|
质量和能量的本质 作者 张祥前 民间独立学者 本文大写字母为矢量 质量和能量都是物理学中重要的基本概念。质量概念最早来自于牛顿力学，在牛顿力学第二定理中，质量反映了物体不容易被加速的程度，称为惯性质量。在牛顿万有引力定理中，物体相互作用力与质量成正比，质量也反映了加速别的物体的能力，称为引力质量。 虽然没有得到严格的证明，但是，人们一直认为惯性质量和引力质量是等价的。【这个证明在统一场论中得到了严格证明，百度 统一场论5版（上）可以看到】 在经典力学中，能量概念的发展经历一个相当长的历史。 能量概念的英文“energy”一字源于希腊语：ἐνέργεια，该字首次出现在公元前4世纪亚里士多德>的作品中。伽利略>时代已经出现了“能量”的思想，但还没有“能量”这一术语。 能量概念出自于17世纪莱布尼茨的“活力”想法，定义于一个物体质量和其速度的平方的乘积，相当于今天的动能的两倍 。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象，莱布尼茨的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成，而这种想法和牛顿一致，虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。 荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯用实验演示了某些情况下，动量守恒>【最早就是惠更斯发现的】不能解释某些运动现象，而需要用活力守恒来解释，这个就是机械能守恒的最早思想。同时也使人们对活力概念更加关注。 能量（Energy）这个词是T.杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的，针对当时的“活力”或“上升力”的观点，提出用“能量”这个词表述，并和物体所作的功相联系，但未引起人们足够重视，人们仍然倾向于用力来解释运动，认为不同的运动中蕴藏着不同的力。 1831年法国>学者科里奥利>又引进了力>做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系数，称为动能>，通过积分给出了功与动能的联系。1853年出现了“势能>”，1856年出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律>被确认后 ，人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。 在相对论之前，人们一直认为质量是常数，相对论不但认为质量是可以变化的，而且，质量和能量满足以下关系： E =mc² 以上方程是相对论质能方程，相对论认为光速c是常数，这样质量的变化和能量相对应，质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。 相对论给人们对能量和质量的的认识深入了一步，但是，也使人们产生了误解，很多人错误理解相对论质能方程，认为物质变成了能量，变得不存在了。 人类一直没有对质量和能量给出严格的定义。统一场论【百度 统一场论5版（上）可以看到】才给出了质量和能量的严格定义。 统一场论认为，宇宙中只有物体和空间真实存在，其余统统不存在，其余都是我们观察者对物体运动和空间本身运动的描述。 统一场论还认为宇宙一切物体，静止的时候，周围空间相对于观察者都以光速C辐射式运动。空间这种运动是物体具有质量和电荷的根本原因。 能量和质量都反映了物体在空间中运动程度或者物体周围空间本身运动的运动程度。能量和质量反映了物体运动和空间本身运动的一种性质，就如同一个人身高体重是这个人的性质，这种性质不能和这个人划等号，更不能代替这个人。 质量和能量有是从不同的角度来描述物体和空间的运动程度。 统一场论给质量的严格定义是： 设想有一个质点o相对于我们观测者静止，周围空间中任意一个空间几何点【为了描述空间本身的运动，我们把空间分割成许多小块，每一个小块叫几何点，通过描述几何点的运动，就可以描述空间本身的运动】p在零时刻以光速度C从o点出发，沿某一个方向运动，经历了时间t，在t'时刻到达p所在的位置，让点o处于直角坐标系xyzo的原点，由o点指向p点的矢径为 R = C t = x i+ y j + z k R是空间位置x，y，z的函数，随x，y，z的变化而变化，记为： R = R（x,y,z,）。 我们以 R = Ct中R的长度r为半径作高斯球面s = 4πr²【内接球体体积为4πr³/3】包围质点o。 注意，r和R虽然数量相等，但是二者是有区别的，r是几何点的位移R长度的数量，是高斯面s的半径。把运动空间看成是水流，R就是水流沿某一个方向流动的长度，而r如同我们随着水流测量的卷尺的刻度。 o点周围的引力场A表示o点周围在体积4πr³/3内有n条几何点的位移矢量R = Ct， A = k g n R /（4πr³/3） k为比例常数。 g为万有引力常数。 而质点o的质量m就表示在高斯球面s = 4πr²【内接球体体积为4πr³/3】内，包含几何点矢量位移R = Ct的条数n和立体角度4π的比值。 m = 3 k n /4π 这样,以上的引力场方程A = k g n R /（4πr³/3） 可以写为： A = g m R /r³ 牛顿万有引力定理指出，质点o周围空间p处【由o指向p点的矢径为R，o点到p点的距离,也就是矢量R的数量为r】产生的引力场a = g m/r²,矢量式：A = g m R/r³。 以上的引力场方程和牛顿力学重力场方程是吻合的。 以上引入的质量方程m = 3k n /4π中角度是常数4π，实际上角度可以是变量，在0和4π之间变化，n和m都可以是变量，质量方程仍然成立。 我们引入立体角Ω概念，把质量方程 m = 3k n /4π写成普遍形式： m = k n /Ω 相应的有比较普遍的引力场方程： A = g m R /r³ = g k n R/Ωr³ 相应的高斯面为s = Ωr² 借助场论高斯定理，我们可以用散度更清楚的刻画质量和引力场的几何性质。 以上的引力场方程A = k g n R/Ω r³中，由于R的数量为r，因而方程可以写为：A = k g n r【R】/Ω r³ = k g n 【R】/Ω r² 【R】为沿矢量R的单位矢量，我们考虑n和Ω相对应变化，有微分式： A = k g dn 【R】/ r²dΩ 令r²dΩ = ds，单位矢量【R】 和矢量面元dS【dS的数量为ds】的方向一致，这样有下式： A· dS = k g dn 把上式两边在高斯球面上积分，结果为： ∮A·dS = k g n n为高斯球面s = 4πr²上穿过的矢量R = Ct总的条数。把上式在直角坐标xyzo上展开。设A 在坐标上的分量为Ax,Ay,Az 。 矢量面元dS的分量dydz i, dxdz j , dydx k ，由高斯定理得： ∫∫∫v （∂Ax/∂x + ∂Ay/∂y + ∂Az/∂xz ）dv =∫∫s Ax dydz +Ay dxdz + Az dydx = k g n 上式直接的物理意义是： 方程∫∫s（Ax dydz ）+（Ay dxdz）+（Az dydx） = k g n 告诉我们，重力场可以表示为单位面积s上垂直穿过几何线的条数。 而方程∫∫∫v（∂Ax/∂x + ∂Ay/∂y + ∂Az/∂xz ）dv = k g n告诉我们，在运动变化的空间中，引力场也可以表示为高斯球面内接球体积v内包含的运动几何点位移的条数。 当这个体积v发生很微小的变化，变化的部分可以看成是v的界面，可以用曲面s表示，在v上引力场的分布情况可以保留在s上，由v上的引力场分布情况可以求出s上的引力场分布。 这个意味着引力场是物体周围空间相对于我们观察者以光速连续向外辐射运动所表现出的一种性质。 把上式用散度概念表示，设o点的质量m和包围o点的高斯曲面s内体积v的之比为u, 当我们考察s和v趋于无限小的情况下，则式 4π g m =∮A·dS =∫∫s Ax dydz +Ay dxdz + Az dydx 可以表示为： ▽·A = 4πg u 上式表示在体积v内包围了运动的几何点的位移线R = Ct的条数反映了质点o质量的大小。 质量和引力场都反映了物体周围空间光速运动的运动情况，首先有一个前提条件，静止物体周围空间的直线运动都是光速运动，如果静止物体周围空间直线运动以各种不同的速度运动，那我们以物体周围空间运动几何点的条数来考察空间的运动量，来定义物体的质量就没有意义了。 统一场论中是如何认识能量的本质的？ 一个质量为m的火车相对于我们地面的观测者以匀速度V【V的数量为v】直线运动，地面的观测者认为这个火车有动能1/2 mv² ，而火车上的观测者认为火车的速度为零，因而动能为零。所以讲，现代物理学认为动能相对于不同的参考系是不守恒的，一个物体具有的动能在不同的观测者看来是不一样的。 统一场论认为任何一个相对于我们观测者静止的粒子，都不是真正的静止，而是以光速在穿越空间运动，我们观测者也可以认为这个相对于我们静止的粒子周围的空间时时刻刻以光速C在向外辐射运动。 因而任意一个相对于我们静止的质量为m’的粒子o点，统一场论认为都有一个静止动量m’C，当o点相对于我们观测者以匀速度V直线运动时候，相对论和统一场论认为都认为o点周围空间的光速运动在V的方向上不变，但是，在V的垂直方向上，光速C变成了 √(c²- v²),写成矢量形式是C - V, 并且C- V和V相互垂直。 以上的统一场论动量公式P = m(C-V)为矢量形式,其标量形式为： p = m’c = mc√(1- v²/c²) e = m’c² = mc²√(1- v²/c²) m’c²为o点的静止能量，这个和相对论的看法一致，mc²√(1- v²/c²)为o点以速度v运动的时候的能量，这个和相对论的看法稍稍不同，相对论认为o点以速度V运动的时候能量为mc²，这样相对论认为o点静止时候的能量m’c²和以速度V运动的时候能量mc²是不一样的。 而统一场论认为o点以速度v运动的时候能量mc²√(1- v²/c²)和静止能量m’c²是相等的，统一场论这种看法表明质点能量的量必须相对于一个确定的观察者才有意义，相对o点静止的观察者发现o点能量为m’c²，和o点以速度v运动的观察者发现o点能量为mc²√(1- v²/c²)，无论哪一个观察者都不可能观察到o点能量为mc²。 统一场论强调了不同的观测者，看到了能量有不同的表现形式，而总的能量的数量与观测者无关，这种观点应该比相对论的观点要合理一些。 统一场论能量方程和经典力学的动能公式有什么关系呢？ 经典力学认为，一个质量为m的质点o点相对于我们观测者以速度V【数量为v】运动时候，在我们观测者看来，具有动能 Ek = 1/2 mv²。 将统一场论能量方程 e = mc²√(1- v²/c²) 中√(1- v²/c²)用级数展开为1- v²/2c²+····· 略去后面的高次项， e ≈ mc²- mv²/2c² 由e = m’c²可知em’c²≈ mc²- mv²/2c²，这个表明经典动能是物体以速度v运动的时候引起静止能量发生变化的变化量。 一个相对于我们观测者静止的质点质量为m’，相对论认为有一个静止能量E = m’ c²，意思是指这个质点周围n条几何点的光速的平方，n的大小取决质量m’。 统一场论给出能量的定义： 能量是质点在空间中【或者质点周围空间本身】相对于我们观察者在某个空间范围内【由于时空同一化，也可以说在某一个时间段内】运动的运动量。 空间、物质点、观测者、运动四个条件一个都不能少，否则，能量就失去了意义。单独存在着质点，单独存在着空间都没有能量，没有观察者，或者没有指明哪一个观察者，能量就不能确定。 统一场论能量方程： e = m’c² = mc²√(1- v²/c²)包含了电磁能量和核力能量，而自然界一切形式的能量，运动能量、化学能量最终都可以表示成动能、万有引力能、电磁能、核量，可以说，统一场论能量方程描述了宇宙一切能量形式。 质量和能量都是描述运动程度的，从高斯定理对质量概念的描述，我们可以看出，质量是描述空间发散运动程度的，而能量是可以描述空间波动程度的，动量和质量不能描述空间波动的，在量子力学中，描述的是波动世界，质量和动量概念不起作用，能量概念占据了主要地位。
|