对质量增加等有关物理现象的解释

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对质量增加等有关物理现象的解释
作者：黄德民
     [摘要] 本章讨论了质量增加的本质和质能方程。我们知道，物体只要吸收光子，质量就增加，由此，我们推测电荷质量增加也是由于吸收光子造成的。通过假定光子本身具有质量，可导出与相对论完全一样的质量增加公式，这表明：电子等粒子质量增加并不是时空变易造成的结果，而是在加速过程中在吸收光子能量的同时也吸收了光子质量的缘故。用电磁能量加速的物质，其速度确实不能超光速，但这并不意味着不能用其它能量方式（如引力场）将物质加速到超光速。质能方程并不是普遍成立的，只有当物质之间的相互作用为电磁能量时，质量和能量之间才满足质能方程所确定的质能关系式。
     除了时间膨胀和长度收缩效应外，质量增加效应也被看作是相对论的一个重要预言。狭义相对论指出，物体的质量随速度的增加而增大，当速度接近光速时，其质量趋于无穷大。物体静止时的质量称为“静止质量”，运动时的质量称为“运动质量”，运动质量和静止质量之间的关系为：
    　　M=Mo/Squer(1-vv/cc) （5-1）
    式中，Mo为物体的静止质量，M为物体的运动质量。
    一、质量增加的本质
     （一）对质量增加的早期认识 若把质量增加效应说成是相对论的独家预言，似乎有失偏颇。其实，运动电子质量随速度增加而增大的现象，早在狭义相对论以前就已为人们所知。 关于电子质量随速度增加而增大的假设，首先由J.J汤姆生在1881年提出，他认为带电体运动比不带电体需要对外界作更多的功，带电体的动能要比不带电体大，即具有更大的质量。他根据麦克斯韦电磁理论计算了电子的质量。
   1889年，亥维赛在改进汤姆生计算的基础上，得出当运动带电体的速度接近光速时，物体质量可达到无穷大的结论。
   1901年，考夫曼在确定镭C发出的β射线（快速运动的电子束）之荷质比实验中，首先观察到了电子的荷质比与速度有关的现象。他假定电子的电荷不随速度改变，则电子的质量就要随速度的增加而增大。
   1903年，阿伯拉罕把电子看着是一种完全刚性的球形粒子，导出过一种质量随速度增加的公式。
      1904年，洛伦兹认为电子的质量起源于电磁，并假定电子运动时其大小沿速度方向发生收缩（斐兹杰惹-洛伦兹收缩），导出的电子质量随速度变化的关系式与式（5-1）完全一样。 由此可见，电子质量随速度增加而增大的现象并不是相对论最早预言的。但在相对论中，不必对物质的形状或电荷的分布作特别的假设，也不必对质量的性质作某种假定，所以相对论预言的质量关系式被认为对任何物体都适用。 早期的一些实验，由于精度不高，大多数实验只是表明电子质量随速度增加而增大，不足于分辨出究竟哪个质量公式正确。后来Rogers等人的实验，以较高的精度证实了电子质量按相对论预言的质量关系变化，随后的更多实验证实了这一点。因此，相对论质量关系式被看着是得到实验验证、正确的关系式。 不过，这些实验都是用电子或质子等带电粒子做的，没有人用不带电的物质作过实验。虽然这些实验可以说明电子和质子等粒子服从相对论预言的质量变化，但仍不足于证明所有类型的物质都按相对论质量增加公式发生质量变化。事实上，相对论质量增加公式在光子质量等问题上就表现出了较大的矛盾性。
     （二） 相对论质量观存在的主要问题 相对论坚持相对时空的观点，认为物体的运动速度没有绝对意义，因而物体的质量增加也就没有绝对意义，完全是时空变易的结果。这样，质量在相对论眼中已不完全是物质自身的一种属性，部分是观察效应的结果。这种“质量观”使得质量几乎成了一种捉摸不定的东西。在以光速运动的粒子上，这一点表现得尤为突出。
     依照相对论质量增加公式M= Mo/Square(1-vv/cc)，当粒子以光速c运动时，如果粒子的静止质量不为0，则其运动质量将为无穷大；相反，只有粒子的静止质量为0，其运动质量才不至于为无穷大。我们知道，光子就是以光速运动的粒子，如果光子的静止质量不为0，则光子的运动质量将为无穷大。但光子的运动质量显然不为无穷大，因此，相对论认为，光子的静止质量只能被看作是0。但质量作为显示物质存在性的一种属性，在光子上竟然“退化”为0 ，这本身就是令人费解的。更重要的是，如果光子的静止质量真的为0，就会出现矛盾。因为相对论质量增加公式是广泛适用的公式，它对运动物质的类型以及物质运动所处的环境没有任何限定，只要物质以相应的速度运动，就对应着相应的运动质量。具体到光子，不管是在真空中传播还是在介质中传播，不管它的速度是等于c还是小于c，相对论质量公式都适用。这样，依照相对论质量增加公式，如果光子的静止质量为0，只有当光子以光速常数c 运动时，其运动质量才不为0，在其它任何小于光速常数c 的速度下运动，其运动质量均为0。 我们知道，光只有在绝对真空中传播时，其速度才为c。但是理想的、绝对的真空是不存在的。即使在太空中，光的运动速度也不可能绝对等于c，通常都比c小。而最常见的情况是光在空气、水或玻璃等介质中的传播。在这些常见介质中，光的运动速度均小于光速常数c 。依照相对论质量增加公式，光子在这些介质中运动时其运动质量为0。这也就是说，通常情况下，光子的运动质量均为0。 相对论质能方程告诉我们，能量和质量是对应的，质量为0则能量也为0。如果说光子在空气等介质中传播时运动质量为0，意味着光子在其中传播时能量也为0。但是，我们能相信从空气、玻璃等介质中传过来的光的能量为0吗？显然不能。事实上，地球的能量主要来自于太阳，阳光要穿过大气层后才能到达地面，既然我们能感受到阳光的温暖，说明从空气中传播过来的光子具有能量。 由此可见，如果将相对论质量增加公式应用到光子身上，就会出现矛盾。这说明，要么是相对论质量增加公式本身不成立，要么是质量增加公式并不普遍适用，物体的质量增加有其自身内在的物理原因。 那么，光子的质量是否真的为零呢？为什么光子不能象其它粒子一样，具有质量呢？下面的讨论将使我们看到，如果光子具有质量，许多与质量有关的问题可以迎刃而解。
        （三）光子的质量与运动电荷质量增加 我们知道，当物体受到光线照射温度升高时，物体的能量增加了。此时，严格说来，物体的质量也增加了，只不过这种变化非常小，用一般的方法难于测量出来罢了。对于这一点，爱因斯坦也是认同的，他曾在《物理学的进化》中明确作过论述。这样，我们或许能够达成共识，只要物体吸收光子，物体的质量就增加。 但物体吸收光子后，有时表现为内能的增加，有时表现为动能的增加。上面提到的物体受到光线的照射温度，实际上是物体内能的增加。既然当物体受到光的照射，在其内能增加的同时质量也增加，那么当物体吸收光子，光子的能量不是转变为物体的内能而是物体的动能时，物体的质量是否也会相应增加呢？或者反过来说，运动物体的质量增加是否是因为吸收了光子的缘故呢？ 一直以来，用来验证质量增加的物质都是带电粒子。因为目前我们所拥有的能使物体加速到超高速的手段只有电磁场。不管是电场还是磁场，其能量本质都是电磁能量，也就是说其能量本质是光子。如果“只要物体吸收光子质量就增加”的观点成立，我们相信，导致这些运动电荷质量增加的原因也许不在于物体运动速度的增加，而在于物体在吸收光子能量的同时也吸收了光子的质量。物体吸收光子的质量是物体质量增加的本质原因，物体的质量增加是物体吸收光子后的直接结果，速度增加只不过是物体吸收光子后的一种外在表现罢了。 在电磁场中，电荷之所以被加速，是因为受到了电磁能量的作用。由于电磁能量的本质是光子，因此，形象点说，电荷之所以被加速，就是受到了电磁场中光子的推动。电荷在吸收光子的能量的同时，也结合了光子的质量。这就象空中的橡皮泥被一颗又一颗子弹连续击中会不断加速，同时因子弹留在橡皮泥中，橡皮泥团的质量会越来越大一样。电荷受到一个又一个光子的冲击而不断加速，同时，因光子留在电荷中，电荷的质量也越来越大。最终，运动电荷成了由电荷和众多光子组成的“组合团”粒子。这个“组合团”粒子的质量肯定要比原电荷的质量大。 假设光子的质量不为零，并考虑光子对电荷的作用，即可导出运动电荷质量随速度增加而增大的公式。 大量的事实证明，光子的能量为mcc，其中m为光子的质量，c为光子的运动速度（暂时考虑光子以光速常数c运动）。光子的运动速度为c，故对应的动能为mcc/2。光子除了平动动能外，还具有振动能。光子的能量就是由平动动能和振动能这两部分组成的。光子的平动动能是光子外部运动具有的能量，光子的振动能是由光子振动具有的能量。mcc中除去平动动能以外，剩余的能量则为光子的振动能，大小为mcc-mcc/2= mcc/2。 这里考虑的是光速为c时光子的能量，但光速并不永远为c，也常会有所变化。当光速变化时，光子的平动动能也相应变化。对光子能量变化的问题，我们将在光的多普勒频移这一章作专题讨论。这里，我们仍考虑光子的能量为mcc。 假设电荷在吸收光子前后满足：
   1 ．质量和能量分别守恒；
   2 ．振动方向动量守恒。
     依据上述两项假设可很容易地导出电荷吸收光子前后质量变化关系式。具体推导如下： 设电荷吸收光子前质量为M0，吸收光子后质量为M；吸收光子前电荷静止，吸收光子后速度变为v。 由光子的振动能为mcc/2可知，光子的最大振动速度为c。只有振动速度最大时，对应的振动动能才代表着振动方向的全部能量。
    此时，依据振动方向动量守恒的假设有：
         mc = Mu （其中u为“组合团”粒子最大振动速度）
     则u= mc/M                                   (5-2)
        依据质量守恒的假设有：
         m = M - Mo 　　 　　          (5-3)
    光子被电荷吸收后，其能量转化为组合团粒子的平动动能和振动能，依据能量守恒的假设，组合团粒子获得的平动动能与振动动能之和应与光子原有的能量相等，故：
        mcc = Mvv/2＋Muu/2 　 　　(5-4)
     上式实际上意味着光子有部分振动能量转化为了“组合团”粒子的平动动能，因为振动方向应用动量守恒定律，说明光子振动方向的能量并没有全部转化为“组合团”粒子的振动能，多余的能量通过(5-4)式转化成了“组合团”粒子的平动动能。 将(5-2)式、(5-3)式代入(5-4)式并化简得：
         M= Mo/Squer(1-vv/cc)            (5-5)
      由此得到了电荷吸收光子前后的质量关系式。 对比（5-5）式和（5-1）式，就会发现，上述公式与相对论得出的质量增加公式完全一样。这说明，完全可以用吸收光子后质量增加的观点来解释运动电荷的质量增加，一切支持相对论质量增加公式的实验均支持我们导出的公式。 既然用相对论的观点能够解释运动电荷的质量增加，用电荷吸收光子的观点也能解释运动电荷的质量增加，那究竟哪种解释更符合事物的本质呢？ 前面我们已经谈到过，物体只要吸收了光子，其质量就增加。相对论认为，速度增加是物体运动质量增加的本质原因，当物体的运动速度增加时，物体的质量就增加。但物体的速度增加并不是质量增加的必要条件，受光、热照射的物质，其质量同样也增加，但它们并不表现出整体的宏观运动，只是温度升高。对这种现象，相对论就无法解释。之所以会这样，恐怕在于相对论对质量增加的解释没有真正触及到质量增加的本质原因。 不过，也许会有人不同意笔者的观点，他们会认为相对论也能解释受热物体的质量增加。当物体受光、热照射温度升高时，虽然没有表现出整体的运动，但物体内部的分子、原子或电子的运动速度其实是增加了，这些粒子由于运动速度的增大，质量相应地增加，因此整个物体的质量也就增加了。 不错，这确实算得上是一种解释，但它似乎过于牵强。因为相对论质量增加公式是一个普适公式，没有人指明它只适用于微观粒子而不适用于宏观物体。如果相对论质量增加公式只适用于微观物质，那它究竟适用于哪一级微观物质呢？因为微观物质有很多层次，分子之下有原子，原子之下有中子、质子、电子，再往下还有夸克。也许物质本来就是无限可分的，基本粒子之下还有更基本的粒子，我们有什么理由相信相对论质量增加公式只适用于某一物质层次而不适用于另一物质层次呢？宏观物体是由为数众多的微观粒子组成的，怎样才能确定这些粒子各自的运动速度从而弄清它们的质量增加情况呢？若这些微观粒子的质量增加情况不清楚，又如何能说可用它们的质量增加情况来说明整个物体的质量增加呢？由此可见，用物体内部微观粒子运动情况的变化来解释物体的质量增加是牵强的。 而用吸收光子的观点来解释物体的质量增加则更为清楚、明了。因为，光子自身有质量，物体吸收光子，光子留在物体内，物体的质量自然会增加。至于光子的能量到底是转化为整个物体的动能还是转化为物体内部微观粒子的动能，都不影响我们对质量增加的解释。 由此可见，尽管我们推出的质量增加公式与相对论质量增加公式形式上一样，但两者的含义却是完全不同的，它们的主要区别可以归纳为如下几点：
     1．相对论认为，运动物质的质量增加是由时空作用造成的。本文的分析和推导表明，运动电荷质量增加是由于电荷吸收了光子质量的缘故。用电磁能量加速的物质，表面看来，加速前后，物质的质量发生了变化。但事实上，物质自身的质量并没有变化。加速前，物质和光子是分开的，此时的质量，仅仅是指被加速物质自身的质量；而加速后，物质和光子是结合在一起的，此时的质量实际上是物质和光子的共同质量。由于人们只注意到了被加速的物质，而忽视了光子的存在（或者说只看到了光子的能量而忽视了光子的质量），感觉似乎是加速前后物质的质量发生了变化。其实，物质的质量并没有变化，变化的只不过是质量的主体。如果非要把物质加速前的质量说成是物质的“静止质量”而把加速后物质的质量说成是“运动质量”，则一定要注意，质量的主体已经发生了变化。
    2．相对论认为其质量公式适用于所有运动物质。而本文推导的质量增加公式只适用于用电磁能量加速的物质，不一定适用于其它物质。除电磁能量外，宇宙间还有其它形式的能量（如引力场等），它们也可以用来加速物质。由于这些能量的基本单元不一定是光子，故用它们加速的物质，其质量增加情况未必符合用吸收光子这种观点推导出来的质量增加公式。
    3．相对论认为，光子的静止质量为零。本文的基本观点是：光子的质量是恒定不变的，其大小与光子的运动速度无关。对光子而言，并不存在静止质量和运动质量之分，这两种质量完全是一回事，相对论所说的运动质量其实就是光子的静止质量。如果先把光子的质量人为地划分为静止质量和运动质量，然后再寻找其所谓的静止质量，必定是徒劳无益的。
     4.相对论质量公式表明物质的质量增加与其运动速度是紧密联系的。本文的分析则表明，物体质量的增加与其运动速度的增加没有本质上的、必然的联系。在运动电荷的质量增加中，粒子质量的增加与其运动速度确实有着一定的对应关系，但这种联系不是必然的，同样也会出现物体的质量增加而速度不变的情况。从理论上讲，物体只要吸收光子，其质量必然增加。但物体吸收光子后，光子的能量并不一定转化为物体的动能（即转变为物体速度的增加）。物质的类型不同，吸收光子后，光能转化出的能量类型也不同。有时，光子的能量转化为物体的动能，如电子等带电粒子吸收光子后，速度会相应变化；有时，光子的能量转化为热能，如阳光照在物体上，物体因吸收光子温度升高，但其宏观速度并没有变化；有时，光子的能量会转化为化学能，如紫外线照在蛋白质上；有时，光子的能量会转变为生物能，如阳光照在绿色植物上。不论什么物质，只要它吸收了光子，不管光能转化为何种能量，物体的质量都增加。由此可见，物体吸收光子才是导致其质量增加的本质原因，只有当光子的能量转化为物体的动能时，物体的质量增加才与速度增加有着相应的联系。
     5.相对论认为物体的质量与速度之间存在着绝对的联系，不管这种速度是物体自身的运动速度还是与观察者之间的相对速度，物体的质量与速度之间的关系都严格服从相对论质量增加公式。该公式表明物体的质量增加是一种运动学效应。而本文的分析则表明，物体的质量增加是一种动力学效应，质量增加公式只表明物体受光子作用前后的质量变化关系，不表明物体的质量与速度之间一定有一一对应关系。特别需要说明的是，物体的质量不仅不会象相对论所预言的那样因观察者运动速度不同而不同，甚至与物体的“绝对运动速度”也没有必然的联系。相同的物体，速度高的，质量未必就大；速度低的，质量未必就小；即使速度相同，其质量也未必相同，如两个原本相同的物体如果温度不同，其质量也不一样。
    6．相对论断言有静止质量的物质其运动速度不可能超过光速。而本文的分析则表明：用电磁能量加速的物质其速度确实不能超过光速，因为它们是靠光子推动的，其速度自然不可能超过光子本身的运动速度——光速。这就象用马拉车，车的速度不可能超过马的速度一样。但这种“不能超光速”与相对论所说的“不能超光速”含义是不同的。一是这种“不能超光速”是指被加速的物质其速度不可能超过用来加速该物质的光子的速度，而不是指不能超过光速常数c。若用来加速物质的光子速度本身就是超光速常数c（如引力场中光子的速度）的，则被加速的物质其速度也是有可能超过光速常数c的；二是如果用来加速物质的能量不是电磁能量而是其它形式的能量（如引力场能量等），物质的速度还是有可能超过光速c的；三是物体的运动速度与观察者的运动有关，当观察者运动时，观察者观察到的速度完全可以超光速。
    （四）光线的引力偏转及黑洞问题 上面，我们用光子具有质量的观点解释了运动电荷的质量增加。其实，如果继续坚持光子有质量的观点，其它一些与光子有关的物理现象也都可以得到自然、合理的解释。 广义相对论认为，一个均匀的引力场与一个匀加速参考系完全等价，既然在匀加速运动的参考系中观察光线走过的路线为一抛物线，在引力场中光线的运动路线也为一条抛物线。换一种说法就是，由于在引力场中空间弯曲了，因而光线也就弯曲了。 其实，依笔者看来，光线偏折的原因不在于空间弯曲，原本很简单的问题被相对论搞复杂了。光的粒子假说完全可以解释光线偏折，光线偏折不能看作是相对论的独家预言。 我们知道，任何物体在引力场中都要受到引力的作用，如果该物体有初速度且速度方向与引力方向有一定的角度，则必然会走一弯曲的路经，这种现象我们已经司空见惯。例如向外抛出一颗石子，石子在空中划过的路线必然为一抛物线，这是因为石子受到了地球引力的作用。同样，如果光子有质量，在引力场中，它必然同宏观物体一样在引力场的作用下走过一条弯曲的路线。由此可见，光线在引力场会发生偏转是一种十分正常的现象（只不过相对论预言的偏转角要比经典理论预言偏转角要大一倍，但是否与观测结果相吻合，本书最后一章还要作进一步讨论），不值得大惊小怪。 同样，“黑洞”也被看作是广义相对论的预言。黑洞是指具有足够大的密度的天体，它的引力作用是如此之强，以致于任何东西、甚至光都无法从其引力场中逃逸。其实，这类巨大的黑天体早就有人预见过。如果不用广义相对论的观点，改用光子具有质量并且受引力作用的观点同样能够预言黑洞的存在，而且计算出的黑洞的“临界半径”与相对论的预言完全相同。 如果光子有质量，在引力场中，它必然要受到引力的作用，其速度变化情况完全可以应用经典理论加以计算。在第三章中，我们已经对引力场中的光速做过推导，只不过当时依据的是广义相对论的一个断言：“光束在引力场中的加速方式与质量较大的物体在引力场中的加速方式相同”。现在，我们连这个断言也不需要了。因为只要光子有质量，它在引力场中自然会象其它物质一样受引力场的作用而加速。只不过对光子而言，光子具有“天生”的初速度c 。 我们不妨把第三章的推导结果直接引用过来： 当光线从星球表面背对着星球飞到无穷远处时其速度为：
                 uu=cc－2GM/R               （6-1）
         其中u为光的运动速度，C为光的初速度，G为引力常数，M为星体的质量，R星体的半径。 令（6-1）式中u=0 ，就得到了黑洞的临界半径：
                 R= 2GM/cc                     （6-2）
    其含义是，从星体表面产生的光子，当它向外运动时，由于星体引力的作用，其速度会越来越小，在它还未彻底摆脱星体的引力（无穷远处）之前，其速度已变为0 。最终，这些光子受星体引力的作用，会重新落回到星体上，致使人们无法观察到从星体表面发出的光。因此，这类星体被称为“黑洞”。本文推得的黑洞的临界半径与广义相对论的预言是完全一致的。 由此可见，只要认为光子象普通物质一样具有质量并受引力场的作用，同样可以预见到黑洞的存在。
                   2001年1月
站长评论：黄德民的作品写得很深动，它动摇了《相对论》的基石，虽然可以肯定他的见解错误很多，但他确确实实地暴露了《相对论》的漏洞。我不想太多地指责作者的错误，反而我想赞颂其见解的勇敢与想象力。可以想象得出黄德民是一个非常谨慎而又有条理的人，他为这一结论花费了非常多的努力。爱因斯坦的结论与推导在一个世纪之前，那个时候的实验条件相当有限度，他不是神，他所具有的条件是不能与我们这个时代相提并论的，还因为《相对论》的核心部分成就于他年轻时代（据说是他的大学毕业论文），所以，要想推翻《相对论》，我们应该多从《相对论》的核心出发。而黄德发这篇文章的论点，正好是击向其七寸，不过还打得不够准确。嗟呼，要是牛顿那个时候将引力弄清楚了，就不会有这近百年的争论，《相对论》已经将人类引入歧途。

szjung

嘿！高深！！！

hiker

厉害

atuhappy

可笑，想推翻相对论的人多了
每一种理论都有局限性
可悲的中国科学家走上歧途

liuiang

早晨突然朋友问我：为什么核弹爆炸时候没有电子设备却有很强的电磁波
我解释为：电子跃迁的时候会发出电磁波（也不知道是对失错）
然后才想到光子的质量问题，，因为能量意味着质量，，
在google上搜索到这篇文章，，讲的还行，，转载过来。。

atuhappy

用google搜一下对质量增加等有关物理现象的解释

笑含风

一直想知道的一个问题：
   在运动物体上发出的光线的速度会大于C么？
如果光速变的话，为什么真空的光速是一个常数？（根据麦克斯韦方程）

笑含风

还有本文中所“寄托”的 引力场 问题？其本质又是什么呢？还不如 广义相对论 给出的解释好呢。 其实我们没有必要说什么是对的，什么理论是错误的。只要它能够解释和预测我们周围的世界，我们就认为它在一定程度上是正确的。
就如同量子力学，虽然跟相对论有着根本的冲突，但我们能否认它是正确的么？

老扁

学了5年核物理，丢了10几年，居然很多东西都模糊了，惭愧。
核爆产生出来的能量应该是以射线、电磁波、光、热等多种能量载体释放的。
相对论就是建立在光速不变的前提上的。

lxl9726

我们常说要实践，相对论终究会有实践来证明的！