03.04 廣義相對論和能量守恆定律衝突嗎?


兩者並不衝突。相關的文章,可以閱讀下文。會有更多啟發


“追求科學事業是需要勇敢的”,這是伽利略的一句話。我所做的思考談不上科學事業,更談不上貢獻。

我一直清晰的給自己定義是“葉公好龍”。但我所做的思考是有意義的,不去思考才是無意義的。

追求任何東西都是需要勇敢的,你一定要有這個認識。生命很短,害怕是沒有用的。我們冒著生命危險來到世界上,就意味著冒著生命危險離開世界。

所以別人眼中的我,是別人的。我自己眼中的我,才是真正的我。我們來不及做很多事,更來不及去後悔。但我乘著來得及的時候,寫今天這篇文章。該文是關於如何理解愛氏質能方程的內容。寫這一篇文章,當然是因為它和前面的很多章節是有密切聯繫的。

我希望每一個看此作品的人,都要保持懷疑態度。是因為一個人的學識有限,能力有限,想象有限。我的能力更不值得一提。即使你們面對愛因斯坦,也保持懷疑態度,是好的。最好能發現疑點,以發問的形式告訴大家。

一生很短,我們億萬人的時間加起來,也不是很長。但我們不是和時間賽跑,我們每個人都是和自己賽跑,和光速賽跑。上面的兩個圖,就是愛氏一生研究的成果。我們後背的驕傲,人類的智慧象徵!

相對比廣義相對論公式,質能方程E=MC²是很多人都熟悉的,一生至少見過一次吧。但此公式應該如何理解,包含什麼樣的深意,是我要告訴大家的。

質能方程表述如下:E=MC²。其中,E是能量,單位是焦耳(J)。M是質量,單位是千克(Kg)。C是真空中光速(m/s),c=299792458m/s

首先大家要知道的是——愛因斯坦這個公式是從狹義相對論中推得的。也就是必須基於狹義相對論的兩個前提:光速不變和狹義相對性原理。該公式表明物體相對於一個參照系靜止時仍然有能量,這是違反牛頓系統的,因為在牛頓系統中,靜止的物體是沒有能量的。這就是為什麼物體的質量被稱為靜止質量。

公式中的E可以看成是物體總能量,它與物體總質量(該質量包括靜止質量和運動所帶來的質量)成正比,只有當物體靜止時,它才與物體的(靜止)質量(牛頓系統中的'質量')成正比。這也表明物體的總質量和靜止質量不同。

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反過來講,一束光子在真空中傳播,其靜止質量是0,但由於它們有運動能量,因此它們也有質量。

愛氏質能方程,一般有以下三種表達。

表達形式1:E0=M0C2 。式中的M0為物體的靜止質量,E0為物體的靜止能量。中學物理教材中所講的質能方程含義與此表達式相同,通常簡寫為E=MC²。

表達形式2:Ev=MvC²。Mv為隨運動速度增大而增大了的質量。Ev為物體運動時的能量,即物體的靜止能量和動能之和。

表達形式3:ΔE=ΔMvC²。式中的Δm通常為物體靜止質量的變化,即質量虧損。ΔE為物體靜止能量的變化。實際上這種表達形式是表達形式1的微分形式。

注意有些術語使用中,質量單指靜止質量,因為總質量和能量是等價的概念。若m指代靜止質量,則公式應改寫為E=MC²。

而,因此, ym也就是總質量的表達式,其中 y 為洛倫茲因子。

我們都知道這個等式源於愛因斯坦對於物體慣性和它自身能量關係的研究。研究的著名結論就是物體質量實際上就是它自身能量的量度。為了便於理解此關係的重要性,可以比較一下電磁力和引力。

電磁學理論認為,能量包含於與力相關而與電荷無關的場(電場和磁場)中。在萬有引力理論中,能量包含於物質本身。因此物質質量能夠使時空扭曲。

這個方程對於原子彈的發展是關鍵性的。

物體的靜止能量是它的總內能,包括分子運動的動能、分子間相互作用的

勢能、使原子與原子結合在一起的化學能、原子內使原子核和電子結合在一起的電磁能,以及原子核內質子、中子的結合能…….物體靜止能量的揭示是相對論最重要的推論之一,它指出,靜止粒子內部仍然存在著運動。一定質量的粒子具有一定的內部運動能量,反過來,帶有一定內部運動能量的粒子就表現出有一定的慣性質量。

在基本粒子轉化過程中,有可能把粒子內部蘊藏著的全部靜止能量釋放出來,變為可以利用的動能。例如,當π介子衰變為兩個光子時,由於光子的靜止質量為零而沒有靜止能量,所以,π介子內部蘊藏著的是全部靜止能量。

守恆定律

:在一個孤立系統內,所有粒子的相對論動能與靜能之和在相互作用過程中保持不變,稱為質能守恆定律。

在相對論裡,質能公式描述了質量與能量存在固定關係。在經典力學中,質量和能量之間是相互獨立、沒有關係的,但在相對論力學中,能量和質量只不過是物體力學性質的兩個不同方面而已。這樣,在相對論中質量這一概念的外延就被大大地擴展了。

愛因斯坦指出:“如果有一物體以輻射形式放出能量ΔE,那麼它的質量就要減少

至於物體所失去的能量是否恰好變成輻射能,在這裡顯然是無關緊要的,於是我們被引到了這樣一個更加普遍的結論上來。物體的質量是它所含能量的量度。他還指出這個結果有著特殊的理論重要性,因為在這個結果中,慣性質量和能量以同一種東西的姿態出現……我們無論如何也不可能明確地區分體系的‘真實’質量和‘表現’質量。把任何慣性質量理解為能量的一種儲藏,看來要自然得多。

這樣,原來在經典力學中彼此獨立的質量守恆和能量守恆定律結合起來,成了統一的“質能守恆定律”,它充分反映了物質和運動的統一性。質能方程說明,質量和能量是不可分割而聯繫著的。一方面,任何物質系統既可用質量m來標誌它的數量,也可用能量E來標誌它的數量;另一方面,一個系統的能量減少時,其質量也相應減少,另一個系統接受而增加了能量時,其質量也相應地增加。

愛氏的貢獻不僅僅是質能方程所揭示的能量與質量的關係。更是延伸了人們對於慣性的認識。這我在此書的開頭,論證引力是慣性源泉的時候,就提到了。即能量具有慣性是愛氏的貢獻。

而我關於慣性的思考,在第四十九章,列出了以下幾點:

1、任何過程要考慮時間,考慮時間就要涉及速度。速度的上限是光速。所以慣性作用的速度也是光速。超距作用不可想象,沒有理論基礎,也沒有實質想象的實驗,包括量子糾纏也不算。

2、任何具有質量的物質具有慣性,任何具有能量的東西也具有慣性。能量本身就是具有慣性的。就說明這是一種普遍的性質。就要考慮到物質或能量的整體。而這樣東西就是時空,就是引力場。慣性與距離無關,因為這是一種性質。我們不能說A物質對B物質的慣性是多少。沒有這樣的說法。我們只是說A物質的慣性怎樣,B物質的慣性咋樣?

說慣性作用的速度是光速,是說物體抵抗運動狀態改變的速度是光速。但有一個不爭的事實是——任何時候,物體都具有慣性。也就是從某種意義上來說,任何物體在任何時刻,都處於在抵抗運動狀態改變態中,且這種反應速度是光速。就好比一個靜止的杯子,它在以“光速”保持靜止的這樣的狀態。這種思維帶來一種“變態”情況,就是任何靜止和運動的物體,都處於隱形“光速”中。所以愛氏的光速不變理論,是真理!就是這一點,才是慣性讓人難以想象的地方!但一定要明白,這種光速不變的性質是由於時空賦予的。我曾經就此寫過文章。在這裡就不展開討論了。

再重複一遍,任何物體在任何時刻,都以光速來抵抗運動狀態的改變!即都以“光速”來保持原來運動狀態的性質,就是慣性。這才是慣性的真面目!但慣性的本質是引力場,是時空。即我常說的引力是慣性的源泉。大家此刻看看愛氏質能方程E=MC²。這裡本身就包含有光速,這不是偶然。再看看E0=M0C2。靜止質量的物體也是有能量的。而且式中的的光速,是真實的!這也是我為何要一再告訴大家,重新去認識慣性,重新去理解慣性。

我們的認識還沒有完。我們很早就知道了慣性質量和引力質量相等。但很多人認為是偶然。我相信看了此書,你就不會這樣認為了。引力還是慣性的源泉,是引力質量和慣性質量相等的根本原因。

而引力的本質是時空,不是時空彎曲。那麼牛頓引力和愛氏引力理論的區別是什麼?兩者沒有對錯,但愛氏理論更徹底,適用範圍更廣。但牛頓引力是更方便我們理解的,只要上過高中,就懂了。而愛氏理論,卻不是這樣的。

我可以用一個類比,來給大家展示兩者的區別。兩者就好比點和體的區別。牛頓引力是“點”,而愛氏引力是“整體”。

3、根據上面的思考,我們可以得出。慣性大小其實和距離沒有關係。因為這是一種性質,處於引力場中的物體,都具有這種性質。你對於地球的慣性是多大,那麼對於其他星球而言也是多大。

4、引力質量和慣性質量相等的根本原因,就在於他們同屬一個體系的東西。那就是“引力理論體系”。都與引力場有關。都以質量為量化衡量的標準。慣性強調“自身”狀態是咋樣的,而引力強調“與它物”的作用狀態是咋樣的。與其他物體的作用狀態,就必須考慮距離,和引力常數。這是引力和慣性的區別。

5、所以狹義相對性原理和廣義相對性原理是沒有錯的,也是基於此的。引力場中,物體慣性的存在與參考系無關!因為慣性的“光速”作用是恆定的。所以一切座標系(包括非慣性系)都是平權的,即客觀的真實的物理規律,應該在任意座標系下均有效。我不知道愛氏本人,是否也思考到關於慣性的這點認識。但他一定是通過引力質量和慣性質量相等去認識狹義相對性原理和廣義相對性原理的。

6、而關於質量的產生,必須迴歸量子力學的相關理論。也就是說用希格斯場,希格斯機制來實現。所以整個理論體系,一定是一個圓圈。大統一理論的構想,是沒有錯的。數學家精於計算,但不一定也這樣考慮問題。所以我必須說出自己的思考,來告訴人們,簡單的物理現象中【慣性現象】,蘊含著直達宇宙真理的秘密。

我們不妨來簡單的從公式本身去認識一下。第一個問題E=MC²和E=hf本質相同嗎?質能方程中的E和普朗克公式中的E是沒有本質區別的,是相同。

大家仔細看看這幾個公式。質能方程公式E=MC²,M是質量,C是光速。普朗克公式E=nhf,n是光子個數,h是普朗克常數,f是頻率。光速公式c=fλ,f是頻率,λ是波長。而德布羅意公式λ=h/p,P=nhc/(λt)。德布羅意波長公式適用於任何物質。不論是宏觀還是微觀粒子。所以仔細看看這幾個公式,我們不難推理,宏觀到微觀理論是有聯繫,是可以串起來的。也就說宏觀物理學和量子力學是融洽的。

引力不易於融入宇宙大統一理論的本質原因,有這麼幾個。

1、對於廣義相對論的理解的偏頗。即時空彎曲不產生引力,時空才產生引力。這樣時空背景的彎曲問題就會得到解決。

2、廣義相對論是一個整體引力理論。即時空引力理論。而我們對於時空的認識還有限制。

3、一定要對於慣性有深刻的認識,才能使得物理大廈的根基牢固。

4、現在的很多理論,就是因為物理根基不牢固,而為了去填補一下假象,出現很多替代理論。其實這些替代理論,都不能代替相對論。包括弦理論,M理論之類的理論。

5、就愛氏相對論公式語言,我們都知道求解很難。還有關於希格斯場的相關質量理論,也是生澀難懂的。熟悉和貫穿此兩者理論,對於我們的統一理論至關重要。我數學不好,但你數學好。總有一天,會有一個你,會寫出這樣數學聯繫。為我們打開一扇通往宇宙的門。

一家之言,不成系統,與諸位分享,只願更多的人瞭解和知道很多先賢的研究成果。

我在寫完此文的時候,總覺得這裡面很多東西應該好好展開來說。比如德布羅意波,引力常數,普朗克常數,光速等。所以這些概念的聯繫,在我們的大腦之外,但能為我們大腦察覺。這是歷史所證明的。不要不相信巧合,不要不相信相似,物理是這樣的,人生也是這樣的。

此刻我也在聽一首歌,名字叫《最後的莫西幹戰士》。此歌沒有歌詞,嗚嗚咽咽,悽悽切切,時而緩,時而急,聽來有數不盡的悲壯。

好像可以填充很多我空白的地方,一個人畢竟是一個人。但人類的悲壯,人類的輝煌,人類的未來,就是由這一個個人組成的。

摘自獨立學者靈遁者物理科普書籍《變化》


靈遁者國學智慧


題主你好,能量守恆定律和廣義相對論是否衝突是一個值得討論的問題。對於廣義相對論來說,能量守恆定律應當改成幾何語,只有用幾何語言才能和廣義相對論相匹配。我們知道能量守恆定律對應的是場哈密頓作用量的時間平移不變性,這句話十分寬泛,適用對象也十分的多,而廣義相對論則沒有這麼寬泛!因此我們需要考慮如何從廣義相對論的背景時空裡獲得能量守恆的充分必要條件。這個條件用幾何語言描述來就是:背景時空度規存在類時基靈矢量。對於廣義相對論來說,如果不存在這樣的基靈矢量,那麼能量就一定不守恆。幸運的是,目前已經知曉的廣義相對論解都具有這樣的基靈矢量。這條定理如何證明,這裡不去討論。

對於沒有類時基靈矢量的時空,一定不存在能量守恆。而這種時空也不具有穩定性,因此這種時空至少在廣義相對論上是難以接受的。具有能量守恆定律的廣義相對論解,是很有物理味道的,也是物理學家所尋求的。但是話說回來,如何求解廣義相對論是一個一直困擾物理學家的問題。因為廣義相對論有很多解但是滿足穩態性的解並不多。這導致數學意義上的廣義相對論和能量守恆之間是存在衝突的!物理學家為此很頭疼!

在廣義相對論裡面還有一個關於能量的問題。它是關於引力場能量的問題。引力場能量的不可定域性導致我們不能用局域觀點去研究引力場的能量,但是幸運的是我們可以說引力場的總能量。對於引力場的總能量來說,是守恆的。這個結論比較強,因為引力場的總能量只能在特定條件下才能談及。其中一個條件是穩態時空,另一個條件是漸進平直。目前來說,這兩個條件對量子引力的研究也有一些啟發意義。總之,能量是一個大的話題,答案並未完全揭示。


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