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季灏实验的意义和存在的问题

(2011-10-26 07:25:59)
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文化

季灏实验的意义和存在的问题

涂润生

(黄石市产品质量监督检验所,黄石435000,2run3@sina.com)

摘要:季灏实验揭开了现代科学基础问题之冰山一角——初步表明了运动质量不按相对论的规律增加,被广泛运用的质-速关系可能不正确,洛伦兹力与速度有关。可惜季灏在工作中存在的“实验过程不严谨、实验结果的分析不到位”等问题使他的工作成了被泥沙掩埋着的“金砂”。针对季灏工作存在的问题,提出了“测量电子的速度、扩大入射粒子的速度范围得出新的质速关系、定量比较季灏三个实验结果、给出实验结果的不确定度”等建议。

关键词;季灏实验;贝托齐实验;质-速关系;能量-速度关系;偏转半径;温度增量。

我对季灏实验有浓厚的兴趣。因此对该实验作过仔细研究。看过不少有关该实验的资料和评论(包括梅晓春教授和范良藻教授的评论文章)[1-8]。与季灏先生也有过会晤。发现,支持和反对该实验的人一般都没有说到点子上。季灏实验的系统性、严密性和实验数据分析也确实存在不少漏洞。

一、季灏实验的意义

1.证明了粒子的标注能量增加,运动质量并不完全按相对论的规律增加

季灏的“不同能量电子在均匀磁场中运动轨迹的实验”是利用美国瓦里安公司生产的2300C/D型直线加速器上做的。地点是中国科学院上海应用物理研究所。加速器产生六种标称能量分别为4MeV、6MeV、9MeV、12MeV、16MeV和20MeV的电子束流,对应的相对论速度分别为0.9908c、0.9969c、0.9986c、0.9992c、0.9995c、0.9997c。通过铅铁准直器将电子垂直射入0.1210T的均匀磁场。按照相对论的公式计算,电子的圆周运动轨道半径应当是落在10.94厘米、16.41厘米、24.62厘米、32.82厘米、43.76厘米和54.7厘米的六个点上。然而季灏实验表明,所有的六种电子都落在感光胶片半径大约为18厘米的小范围内——不同标注能量的电子的偏转半径不符合相对论的预言(详见表1)。由于电子在匀强磁场中的偏转半径与“电子的运动质量和速度之积”成正比,因此,季灏实验也就证明了电子的实际质-速关系并不与相对论的预言一致。

表1. 入射电子能量Ek与偏转半径r的关系

电子的标注能量,MeV

4

6

9

12

16

20

υ (相对论预言)

0.9908c

0.9969c

0.9986c

0.9992c

0.9995c

0,9997c

r (相对论预言)

10.94

16.41

24.62

32.82

43.76

54.7

r (牛顿理论预言)

1.40

1.404

1.40571

1.40755

1.40798

1.40868

r(季灏实验)

17.8

17.9

18.0

18.1

18.2

18.3

2. 量热学方法测量质-速关系实验证明了,在速度达到一定程度之后,相对论性动能不随速度的增加而增加

这个实验也是在复旦大学和中国科学院上海应用物理研究所的加速器实验室中进行的,采用的也是直线加速器,电子的五种能量也与贝托齐实验一致。季灏发现实验结果与相对论的质能公式不一致。对于理论能量为15MeV的电子束流,季灏实验测量的温度增量是1.03摄氏度。按相对论动能公式的计算,温度增量应该是6.29摄氏度,二者相差5倍(详见表2)。实验结果表明:动能与质量(或者动能与速度)之间的关系与相对论中的对应关系有较大出入。与季灏实验的第一种意义有相同的内容。

表2. 电子束流的能量及其引起的温度增量Δt之间的关系

电子的标注动能,MeV

1.6

6

8

10

12

15

υ/c(相对论预言)

0.97

0.9969

0.9981

0.9988

0.9992

0.9994

Δt(相对论预言,℃)

0.67

2.52

3.36

4.20

5.03

6.29

Δt(季灏实测值,℃)

0.97

1.00

1.03

1.03

1.03

1.03

3. 初步证明了洛伦兹力与速度有关

季灏的“关于电子的洛伦兹力和能量测量的实验”初步证明了洛伦兹力与速度有关。这也是对电磁相互作用推迟效应的验证。

二、季灏实验存在的严重问题

季灏实验的问题也是较严重的。第一,实验结果不符合能量守恒定律;第二,没有找到新的质量-速度函数关系;第三,使用了自相矛盾的处理方式;第四,对实验数据的分析不到位;第五,实验结果的叙述和介绍的重点不突出。下面分别展开叙述。

1. 季灏实验结果不符合能量守恒定律

    从表2很容易看出,电子束流的总能量升高了,这些能量全给了铅块,但铅块的蕴含能量没有按相应的比例升高(因为温度没有按比例升高)。这表明,相当可观的能量在实验中消失了。这不符合能量守恒规律。能量守恒规律可以说是颠扑不破的自然规律。这就是人们(特别是主流科学工作者和官方)并不重视季灏实验的主要技术原因。可以说,上海科技管理部门为季灏实验做出的“误差来源不明”的鉴定结论,主要就是根据“部分能量去向不明”得出的(能量的丢失只能是误差引起的,因为实验过程中没有化学反应和核反应,铅块的质量也没有除静电子以外的增加)。季灏实际上处于两难的境地:承认仪器标注的能量,自己的实验结果不符合能量守恒规律;不认仪器标称的能量,那么,“能量没有升高,温度增量没有增大,偏转半径没有增大”就都是必然的,自己的实验就都毫无意义(实验的性质由“多点的定量”降格为“单点定性”)。

    2. 季灏实验自相矛盾(“不严谨”或“思路不清晰”),或者说有严重漏洞

表1中的第一行和第二行是相对论性速度-能量关系。季灏没有自己去测量电子的速度,而是承认了这种速度-能量关系(即承认了仪器标称的能量,行为是“以这种关系计算、分析”),但是,实验的分析结论又是否认这种关系的。这就是自相矛盾(先承认相对论性质-能关系,后来又否认这种关系)。这一矛盾使本来是定量的季灏实验一下子只能充当定性实验(只能定性地说明质-速关系不像相对所说的那样)。相对论中的质-速关系、质-能关系、动能-速度关系、动能-质量关系,相互联系,可以说是一损俱损一荣俱荣。季灏否认了质-速关系就等于否认了能量-速度关系(或者能量-质量关系)。季灏在文[1]的《表3 能量速度关系》中列出的实测动能-速度关系就否认了本文表2中前两行中动能-速度对应关系。既然否认了相对论的能量-质量(或能量-速度)关系,那么,表1和表2中的头两行的物理量的对应关系中,不是能量的升幅有问题就是速度的升幅有问题。季灏实验不能分辨之。所以只能得到一个被认定为是定性的结论。这大削弱了季灏实验的意义。

季灏的“电子的洛伦兹力的实验”初步验证了洛伦兹力与速度有关。也就初步证明了外加电压与电子的速度不是以前采用的那种关系。仪器的以外加电压为根据标注的能量就不是输出电子的能量。可是,季灏先生在后两种实验中,又将仪器标注的能量作为电子的准确能量对待。如果说他已经知道仪器标注的能量不准确(或未知),那么,用未知的能量来做偏转半径和受体的温度的变化实验,有什么意义呢?

季灏多次言明“参照贝托齐的实验方法”,但是,贝托齐自己测量了电子的速度,从而得到了完全定量的可自圆其说的结论,而季灏没有测量电子的速度。这使他的实验远远不如贝托齐实验(更谈不上改进和提高)。我曾看到季灏对这个问题的辩解:粒子速度人家测过多次,不需要我再去测量。这表明季灏自己并没有认识到这个问题的重要性。季灏文[1]中的表3显示,在他所用的仪器的标称能量≥8MeV的范围内,电子的实测能量几乎都是相同的8MeV。如果说别人所测的粒子速度都能与相对论理论预言的能量-速度关系一致(即验证了表1和表2中的前两行的能量-速度对应关系正确)的话,那么,季灏实验所用的仪器就有问题。用有问题的仪器做的实验,结论还可靠吗?!!!如果说,别人的那些测速实验都直接证明了相对论能量-速度关系是正确的,而唯独季灏实验与相对论的预言不一致,是不是他所使用的仪器有问题呢?至少,季灏实验不能分辨是仪器的问题还是相对论有问题。

所以,不测速是影响实验成败的非常非常非常严重的问题!!!读者据此一下子就可以否认你多年的忙活。道理非常非常简单:没有准确的速度哪来准确的质-速关系?季灏想用不准确的速度来验证质-速关系,总体思路上有些问题。

3. 季灏实验没能找到新的质量-速度函数关系

季灏实验的第2个问题决定了,季灏实验实测的“温度-动能关系”对相对论“温度-动能关系”的否定严重缺乏说服力。所以,需要从质-速关系的角度考虑问题(贝托齐实验就测定了电子的速度,可以不事先依赖于对相对论质-速关系的肯定)。再说,“以新否旧”一般是最有说服力的否定,在生活和科学活动中常常使用。季灏实验否认了相对论性质-速关系,但是,季灏没有找到(建立)一种新的质量-速度函数关系。这是非常遗憾的,也严重地影响了其实验结果的说服力。问题出在:季灏没有测量所使用电子的速度;所使用电子的能量范围也太窄,以致在这段能量范围内质量与速度没有关系(图1和图2中的实验值直线是水平的)。季灏在文[1]中给出了自己实测的“能量-速度关系”。但是,他所得到的Ek/mcc等于γ−1,且是一个比值而不是函数关系,没有m/m0=γ的质速关系来得简明。实验的简明

季灏实验的意义和存在的问题

图1和图2中的两个交点坐标不在同一个能量点上(图1中的交点x=6.5478MeV,图2中的交点x=2.343MeV),这表明季灏在两个实验中得到的质-速关系必然是不同的(即季灏的两个实验结果在定性上统一,但在定量上不是统一的)。季灏也不能通过现有的两个实验找到统一的新的质-速关系。季灏的实验结果显示:质量与速度没有关系。所以,如果季灏所用电子的能量(或速度)是真实的,那么,他在实验中得到的新的质-速关系一定是有问题的。

4. 季灏对实验数据的分析不到位

季灏在文[1]中指出,“入射电子的电能引起铅台体的升温为0.71℃,如果扣除……”。实际上,季灏在分析时真的扣除了他所说的电子电能。最后得到实验结论接近牛顿理论。这是缺乏基本常识得到的不实结论。因为,他没有测量铅台体在接收了电子束流之后的放电前后的温度变化,电场是保守力场,不做功,静电势一般不能作为能量释放。如果实测值是“放电之后铅台体的温度降低0.71℃”,才能使用1.03−0.71=0.32这个值。季灏计算电子的静电能的公式为W=(1/8πε_0)(QQ/R)=6.4J,式中的R是如何确定的?根据静电学,R应是场点P离电荷中心的距离,在该实验中是无法确定的。总之,静电势不等于静电能。没有测量就将电势当作电能而减掉,是很不严肃的(其实在实验中多作一次温度测量是很容易的)。“质量与速度没有关系,科学回到牛顿理论的状态”是季灏因实验数据分析不到位所得到的不实结论。

既然是做科学实验,就应该做科学的数据分析。可是,季灏不使用现有的成熟的标准方法作数据分析,而是像大、中学生上实验课那样,用数量不足的实验次数得到一个简单的数据结果。首先,季灏实验的平行实验次数不足。与贝托齐类似的实验较高的平行实验次数是“60次观察”。60次也太多了,季灏只需做6次平行就够了。其次,季灏不求实验结果的标准偏差,不作不确定度分析,不给出扩展不确定度。只是说“大约为1.1度(一说为1.03度);大约为18cm”。好像有意只得到定性结论似的。另外,他说“保证95%的电子入射到铅台体中产生热”。这个置信度数据的来历不明。季灏有时说,在复旦大学做了同样的实验,但是,他没有正式地说明在复旦大学和中科院上海应用物理研究所做的同样实验能否重复。

质-速关系是个非常重要的关系。能量-速度关系、能量-动量关系、质-能关系,等都包含质-速关系。但是,季灏像是有意回避质量-速度函数关系一样,不去求得质量-速度函数关系。又由于他选择的入射电子能量范围太小而始终未得到新的质量-速度函数关系。

季灏做了三种实验,这三种实验结果在定量上是否一致是非常重要的结论。可是,季灏没有定量比较三个实验结果,季灏和支持季灏的评论者都只能说“三种实验结果在定性上是一致的”。这三种实验中,力与能量的关系,温度升高值与入射电子能量的关系,偏转半径与入射电子的能量之间的关系,都可以换算为质量与速度的关系。也就很容易定量比较三种实验的结果。他不做这个工作就使实验结果失去了大大提升说服力的良机。

5. 实验结果的叙述和介绍的重点不突出

    季灏在文章中介绍实验结果的文字叙述问题也很多。其中最为严重是“重点不突出、详略不得当”。如果一个读者先看季灏的文章,很难把握住他的实验意图。只是在看了梅晓春先生的文章之后,读者才能明朗起来。这就是说,读者对季灏实验报告的第一印象不好。季灏的叙述,该详的不详,该略的不略。例如,他花大量的篇幅计算电子束流入射到铅块中的深度,而铅块能吸收95%的电子这个数据的怎么来的,却没有介绍(铅块对入射电子的吸收率不仅与入射深度有关还与电子的反射率和折射有关,应该考虑到卢瑟福散射)。非常重要的平行实验结果的误差、实验数据的不确定度不给出。三种实验结果的定量比较工作也不做。在不同实验室做相同的实验复现性怎么样也不介绍。在《设计思想》题名之下,应该谈的是实验目的、方案和依据。可是,季灏谈的是“铅台体在实验中是可用的”。

季灏在多处将原本是“参照贝托齐实验方法”说成是“根据贝托齐实验……”,从而使读者仅根据文字逻辑很难判断后面的实验行为到底是贝托齐做的还是季灏做的(“根据贝托齐的做法”后面的动作执行者应该是贝托齐而不是季灏,但根据上下文判断,动作执行者应该是季灏)。“参照贝托齐的实验方法”在文首说一次就可以了,没有必要在文中多次重复。文[1]中的《表3 能量速度关系》中的最后两行中的速度为c(υ/c=1.0), 相对论动能应为无穷大,而不是季灏列出的大于等于12MeV.  υ/c=1.0表示的速度值的精度过低,离要求的精度太远,有效数字位数与上面的数值也很不一致。这是不严肃的表示方法。

其他表述问题还有:插图没有题名,表格中的物理量缺少单位,将“温度增量”说成是“温度”,表格的题名忽上忽下。

三、改进建议

1. 建议测量电子的速度(要知道,只有用准确的速度才能得到准确的质-速关系),并拿出测量光速的精神和方法来测量所用粒子的速度,避免使用“必须利用相对论公式推衍”的间接测量方法。测准了所用粒子的速度, 还有可能证明以前许多“验证了相对论”的实验是速度值不准确的结果,为自己的实验结论铺路。

2. 建议测量“电子束流入射完成之后”铅块放电前后的温度变化。放电前必须用红外温度计无接触地测量带电铅块的温度。

3. 建议扩大入射粒子的速度范围。应从0.5c的速度一直做到接近光速。然后列出“m/m0υ/c”对应关系,利用Excel的作图功能,求得系数γ的多项式展开,并与相对论中γ的展开级数比较异同。

4. 建议定量比较季灏三个实验结果,并做出在不同实验室可以重复同一种实验结果。这样有利于杜绝别人说实验结果是“来源不明的误差引起的”。要想千方百计地防止人们说“实验结果是定性,回到了牛顿理论”,防止人们产生“能量出现原因不明的丢失”的错觉。

5. 建议分析实验数据的不确定度。每个能量点做6次以上平行实验,求出实验数据的标准偏差,给出不确定度。

6. 建议季灏重新做实验析成的文章(实验报告)请合作者或其它文字功底深厚的科学爱好者润色,再拿出去发表。

7.建议利用中科院的开放实验室自己做实验,或委托中国科学院的相关单位按照委托人自己的设计来做实验,商定实验结果的发布以“委托者的名字命名实验”。

 

在科学发展的进程中,季灏实验已经相当不错了(仅指挑战精神和基本思路),如果再按本文建议的改进,很有可能成为里程碑式工作之一。我相信作了这些改进之后,就算是《自然》和《科学》杂志也不会拒绝。我也希望有更多的实验室改进和重复季灏的实验。

参考文献

[1] 季灏. 量热法验证质速关系[J]. 中国科技成果. 2009年第1期.

[2] 季灏. 关于电子的洛伦兹力和能量测量的实验[J]. 中国工程科学, 2006(10): 60-65.

[3] 季灏. 不同能量电子在均匀磁场中运动规律的实验[J]. 中国科技纵横. 2009年第6期.

[7] 梅晓春. 季灏“带电粒子高速运动时能量和轨道异常”实验的意义和解释——需要引入运动电荷概念对洛伦兹力进行修正[J]. 前沿科学. 5(1), 2011:86-96.

[8] W. Bertozzi, Am. J. Phys. 32. 55 1(1964)

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