解密相對論與保守力場


(一)保守力場不保守。保守力場是物理學中非常重要的一個概念:保守力場對物體所做的功與物體的運動路徑、運動狀態無關,只與物體在保守力場中起點和終點位置有關,通常認為引力場和靜電場就是保守力場。我們日常生活中都有這樣的經驗:在不考慮地球表面引力變化的情況下,可以認為重力加速度為9.8米每秒,也就是說,如果物體初速度為零或很小時其下落過程中每過一秒鐘物體下落速度就會增加9.8米;如果物體的初速度很大為每秒100公里其下落過程中每過一秒鐘物體下落速度仍然會增加9.8米;看起來物體在重力場中的速度增加與物體的運動速度無關,不管物體的運動速度多大,其在下落過程中每過一秒鐘其下落速度就會增加9.8米。把這個問題推向極限,物體在引力作用下速度會不會無限增加?如果這個問題不好回答,那麼換個角度更能看清問題的本質:當遠處星系發出的光以光速向著地球運動時,地球引力場會不會對光子做功使光子速度達到光速以上?我們認為不會,地球引力能夠使物體加速,但這個加速作用有極限值,一旦物體運動速度達到光速則不再被地球引力加速了。有沒有實驗事實支持我們的猜想?

先來看一個簡單的例子,炮彈發射是利用火藥燃燒膨脹推動炮彈做功實現的,一般情況下增加炮管的長度則炮彈的初速度也會相應增加,但是我們都知道無限增加炮管的長度並不能無限增加炮彈發射的初速度。理論上炮彈發射的最大初速度不會超過火藥燃燒膨脹的速度(而這個速度通常為幾千米每秒),當炮彈的速度達到火藥燃燒膨脹的速度時火藥燃燒膨脹將不再繼續對炮彈做功,因而炮彈的速度也就不會繼續增加了。有人指出,火藥燃燒膨脹推動炮彈做功的情形是宏觀物體中的作用情況,並不能反映微觀粒子在場中運動的情況,只有用實驗事實證明了微觀粒子粒子運動速度有極限才有說服力。下面我們就來做微觀粒子在場中運動的實驗。

(二)考夫曼實驗中電子荷質比的變化。為了更有效地研究微觀粒子,20世紀初科學家制造了迴旋加速器,帶電粒子的加速週期T=2πm/BQ。迴旋加速器最大特點就是帶電粒子在迴旋加速器中的運動週期與其運動速度無關,僅僅與帶電粒子質量、電量和磁場強度B這3個物理量有關。1901年,物理學家考夫曼用鐳放出的β射線(電子束)做實驗並首先觀察到:電子的荷質比與速度有關――電子的速度越大其荷質比越小。對於一個給定的迴旋加速器來講,其磁場強度B一定,加速週期T=2πm/BQ只與帶電粒子的質量和帶電量有關,確切地說加速週期T與帶電粒子的質量成正比、與帶電粒子的電量成反比。實驗發現隨著電子運動速度的增加其加速週期變長,造成加速週期變長只有兩種可能:一種可能是帶電粒子質量變大造成加速週期變長了,另一種可能是帶電粒子電量變小造成加速週期變長了,在沒有其它實驗證據以前,這兩種可能的正確率各佔一半。

接下來我們來看看考夫曼的分析過程。考夫曼認為:由於電子在密閉的容器中並沒有和外界接觸作用,所以電子的電量不會變化,據此他認為迴旋加速器週期變長是由於電子質量增大造成的,由此得出了“

電子的質量隨速度增大而增大、當電子速度接近光速時其質量急劇增加”的結論(也就是支持第一種可能)。當時的許多科學家也都認同這一觀點,愛因斯坦也接受了這一觀點,在堅信“電子的質量隨速度的增大而增大、當電子速度接近光速時其質量急劇增加”這一觀點的基礎上,於1905年提出狹義相對論,認為:物體的質量不是固定不變的,它隨物體運動速度的增大而增大。

我們支持第二種可能,認為帶電粒子在迴旋加速器週期變長是因為帶電粒子的帶電量q減少造成的,或者說帶電粒子對外顯示的等效帶電量減小造成的。提出這種觀點並不是為了標新立異和吸引眼球,因為第一種可能帶來的失敗突顯了第二種觀點更加符合實際。首先,從電子內部結構的角度來講,電子內部各部分間存在凝聚力可以吸收光子增大質量,但是電子質量並不會無限增大而是存在“臨界質量”,超過“臨界質量”的電子都是不穩定的,電子質量不會無限增大。其次,從物極必反的角度來看,電子質量能夠無限增大這一結論也是不可思議的。有人指出:相對論提出的時間膨脹的觀點“鐘慢效應”已經被實驗證實,任何反相對論者必須合理解釋“鐘慢效應”才有資格質疑相對論。那麼,時間真的會膨脹嗎?

(三)阿拉果圓盤實驗與羅蘭圓盤實驗。1824年法國科學家阿拉果做了著名的“圓盤實驗”:將一銅圓盤水平放置,在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針。在磁針的磁場中使圓盤圍繞中心旋轉,磁針也隨著一起轉動起來,但略有滯後。

解密相對論與保守力場

解密相對論與保守力場

美國科學家羅蘭也做過一個“圓盤實驗”:把大量的電荷加在一個橡膠圓盤上,然後使圓盤繞中心高速轉動,在盤的附近用小磁針來檢驗運動電荷產生的磁場,結果發現小磁針果然發生了偏轉,而且改變盤的轉動方向或改變電荷的正負時,小磁針的偏轉方向也改變,磁針偏轉方向跟運動電荷所形成的電流方向間的關係符合安培定則。羅蘭圓盤實驗證明了動動電荷的確可以產生磁場。

阿拉果銅盤實驗與羅蘭圓盤實驗是電磁學中兩個非常經典的電磁實驗,這兩個實驗證明了“電荷運動可以產生磁場”“磁場運動可以產生電場”。阿拉果銅盤實驗由法拉第將它昇華到“電磁感應”理論高度,而羅蘭圓盤實驗則常被用於解釋星球自旋生磁現象,即所謂的“發動機”生磁原理。

(四)帶電粒子的荷速關係。既然帶電粒子對外顯示的有效帶電量會隨著粒子速度的增大而減小,為了在實驗中證明這一點,我們可以把阿拉果銅盤與羅蘭圓盤這兩個實驗結合起來加以改進再做一個新的“圓盤實驗”。

解密相對論與保守力場

實驗的器材依然很簡單,一個帶電橡膠圓盤、一個小磁針和一個很輕的帶電小球,實驗的基本思路是通過測量電荷不同運動速度下靜電場的變化來測算運動電荷的有效電量與運動速度的關係。實驗中我們把大量的電荷加在一個橡膠圓盤上,在圓盤正上方懸掛一枚可以自由旋轉的小磁針,同時在圓盤上方放置一個輕質帶電小球。當圓盤靜止時,小磁針不發生偏轉,而帶電小球則會視所帶電荷種類與橡膠圓盤表現為吸引或者排斥作用。若讓橡膠圓盤帶大量負電荷,讓輕質小球帶正電荷,則帶電小球會被橡膠圓盤吸引,而懸掛於橡膠圓盤正上方的磁針則不會偏轉(因為帶大量負電荷的橡膠圓盤靜止時並不會產生磁場,小磁針則沒有受到磁力作用)。

接下來,我們讓橡膠圓盤高速旋轉起來,結果發現小磁針開始發生偏轉(改變圓盤的轉動方向或改變電荷的正負時,小磁針的偏轉方向也改變,圓盤轉速越高小磁針偏轉角度越大),而帶電小球此時會繼續受到靜電力作用靠近橡膠圓盤。

開始時,橡膠圓盤靜止,此時帶電小球和橡膠圓盤因靜電引力相互吸引,小磁針則不受橡膠圓盤的磁力作用,說明橡膠圓盤靜止對外僅有靜電引力作用而沒有磁力作用。若設橡膠圓盤帶電量為Q,帶電小球帶電量也為Q,則帶電小球受到的靜電力F=Q*Q/4πεr*r。

若讓橡膠圓盤以一定的速度勻速轉動(橡膠圓盤最外側運動速度為V),此時橡膠圓盤仍然會對帶電小球表現為吸引作用,同時小磁針則開始偏轉並且橡膠圓盤轉速V越大則小磁針偏轉角度也越大,此時橡膠圓盤對外不僅有靜電引力作用還有磁場力作用。根據洛侖茲力公式f=BQV,而磁場強度B=uQv/4εr*r,則小磁針受到的洛茲力f=uQ*Q*v*v/4εr*r。

現在我們來分析,橡膠圓盤靜止時對外只有靜電引力作用而沒有磁力作用(也可以認為此時橡膠圓盤產生的磁場為零),橡膠圓盤運動後對外即有電場力作用也有磁場力作用,而這個磁場力是由電荷運動產生的,據能量守恆,有

解密相對論與保守力場

簡單來說就是帶電粒子運動速度越大則對外顯示的有效帶電量越小,當帶電粒子的運動速度達到光速時其對外顯示的有效帶電量為零,此時電場將不能加速帶電粒子了。聯繫炮彈發射的實驗:因為火藥燃燒膨脹的速度是一定的,炮彈速度越大則氣體膨脹對炮彈推力越小,當炮彈速度達到氣體膨脹的速度時氣體膨脹將不再對炮彈做功。帶電粒子在靜電場中的運動與之類似:帶電粒子速度較小時受到的靜電力較大因而靜電場對其加速作用也越明顯,帶電粒子速度增大時受到的靜電力將減小,當帶電粒子速度增大到光速時靜電力對粒子的加速作用為零,也就是說靜電力不能把帶電粒子加速到光速以上,充分反映出靜電場是有限場:靜電場的加速作用有極限值。

有很多實驗可以證明“荷速關係”,如宇宙射線中某些放射性粒子半衰期要比在實驗室中測出的要長很多,這是因為宇宙射線的速度很高對外顯示的有效帶電量很少,造成射線粒子內部各部分之間的靜電力作用減小、磁場力的作用增加(靜電力的作用使粒子分裂而磁場力的作用是使粒子結合在一起),最終導致粒子半衰期變長了。相對論則認為是宇宙射線中放射性粒子內部的時鐘走得慢了,時間進程拉長了,也就是說放射性粒子因運動造成時間膨脹了。很顯然,用“荷速關係”解釋放射性粒子半衰期變長更加合理。

相對論中有一個鐘慢效應論斷:處於高速運動狀態的表,與構造完全相同、指針在動但錶殼本身卻處於靜止狀態的表相比,高速運動表的指針轉動得慢,也就是時間流逝得慢,專業說法是“時間膨脹”效應或者“鐘慢效應”。實際上這反映了高速運動的帶電粒子有效電量變小而導致半衰期變長,並非時間膨脹造成的,對於“原子鐘”一類的實驗是適用的但是對機械錶並不適用的,同樣對我們人類也並不適用:我們乘坐高速宇宙飛船時間並不會變慢或者停止。

相對論提出星體的引力會彎曲周圍的時空,比如光線通過太陽附近會發生彎曲偏轉,這種看法貌似很有道理,但是卻無法解釋不同能量的光子偏轉角度不同的事實。實驗中我們發現:能量小的光子通過引力體附近後偏轉角度大、能量大的光子通過引力體附近後偏轉角度小,那麼是不是能夠得出在能量大的光子經過引力體時附近的時空彎曲程度小、能量小的光子經過引力體時附近的時空彎曲程度大的結論呢?得出這樣的結論只能說明引力體是有智能的,而這個結論必定是不會被主流觀點接受的,顯然不如“引力體的引力作用能夠使光子偏轉”這一結論更加直觀、更加真實。

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