在太阳风暴的“劲吹”下，“背风”处的地球磁场从原先的圆球形，被“吹”得好像飘扬的长发.长发般的磁力线在太阳风的“逼迫”下，不断逼近磁零点.当两条磁极方向相反的磁力线与磁零点无限接近的那一瞬间，两条磁力线开始“重新联结”：同时从中断开，并连接成两条新的磁力线——一条带着太阳风暴的等离子体飞向浩淼的太空，另一条则如同拉满的橡皮筋，缩向地球，它所携带的高能粒子“撞”进地球南北两极的大气层，形成美丽的极光.据国家天文台汪景琇研究员介绍，以前人们只是在理论上推测磁零点的存在，但这次他们利用该台赵辉博士发展的微分拓扑学方法，通过实际观测数据分析，发现了磁重联的中心区域存在磁零点，并计算出磁零点周围的磁力线存在螺旋结构.由于磁重联存在于太阳耀斑、磁约束核聚变等重要物理过程中，是能量转换和加速带电粒子的基本机制之一，因此，这一发现有助于彻底解决磁重联理论中一些长期悬而未决的难题.