力子论要推翻相对论?
内容简介:
力子论倡导了纯物理观念,强调不以数学角度看待物理问题,提出了“力子”概念,认为“力子”是能量、物质,力的基础,并且重新对速度作了定义,认为速度是一种单纯的质量关系。通过力子论推导出来的公式的计算结果,竟然与《相对论》公式的计算结果完全相同!《力子论》对物质、能量、速度、力、场、热等的诠释,必将撼动整个物理学的根基!
力子论
李中刚
一、引言
自从18世纪牛顿力学建立以后,物理学迅速发展,由于在物理学领域中的指导作用和在工程枝术中的应用成功,使得牛顿力学成为经典物理学的基础。
在19世纪60年代以前,物理学界普遍存在着这样一种思想:认为物理学中—切基本的原则问题在牛顿力学基础上都已经解决了,没有牛顿力学所解释不了的现象。如果有些问题还没有弄清楚。那只是由于人们还没有找到那种现象的力学机制而已。著名物理学家威廉·汤姆逊在1900年元旦献辞中曾讲过这样的话:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做—些零碎的修补工作就行了…… 在物理学的太空,—切都已明朗洁净了……只剩下两朵乌云,一朵乌云是和迈克尔逊·莫雷实验有关,一朵乌云则和黑体辐射有关。”
然而这两朵乌云却孕育着物理学革命的暴风雨,正是在研究这两朵乌云的基础上,建立了著名的“相对论”和“量子论”。
爱因斯坦在研究麦克斯韦电磁方程组和迈克尔逊·莫雷突验的基础上,提出了光速不变原理,并进—步研究发展,建立了“狭义相对论”,从而打破了经典物理学的“绝对时空观”的框架.
普朗克在研究黑体辐射的基础上,提出了量子理论,后经薛定谔、海森堡等人的研究发展形成了“量子力学”。此后又逐步建立了“量子物理学“,使人们对物质结构及其运动规律有了更加深刻的认识。
“相对论”与“量子论”,形成了现代物理学的两大基础,是继牛顿力学以后的又—次物理学发展高潮,使人们对物理学各方面的研究得以飞速发展。但是,包括相对论与量子论在内的现代理论,往往是数学性太强,它们是依赖严密的数学推理而建立的,是很成功的“数学模型”,却不能给我们提供—个直观的物理图景.
可以说,现代物理学中许多理论只是—种良好的数学近似,以它们为基础的许多分支因此出现了—种难以再前进的局面。如果物理学再无大的突破,仅仅满足于数学模型的修饰及应用,势必影响整个物理学乃至整个科学的发展进程,然而这个问题并非每个科学工作者都已经意识到了。许多人只着迷于自己研究项目的苑囿而不考虑所负的历史责任,而物理学上的大的突破,恰恰是需要许多人共同奋斗才能完成的。
很久以前,我就开始考虑这个问题,也形成了一些极其零碎的看法,而数学这个工具,却不是我唯一依赖的。这是因为,如果我们在思维上只依赖数学,就会使许多物理问题滑入数字所早已确定的数学轨道。因此我不能不将目光投向原始的物理田地,才发现人们在这里只留下了古人的足迹,而后辈中的大多数人往往在数学大道上奔驰,他们飞速地靠近了目标,却有—层薄雾阻隔,或者说,他们并不愿离开数学大道走过去。我想,如果有现代工具的现代人到纯物理田地里去,物理田地会结出多么丰硕的果实!
在原始物理田地里,留下了古中国人的足迹,也留下了古希腊古罗马人的足迹,还留下中世纪欧洲人的足迹,这些都是不可磨灭的。
我决意到纯物理田地去,沿着古人的足迹重新探求,也就是用简单纯朴的目光重新审视世间万物,正本清源地去思考质量是什么,而不是考虑质量如何测量及起什么作用,还要去思考力是什么,能量是什么,速度是什么,等等,因为物理学开始时人类首先问的就是这些问题,这是物理学的骨骼。我痛苦地发现我们的现代知识常常是东扯西谈,才把答案拢在—个小范围内,而最终并未能指出它到底是什么。从这里也看出我们的物理学并非已经完善到无事可做的地步。当然,我对现代物理丝毫没有不满情绪,因为作为一个后辈科学研究者,只有完善它的义务,而无苛求它的权利。我仅是对有人满足于物理数学化表示遗憾而已,同时对时空问题略感忧虑。
就这样,自从我在思考“力的统一问题”时提出了“力子”的概念后,—幅明朗的物理图景展现在我的眼前,我惊讶于它本质上的简单,以及现象上的纷繁芜杂。这就是力子论的产生。
象认识光本质的曲折历史—样,力子论在古代曾多次萌芽,然而总是由于本身的时代局限性而夭折,但是它们的纯物理方法却功不可灭。著名哲学家亚里士多德曾指出物体的运动是由于力的作用,过去欧洲人认为热是由于有热质这种东西,燃烧是由于有燃素,古中国人认为是阴阳二气生五行、八卦,以至产生了世界,等等,我们今天都——指明了他们的错误,并分别提出了惯性、能量、化学反应,元素这些新概念,我们的做法似乎无可指责,但是我总觉得古人的意思、还广泛一些,而我们仅仅解释了其中的—点就匆匆否定了它们可能过于简单和自负。
当然,力子论不是什么热质说,它是在现代科学的基础上产生的。令人惊喜的是自始至终它不但没有推翻现代科学的用意,而且证明了现代科学在一定范围内是正确的,它本来就是为完善现代物理学而产生的现代理论。
总之,在知识爆炸的今天,我们反而需要重燃孩提时代那种对世界的新鲜感和惊异,用独到而且富有想象力的方式思考事物,而不为现有的知识所束缚,不为既定的行为方式所束缚,也不为既定的思维方式所束缚,那么,我们才会保持自己独特的创造力,才能对科学事业作出一点贡献。如果我们亿万人都用同一种知识、用同一种思维方式去思考,那么,我们只能是重复一条老路。没有放弃,就没有所得,假如我们暂时放下自己所学的那几种对客观世界的说教,那么,我们会怎样重新看待客观世界?在我们的一生中,应该经常地去体会这种感觉。新路,就是这样趟出来的。
二、力子论
(一)物质与能量的关系
随着物理学的发展,特别是十九世纪以来生产和科学技术的发展,物质与能量之间关系密切的事实渐渐为人们所了解。如高速运动的电子的质量随着速度的增大而增大等等。
这些事实,经典力学无法加以说明,经典力学的理论与实验事实之间发生了矛盾。在这种情况下,著名物理学家爱因斯坦在二十世纪初提出了狭义相对论,成为现代物理学的开端。狭义相对论从根本上改变了我们通常对空间和时间的看法,提出了一种新的时空观。从经典力学看来,物体的长度和时间间隔跟物体运动的速度没有关系,相对论却指明了它们跟速度的密切关系。相对论还指出,物体的质量不是固定不变的,它随着物体运动速度的增大而增大。设m。为物体静止质量,那么物体以速度V运动时,它的质量m可以根据相对论力学的公式计算出来,
因此,经典力学是相对论力学在低速时的良好的近似。由于速度增加,质量与动能都增加,而质量增加与动能增加是密不可分的。
再譬如原子核的质量亏损现象。核子结合成原子核时要放出结合能,原子核的能量要比组成核的核子的能量小,原子核的质量也比组成核的核子的质量小。爱因斯坦从相对论得出质量和能量间有下述关系
E=mc2
这个方程叫质能方程。这个方程表明,物体的质量跟它的能量有一定的联系:物体的能量跟它的质量成正比。如果物体的质量增加△m,物体的能量也相应增加△E,反过来也一样。事实上,这个方程也是与实验相符的。
总之,今天我们对质量与能量的密切关系的认识,已经很充分了。
(二)质量与能量的分析
在物理学中,质量与能量的定义是有天渊之别的。质量的定义是物体所含物质的多少,能量的定义是,如果一个物体能够对外界做功,我们就说这个物体具有能量。那么,质量与能量的密切关系又是怎么回事呢?为什么运动物体的质量(如高速运动的电子的质量)随着速度的增加而增加呢?
经典力学无法加以说明。二十世纪初,著名的物理学家爱因斯坦提出了狭义相对论,成为现代物理的开端。爱因斯坦否定了神圣不可侵犯的绝对时空观,认为时间与空间并非绝对的,必须统一为“四维”时空来处理,从根本上改变了我们对时间和空间的看法,指出了物体的长度、时间、质量跟运动速度之间的密切关系,并认为时空取决于物质本身的分布。总之,爱因斯坦是通过改变时空观去解决问题的。
对质量随速度变化这一问题,力子论不走研究时空这个方向,而是注重质量增加与能量增加的关系,走研究物质与能量关系这一方向。认为能量增加与质量增加之间是等同关系。
从本质上说,物质与能量是统一的。在物质与能量的统一中,需要提出“力子”这一概念。这个概念的含义是,物质和能量,只是力子在不同时期的表现,单纯的力子就是能量,力子按一定的方式结合起来就形成了物质,总之,世界本质上是由力子构成的。这样,对许多问题都能做出圆满的解释。譬如物体的质量随着运动速度的增加而增加这个问题,用力子的观点解释可以很明白:速度增大,动能增加,也就是物体总的力子的量增加;而力子的增加,这本身又是物质的增加,因而质量也增加。当然,这仅是个简略的说明。再譬如,质量亏损现象用力子的观点也可以解释:核子的组成物质有一部分解析为能量,即单纯的力子。力子的总量减少,因此,放出能量后发生质量亏损的现象。
那么,这力子的性质有哪些呢?
1、 物体间力的作用,是力子的一种性质。顾名思义,力就是一个力子或一定条件下众多力子的性质。譬如物体做匀加速直线运动时,外力的作用就是由众多的力子不断进入物体的过程中表现出来的性质。每个力子的力的性质,是力的最小单位。
2、 力子就是能量。单个力子是能量的最小单位。
3、 力子在一定条件下按一定的方式结合起来,就形成了物质。力子结合成力子网络后,一般不表现力的性质,但是力子网络拆开或组合时能够吸收或放出力子(即能量)。因此物质可以叫做力子网。
4、 力子的许多性质是有方向的。力子总是直线前进,速度等于光速。因为光子是力子暂时组合起来的力子集体,所以光速实际上叫力子速度更恰当。这是最纯粹最基本的速度,也是宇宙中最大的速度,数值规定为1。
5、 力子也是质量的最小单位。
6、 力子组成力子网必须有一定条件。
力子是宇宙中最基本和最小的单位,所以说一切都是力子组成的。但是,力子是不能直接观察到的,力子实在是小到极点了。
总之,力子要么以一定的存在方式(如聚集成光子)以光速的速度(光速实际就是力子的速度)沿直线前进下去,要么遇到力子网后结合进去,形成新的力子网,即物质。也就是说,力子有结合成力子网的趋势。
宇宙只有力子而没有力子网的话,是非常单调的,原始宇宙可能如此,但是自从力子组成了力子网后,宇宙变得绚丽多彩。力子首先组成了一些基础的力子网,即许许多多的微观粒子,它们是相对稳定的,继而微粒子之间以及力子进一步作用,组成了原子、分子等等的力子网。各种复杂的力子网联系在一起,就构成了统一的物质世界。
力子网的性质与力子的性质迥然不同,变得更加复杂,突出表现在几个方面:
1、力子网可以拆开或组合,可以吸收或放出力子,但系统内力子总量恒定。
2、 力子网可以传递力子,但是当它不足以传递大量力子,又不足以反射这些力子时,会受到破坏,以便形成新力子网来适应大量力子的传递、反射,或者在形成新力子网的过程中吸收力子或放出力子。
3、 质量就是组成力子网的力子总量。在相同的受力条件下,质量相同,吸收的外力的力子量也是相同的。
4、 作用于物体的有一定顺序和规律的力子,我们把它们叫做有序力子;如果众多力子无规律地作用于物体,则是无序力子。虽然有序力子与无序力子进入物体后都形成新力子网。但是它们的宏观表现是不同的,譬如动能是有序力子形成的,热能是无序力子形成的。
因此,能量守恒定律和质量守恒定律的实质都是力子总量不变,这是很简单明了的。同时,我们认识到质量的实质是:力子网所含力子的多少。这样,我们对质量是物质本身的一种属性也好理解了。但是,从后面的力子理论我们可以知道,质量要随着速度、温度的变化而变化,因为速度和温度的变化都是由力子的增减所决定,当然,一般情况下,我们觉察不到这种变化,这些增减的力子的量与物体本身原来所含的力子的量相比较,实在是太小了!
物质与能量是统一的,力了既是能量的最小单位,又是物质的唯一组成材料,力子网所含力子的多少就是质量。那么,能量与质量的度量单位也应该是统一的,都是用来表示力子的量的多少。因此,我们现在使用的质量单位是可以兼用作能量度量单位的。
总之,统一了单位后,能量和质量可以相加减,譬如,一个静止质量是m。的物体的动能是Q,则它运动时准确的质量就是:
m=m。+Q
力子论对一些物理问题的解释是比较直观的。例如:用能量是2.22兆电子伏的Y光子照射氘核(它是由一个质子和一个中子组成的),可以使它分解为质子和中子,这时的核反应方程是
相反的过程也发生,一个质子和一个中子结合成氘核,要放出2.22兆电子伏的能量,这个能量以Y光子的形式辐射出去,这时核反应方程是:
在力子论看来,这两个核反应的不同,仅仅是力子前后组合形式不同而已,但前后的力子总量始终是相等的,即
力子论认为,一对正反粒子相遇时会同时消失而转化为别种粒子的湮灭现象,也是力子前后的组合形式不同而已,但力子总量前后总是相等的。例如,一个正电子和一个电子相遇会发生湮灭而转化一对光子:
力子论认为,组成正负电子的力子在这对电子拆散后立即组成了一对光子。这个例子在一定程度上说明,能量和质量是统一的,物质和能量是力子的不同的表现形式。再如,1.02兆电子伏的力子量,既可以构成一个1.02兆电子伏的光子,也可以构成两个正负电子,即
等号两边都是1.02兆电子伏,或者说1.8×10-30千克。
光子是力子的暂时聚合体,要么转化为力子网(如电子)静止存在,要么以固有的光速前进下去,光子不能静止存在。光子含有的力子量大,光子质量就大,即能量也大,反之,就小,但速度是一定的。
(三)速度的实质
对原始宇宙来说,只有力子;无数的力子以光速向各方向运动。光速运动是力子本身的一种性质,因此速度这个概念在那时是没有什么实际意义的。
物质形成后,宇宙中产生了各种各样的运动。机械运动是宇宙中最普遍的现象。机械运动有一个基本的问题需要首先弄清楚,这就是“物体运动的原因是什么?”
两千多年前,古希腊哲学家亚里士多德认为,力是维持物体运动的原因。这个说法一直沿用到了十七世纪,才被意大利著名物理学家伽利略指出了错误。
在今天,如果有谁再持亚里士多德的观点,我们会异口同声地反驳他:“不对!惯性才是维持物体运动的原因!”这种说法是正确的。不过,如果我们使两个相同的物体一个做匀速直线运动,一个静止,那么这两个物体的不同之处是什么呢?也就是说,是哪点不同之处导致了它们的运动状态的不同呢?
匀速直线运动和静止都是由惯性保持的,但是运动状态却不同,因此这两个物体理所当然有不同之处。它们有哪些不同呢?我们知道,这两个物体的速度不同:静止物体的速度是零,运动物体的速度不是零;它们的动能不同:一个是零另一个不是零;它们的质量也由相同变得不同:静止物体的质量不变,运动物体的质量变大,因为它有了动能,用力子论的观点看来,能量与物质是统一的,所以它的质量变为m=m。+Q
进入了一些力子,形成了新的力子网,质量变大,这就是运动物体与静止物体的根本不同之处。如果清除了进入的力子,这两个物体又会变得相同:速度都是零,动能都是零,质量都相同。总之,由于进入了力子,两个物体的力子网有了不同之处,因此性质也不同,一个有运动的性质,另一个有静止的性质。
那些力子有顺序地进入物体之中,与物体原有的力子网一起形成新的力子网,新的力子网的性质与静止物体的性质不再相同,因此,进入的力子是物体运动的因素。
有序力子作为能量进入物体后,在物体本身的力子网基础上组成了新的部分,虽然不如物体本身的力子网稳固,但是也成了物体的一部分。我们往往把这部分新力子网所含的力子叫做动能,在一定条件下,它们很容易拆散转移。
由力子的性质知道,力子是有方向的和做直线运动的,物体由静止变得直线运动,从无方向到有方向,这只能由力子的性质决定。在无外力影响的情况下,物体运动的速度与进入的有序力子的量有关系,只要力子量不变化,运动物体的力子网便保持不变,既然结构不变那么性质也不变,也就是说速度大小和方向也保持不变,所以物体将做匀速直线运动。
总之,运动和静止都是力子网结构所决定的性质。速度的大小与进入的力子的量有关系。
既然速度是物体力子网的一种性质,速度的大小由有序力子的量决定,速度的方向也由力子的方向决定,那么,如何计算和度量速度的大小呢?
因为速度的大小由有序力子的量决定,而且力子的量又是质量,所以速度要用质量来计算和度量。当然,用能量来计算和度量也是可以的,不过,统一用质量更合适一些,更简便一些。
在探讨速度公式之前,我们先把质量与能量的度量单位协调一下,把速度的单位规定一下。我们把质量的单位千克规定为质量和能量共同的基本单位,能量单位焦耳与基本单位千克的换算关系是这样的:1千克的力子分成(300000000×300000000)等份,每一份力子就是1焦耳的能量,即
1千克=1焦耳×3000000002
在遇到其它单位时都要换算成基本单位,其中(3×108)2就是光速用米/秒度量时数值的平方,这个换算关系将要在后面证明。同时我们规定力子的速度(即光速)为速度的基本单位,数值是1,其它的速度单位都换算成基本单位,如:
3×107米/秒=0.1 300000000米/秒=1
现在我们来探讨速度公式。
我们如何用质量来表示速度呢?我们知道运动物体的质量m含有静止质量m。与进入的力子Q两部分,即m=m。+Q,因此,我们只能用这几个质量来表示速度。Q的单位是千克,与m和m。单位一致。
力子论认为,物体的速度是物体动能Q与物体所含力子总量(m。+Q)的比值,近似于“浓度”的概念,是物体力子网取得该能量后的一种性质,是质量与质量之间的关系,与其它无关,即“能量力子浓度”大了,速度也变大;反之,速度变小。
所以
X是系数。考虑到这个比值不可能是单纯的,因此需要一个系数X。从这个速度公式可以看出,M。一定时,物体内进入的力子多,速度就变大;反之,速度就小。
在牛顿力学中的公式 中,如果将能量E转化为Q,结果会怎样呢?
这个公式是有局限性的,在高速运动时,这个公式与实验事实有矛盾。
与高速运动时实验事实有哪些矛盾呢?力子论认为,原始宇宙只有力子,光速运动是力子的一种性质,力子是力、质量、能量、速度的基础,在轰然形成的新世界中,速度不再是单一的光速了,而是产生了快慢不同的速度,有序力子与物体力子网结合成的新力子网的速度比单纯力子的速度要慢,至于原因,用大众的口语来讲,就是力子受了力子网的拖累,力子网受了力子的帮助,才一起用介于光速和静止之间的速度前进。宇宙中的最大速度是单纯力子的速度,数值上等于光速,我们规定它为速度的基本单位,数值就是1。而公式 中,如果Q大于 ,通过公式计算出的速度值将大于1,这显然是错误的。因为实际情况是,由于静止质量m。的影响,V必然小于1。
所以,速度公式至少必须具备如下条件:
(1) Q=0时,V=0。
(2)m。=0,Q>0时,V=1
(3)m。≠0,Q>0时,V随着Q的增大而增大,但总小于1;V随着Q的减小而减小,但总大于0,即0<V<1。
因此, 是不适合上述条件的;适合上述条件的公式有很多,如:
其中,Q与m。用千克作单位;V用光速C=1作单位;a、b等都必须是某数与Q的积或幂,以保证Q=0时a=0,b=0……从而使V=0。
现在,我们要求速度公式 也符合上述所有条件,同时要求V1=V2,于是构成下列式子:
V1式与V2式要等量变形为相似的式子,才能表示出X。
所以,力子论的速度公式是如下式子,并且因与事实相符而确定:
与之等效的有:
从 可以看出,速度是Q占(m。+Q)的某种比值,是一种质量关系,近似于“浓度”概念。
总之,经过上面的简要论证以及未在这里叙述的更复杂,艰难的工作,力子论最终用质量来表达了速度公式,可见,速度仅仅是质量与质量间的关系,是物质力子网本身的一种性质,在不受外界影响的理想条件下,与时间、长度等没有任何关系,即与时空没有关系。这与传统的速度(位移/时间)观点不同。
这就是力子论得出的速度公式,它用力子的量表达了力子和力子网本身的一种性质——速度。传统的速度概念仅是一种计算方法。力子论告诉了我们:宇宙是力子构成的。那么,对宇宙本身来说,只有力子的量的变化才叫变化——但是宇宙的力子总量并不变化,因此宇宙始终不变。而对我们人类来说,宇宙时刻不停地在变,因为我们依赖的东西都在变化。这表明我们人类非常注重它们的性质,而且发现世界上有无数的性质,其实,各种性质都是力子的性质的延伸。这个说法,我们要在后面进一步论述。
从力子论最终确定的速度公式 可得到几个推论:
动能公式:
等表达式子。
可以看出,在低速时,m≈m。,则 ,这就是说在低速时经典力学已经足够准确了,经典力学是在宏观低速的基础上总结出来的客观世界的良好近似。另外,当m。=0,m≠0时,Q=mv2,即光速状态时Q=mc2。
由于涉及到了能量,现在我们来探讨一下能量单位问题。
前面我们曾提出了能量单位千克与焦耳的换算关系:1千克=1焦耳×3000000002,这个关系是怎样得出的呢?
力子论的能量基本单位是千克,实际上这个单位是非常大的,即使是 千克,也是很可观的。现在假设有一个静止质量为1千克的物体,进入了 千克的能量,现在它的运动速度有多大?动能用焦耳表示是多少?推导出来看一看:
首先求出运动速度
即 米/秒,在这个速度时可以用经典力学的动能公式求动能:
可见万分之一千克也实在是太大了!如果我们把1千克分成份数是光速数值的平方那么多份,每一份是多少焦耳呢?光速用米/秒度量。让我们看一下:
即 米/秒,动能可以用经典力学求:
因此,1千克的C2份之一含的力子量与1焦耳所含的力子量相当,用式子表达就是,
1千克=1焦耳×3000000002
同样可以知道,2千克时,E2=1焦耳×C2×2 3千克时,E3=1焦耳×C2×3,……
因此可以总结出如下公式,这是生产中需要的转换式E=mc2焦耳
其中,m、c都是只取数值不取单位;结果取单位焦耳。公式中的m是用基本单位度量得出的数值,C是用米/秒度量的光速数值
以上的计算和说明,不但初步论证了力子论的单位换算问题,而且从力子论的角度得到了质能方程和解释了相对论中质能方程的实质,在力子论中,质能方程不过是一个单位转换的式子,而在相对论中却是个很重要的基础关系式。
从以上叙述我们看出,质量和能量用千克作度量单位,速度用光速1作单位,是非常合理的,这些是真正的基本单位。但是由于我们人类以及其他生物是弱小的,日常接触的质量能量速度都很小,是不便用真正的基本单位的。因此,我们平常都使用很小的单位,这些小单位优点是很适合我们人类的生活,但是埋没了宇宙的规律,使宇宙简单的关系变得复杂而且不统一。当然,这是不能苛求的,因为这些单位都是方便生活而创造的。
说到这里,我想简单地谈一谈力子论与经典力学和相对论力学的关系。
总起来说,力子论与两者都有相同之处,又有不同之处。首先是力子论对经典力学的绝对时空观很赞赏;不过,力子论反对相对时空观。
时间和长度是人类创造的两个概念,准确地说,是智慧的产物。人类的概念,都是为了生活需要而创造的。这两个概念描述的是什么?它们的实质是什么?
月有圆缺,日有朝夕,人也有从少到老的过程,人们知道,运动是绝对的。静止是相对的。但是,运动是复杂的,有的快、有的慢,有的明显有的不明显,在生活中为了描述、比较、记忆运动,人类必须找出一个运动的标准,于是,地球自转一周叫一天,月球绕地球一周叫一月,地球公转一周叫一年,在要求更高的时候,还使用时、分、秒等等。总之,时间是描述比较和记忆运动的概念,它以一种运动为标准去描述别的运动。规定了标准,就可以精确地描述各种运动了。同样道理,长度是用来描述、比较和记忆其它长度的。它们都是理想的和规定的。
对我们人来说,时间的方向性是明显的,这是人类的记忆的需要。譬如我们知道唐宋元明清是按顺序一条线排列下来的五个朝代,因此,我们会觉得有一条时间轴,即四维理论的时间轴,但是,时间仅是我们人类规定的一种描述比较和记忆运动的概念,对宇宙来说,任何运动都不过是能量与物质的改变,即力子的转移,但宇宙的力子总量不变。唐朝的世界是这些力子构成的,今天的世界同样也是这些力子构成的,甚至说,这些力子构成过唐朝时的世界与没有构成过唐朝时的世界对宇宙和力子来说都无所谓,反正这些力子还是这些力子,以前构成过什么世界,与今天一点关系都没有。今天就只有今天,这一时刻就只有这一时刻,以前的日子和时刻都无意义。总之,时间是人对运动,即对力子转移等状况进行记忆、比较、描述时创造出的概念,是为适应生活需要而创造的,对宇宙来说是无意义的。
一切运动都是由力子造成的,我们所谓的时间轴上的运动,不过是其它三维上的运动的概括,是三维上力子转移等状况的概括,物质世界不存在什么第四维时间轴。速度是物质的一种性质,也是由在三维上运动的力子所决定,与人类创造出的概念“时间”没有任何关系。我们不能把速度和时间联系起来。长度同样是如此,只是对人类有意义,因为长度也是规定的一种理想和固定的标准。总之,只承认人的认识上有第四维,而不承认物质的运动有第四维,也就是说,物质世界没有第四维。
因此,经典力学的优点是持绝对时空观,但是没有考虑到运动物体的质量随速度的变化而变化等事实;相对论力学考虑到了这个事实是个进步,但是,它反对绝对时空观,把问题归纳为不同速度的情况下的时空不一样,这是力子论所不赞同的,因为物质世界不存在时间轴问题,时间轴只是个意识中的问题。相对时空观仅是解决问题的工具。
按相对论的观点,一个人乘坐光速飞船可以回到古代,时光可以倒流,再回到现实中时,父亲的年龄将比儿子年龄小,这些话,也不应被相信。力子论认为,一个人要想回到古代去参观倒也是可以的,比如回到唐朝的某一时刻,但是必须把宇宙的力子分布变得象唐朝那一时刻的力子分布一模一样,完全相同。唐朝的那一时刻有多少人多少物如何分布、气候地理政治经济军事如何,总之,从每个人的思维到星辰太空,一切都得与那时一样,然后再把这个想去唐朝的人放进去——就是说,把今天的世界毁灭,用这些力子重新制造唐朝的世界。甚至说,把这个想去唐朝游览观光的人也不能留下,也要把他转化成唐朝那一时刻的东西。因为,这个人是由力子组成的,而宇宙的力子总量又恒定,若是他留下来,重新制造唐朝时宇宙就会少一些力子,因而不能造得与历史上那一时刻的唐朝一模一样。当然,这是些离题较远的闲谈,也是对爱因斯坦的相对时空观以及衍生出的“时光倒流、停止”“时间隧道”等观念深入人心表示深深的忧虑。
不过,从另一个方面说,由于物质分布和结构的确定性,物质运动也就有一定的必然性,也就是说,今天的状况决定了以后必然是某种状况。如果力子转化为力子网的速度大于力子网转化为力子的速度,那么宇宙将逐渐变冷。
现在再谈谈公式方面的问题。经典力学的许多公式由于没有考虑到质量会随速度等状态的变化而变化,因而只适用于低速状态,譬如动能定理 ,等等。当然,即使把涉及的质量都用(m。+Q)代替也不行,因为这两个理论建立的基础并不相同,它们之间并不能庸俗地折中、调和、统一,况且,只把质量换成(m。+Q)计算出的数值与力子论计算出的数值也不同。
而相对论力学走的是改革时空观念的道路,因而与力子论有许多不同之处。
力子论认为,物体运动质量增加是由于进入了力子核的质量亏损是由于减少了力子。这与相对论是没有共同点的。
先看一看力子论与相对论的公式之间的关系。
我们用二者的公式分别计算同一问题,看各自计算出结果有何联系。
假设有一个物体m。=1,高速运动时质量增加了0.25,即Q=0.25,计算速度V是多少。
用力子论的速度公式计算如下:
用相对论有关公式计算,同样
V=0.6C
我们发现,二者的计算结果相同。换其它问题依然。力子论与相对论的理论依据不同。力子论以“力子”概念为基础,在公式推导上以“浓度”概念为参考,结合物理事实直接而且首先推导出了速度公式。而相对论以相对时空观为基础,在速度公式及质量公式推导中,首先研究的是复杂的时间关系,然后才推导出有关公式。在公式计算结果相同这一问题上,我认为并非巧合,而是对同一物理世界,同一问题力子论与相对论从不同角度,以不同方式进行了不同的描述。到底谁离真正的物理世界更近?谁离真理更近?这个问题不好评论。但是,从“美”的角度来说,每个人都可以发表自己的看法。力子论给人一种“简单美”,在描述物理世界方面,力子论理论要直接、直观一些,简单朴实一些,其时空观近似于绝对时空观,也易懂一些。而相对论给人一种“复杂美”,具有复杂抽象的时空观,其理论高度抽象化,数学模拟化,一般人不易懂,但其深奥的理论,复杂的时空观会给人无穷的想象,近一世纪以来,深深影响了科学,文学以至人类生活的方方面面。
以简单明了为美,还是以复杂深奥为美呢?在一般的情况下,每个人有每个人的习惯。我认为如果将来物理学发展到简单无比,没上过学的人也能听懂,那将是至真至纯的物理,也是最大的进步。如果将来的物理发展到复杂无比,一个人从小学中学至大学,研究生直至博士,甚至穷其一生都学不完,学不懂,那将是不可想象的。
很明显,客观世界是唯一的,任何一种理论仅仅是对其的一种描述,有如你戴红色眼镜或蓝色眼镜都能看清一个物体的轮廓,但远远不能描述真正的物体一样。如果对于一个复杂的个体,那么描述更是各不相同,对于物理理论,或推之于所有科学理论,最终要看它是否与事实相符,这就是检验一个科学理论正确与否的最后标准。
对于相对论而言,最初没几个人相信,但因其与事实相符,及其在物理学领域中的指导作用和在工程技术中的应用成功,人们便放弃了自己对它的怀疑。但有些人反过来嘲笑那些当初怀疑相对论的人,我觉得是不应该的。我认为当初抱怀疑态度是对的,能够终生坚持自己的立场的人更是可敬——虽然几乎没有。而那些迅速丢掉自己的立场,五十步笑百步是不好的。但是另一方面,对一个新理论过分苛求,无视它对科学事业的推动,思想守旧,知识贫乏,甚至因个人利益而恶意中伤,人身攻击,则不在科学地怀疑之列。因此,怀疑一个新理论,象创立一个新理论一样,也要有科学的思维,科学的方法,科学的态度。对于都符合事实的理论,不要急于分出谁对谁错,或许仅是红眼镜、蓝眼镜的区别。
但两种理论的区别总是有的,从甲地到乙地,我们总希望走最近的路,这里有个科学上普遍适用的“节俭律”的问题,这条定律的定义在于说明,最可能,最简单,最节俭的问题的解释就是最好的解释,除非有证据证明这种最简单的解释是错误的。有时这条定律也叫“奥坎姆剃刀”是根据14世纪的一位哲学家兼神学家威廉·奥坎姆命名的。例如,一阵风吹落了你戴的帽子,让我们举出两种解释来说明帽子随后的遭遇,第一,帽子落在地上了,第二,帽子落地的一刹那,恰好一只鸟飞过来叼走了。显然,我们将选择前者。
理论物理很大程度上是建立在理想实验的基础上的,其中科学的思维,科学的态度,科学的方法更显得重要。如果一个人声称自己是在揭示科学奥秘而又不采用科学的思维、科学的态度科学的方法的话,那么他的努力的结果就将适得其反,随之而来的结论,只能将自己和他人带进非理性的领域。理论,必须以事实为基础。
“如无必要,勿增实体”,但对力子论而言,看似提出“力子”新概念,但实际上是统一了或替代了“质量”和“能量”两个概念,使物理学更加简洁易懂,给我们提供了一个直观的物理图景,这比改变我们的时空观,提出一大堆复杂的理论,创造许多新概念要省事的多了。总之,力子论与相对论区别在于,力子论是建立在“力子”这种粒子概念基础上的一个直观的物理图景,而相对论是靠演绎法建立起来的数学化物理作品。我相信数学是一门严谨的科学,也相信物理学离不开数学的帮助,但是物理世界不能完全靠数学来思维,否则,我们对真实的物理世界的思维就可能完全滑进既定的思维方式,受数字束缚,甚至可能成为数字游戏。因此,物理学不仅需要数学天才,还需要艺术家般的直观洞察力。
当然,任何一种理论都不是真理,都离不开修正和补充,这个过程并不仅仅是几年,几十年,也不仅仅是由一个人或几个人来完成的。对一个新的学说,不管对与不对,都应受到欢迎,因为它促进思考、辩论或探讨,从而促进科学的发展,每一个理论,都是使科学之火熊熊燃烧的木柴。如果一个学说发表后,出现两个阵营,一个阵营是不顾该学说的有益之处而采用嘲笑策略的全盘怀疑者,另一个阵营是不顾该学说的错误之处全盘维护,两者都根据自己的偏向或利益或面子来看待对方的不同意见,有时,业余爱好者认为内行专家们是在维护科学上的教条,思想僵化;另一方面,专家们也经常指责自己的对手们并非正统,不懂科学及研究方式,并随意抓住几个对方因不内行而出现的常识性错误并添油加醋地大肆嘲弄.但即使不存在偏见,也够复杂的,双方内部观点,还有许多差异.业余爱好者不一定是不科学的.专家和博士头衔不一定能代表科学.当然,谁属于哪一方面也不一定.但我认为,这两个阵营的做法都是不妥当的. 另外,还有一些模糊的感觉也不好表达,比如,在静止时空下研究一个变量,和在相对时空下研究一个不变量,或者说,您静止地站着研究一列跑着的火车,和您跑着研究一列静止的火车,效果也许差不多吧?但事实上,到底是火车跑呢?还是您在跑呢?为了研究火车跑的情况,您让火车静止,让自己沿火车跑,效果也许差不多,但是您不会这样做的,因为这样做不符合”节俭律”.所以,我觉得,在静止时空下(或者说绝对时空)解决不了问题时就创造个相对时空来解决问题的方法,虽然巧妙,但并非十全十美的,问题之一就是会产生”增根现象”,即推导出一些怪结论,又不知对错。
附页:动能公式问题
力子论的动能公式有几种形式,但 是比较实用的,它是由速度公式推导出来的。
舍去增根后
(四)关于量子力学的分析
我们首先要探讨一下光子的问题。
光子涉及的问题较多,也较复杂,其中涉及电磁场等问题,这些我们等以后再谈。现在仅独立地讨论光子的问题。
光子是单纯力子的集合体,并不是稳固的力子网,只要有条件,如光子被吸收,光子所含的力子就转移成别的形式的能量,光子就不存在了。由于它是力子集合体,它要充分体现力子的性质,要以力子的速度前进,这就是光速,光子不可能静止存在。
事实证明光子是具有波粒二象性的,其波动的特征令人费解。1900年德国物理学家普朗克在研究电磁辐射的规律时发现,只有假设电磁辐射的能量是不连续的,而是一份一份地进行的,每一份的能量是hv,其中v是辐射频率,h是一个普适恒量,理论计算的结果才会跟实验事实很好地符合,在普朗克的量子说的启发下,爱因斯坦在研究光电效应时天才地预见到光也是一份一份的,每一份光叫做一个光子,光子的能量跟它的频率成正比,即E=hv,其中h是普朗克恒量,爱因斯坦是在实验事实还不很充分地情况下作出这一判断的,但是从这个假设得出的一切结果都跟后来的实验结果相符。
从公式E=hv我们看出,光子的频率大则它的能量大,今天我们研究光子波动的原因,我们就可以反过来假设:光子的能量大则频率大,光子所含的力子是波动的根本原因,力子的量的大小是波动频率的决定因素。这就是力子论的观点。
根据力子论的观点,光子具有能量,同时就是本身具有质量,因为质量与能量是统一的,光子的能量换成焦耳单位时,同样可用如下能量转换单位时的式子: 。即然都是光子的能量式子,因此,可以写成
进一步转换可推导出
这就是光的波长公式,其实这个式子早已被人们导出了。
在光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意在1924年提出了一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子、质子、中子都有波粒=象性,他把光子的波长公式 推广到一切微观粒子上,指出具有质量m的速度v的运动粒子也具有波动性,波长公式也是 。这个公式与实验事实符合得很好。
用力子论的观点,电子、质子、中子等微观粒子的波动情况同样是由进入其中的力子的量决定的,下面我们具体探讨有关这些粒子波动情况的公式:能量公式、波长公式、频率公式。
特定的一个粒子以一定的速度的运动,其运动情况是唯一的。即能量、频率、波长等都是唯一的,因此,总可以找到一个因数H,使它与频率V的乘积等于能量Q,即
Q=HV
其中,频率 ,即 ,那么
Q=HV
=
根据力子论知道
于是, 整理可得
从中我们可以看出一个粒子(如运动电子)的动能Q等于 与频率V的乘积。即
这是一个精确计算的式子。一般地说,大体分为三类:
(1)低速运动时, ,那么
如,一个电子以8.4×106米/秒的速度运动,其动能
=3.2×10-17焦
(2)速度接近光速时,m。<<m ,那么
(3) 光子速度为c,静止质量m。=0, 那么
H=h
Q=hv
普朗克在1900年提出的量子学说所提示的内容,就是光速时H=h时的情况,这就是力子论在量子问题中的一个特例。
通过这一章及上一章可以看出,许多运动问题与新增加的力子的量有关,那些繁杂的计算以及纷繁的例证和思维过程,就不必在此罗例了。
致读者的一封信
尊敬的读者朋友:您好!
以上阅读部分是节选自我的作品《力子论》中的部分章节,有关“场”“力”等内容的章节尚未上网。《力子论》完成于十五年前,十分感谢您的阅读,并请提出宝贵意见。
作者姓名,地址如下:
262128
山东省安丘市大盛镇黑山山庄 李中刚
致礼
李中刚
2005-3-9
力子论要推翻相对论?
内容简介:
力子论倡导了纯物理观念,强调不以数学角度看待物理问题,提出了“力子”概念,认为“力子”是能量、物质,力的基础,并且重新对速度作了定义,认为速度是一种单纯的质量关系。通过力子论推导出来的公式的计算结果,竟然与《相对论》公式的计算结果完全相同!《力子论》对物质、能量、速度、力、场、热等的诠释,必将撼动整个物理学的根基!
力子论
李中刚
一、引言
自从18世纪牛顿力学建立以后,物理学迅速发展,由于在物理学领域中的指导作用和在工程枝术中的应用成功,使得牛顿力学成为经典物理学的基础。
在19世纪60年代以前,物理学界普遍存在着这样一种思想:认为物理学中—切基本的原则问题在牛顿力学基础上都已经解决了,没有牛顿力学所解释不了的现象。如果有些问题还没有弄清楚。那只是由于人们还没有找到那种现象的力学机制而已。著名物理学家威廉·汤姆逊在1900年元旦献辞中曾讲过这样的话:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做—些零碎的修补工作就行了…… 在物理学的太空,—切都已明朗洁净了……只剩下两朵乌云,一朵乌云是和迈克尔逊·莫雷实验有关,一朵乌云则和黑体辐射有关。”
然而这两朵乌云却孕育着物理学革命的暴风雨,正是在研究这两朵乌云的基础上,建立了著名的“相对论”和“量子论”。
爱因斯坦在研究麦克斯韦电磁方程组和迈克尔逊·莫雷突验的基础上,提出了光速不变原理,并进—步研究发展,建立了“狭义相对论”,从而打破了经典物理学的“绝对时空观”的框架.
普朗克在研究黑体辐射的基础上,提出了量子理论,后经薛定谔、海森堡等人的研究发展形成了“量子力学”。此后又逐步建立了“量子物理学“,使人们对物质结构及其运动规律有了更加深刻的认识。
“相对论”与“量子论”,形成了现代物理学的两大基础,是继牛顿力学以后的又—次物理学发展高潮,使人们对物理学各方面的研究得以飞速发展。但是,包括相对论与量子论在内的现代理论,往往是数学性太强,它们是依赖严密的数学推理而建立的,是很成功的“数学模型”,却不能给我们提供—个直观的物理图景.
可以说,现代物理学中许多理论只是—种良好的数学近似,以它们为基础的许多分支因此出现了—种难以再前进的局面。如果物理学再无大的突破,仅仅满足于数学模型的修饰及应用,势必影响整个物理学乃至整个科学的发展进程,然而这个问题并非每个科学工作者都已经意识到了。许多人只着迷于自己研究项目的苑囿而不考虑所负的历史责任,而物理学上的大的突破,恰恰是需要许多人共同奋斗才能完成的。
很久以前,我就开始考虑这个问题,也形成了一些极其零碎的看法,而数学这个工具,却不是我唯一依赖的。这是因为,如果我们在思维上只依赖数学,就会使许多物理问题滑入数字所早已确定的数学轨道。因此我不能不将目光投向原始的物理田地,才发现人们在这里只留下了古人的足迹,而后辈中的大多数人往往在数学大道上奔驰,他们飞速地靠近了目标,却有—层薄雾阻隔,或者说,他们并不愿离开数学大道走过去。我想,如果有现代工具的现代人到纯物理田地里去,物理田地会结出多么丰硕的果实!
在原始物理田地里,留下了古中国人的足迹,也留下了古希腊古罗马人的足迹,还留下中世纪欧洲人的足迹,这些都是不可磨灭的。
我决意到纯物理田地去,沿着古人的足迹重新探求,也就是用简单纯朴的目光重新审视世间万物,正本清源地去思考质量是什么,而不是考虑质量如何测量及起什么作用,还要去思考力是什么,能量是什么,速度是什么,等等,因为物理学开始时人类首先问的就是这些问题,这是物理学的骨骼。我痛苦地发现我们的现代知识常常是东扯西谈,才把答案拢在—个小范围内,而最终并未能指出它到底是什么。从这里也看出我们的物理学并非已经完善到无事可做的地步。当然,我对现代物理丝毫没有不满情绪,因为作为一个后辈科学研究者,只有完善它的义务,而无苛求它的权利。我仅是对有人满足于物理数学化表示遗憾而已,同时对时空问题略感忧虑。
就这样,自从我在思考“力的统一问题”时提出了“力子”的概念后,—幅明朗的物理图景展现在我的眼前,我惊讶于它本质上的简单,以及现象上的纷繁芜杂。这就是力子论的产生。
象认识光本质的曲折历史—样,力子论在古代曾多次萌芽,然而总是由于本身的时代局限性而夭折,但是它们的纯物理方法却功不可灭。著名哲学家亚里士多德曾指出物体的运动是由于力的作用,过去欧洲人认为热是由于有热质这种东西,燃烧是由于有燃素,古中国人认为是阴阳二气生五行、八卦,以至产生了世界,等等,我们今天都——指明了他们的错误,并分别提出了惯性、能量、化学反应,元素这些新概念,我们的做法似乎无可指责,但是我总觉得古人的意思、还广泛一些,而我们仅仅解释了其中的—点就匆匆否定了它们可能过于简单和自负。
当然,力子论不是什么热质说,它是在现代科学的基础上产生的。令人惊喜的是自始至终它不但没有推翻现代科学的用意,而且证明了现代科学在一定范围内是正确的,它本来就是为完善现代物理学而产生的现代理论。
总之,在知识爆炸的今天,我们反而需要重燃孩提时代那种对世界的新鲜感和惊异,用独到而且富有想象力的方式思考事物,而不为现有的知识所束缚,不为既定的行为方式所束缚,也不为既定的思维方式所束缚,那么,我们才会保持自己独特的创造力,才能对科学事业作出一点贡献。如果我们亿万人都用同一种知识、用同一种思维方式去思考,那么,我们只能是重复一条老路。没有放弃,就没有所得,假如我们暂时放下自己所学的那几种对客观世界的说教,那么,我们会怎样重新看待客观世界?在我们的一生中,应该经常地去体会这种感觉。新路,就是这样趟出来的。
二、力子论
(一)物质与能量的关系
随着物理学的发展,特别是十九世纪以来生产和科学技术的发展,物质与能量之间关系密切的事实渐渐为人们所了解。如高速运动的电子的质量随着速度的增大而增大等等。
这些事实,经典力学无法加以说明,经典力学的理论与实验事实之间发生了矛盾。在这种情况下,著名物理学家爱因斯坦在二十世纪初提出了狭义相对论,成为现代物理学的开端。狭义相对论从根本上改变了我们通常对空间和时间的看法,提出了一种新的时空观。从经典力学看来,物体的长度和时间间隔跟物体运动的速度没有关系,相对论却指明了它们跟速度的密切关系。相对论还指出,物体的质量不是固定不变的,它随着物体运动速度的增大而增大。设m。为物体静止质量,那么物体以速度V运动时,它的质量m可以根据相对论力学的公式计算出来,
因此,经典力学是相对论力学在低速时的良好的近似。由于速度增加,质量与动能都增加,而质量增加与动能增加是密不可分的。
再譬如原子核的质量亏损现象。核子结合成原子核时要放出结合能,原子核的能量要比组成核的核子的能量小,原子核的质量也比组成核的核子的质量小。爱因斯坦从相对论得出质量和能量间有下述关系
E=mc2
这个方程叫质能方程。这个方程表明,物体的质量跟它的能量有一定的联系:物体的能量跟它的质量成正比。如果物体的质量增加△m,物体的能量也相应增加△E,反过来也一样。事实上,这个方程也是与实验相符的。
总之,今天我们对质量与能量的密切关系的认识,已经很充分了。
(二)质量与能量的分析
在物理学中,质量与能量的定义是有天渊之别的。质量的定义是物体所含物质的多少,能量的定义是,如果一个物体能够对外界做功,我们就说这个物体具有能量。那么,质量与能量的密切关系又是怎么回事呢?为什么运动物体的质量(如高速运动的电子的质量)随着速度的增加而增加呢?
经典力学无法加以说明。二十世纪初,著名的物理学家爱因斯坦提出了狭义相对论,成为现代物理的开端。爱因斯坦否定了神圣不可侵犯的绝对时空观,认为时间与空间并非绝对的,必须统一为“四维”时空来处理,从根本上改变了我们对时间和空间的看法,指出了物体的长度、时间、质量跟运动速度之间的密切关系,并认为时空取决于物质本身的分布。总之,爱因斯坦是通过改变时空观去解决问题的。
对质量随速度变化这一问题,力子论不走研究时空这个方向,而是注重质量增加与能量增加的关系,走研究物质与能量关系这一方向。认为能量增加与质量增加之间是等同关系。
从本质上说,物质与能量是统一的。在物质与能量的统一中,需要提出“力子”这一概念。这个概念的含义是,物质和能量,只是力子在不同时期的表现,单纯的力子就是能量,力子按一定的方式结合起来就形成了物质,总之,世界本质上是由力子构成的。这样,对许多问题都能做出圆满的解释。譬如物体的质量随着运动速度的增加而增加这个问题,用力子的观点解释可以很明白:速度增大,动能增加,也就是物体总的力子的量增加;而力子的增加,这本身又是物质的增加,因而质量也增加。当然,这仅是个简略的说明。再譬如,质量亏损现象用力子的观点也可以解释:核子的组成物质有一部分解析为能量,即单纯的力子。力子的总量减少,因此,放出能量后发生质量亏损的现象。
那么,这力子的性质有哪些呢?
1、 物体间力的作用,是力子的一种性质。顾名思义,力就是一个力子或一定条件下众多力子的性质。譬如物体做匀加速直线运动时,外力的作用就是由众多的力子不断进入物体的过程中表现出来的性质。每个力子的力的性质,是力的最小单位。
2、 力子就是能量。单个力子是能量的最小单位。
3、 力子在一定条件下按一定的方式结合起来,就形成了物质。力子结合成力子网络后,一般不表现力的性质,但是力子网络拆开或组合时能够吸收或放出力子(即能量)。因此物质可以叫做力子网。
4、 力子的许多性质是有方向的。力子总是直线前进,速度等于光速。因为光子是力子暂时组合起来的力子集体,所以光速实际上叫力子速度更恰当。这是最纯粹最基本的速度,也是宇宙中最大的速度,数值规定为1。
5、 力子也是质量的最小单位。
6、 力子组成力子网必须有一定条件。
力子是宇宙中最基本和最小的单位,所以说一切都是力子组成的。但是,力子是不能直接观察到的,力子实在是小到极点了。
总之,力子要么以一定的存在方式(如聚集成光子)以光速的速度(光速实际就是力子的速度)沿直线前进下去,要么遇到力子网后结合进去,形成新的力子网,即物质。也就是说,力子有结合成力子网的趋势。
宇宙只有力子而没有力子网的话,是非常单调的,原始宇宙可能如此,但是自从力子组成了力子网后,宇宙变得绚丽多彩。力子首先组成了一些基础的力子网,即许许多多的微观粒子,它们是相对稳定的,继而微粒子之间以及力子进一步作用,组成了原子、分子等等的力子网。各种复杂的力子网联系在一起,就构成了统一的物质世界。
力子网的性质与力子的性质迥然不同,变得更加复杂,突出表现在几个方面:
1、力子网可以拆开或组合,可以吸收或放出力子,但系统内力子总量恒定。
2、 力子网可以传递力子,但是当它不足以传递大量力子,又不足以反射这些力子时,会受到破坏,以便形成新力子网来适应大量力子的传递、反射,或者在形成新力子网的过程中吸收力子或放出力子。
3、 质量就是组成力子网的力子总量。在相同的受力条件下,质量相同,吸收的外力的力子量也是相同的。
4、 作用于物体的有一定顺序和规律的力子,我们把它们叫做有序力子;如果众多力子无规律地作用于物体,则是无序力子。虽然有序力子与无序力子进入物体后都形成新力子网。但是它们的宏观表现是不同的,譬如动能是有序力子形成的,热能是无序力子形成的。
因此,能量守恒定律和质量守恒定律的实质都是力子总量不变,这是很简单明了的。同时,我们认识到质量的实质是:力子网所含力子的多少。这样,我们对质量是物质本身的一种属性也好理解了。但是,从后面的力子理论我们可以知道,质量要随着速度、温度的变化而变化,因为速度和温度的变化都是由力子的增减所决定,当然,一般情况下,我们觉察不到这种变化,这些增减的力子的量与物体本身原来所含的力子的量相比较,实在是太小了!
物质与能量是统一的,力了既是能量的最小单位,又是物质的唯一组成材料,力子网所含力子的多少就是质量。那么,能量与质量的度量单位也应该是统一的,都是用来表示力子的量的多少。因此,我们现在使用的质量单位是可以兼用作能量度量单位的。
总之,统一了单位后,能量和质量可以相加减,譬如,一个静止质量是m。的物体的动能是Q,则它运动时准确的质量就是:
m=m。+Q
力子论对一些物理问题的解释是比较直观的。例如:用能量是2.22兆电子伏的Y光子照射氘核(它是由一个质子和一个中子组成的),可以使它分解为质子和中子,这时的核反应方程是
相反的过程也发生,一个质子和一个中子结合成氘核,要放出2.22兆电子伏的能量,这个能量以Y光子的形式辐射出去,这时核反应方程是:
在力子论看来,这两个核反应的不同,仅仅是力子前后组合形式不同而已,但前后的力子总量始终是相等的,即
力子论认为,一对正反粒子相遇时会同时消失而转化为别种粒子的湮灭现象,也是力子前后的组合形式不同而已,但力子总量前后总是相等的。例如,一个正电子和一个电子相遇会发生湮灭而转化一对光子:
力子论认为,组成正负电子的力子在这对电子拆散后立即组成了一对光子。这个例子在一定程度上说明,能量和质量是统一的,物质和能量是力子的不同的表现形式。再如,1.02兆电子伏的力子量,既可以构成一个1.02兆电子伏的光子,也可以构成两个正负电子,即
等号两边都是1.02兆电子伏,或者说1.8×10-30千克。
光子是力子的暂时聚合体,要么转化为力子网(如电子)静止存在,要么以固有的光速前进下去,光子不能静止存在。光子含有的力子量大,光子质量就大,即能量也大,反之,就小,但速度是一定的。
(三)速度的实质
对原始宇宙来说,只有力子;无数的力子以光速向各方向运动。光速运动是力子本身的一种性质,因此速度这个概念在那时是没有什么实际意义的。
物质形成后,宇宙中产生了各种各样的运动。机械运动是宇宙中最普遍的现象。机械运动有一个基本的问题需要首先弄清楚,这就是“物体运动的原因是什么?”
两千多年前,古希腊哲学家亚里士多德认为,力是维持物体运动的原因。这个说法一直沿用到了十七世纪,才被意大利著名物理学家伽利略指出了错误。
在今天,如果有谁再持亚里士多德的观点,我们会异口同声地反驳他:“不对!惯性才是维持物体运动的原因!”这种说法是正确的。不过,如果我们使两个相同的物体一个做匀速直线运动,一个静止,那么这两个物体的不同之处是什么呢?也就是说,是哪点不同之处导致了它们的运动状态的不同呢?
匀速直线运动和静止都是由惯性保持的,但是运动状态却不同,因此这两个物体理所当然有不同之处。它们有哪些不同呢?我们知道,这两个物体的速度不同:静止物体的速度是零,运动物体的速度不是零;它们的动能不同:一个是零另一个不是零;它们的质量也由相同变得不同:静止物体的质量不变,运动物体的质量变大,因为它有了动能,用力子论的观点看来,能量与物质是统一的,所以它的质量变为m=m。+Q
进入了一些力子,形成了新的力子网,质量变大,这就是运动物体与静止物体的根本不同之处。如果清除了进入的力子,这两个物体又会变得相同:速度都是零,动能都是零,质量都相同。总之,由于进入了力子,两个物体的力子网有了不同之处,因此性质也不同,一个有运动的性质,另一个有静止的性质。
那些力子有顺序地进入物体之中,与物体原有的力子网一起形成新的力子网,新的力子网的性质与静止物体的性质不再相同,因此,进入的力子是物体运动的因素。
有序力子作为能量进入物体后,在物体本身的力子网基础上组成了新的部分,虽然不如物体本身的力子网稳固,但是也成了物体的一部分。我们往往把这部分新力子网所含的力子叫做动能,在一定条件下,它们很容易拆散转移。
由力子的性质知道,力子是有方向的和做直线运动的,物体由静止变得直线运动,从无方向到有方向,这只能由力子的性质决定。在无外力影响的情况下,物体运动的速度与进入的有序力子的量有关系,只要力子量不变化,运动物体的力子网便保持不变,既然结构不变那么性质也不变,也就是说速度大小和方向也保持不变,所以物体将做匀速直线运动。
总之,运动和静止都是力子网结构所决定的性质。速度的大小与进入的力子的量有关系。
既然速度是物体力子网的一种性质,速度的大小由有序力子的量决定,速度的方向也由力子的方向决定,那么,如何计算和度量速度的大小呢?
因为速度的大小由有序力子的量决定,而且力子的量又是质量,所以速度要用质量来计算和度量。当然,用能量来计算和度量也是可以的,不过,统一用质量更合适一些,更简便一些。
在探讨速度公式之前,我们先把质量与能量的度量单位协调一下,把速度的单位规定一下。我们把质量的单位千克规定为质量和能量共同的基本单位,能量单位焦耳与基本单位千克的换算关系是这样的:1千克的力子分成(300000000×300000000)等份,每一份力子就是1焦耳的能量,即
1千克=1焦耳×3000000002
在遇到其它单位时都要换算成基本单位,其中(3×108)2就是光速用米/秒度量时数值的平方,这个换算关系将要在后面证明。同时我们规定力子的速度(即光速)为速度的基本单位,数值是1,其它的速度单位都换算成基本单位,如:
3×107米/秒=0.1 300000000米/秒=1
现在我们来探讨速度公式。
我们如何用质量来表示速度呢?我们知道运动物体的质量m含有静止质量m。与进入的力子Q两部分,即m=m。+Q,因此,我们只能用这几个质量来表示速度。Q的单位是千克,与m和m。单位一致。
力子论认为,物体的速度是物体动能Q与物体所含力子总量(m。+Q)的比值,近似于“浓度”的概念,是物体力子网取得该能量后的一种性质,是质量与质量之间的关系,与其它无关,即“能量力子浓度”大了,速度也变大;反之,速度变小。
所以
X是系数。考虑到这个比值不可能是单纯的,因此需要一个系数X。从这个速度公式可以看出,M。一定时,物体内进入的力子多,速度就变大;反之,速度就小。
在牛顿力学中的公式 中,如果将能量E转化为Q,结果会怎样呢?
这个公式是有局限性的,在高速运动时,这个公式与实验事实有矛盾。
与高速运动时实验事实有哪些矛盾呢?力子论认为,原始宇宙只有力子,光速运动是力子的一种性质,力子是力、质量、能量、速度的基础,在轰然形成的新世界中,速度不再是单一的光速了,而是产生了快慢不同的速度,有序力子与物体力子网结合成的新力子网的速度比单纯力子的速度要慢,至于原因,用大众的口语来讲,就是力子受了力子网的拖累,力子网受了力子的帮助,才一起用介于光速和静止之间的速度前进。宇宙中的最大速度是单纯力子的速度,数值上等于光速,我们规定它为速度的基本单位,数值就是1。而公式 中,如果Q大于 ,通过公式计算出的速度值将大于1,这显然是错误的。因为实际情况是,由于静止质量m。的影响,V必然小于1。
所以,速度公式至少必须具备如下条件:
(1) Q=0时,V=0。
(2)m。=0,Q>0时,V=1
(3)m。≠0,Q>0时,V随着Q的增大而增大,但总小于1;V随着Q的减小而减小,但总大于0,即0<V<1。
因此, 是不适合上述条件的;适合上述条件的公式有很多,如:
其中,Q与m。用千克作单位;V用光速C=1作单位;a、b等都必须是某数与Q的积或幂,以保证Q=0时a=0,b=0……从而使V=0。
现在,我们要求速度公式 也符合上述所有条件,同时要求V1=V2,于是构成下列式子:
V1式与V2式要等量变形为相似的式子,才能表示出X。
所以,力子论的速度公式是如下式子,并且因与事实相符而确定:
与之等效的有:
从 可以看出,速度是Q占(m。+Q)的某种比值,是一种质量关系,近似于“浓度”概念。
总之,经过上面的简要论证以及未在这里叙述的更复杂,艰难的工作,力子论最终用质量来表达了速度公式,可见,速度仅仅是质量与质量间的关系,是物质力子网本身的一种性质,在不受外界影响的理想条件下,与时间、长度等没有任何关系,即与时空没有关系。这与传统的速度(位移/时间)观点不同。
这就是力子论得出的速度公式,它用力子的量表达了力子和力子网本身的一种性质——速度。传统的速度概念仅是一种计算方法。力子论告诉了我们:宇宙是力子构成的。那么,对宇宙本身来说,只有力子的量的变化才叫变化——但是宇宙的力子总量并不变化,因此宇宙始终不变。而对我们人类来说,宇宙时刻不停地在变,因为我们依赖的东西都在变化。这表明我们人类非常注重它们的性质,而且发现世界上有无数的性质,其实,各种性质都是力子的性质的延伸。这个说法,我们要在后面进一步论述。
从力子论最终确定的速度公式 可得到几个推论:
动能公式:
等表达式子。
可以看出,在低速时,m≈m。,则 ,这就是说在低速时经典力学已经足够准确了,经典力学是在宏观低速的基础上总结出来的客观世界的良好近似。另外,当m。=0,m≠0时,Q=mv2,即光速状态时Q=mc2。
由于涉及到了能量,现在我们来探讨一下能量单位问题。
前面我们曾提出了能量单位千克与焦耳的换算关系:1千克=1焦耳×3000000002,这个关系是怎样得出的呢?
力子论的能量基本单位是千克,实际上这个单位是非常大的,即使是 千克,也是很可观的。现在假设有一个静止质量为1千克的物体,进入了 千克的能量,现在它的运动速度有多大?动能用焦耳表示是多少?推导出来看一看:
首先求出运动速度
即 米/秒,在这个速度时可以用经典力学的动能公式求动能:
可见万分之一千克也实在是太大了!如果我们把1千克分成份数是光速数值的平方那么多份,每一份是多少焦耳呢?光速用米/秒度量。让我们看一下:
即 米/秒,动能可以用经典力学求:
因此,1千克的C2份之一含的力子量与1焦耳所含的力子量相当,用式子表达就是,
1千克=1焦耳×3000000002
同样可以知道,2千克时,E2=1焦耳×C2×2 3千克时,E3=1焦耳×C2×3,……
因此可以总结出如下公式,这是生产中需要的转换式E=mc2焦耳
其中,m、c都是只取数值不取单位;结果取单位焦耳。公式中的m是用基本单位度量得出的数值,C是用米/秒度量的光速数值
以上的计算和说明,不但初步论证了力子论的单位换算问题,而且从力子论的角度得到了质能方程和解释了相对论中质能方程的实质,在力子论中,质能方程不过是一个单位转换的式子,而在相对论中却是个很重要的基础关系式。
从以上叙述我们看出,质量和能量用千克作度量单位,速度用光速1作单位,是非常合理的,这些是真正的基本单位。但是由于我们人类以及其他生物是弱小的,日常接触的质量能量速度都很小,是不便用真正的基本单位的。因此,我们平常都使用很小的单位,这些小单位优点是很适合我们人类的生活,但是埋没了宇宙的规律,使宇宙简单的关系变得复杂而且不统一。当然,这是不能苛求的,因为这些单位都是方便生活而创造的。
说到这里,我想简单地谈一谈力子论与经典力学和相对论力学的关系。
总起来说,力子论与两者都有相同之处,又有不同之处。首先是力子论对经典力学的绝对时空观很赞赏;不过,力子论反对相对时空观。
时间和长度是人类创造的两个概念,准确地说,是智慧的产物。人类的概念,都是为了生活需要而创造的。这两个概念描述的是什么?它们的实质是什么?
月有圆缺,日有朝夕,人也有从少到老的过程,人们知道,运动是绝对的。静止是相对的。但是,运动是复杂的,有的快、有的慢,有的明显有的不明显,在生活中为了描述、比较、记忆运动,人类必须找出一个运动的标准,于是,地球自转一周叫一天,月球绕地球一周叫一月,地球公转一周叫一年,在要求更高的时候,还使用时、分、秒等等。总之,时间是描述比较和记忆运动的概念,它以一种运动为标准去描述别的运动。规定了标准,就可以精确地描述各种运动了。同样道理,长度是用来描述、比较和记忆其它长度的。它们都是理想的和规定的。
对我们人来说,时间的方向性是明显的,这是人类的记忆的需要。譬如我们知道唐宋元明清是按顺序一条线排列下来的五个朝代,因此,我们会觉得有一条时间轴,即四维理论的时间轴,但是,时间仅是我们人类规定的一种描述比较和记忆运动的概念,对宇宙来说,任何运动都不过是能量与物质的改变,即力子的转移,但宇宙的力子总量不变。唐朝的世界是这些力子构成的,今天的世界同样也是这些力子构成的,甚至说,这些力子构成过唐朝时的世界与没有构成过唐朝时的世界对宇宙和力子来说都无所谓,反正这些力子还是这些力子,以前构成过什么世界,与今天一点关系都没有。今天就只有今天,这一时刻就只有这一时刻,以前的日子和时刻都无意义。总之,时间是人对运动,即对力子转移等状况进行记忆、比较、描述时创造出的概念,是为适应生活需要而创造的,对宇宙来说是无意义的。
一切运动都是由力子造成的,我们所谓的时间轴上的运动,不过是其它三维上的运动的概括,是三维上力子转移等状况的概括,物质世界不存在什么第四维时间轴。速度是物质的一种性质,也是由在三维上运动的力子所决定,与人类创造出的概念“时间”没有任何关系。我们不能把速度和时间联系起来。长度同样是如此,只是对人类有意义,因为长度也是规定的一种理想和固定的标准。总之,只承认人的认识上有第四维,而不承认物质的运动有第四维,也就是说,物质世界没有第四维。
因此,经典力学的优点是持绝对时空观,但是没有考虑到运动物体的质量随速度的变化而变化等事实;相对论力学考虑到了这个事实是个进步,但是,它反对绝对时空观,把问题归纳为不同速度的情况下的时空不一样,这是力子论所不赞同的,因为物质世界不存在时间轴问题,时间轴只是个意识中的问题。相对时空观仅是解决问题的工具。
按相对论的观点,一个人乘坐光速飞船可以回到古代,时光可以倒流,再回到现实中时,父亲的年龄将比儿子年龄小,这些话,也不应被相信。力子论认为,一个人要想回到古代去参观倒也是可以的,比如回到唐朝的某一时刻,但是必须把宇宙的力子分布变得象唐朝那一时刻的力子分布一模一样,完全相同。唐朝的那一时刻有多少人多少物如何分布、气候地理政治经济军事如何,总之,从每个人的思维到星辰太空,一切都得与那时一样,然后再把这个想去唐朝的人放进去——就是说,把今天的世界毁灭,用这些力子重新制造唐朝的世界。甚至说,把这个想去唐朝游览观光的人也不能留下,也要把他转化成唐朝那一时刻的东西。因为,这个人是由力子组成的,而宇宙的力子总量又恒定,若是他留下来,重新制造唐朝时宇宙就会少一些力子,因而不能造得与历史上那一时刻的唐朝一模一样。当然,这是些离题较远的闲谈,也是对爱因斯坦的相对时空观以及衍生出的“时光倒流、停止”“时间隧道”等观念深入人心表示深深的忧虑。
不过,从另一个方面说,由于物质分布和结构的确定性,物质运动也就有一定的必然性,也就是说,今天的状况决定了以后必然是某种状况。如果力子转化为力子网的速度大于力子网转化为力子的速度,那么宇宙将逐渐变冷。
现在再谈谈公式方面的问题。经典力学的许多公式由于没有考虑到质量会随速度等状态的变化而变化,因而只适用于低速状态,譬如动能定理 ,等等。当然,即使把涉及的质量都用(m。+Q)代替也不行,因为这两个理论建立的基础并不相同,它们之间并不能庸俗地折中、调和、统一,况且,只把质量换成(m。+Q)计算出的数值与力子论计算出的数值也不同。
而相对论力学走的是改革时空观念的道路,因而与力子论有许多不同之处。
力子论认为,物体运动质量增加是由于进入了力子核的质量亏损是由于减少了力子。这与相对论是没有共同点的。
先看一看力子论与相对论的公式之间的关系。
我们用二者的公式分别计算同一问题,看各自计算出结果有何联系。
假设有一个物体m。=1,高速运动时质量增加了0.25,即Q=0.25,计算速度V是多少。
用力子论的速度公式计算如下:
用相对论有关公式计算,同样
V=0.6C
我们发现,二者的计算结果相同。换其它问题依然。力子论与相对论的理论依据不同。力子论以“力子”概念为基础,在公式推导上以“浓度”概念为参考,结合物理事实直接而且首先推导出了速度公式。而相对论以相对时空观为基础,在速度公式及质量公式推导中,首先研究的是复杂的时间关系,然后才推导出有关公式。在公式计算结果相同这一问题上,我认为并非巧合,而是对同一物理世界,同一问题力子论与相对论从不同角度,以不同方式进行了不同的描述。到底谁离真正的物理世界更近?谁离真理更近?这个问题不好评论。但是,从“美”的角度来说,每个人都可以发表自己的看法。力子论给人一种“简单美”,在描述物理世界方面,力子论理论要直接、直观一些,简单朴实一些,其时空观近似于绝对时空观,也易懂一些。而相对论给人一种“复杂美”,具有复杂抽象的时空观,其理论高度抽象化,数学模拟化,一般人不易懂,但其深奥的理论,复杂的时空观会给人无穷的想象,近一世纪以来,深深影响了科学,文学以至人类生活的方方面面。
以简单明了为美,还是以复杂深奥为美呢?在一般的情况下,每个人有每个人的习惯。我认为如果将来物理学发展到简单无比,没上过学的人也能听懂,那将是至真至纯的物理,也是最大的进步。如果将来的物理发展到复杂无比,一个人从小学中学至大学,研究生直至博士,甚至穷其一生都学不完,学不懂,那将是不可想象的。
很明显,客观世界是唯一的,任何一种理论仅仅是对其的一种描述,有如你戴红色眼镜或蓝色眼镜都能看清一个物体的轮廓,但远远不能描述真正的物体一样。如果对于一个复杂的个体,那么描述更是各不相同,对于物理理论,或推之于所有科学理论,最终要看它是否与事实相符,这就是检验一个科学理论正确与否的最后标准。
对于相对论而言,最初没几个人相信,但因其与事实相符,及其在物理学领域中的指导作用和在工程技术中的应用成功,人们便放弃了自己对它的怀疑。但有些人反过来嘲笑那些当初怀疑相对论的人,我觉得是不应该的。我认为当初抱怀疑态度是对的,能够终生坚持自己的立场的人更是可敬——虽然几乎没有。而那些迅速丢掉自己的立场,五十步笑百步是不好的。但是另一方面,对一个新理论过分苛求,无视它对科学事业的推动,思想守旧,知识贫乏,甚至因个人利益而恶意中伤,人身攻击,则不在科学地怀疑之列。因此,怀疑一个新理论,象创立一个新理论一样,也要有科学的思维,科学的方法,科学的态度。对于都符合事实的理论,不要急于分出谁对谁错,或许仅是红眼镜、蓝眼镜的区别。
但两种理论的区别总是有的,从甲地到乙地,我们总希望走最近的路,这里有个科学上普遍适用的“节俭律”的问题,这条定律的定义在于说明,最可能,最简单,最节俭的问题的解释就是最好的解释,除非有证据证明这种最简单的解释是错误的。有时这条定律也叫“奥坎姆剃刀”是根据14世纪的一位哲学家兼神学家威廉·奥坎姆命名的。例如,一阵风吹落了你戴的帽子,让我们举出两种解释来说明帽子随后的遭遇,第一,帽子落在地上了,第二,帽子落地的一刹那,恰好一只鸟飞过来叼走了。显然,我们将选择前者。
理论物理很大程度上是建立在理想实验的基础上的,其中科学的思维,科学的态度,科学的方法更显得重要。如果一个人声称自己是在揭示科学奥秘而又不采用科学的思维、科学的态度科学的方法的话,那么他的努力的结果就将适得其反,随之而来的结论,只能将自己和他人带进非理性的领域。理论,必须以事实为基础。
“如无必要,勿增实体”,但对力子论而言,看似提出“力子”新概念,但实际上是统一了或替代了“质量”和“能量”两个概念,使物理学更加简洁易懂,给我们提供了一个直观的物理图景,这比改变我们的时空观,提出一大堆复杂的理论,创造许多新概念要省事的多了。总之,力子论与相对论区别在于,力子论是建立在“力子”这种粒子概念基础上的一个直观的物理图景,而相对论是靠演绎法建立起来的数学化物理作品。我相信数学是一门严谨的科学,也相信物理学离不开数学的帮助,但是物理世界不能完全靠数学来思维,否则,我们对真实的物理世界的思维就可能完全滑进既定的思维方式,受数字束缚,甚至可能成为数字游戏。因此,物理学不仅需要数学天才,还需要艺术家般的直观洞察力。
当然,任何一种理论都不是真理,都离不开修正和补充,这个过程并不仅仅是几年,几十年,也不仅仅是由一个人或几个人来完成的。对一个新的学说,不管对与不对,都应受到欢迎,因为它促进思考、辩论或探讨,从而促进科学的发展,每一个理论,都是使科学之火熊熊燃烧的木柴。如果一个学说发表后,出现两个阵营,一个阵营是不顾该学说的有益之处而采用嘲笑策略的全盘怀疑者,另一个阵营是不顾该学说的错误之处全盘维护,两者都根据自己的偏向或利益或面子来看待对方的不同意见,有时,业余爱好者认为内行专家们是在维护科学上的教条,思想僵化;另一方面,专家们也经常指责自己的对手们并非正统,不懂科学及研究方式,并随意抓住几个对方因不内行而出现的常识性错误并添油加醋地大肆嘲弄.但即使不存在偏见,也够复杂的,双方内部观点,还有许多差异.业余爱好者不一定是不科学的.专家和博士头衔不一定能代表科学.当然,谁属于哪一方面也不一定.但我认为,这两个阵营的做法都是不妥当的. 另外,还有一些模糊的感觉也不好表达,比如,在静止时空下研究一个变量,和在相对时空下研究一个不变量,或者说,您静止地站着研究一列跑着的火车,和您跑着研究一列静止的火车,效果也许差不多吧?但事实上,到底是火车跑呢?还是您在跑呢?为了研究火车跑的情况,您让火车静止,让自己沿火车跑,效果也许差不多,但是您不会这样做的,因为这样做不符合”节俭律”.所以,我觉得,在静止时空下(或者说绝对时空)解决不了问题时就创造个相对时空来解决问题的方法,虽然巧妙,但并非十全十美的,问题之一就是会产生”增根现象”,即推导出一些怪结论,又不知对错。
附页:动能公式问题
力子论的动能公式有几种形式,但 是比较实用的,它是由速度公式推导出来的。
舍去增根后
(四)关于量子力学的分析
我们首先要探讨一下光子的问题。
光子涉及的问题较多,也较复杂,其中涉及电磁场等问题,这些我们等以后再谈。现在仅独立地讨论光子的问题。
光子是单纯力子的集合体,并不是稳固的力子网,只要有条件,如光子被吸收,光子所含的力子就转移成别的形式的能量,光子就不存在了。由于它是力子集合体,它要充分体现力子的性质,要以力子的速度前进,这就是光速,光子不可能静止存在。
事实证明光子是具有波粒二象性的,其波动的特征令人费解。1900年德国物理学家普朗克在研究电磁辐射的规律时发现,只有假设电磁辐射的能量是不连续的,而是一份一份地进行的,每一份的能量是hv,其中v是辐射频率,h是一个普适恒量,理论计算的结果才会跟实验事实很好地符合,在普朗克的量子说的启发下,爱因斯坦在研究光电效应时天才地预见到光也是一份一份的,每一份光叫做一个光子,光子的能量跟它的频率成正比,即E=hv,其中h是普朗克恒量,爱因斯坦是在实验事实还不很充分地情况下作出这一判断的,但是从这个假设得出的一切结果都跟后来的实验结果相符。
从公式E=hv我们看出,光子的频率大则它的能量大,今天我们研究光子波动的原因,我们就可以反过来假设:光子的能量大则频率大,光子所含的力子是波动的根本原因,力子的量的大小是波动频率的决定因素。这就是力子论的观点。
根据力子论的观点,光子具有能量,同时就是本身具有质量,因为质量与能量是统一的,光子的能量换成焦耳单位时,同样可用如下能量转换单位时的式子: 。即然都是光子的能量式子,因此,可以写成
进一步转换可推导出
这就是光的波长公式,其实这个式子早已被人们导出了。
在光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意在1924年提出了一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子、质子、中子都有波粒=象性,他把光子的波长公式 推广到一切微观粒子上,指出具有质量m的速度v的运动粒子也具有波动性,波长公式也是 。这个公式与实验事实符合得很好。
用力子论的观点,电子、质子、中子等微观粒子的波动情况同样是由进入其中的力子的量决定的,下面我们具体探讨有关这些粒子波动情况的公式:能量公式、波长公式、频率公式。
特定的一个粒子以一定的速度的运动,其运动情况是唯一的。即能量、频率、波长等都是唯一的,因此,总可以找到一个因数H,使它与频率V的乘积等于能量Q,即
Q=HV
其中,频率 ,即 ,那么
Q=HV
=
根据力子论知道
于是, 整理可得
从中我们可以看出一个粒子(如运动电子)的动能Q等于 与频率V的乘积。即
这是一个精确计算的式子。一般地说,大体分为三类:
(1)低速运动时, ,那么
如,一个电子以8.4×106米/秒的速度运动,其动能
=3.2×10-17焦
(2)速度接近光速时,m。<<m ,那么
(3) 光子速度为c,静止质量m。=0, 那么
H=h
Q=hv
普朗克在1900年提出的量子学说所提示的内容,就是光速时H=h时的情况,这就是力子论在量子问题中的一个特例。
通过这一章及上一章可以看出,许多运动问题与新增加的力子的量有关,那些繁杂的计算以及纷繁的例证和思维过程,就不必在此罗例了。
致读者的一封信
尊敬的读者朋友:您好!
以上阅读部分是节选自我的作品《力子论》中的部分章节,有关“场”“力”等内容的章节尚未上网。《力子论》完成于十五年前,十分感谢您的阅读,并请提出宝贵意见。
作者姓名,地址如下:
262128
山东省安丘市大盛镇黑山山庄 李中刚
致礼
李中刚
2005-3-9