解密相对论与保守力场


(一)保守力场不保守。保守力场是物理学中非常重要的一个概念:保守力场对物体所做的功与物体的运动路径、运动状态无关,只与物体在保守力场中起点和终点位置有关,通常认为引力场和静电场就是保守力场。我们日常生活中都有这样的经验:在不考虑地球表面引力变化的情况下,可以认为重力加速度为9.8米每秒,也就是说,如果物体初速度为零或很小时其下落过程中每过一秒钟物体下落速度就会增加9.8米;如果物体的初速度很大为每秒100公里其下落过程中每过一秒钟物体下落速度仍然会增加9.8米;看起来物体在重力场中的速度增加与物体的运动速度无关,不管物体的运动速度多大,其在下落过程中每过一秒钟其下落速度就会增加9.8米。把这个问题推向极限,物体在引力作用下速度会不会无限增加?如果这个问题不好回答,那么换个角度更能看清问题的本质:当远处星系发出的光以光速向着地球运动时,地球引力场会不会对光子做功使光子速度达到光速以上?我们认为不会,地球引力能够使物体加速,但这个加速作用有极限值,一旦物体运动速度达到光速则不再被地球引力加速了。有没有实验事实支持我们的猜想?

先来看一个简单的例子,炮弹发射是利用火药燃烧膨胀推动炮弹做功实现的,一般情况下增加炮管的长度则炮弹的初速度也会相应增加,但是我们都知道无限增加炮管的长度并不能无限增加炮弹发射的初速度。理论上炮弹发射的最大初速度不会超过火药燃烧膨胀的速度(而这个速度通常为几千米每秒),当炮弹的速度达到火药燃烧膨胀的速度时火药燃烧膨胀将不再继续对炮弹做功,因而炮弹的速度也就不会继续增加了。有人指出,火药燃烧膨胀推动炮弹做功的情形是宏观物体中的作用情况,并不能反映微观粒子在场中运动的情况,只有用实验事实证明了微观粒子粒子运动速度有极限才有说服力。下面我们就来做微观粒子在场中运动的实验。

(二)考夫曼实验中电子荷质比的变化。为了更有效地研究微观粒子,20世纪初科学家制造了回旋加速器,带电粒子的加速周期T=2πm/BQ。回旋加速器最大特点就是带电粒子在回旋加速器中的运动周期与其运动速度无关,仅仅与带电粒子质量、电量和磁场强度B这3个物理量有关。1901年,物理学家考夫曼用镭放出的β射线(电子束)做实验并首先观察到:电子的荷质比与速度有关――电子的速度越大其荷质比越小。对于一个给定的回旋加速器来讲,其磁场强度B一定,加速周期T=2πm/BQ只与带电粒子的质量和带电量有关,确切地说加速周期T与带电粒子的质量成正比、与带电粒子的电量成反比。实验发现随着电子运动速度的增加其加速周期变长,造成加速周期变长只有两种可能:一种可能是带电粒子质量变大造成加速周期变长了,另一种可能是带电粒子电量变小造成加速周期变长了,在没有其它实验证据以前,这两种可能的正确率各占一半。

接下来我们来看看考夫曼的分析过程。考夫曼认为:由于电子在密闭的容器中并没有和外界接触作用,所以电子的电量不会变化,据此他认为回旋加速器周期变长是由于电子质量增大造成的,由此得出了“

电子的质量随速度增大而增大、当电子速度接近光速时其质量急剧增加”的结论(也就是支持第一种可能)。当时的许多科学家也都认同这一观点,爱因斯坦也接受了这一观点,在坚信“电子的质量随速度的增大而增大、当电子速度接近光速时其质量急剧增加”这一观点的基础上,于1905年提出狭义相对论,认为:物体的质量不是固定不变的,它随物体运动速度的增大而增大。

我们支持第二种可能,认为带电粒子在回旋加速器周期变长是因为带电粒子的带电量q减少造成的,或者说带电粒子对外显示的等效带电量减小造成的。提出这种观点并不是为了标新立异和吸引眼球,因为第一种可能带来的失败突显了第二种观点更加符合实际。首先,从电子内部结构的角度来讲,电子内部各部分间存在凝聚力可以吸收光子增大质量,但是电子质量并不会无限增大而是存在“临界质量”,超过“临界质量”的电子都是不稳定的,电子质量不会无限增大。其次,从物极必反的角度来看,电子质量能够无限增大这一结论也是不可思议的。有人指出:相对论提出的时间膨胀的观点“钟慢效应”已经被实验证实,任何反相对论者必须合理解释“钟慢效应”才有资格质疑相对论。那么,时间真的会膨胀吗?

(三)阿拉果圆盘实验与罗兰圆盘实验。1824年法国科学家阿拉果做了著名的“圆盘实验”:将一铜圆盘水平放置,在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针。在磁针的磁场中使圆盘围绕中心旋转,磁针也随着一起转动起来,但略有滞后。

解密相对论与保守力场

解密相对论与保守力场

美国科学家罗兰也做过一个“圆盘实验”:把大量的电荷加在一个橡胶圆盘上,然后使圆盘绕中心高速转动,在盘的附近用小磁针来检验运动电荷产生的磁场,结果发现小磁针果然发生了偏转,而且改变盘的转动方向或改变电荷的正负时,小磁针的偏转方向也改变,磁针偏转方向跟运动电荷所形成的电流方向间的关系符合安培定则。罗兰圆盘实验证明了动动电荷的确可以产生磁场。

阿拉果铜盘实验与罗兰圆盘实验是电磁学中两个非常经典的电磁实验,这两个实验证明了“电荷运动可以产生磁场”“磁场运动可以产生电场”。阿拉果铜盘实验由法拉第将它升华到“电磁感应”理论高度,而罗兰圆盘实验则常被用于解释星球自旋生磁现象,即所谓的“发动机”生磁原理。

(四)带电粒子的荷速关系。既然带电粒子对外显示的有效带电量会随着粒子速度的增大而减小,为了在实验中证明这一点,我们可以把阿拉果铜盘与罗兰圆盘这两个实验结合起来加以改进再做一个新的“圆盘实验”。

解密相对论与保守力场

实验的器材依然很简单,一个带电橡胶圆盘、一个小磁针和一个很轻的带电小球,实验的基本思路是通过测量电荷不同运动速度下静电场的变化来测算运动电荷的有效电量与运动速度的关系。实验中我们把大量的电荷加在一个橡胶圆盘上,在圆盘正上方悬挂一枚可以自由旋转的小磁针,同时在圆盘上方放置一个轻质带电小球。当圆盘静止时,小磁针不发生偏转,而带电小球则会视所带电荷种类与橡胶圆盘表现为吸引或者排斥作用。若让橡胶圆盘带大量负电荷,让轻质小球带正电荷,则带电小球会被橡胶圆盘吸引,而悬挂于橡胶圆盘正上方的磁针则不会偏转(因为带大量负电荷的橡胶圆盘静止时并不会产生磁场,小磁针则没有受到磁力作用)。

接下来,我们让橡胶圆盘高速旋转起来,结果发现小磁针开始发生偏转(改变圆盘的转动方向或改变电荷的正负时,小磁针的偏转方向也改变,圆盘转速越高小磁针偏转角度越大),而带电小球此时会继续受到静电力作用靠近橡胶圆盘。

开始时,橡胶圆盘静止,此时带电小球和橡胶圆盘因静电引力相互吸引,小磁针则不受橡胶圆盘的磁力作用,说明橡胶圆盘静止对外仅有静电引力作用而没有磁力作用。若设橡胶圆盘带电量为Q,带电小球带电量也为Q,则带电小球受到的静电力F=Q*Q/4πεr*r。

若让橡胶圆盘以一定的速度匀速转动(橡胶圆盘最外侧运动速度为V),此时橡胶圆盘仍然会对带电小球表现为吸引作用,同时小磁针则开始偏转并且橡胶圆盘转速V越大则小磁针偏转角度也越大,此时橡胶圆盘对外不仅有静电引力作用还有磁场力作用。根据洛仑兹力公式f=BQV,而磁场强度B=uQv/4εr*r,则小磁针受到的洛兹力f=uQ*Q*v*v/4εr*r。

现在我们来分析,橡胶圆盘静止时对外只有静电引力作用而没有磁力作用(也可以认为此时橡胶圆盘产生的磁场为零),橡胶圆盘运动后对外即有电场力作用也有磁场力作用,而这个磁场力是由电荷运动产生的,据能量守恒,有

解密相对论与保守力场

简单来说就是带电粒子运动速度越大则对外显示的有效带电量越小,当带电粒子的运动速度达到光速时其对外显示的有效带电量为零,此时电场将不能加速带电粒子了。联系炮弹发射的实验:因为火药燃烧膨胀的速度是一定的,炮弹速度越大则气体膨胀对炮弹推力越小,当炮弹速度达到气体膨胀的速度时气体膨胀将不再对炮弹做功。带电粒子在静电场中的运动与之类似:带电粒子速度较小时受到的静电力较大因而静电场对其加速作用也越明显,带电粒子速度增大时受到的静电力将减小,当带电粒子速度增大到光速时静电力对粒子的加速作用为零,也就是说静电力不能把带电粒子加速到光速以上,充分反映出静电场是有限场:静电场的加速作用有极限值。

有很多实验可以证明“荷速关系”,如宇宙射线中某些放射性粒子半衰期要比在实验室中测出的要长很多,这是因为宇宙射线的速度很高对外显示的有效带电量很少,造成射线粒子内部各部分之间的静电力作用减小、磁场力的作用增加(静电力的作用使粒子分裂而磁场力的作用是使粒子结合在一起),最终导致粒子半衰期变长了。相对论则认为是宇宙射线中放射性粒子内部的时钟走得慢了,时间进程拉长了,也就是说放射性粒子因运动造成时间膨胀了。很显然,用“荷速关系”解释放射性粒子半衰期变长更加合理。

相对论中有一个钟慢效应论断:处于高速运动状态的表,与构造完全相同、指针在动但表壳本身却处于静止状态的表相比,高速运动表的指针转动得慢,也就是时间流逝得慢,专业说法是“时间膨胀”效应或者“钟慢效应”。实际上这反映了高速运动的带电粒子有效电量变小而导致半衰期变长,并非时间膨胀造成的,对于“原子钟”一类的实验是适用的但是对机械表并不适用的,同样对我们人类也并不适用:我们乘坐高速宇宙飞船时间并不会变慢或者停止。

相对论提出星体的引力会弯曲周围的时空,比如光线通过太阳附近会发生弯曲偏转,这种看法貌似很有道理,但是却无法解释不同能量的光子偏转角度不同的事实。实验中我们发现:能量小的光子通过引力体附近后偏转角度大、能量大的光子通过引力体附近后偏转角度小,那么是不是能够得出在能量大的光子经过引力体时附近的时空弯曲程度小、能量小的光子经过引力体时附近的时空弯曲程度大的结论呢?得出这样的结论只能说明引力体是有智能的,而这个结论必定是不会被主流观点接受的,显然不如“引力体的引力作用能够使光子偏转”这一结论更加直观、更加真实。

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