李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

一、电磁质量的质能方程

摘要：本文类比Einstein质能方程得到了电磁质量的质能方程，预言了新的能量来源，定性地解释了迦玛射线爆与类星体的爆炸，阐述了电磁质量的惯性与波粒二象性。

关键词：电磁质量的质能方程、迦玛射线爆、类星体的爆炸、波粒二象性、惯性

(一)、电磁质量的质能方程

能量实际上构成所有基本粒子、所有原子，从而也是万物的实质

——海森堡

根据对称的相对性与绝对性原理，反中子是电中性的,但是它与普通的中子又不完全相同。一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子，而不是一个带正电的质子。粒子和反粒子相遇时不但要发生湮没，而且还会释放出巨大的能量。反质子带负 electric charge，它的质量与质子相同。一个质子和一个中子发生热核聚变反应形成氘核时大约释放出2Mev的能量，而一个质子和一个反质子湮没时释放出的能量大约是1800Mev。由此可见，湮没释放出的能量大约是核能的一千倍。由于引力质量与电磁质量之间可以互相转化，引力质量与能量之间满足质能方程：E=m_惯性c²，因此电磁质量与能量之间应满足电能方程：E=kQc²,令Q=1C，则E=kc²(J),k≈1.16×10¹⁰kg/C.这样可将 Einstein质能方程从引力质量推广至电磁质量。由引力质量产生的能量为引力能，机械能是引力能的一部分。由电磁质量产生的能量为 电磁能量，二者可以相互转化，在转化过程中能量守恒。引力质量、电磁质量与场之间可以相互转化，能量是物质存在的基本形式，板田昌一认为“（引力）质量是能量的一种形态，它可以转化为其他形态的能量”，电磁质量与引力质量是能量的两种存在形式与度量方式。1C quantity of electricity具有能量1.044×10²⁷J，1个电子的电磁能量为1.673×10⁸J。我们可以发现电磁能是相当大的。迦玛射线是电磁波中能量最强的部分，它通常伴随着极剧烈的物理过程产生。每星期科学家们都可以检测到几次迦玛爆。这种爆发在天空中具有各向同性，但在同一位置上从不重复发生。迦玛爆会放出巨大的能量，我们至今不清楚它的产生原因。一些天文学家认为迦玛爆可能来自于银晕中的中子星，更多的人则认为迦玛爆是由距离我们极遥远的剧烈过程（中子星或黑洞之间的碰撞）产生的。李政道认为：“关于类星体，类星体的能量是太阳的10¹⁵倍，超新星的能量是太阳的10¹⁰倍。可是超新星仅有约一年的寿命。而类星体一直还在发光，它如此巨大的能量来自何处，我们不知道。” 李政道(T.D.Lee)把这个问题列为21世纪科技所面临的四大问题之一。《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：６７．类星体的能源是什么？笔者认为迦玛射线爆与类星体的能量可能是由电磁能通过某种方式转化而来。在物理学的体系中有各种各样的守恒量，如质量、电荷、自旋、动量和能量等等。在所有的物理量中只有能量是无条件守恒的，无论物体发生怎样的运动、变化和相互作用，他总是保持守恒。与能量的无条件守恒不同，质量、电荷、自旋等等的守恒是有条件的。比如在正反粒子的相互作用后所谓的质量、电荷、自旋等特性都会消失。

下面是董银利先生以匀强电场为模型来定量地解出电场的电磁质量：

设左图为一平板式电容器，两极板为边长为L的正方形，两极板间距为s，且L＞＞s，其间为匀强电场E0。假设两极板（包括电荷）的引力质量为零，当一个外力F（如上图，其方向平行于电极板，垂直于电场E0）作用于它时，它必向右以某一加速度值a做匀加速运动，因为只有这样，电容器所在空间内才能产生垂直纸面且匀速增强的磁场B，这个均匀变化的B又产生一个恒定的电场E，这个E作用于两极板的电荷，产生一个恒定的阻力f，f 的大小正比于电容器的加速度a，当a=某值时，f=F。这时电容器（实质是电场）做匀加速直线运动，其惯性质量：m_电=F/a。下面来解m_电的值。

1，运动的电场E₀（运动方向与E₀垂直）产生磁场B₀（B₀垂直于纸面)。

B₀=E₀V/C²（V为电容器的运动速度、C为常数其值与光速巧合）

即：dB/dt=E₀a/C²（a为电容器的运动加速度）--（1）

2，截面积为L×s（电极板边长×极距）的变化的B，在其边界产生一个环形E_环。

E环=（dB/dt）×（L×s）/（2L+2s）因为L＞＞s，所以E_环=（dB/dt）×s/2=E₀a/C²×s/2 -------（2）

3，m_电=F/a=f/a=2E_环q/a（q为一个电极板的电量）

把（2）式代入该式得：

m电=2（E₀a/C²×s/2）×q/a=E₀sq/C² ---------（3）

平板电容器场强E₀与电量q之间的关系为：

q=ε。E₀×L²（L²为电极板的面积）---------（4）

把（4）式代入（3）式得：

m_电=ε。E²₀L²s/C² = ε。E²₀V_e/C² （L²s=V_e为E₀的体积）

4，电场E₀的内能：W_e=qU/2=ε。E²₀V/2

所以W_e=m_电C² /2 （真正的质能方程）

我们解出的质能方程虽与狭义相对论的W=mC²不同，但能量守恒定理能证明我们的是正确的。如下：

以速度v运动的上述电容器产生的能量：

WB=ε。E²₀V_ev²/2C²，而以速度v运动的上述电场E₀的动能=m_电v²/2=ε₀E²₀V_e/2C² ，两者正好相等，并且等于外力F做的功。

通过上面的分析可知：电磁能与引力能在一定条件下可以相互转化， electric charge与electric field 在一定条件下可以相互转化，这也符合唯物辩证法的观点：矛盾着的双方依据一定的条件，各向其相反的方向转化，自然界中的物质都是互相联系着的。质量守恒定律与 electric charge守恒定律可统称为广义质量守恒定律，通过质能方程与电能方程可将广义质量守恒定律与能量守恒定律联系在一起。Maxwell^,s equation与 electric charge守恒有密切的关系。

（二）电磁质量的波粒二象性

Einstein和玻尔们虽然接受了马赫的思想，但并未充分认识经验实践主义对形而上学对立性批判的伟大意义，他们挺枪跃马冲破了形而上学重围，却在最后一道壁障前止步，仍限于微观与宏观的对立。玻尔提出了互补原理（或称并协原理），认为微观粒子具有波粒二象性，波动性和粒子性不能同时在同一实验中表现出来，只能在互斥的两类实验中分别表现出来。玻尔的互补原理参考了中国的阴阳理论，玻尔认为太极图可以图示互补性，并把太极图作为自己的徽章。其实波粒二象决不能看作是波与粒两种孤立形式放在一起，也不能认为是此时为波，彼时为粒，它是一个不可分割的整体。从局部看为粒，从整体看为波、为场。

洛伦次变换站在纯粹数学的观点来看，其实是场变换。把相对论称为场论没有错。场和波是天生的一对，场是波的运动空间，二者都是四维。当然，常见的定态场都是三维的。连续介质力学、柔性力学、结构力学、流体力学、电动力学、旧量子力学、其中的很多定态场都是三维的。自然其中的方程也就都不遵守洛伦次变换了。其中涉及到的定态波也是三维的。当然，场也可以是二维、一维的，甚至是0维的。场根据数学可以分成矢量场和标量场两大类。以经典力学的观点看，场和波是天生一对；粒子和波则是天生的对头。宏观粒子的维数最多是3；宏观波的维数最多是4。有波的存在则一定有场的存在。反之，则不一定。有粒子的存在则一定有场的存在。反之，则不一定。波和场的空间属性和时间属性都是全域性的；而粒子的空间属性和时间属性则是局域性的。以量子力学的观点看，波-粒-场三者是天生的三胞胎。空间维数都是四。有波的存在则一定有场的存在。反之，则亦然。有粒子的存在则一定有场的存在。反之，则亦然。波和场的空间属性和时间属性是全域性的也可以是局域性的；而粒子的空间属性和时间属性既可以是局域性的也可以是全域性的。不论是以经典力学的观点看，还是以量子力学的观点看，波-粒-场三者的关系是现有全部物理学所有分支的基本家当。对于电磁波、物质波，在实验上，微观与宏观没有截然的界限，也没有任何区别。对于粒子，在实验上，微观与宏观有截然的界限，区别明显。宏观粒子都是三维的性质的，没有波动性，尽管流行的做法是根据海森堡的测不准关系，说宏观粒子的波动性很小，比如，地球、太阳等等。微观粒子都是四维性质的，全部具有波-粒二象性。波动方程的经典形式为,电磁波方程 中，为定值，不存在速度迭加。

在物理学中，对于光子可以用两个重要的公式进行描述，即λ＝h/Ρ＝h/mc与ε＝mc²＝hν,其中各符号的物理意义分别是：c为光速，λ为光子的波长，ν为光子的频率，m为光子的动质量，ε为光子的能量，Ρ为光子的动量（mC）。且其中c、λ、ν的关系有：c＝λν。这两个公式的发现应归于普朗克和Einstein。1924年，法国青年物理家德布罗意（￡.debroglie），凭其独创精神把这两个公式推广到光子以外的实物粒子，认为质量为m，并以速度V运动的粒子，也有一定的波长λ和频率ν与之相应，这些量之间的关系也与光子的情况类似：Ρ＝mV＝h/λ,E＝mc²＝hν,或用相对论关系表示为：λ＝h/Ρ＝h/mυ＝h（1-υ²/c²）^1/2/ m₀υ,ν＝E/h＝mc²/h＝m₀c²/h（1-υ²/c²）^1/2,其中，E为粒子的总能，m₀为粒子的静质量，Ｐ为粒子的动量，C为光速，ν为粒子的频率等等。这种理解应该是公认的。德布罗意波公式后来为电子等粒子的衍射实验所证实，并且成为量子力学发展的基础,这也是物理学史的事实。最早验证德布罗意公式的实验是于1927年戴维孙（C.J.Davisson）和革未（L.H.Germer）做的电子在镍单晶体上的衍射实验。实验中安排Φ＝65°。当加速电势差为Ｕ＝54V时测得出现电子流的峰值。镍的晶格常数d＝9.1×10^-11（m）用布拉格公式：zdsinφ＝kλc（k＝0，1，2，3……）求得波长λ＝1.65A这与用德布罗意的波长公式λ＝h/P＝h/mυ＝h（1-υ²/c²）^1/2/ m₀v＝h/（2em₀u）^1/2求得的λ＝1.67A很接近。

物理学上波动概念一直沿用弹性介质中机械振动的传播过程所产生的现象，并以惠更斯1690年所建立的原理解释之。惠更斯原理：介质中波动传到的各点，不论在同一波阵面或不同波阵面上，都可以看作是发射子波的波源；在任一时刻，这些子波的包迹就是新的波阵面。解释了波动的折射、反射、干涉、衍射等一系列机械波动与声学的现象。并建立波动方程与能流密度方程w=ρΑ²ω²Sin²ω(t-ι/υ)，其中ρ为质量密度，Α为振动幅度，ω周期变换角速度。光是一种electromagnetic field，同时又是由光子组成，即光具有波粒二象性，说明电磁质量具有波粒二象性。现代物理学的实验表明，电子、原子、分子、质子和中子等一切微观粒子都具有波粒二象性，而且其波长、频率、动量和能量都有德布罗意关系式联系起来了，笔者认为它们只是引力质量的波粒二象性，电磁质量的波粒二象性只有在光速运动时才表现出来，引力质量具有波粒二象性说明电磁质量与引力质量具有等价性的一面。引力质量与电磁质量的波粒二象性都是粒子与空间量子相互作用的结果，或者说是相对空间与绝对空间相互作用的表现形式。苏联物理学家V.法布里康教授和他的同事们已完成了一个实验，在这个实验里观察到单电子的衍射。这充分说明电磁质量与引力质量本身具有波粒二象性，而非群体效应。

一个宏观物体的动量大于组成其微粒的De Broglio波长，广义相对论必须修正。质子与电子的电磁质量的速度为0，但是引力能量不能用hν表示。由于引力质量满足Lorentz transformation，因此波长也是一个变量，λ=h/(mv)=h(1/v²-1/c²)^0.5/m₀，速度越大，波长越短。当速度达到光速时，波长为0。这也符合量子力学的对应原理，它可以用实验证实。经典电动力学在微观领域受到局限的主要原因在于，它对带电物质的描述只反映其粒子性的一面，而对electric field的描述则只反映其波动性的一面。在量子理论中，把electric field的Maxwell^,s equation量子化后，发展为量子电动力学。目前量子电动力学对各种物理过程的理论计算和实验结果在很高精确度下相符，表明它有反映客观规律的正确性的一面。因此电磁质量具有波粒二象性。电磁质量以光速运动时，波粒二象性才表现出来。

（三）电磁质量的惯性

麦克斯韦电磁场理论建立和被赫兹电磁波实验证实之后，人们认识到电磁作用是通过场实现的，电磁场的实在性在认识上开始形成，场中不仅贮存有能量，能量的传送也是通过场来传输的，即存在能流：能流与场的动量联系在一起。人们研究电子的运动，运动电子周围存在变化的电场，变化的电场又产生磁场，两者的共存又导致存在能流和动量，它们同电子的速度平行。因此这一附加的动量意味着电子存在附加的惯性质量。有一时期，甚至有人猜测可能电子的全部质量来源于电磁场。这里第一次遇到电磁能量的惯性，提示了惯性与能量的联系。电磁质量的惯性表现为三个方面：静electric field中静电感应阻碍电通量的增加，electric field中的电阻阻碍电流的增加，场中的电磁感应阻碍磁通量的增加。电磁质量的惯性是保持电磁质量的不变。

网站简介　投稿指南　特别声明