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静止动量假设 作者 张祥前 相对论认为任何一个相对于我们静止的、质量为m的物体，都具有静止能量mc²，在人类的直觉中，总是认为物体具有的能量和动量都是描述物体运动程度的一种物理概念，可是静止的物体为什么也有能量？ 为了解释这个难题以及更加深入的认识相对论质能方程，我们提出一个假设。 乘客坐飞机夜晚降落机场，经常恍惚之间看到机场一排一排的灯光急速的后退，这个可以叫相对于背景运动。与此类似，我们假设： 宇宙中任何一个质量为m’的物体o点，相对于我们观察者静止的时候，周围空间都以o点为中心，以光速度C【这里光速C是矢量，本文标量光速用c本身】辐射式运动，因而o点具有一个静止动量mC 这里有二个问题需要解决，一是光速能不能为矢量？二是如何描述空间本身的运动。 我们知道磁场是电荷运动时候引起电场的变化部分，磁场B和电场E以及电荷运动速度V满足以下关系： B = V×E/c² 对于以光速传播的电磁波，以上关系仍然使用，以矢量光速C表示电磁波的速度，则： B = C×E/c² 这个公式里面明确把光速作为矢量，本文认为光速作为矢量方向可以变化，但是，模【也就是标量光速c】不变。 我们如何描述空间本身的运动呢？我们可以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。 以上的o点，静止的时候有动量P静 = m’C，相对于我们观察者以速度V运动的时候，由于光速不变【相对论中的光速不变是正确的，百度“统一场论5版（上）”可以看到严格的逻辑证明过程】，o点周围几何点的光速相对于我们观察者仍然不变，可是相对于o点就要变化了，我们用矢量C-V可以方便的表示o点周围几何点相对于o点的速度【因为C-V和V合成后仍然是C，这样满足光速不变的条件】。 这样，o点以速度V运动的时候，动量变成了P动 = m(C-V)【这个动量公式可以叫广义动量公式，为了区分，用m表示o点运动时候的质量】。 以上静止动量和广义动量概念是否能够成立呢？
一，静止动量、广义动量公式和牛顿力学、相对论的动量公式是否兼容？ 可以看出牛顿动量公式P = mV【m是常量】和相对论动量公式P = mV【m 和V都是变量】是广义动量P动 = m(C-V)中C=0的一种特例。 二，拓宽认识光速度C与光源速度V之间的函数关系。 相对论中认为光源速度V和光速c没有关系，光源速度不能改变光速c。但是，我们把光速看成矢量C，C和V有函数关系。 相对论中的劳伦兹变换告诉我们，光源以速度V相对于我们观察者运动，使V垂直方向的光速c发生变化，变成了√（c²-v²）【v是速度V的数量，c是C的数量】，很显然v/c = cosθ【θ是V和C的夹角】，矢量光速C在V上的投影就是v，所以有关系式C·V = v²
三，深入一步理解相对论的质速关系 相对论认为物体静止的时候有质量m，当这个物体以速度V运动的时候，具有质量m = m’/√（1-v²/c²） 我们将广义动量P动 = m(C-V)和静止动量m’C各自平方，结果分别为：m²（c²-v²）【利用了式C·V = v²】和m’²c²，如果认为物体运动的时候和静止的时候动量的数量是相等的，运动只是改变了动量的形式，而没有改变数量，则： m²（c²-v²）= m’²c² mc√（1-v²/c²）= m’c m√（1-v²/c²）= m’ 这样，我们可以看出相对论质速关系的本质是： 静止动量m’C的数量m’c是一个守恒量，等于物体运动的时候广义动量m(C-V)的数量mc√（1-v²/c²）。 质量的增加是以周围空间运动的光速减少为代价的，或者说是质量和速度是可以相互转化的。
四，导出引力场和质量的定义方程。 我们可以认为物体的质量以及在周围产生的引力场，反映了这个物体周围空间的运动程度。 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。 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引力场方程是吻合的。 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
五，对静止能量的深入认识 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。实际上这种看法是错误的。 mc√（1-v²/c²）= m’c 方程两边乘以光速c，为能量方程： 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运动的时候的总的能量，这个和相对论的看法稍稍不同，相对论认为o点以速度V运动的时候总能量为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。 我们应该合理的认为o点以速度V运动的时候总的能量为mc²√(1- v²/c²)，和静止能量m’c²是相等的。 质点能量的量必须相对于一个确定的观察者才有意义，和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。 m’c² = mc²√(1- v²/c²)表示不同的观测者，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。 相对论的静止能量反映了静止物体周围空间本身的运动程度，它等于运动能量和运动时候的动能之差。 以上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。 将以上的能量方程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e = m’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。 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【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，那些说真空中有自由能源都是错误的。没有观察者，或者没有指明哪一个观察者，能量也不能确定。
六，导出广义动力学方程 可以认为力是物体在空间中运动【或者物体周围空间本身运动】的运动状态在某一个空间范围【或者某一个时间内】的改变量。 按照这种思想，电磁力和万有引力、核力表面看是物体之间的相互作用力，本质上都是物质点在空间中相对于我们观测者运动形成的，都是惯性力，都是广义动量P = m（C- V）随时间t的变化率。 F = dP/dt = Cdm/dt - Vdm/dt + mdC/dt - mdV/dt (C- V)dm/dt = Cdm/dt - Vdm/dt是质量随时间变化的力，简称加质量力，本文认为是电磁力，其中Cdm/dt 是电场力，Vdm/dt是磁场力，mdV/dt牛顿第二定理中的惯性力，也是万有引力。 mdC/dt 这项力可能是核力。
七，导出电荷、电场定义方程。 质点o如果带有电荷q，在周围产生电场E，电场的实质反映了单位时间内、单位体积内o点周围空间以光速运动的运动量,和引力场比较起来就是多了时间因素。 正电荷周围空间从正电荷出发，以光速发散运动，而负电荷周围空间从无限远处向负电荷汇聚。 在质点o周围空间中，引力场A = g m R /r³ = g k n R/Ω r³中质量m随时间t变化产生电场： E = k’(dA/dt）= k’g(dm/dt) R/r³ = k’g[k d(n/Ω)/ dt] R / r³ k’为常数。而o点的电荷q表示单位时间内o点质量的变化量，反映了在单位时间里o点周围光速运动空间几何点越过某一个界面的位移的条数。 q = 4πε。k’g(dm/dt) = 4πε。k’g [k d(n/Ω)/ dt] ε。为介电常数。 以上是电荷的几何定义方程，4π, g,ε。,k’都是常数，合并常数，把上式带入式 E = k’g(dm/dt)R/r³中可以导出库伦定理中的电场强度方程： E = q R/ 4πε。r³ 八，静止动量概念用于光子 由于空间时刻以光速运动，可以认为，光子静止在空间中，随空间一同以光速运动，因而光子静止质量为零，电荷量为零，物体具有质量和电荷就是因为物体周围空间光速运动，一旦物体以光速运动，周围空间的运动由于光速不变性而消失，所以光子可以认为是静止在空间中随空间一同运动。 这个时候光子动量p动 = m(C-V)中光速度C为零，而V等于光速C，这样可以写为：p动 = -mC或者p动 = mC。 光子能量方程为e = mc² 对于光子的本质，这里不加证明的简单的说是： 负电荷【主要是电子】受到了可以引起质量变化的力(C- V)dm/dt的作用而加速运动起来，产生了反引力场，抵消了某些电子的质量，使这些电子激发起来，随空间一同以光速运动，光子的粒子性正是这个原因，而光子的波动性是空间本身的波动。 光子以光速运动时候静止质量为零。 这个逆定理： 宇宙中任何物体只要你有办法使它的静止质量变成零，就会突然的以光速运动起来。 这个逆定理很重要，是光速飞行器的飞行原理。 |