加载中…石益详：揭开能量的奥秘
(2014-12-06 11:55:31)
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动量动能时间空间静能 |
分类： 量子科学、宇宙人生、道、中医 |
揭 开 能 量 的 奥 秘
——狭义相对论基础的重大突破之三
石益祥（浙江海洋学院 数学系，浙江 舟山 316000）
摘要： 1905年前，人们对能量的认识一直停留在现象层面上。1905年问世的狭义相对论虽然提出了质能公式，但没有把人们对能量的认识从现象引入本质。究其原因，一方面是人们没有正确认识宇宙的本原，另一方面，对光物质在宇宙中所处的地位缺乏足够的认识，尽管人们光的研究已有悠久的历史。
宇宙对立统一基本模型的问世，确立了真空在宇宙的本原地位，而光速的不变性又为光的整体研究奠定了理论基础，这为揭开能量的奥秘做好了准备。
本文运用对立统一的思维方式，以真空为背景，光物质为基础，通过撕开遮在静能概念表面的面纱，揭开了能量的奥秘：光是能量；能量是光；能量和光是等同的。
关键词：能量
On the Profound Mystery of Energy
Yixiang Shi
Abstract：Before 1905, the knowledge of energy always stayed in the level of the phenomenon to people. Special relativity, which published in 1905, although proposed the mass energy formula, it is unable to take the cognition of energy from phenomenon into essence. Investigates its cause, on one hand, people do not recognize the root of the universe correctly, on the other hand, there are little knowledge to the status of the light matter locating in the Universe, although the research of light has the glorious history. The publication of the Cosmo-basic model of unity of opposites has established the root status of vacuum in the Universe, however, the invariability of light speed has laid the theoretical foundation for the light research wholly, this prepares for opened the mystery of energy. Utilizing the thought of mode of unity of opposites, taking the vacuum as the background and the light matter as the foundation, and by pulling off the surface veil on the concept of motionless energy, we have opened the mystery of energy: The light is the energy; the energy is the light; the energy is equal to the light.
Keywords: Energy, Motion, Light, Vacuum
１．引言
伽利略时代就已经产生了“能量”思想，但“能量”一词在那时还没有出现。到了17世纪，有了活力一词。一个多世纪后的1807年，托马斯·杨（thomas young，1773-1829）提出了用能量（energy）概念替代活力一词，并一直沿用至今。
1853年，物理学家提出了“势能”概念，1856年，“动能”一词的术语问世。今天把能量定义为物质运动的量度。
和物质不同运动形式相对应，能量也有各种不同形式。在机械运动中，能量表现为物体或整个系统的机械能，诸如动能、势能、声能等。
而在热现象中，能量表现为系统的内能：系统内各分子无规则运动的动能，分子间相互作用的势能，原子、原子核内的能量总和，但不包括系统整体运动的机械能。
热运动能是通过它与机械能的相互转换认识的。
各种场也有能量，如电磁场的能量等等。总之，有运动就有能量。
随着各种不同形式的能量相继被发现，人们还发现了它们之间是可以相互转换的，并在转换过程中，保持量值不变。这使人们逐渐确立了能量守恒定律。
焦耳热功当量实验是早期确定能量守恒定律的有名实验，而后在宏观领域建立了能量转换和热力学第一定律。
康普顿确定了 能量守恒定律在微观领域中的有效性，后又逐步认识到能量守恒定律是由时间平移不变性所确定的。
从能量思想到能量概念的出现，各种不同能量形式的相继发现，再到确立能量守恒定律，人类对能量的认识在不断深化。
但是，深化始终没有能够跨越能量现象而进入能量的本质，直到1905年。
1905年，爱因斯坦在他的成名作《论动体的电动力学》中提出了著名的质能公式 。
质能公式告诉我们，一个物体，无论其结构如何，无论本身是能量物质，还是非能量物质，如煤炭还是钢铁，只要有质量，就有能量。且质量相同，能量值也相同。这就是静能的概念。
通过质能公式，人们首先经理论计算发现了原子能，其次，再用实验证明了原子能的存在。原子能的发现可以充分说明质能公式的正确性。
质能公式的问世原本可以使人类对能量的认识从现象进入本质，因为质能公式把不同形式和不同物质的能量统一到质量了，当然静止质量为零的物质运动除外。
可遗憾的是，爱因斯坦本人并没有给出质能公式的科学解释。
一般物理学家除了知道用质能公式用于计算质量和能量的换算外，也不知道质量和能量为什么可以互换。
形成这种局面的原因是，什么是质量？什么是能量？能量如何聚成质量？质量又怎样复归于能量？这些根本问题都没有搞清楚。
搞清楚能量的本质，不仅对物理学是基本的。
而且还可以向真空提取零点能（见江兴流《从真空中提取能量》）提供理论基础。
质量的奥秘已经揭开。[1]本文运用对立统一的思维方式，从宇宙的本原开始，着手揭开能量的奥秘。
２．运动的累积
能按动静划分，可分为动能和静能。动能的计算公式是 ，其中v是物体的运动速度；静能的计算公式是。
两种形式的能量分别是下面：
展开式（1）的首项和第二项。
由（1）式的右端可知，无论是动能还是静能，都在运动物体的静能之中。
可见，揭开能量的奥秘就是要揭开静能的奥秘。
2.1 动静能的背景
对力的时间累积效应的研究，人们引进了动量的概念。
而对力的空间累积效应的研究，人们引进了动能的概念。
力的累积效应无非是从空间和时间两个方面衡量，因此，对力的时空效应累积研究不可能产生静能概念。
事实也是如此。动能产生的实际背景，使得动能概念的问世比静能概念要早半个世纪。
而因缺乏实际背景，静能概念只能在狭义相对论的理论推导过程中被引入。
这就好像实数的引进有实际背景，而虚数的引进没有实际背景，只能通过逻辑推导引进那样。
现在静能概念已经得到了普遍的使用，静能概念的背景解释仍然不可见。
这就好像人们一直在用纯虚数，一直不知道纯虚数的实际背景，直到2002年，笔者发现它是“时间的数量关系” [2]之前那样。
有静止质量物体运动有动能，没有静止质量的光量子传播也有动能。这是物理学的熟知结果。
总之，只要物质运动，无论它是否有静止质量，都是有动能的。
2.2 动能累积的启示
江河里流水有动能，但如果被横在江河中的大坝拦截，变成库水，则动能转变成了势能。
在这个过程中有两点是值得注意的，第一，动质量变成了静质量；第二，动能变成了势能。
物质最初的形成过程是不是类同于水库蓄水呢？
3．本原物质光
光是能量和物质。这是大家熟悉的结果。
赵薪墉先生的电子书稿《宇宙之光》有二个引人注目的新颖观点。
第一是 “宇宙的全部物质是由光物质构成的”，并认为“这是上帝的第一精神”；
第二是“光速运动是宇宙运动的基础”，并说这是“上帝的第二精神”。
在赵新墉光子是最小的粒子，它是形成一切粒子和物质的基础。
赵先生的第一个观点是受了第二个观点的启发得到的。
狭义相对论的光速不变假设，认为光速与光源的运动速度无关。
而其它物体的运动速度则与源头的运动速度有关，因而是可变的。
按照辩证法不变的是基础，变化的是现象，因而可知“光速运动是宇宙运动的基础”。
进而可推出光是宇宙的物质基础，或者说本原物质，即“宇宙的全部物质是由光物质构成的”。
无独有偶，笔者也把光作为参照物，将宇宙的一切物质分为三大类：
实物质、虚物质和光。
普通物质是实物质，虚物质则是实物质的对立物质。
实物质可见，虚物质不可见。[3]
虚物质的不可见性是根据实物质的可见性经过从实物质到虚物质的对立而得到的。
既然物质分成可见的、不可见的和界于二者之间的三大类，相应的物质运动也就可以分成亚光速、超光速和光速。
笔者在论文 [3]中将物质和运动的划分作了如下对应：
实物质以亚光速运动；
虚物质以超光速运动；
光在实与虚的分界面上，以不变的光速运动。
两种分法的异同点是：参照物都是光。
只是赵薪墉实际上将所有物质分成二大类：光和以亚光速运动的实物质；
而笔者则将所有物质分成三大类：实物质、虚物质和光。
用光作为参照物划分宇宙物质，意味着光必定是宇宙的本原物质。
否则，我们就无法以光为标准对位于光层面下的物质进行划分。下面的文字可以帮助更进一步地理解光的本原性。
首先，把宇宙看成一个物质系统，则真空是物质系统中的一个元素。
在宇宙这个物质系统内，物质有现象和本原之分。
本原物质是唯一的，现象物质是不唯一的；
本原物质是不变的，现象物质是可变的；
本原物质是基础的，现象物质源于基础又复归于基础。[4]
那么，什么是物质系统的本原呢？答案是真空。
也许有些读者会问，真空和光并不相同啊？
对此，笔者的理解是：真空是光物质的回归态，而光物质是真空物质的演化态。
例如，太阳发出的光如果不被星球物质所吸收，就继续留在真空中传播，直至最后消失在真空中。
如果我们把真空当成一个光库，则光库把不同频率的光混元成了单一的真空物质。这就是光回归真空过程的宏观描述。
把这个过程倒过来则是真空演化出各种频率的光。
真空演化出光，光生出正负电子，再在正负电子和光的基础上就可以形成各种各样的物质。
可见，是光形成了各式各样的物质。
至于物质是如何具体形成的，不是本文要讨论的内容。
这就是赵新墉所说的“宇宙的全部物质是由光物质构成的”。
但在谈论宇宙的统一性时，我们常说宇宙统一于真空，而不说宇宙统一光。
原因是科学到现在为止只发现光，而没有看见真空物质。
但在理性上看，一切物质都在真空中，天上数不清的星星都在真空的怀胞中就是一个最好的证明。
其次，按照物体的静止质量是否为零来区分，光量子的静止质量为零，而实物质的静止质量不为零。
按照中国传统的说法，一切从零开始，或者说无中生有，那么，光就是形成宇宙的原初物质，或者说宇宙的本原物质。
再次，光速是不变的，而非光速是可变的。
按照不变是变的基础，可知一切物质皆由光组成。
总之，不管我们作这样的理解，只要你的理解是合理的，就都可以得光是宇宙的本原物质。
4．能量的揭秘
在第二节中，我笔者提出了物质的最初形成过程类同于水库的蓄水。
本节不但要进一步阐明这个结论，而且还要得出物质的静能是光能的自动累积。
“从左到右，顺看方程 a+(-a)=0,a和-a相互抵消，没有了，故是无；从右到左，逆看方程， 0能演化出a和-a ，说明0不是无，而是隐含a和-a的有。由a的任意性可知0隐含了一切数。
零化生一切相反的数，一切相反数可混成零。
有无相生，一个古老的中国哲学命题，就用数学公式如此简单地表达了。”[5]
如果用a代表正电子， -a代表负电子， 0代表光。则顺看宇宙基本方程 a+(-a)=0，正负电子相撞湮灭成光。
湮灭过程既是正负电子消失死亡的过程，也是物质从有到无的演变过程。
逆看方程，光生出了正负电子对。
出生的过程既是光生出正负电子的过程，也是物质从无中到演变的过程。
科学实验已经证明两个过程的正确性。这就是说宇宙基本方程对正负电子和光三种物质的有无相生是严格成立的。
有些读者对此不以为然。认为如果用正反物质替换正负电子，宇宙基本方程仍然是成立的。
观点的正确性只要稍作分析便可知晓。
众所周知，以自然形态存在的科学意义上的正反物质只有正负电子对，鉴于这个原因，科学家们就只能在实验室里制造出一般粒子的反粒子。
人们目前已经能够在实验室制造出若干种粒子的反粒子，如反质子、反氢原子等等。
如果用某种正反粒子替代正负电子，则正反粒子相撞湮灭成光仍然成立，但光却无法就一步生出两种正反粒子，除非这两种粒子本身就是正负电子。
例如，光就无法直接生出正反氢原子。
为了更好地理解这种情况，我们用比喻。
人从出生到死亡，生命过程相对来说是比较长的，而死亡过程相对来说却很短。因此，生与死从时间上看是不对称的。不对称造成了人死后不能复活，或者说生命过程是不可逆的。
或许有些读者会问，正负电子湮灭的过程不是可逆的吗？
对此，我把物质的生死过程分为基本的和非基本的，基本过程没有中间环节，而非基本过程具有中间环节。基本过程是双向的，而非基本过程则是单向的。
举例来说吧，光能一步生出正负电子，过程没有中间环节，故是基本的，而其它过程则存在中间环境，因而是非基本的。
笔者把物质的演化过程的可逆和不可逆搞清楚了。
宇宙除正负电子外，没有科学意义上的反物质存在，但这并等于没有自然形态的反物质存在。
科学意义上的反物质是机械的，而自然意义上的反物质则是有机的，具有生命力。
注意，生命力三个字从广义角度去理解。
科学不去研究自然形态的正反物质，反而耗费大量的人力、物力和财力在不停地研究科学意义上的反物质，是不是丢了西瓜捡了芝麻？
有各种各样自然形态的正反物质存在，如有男的，就有女的；有雄的，就有雌的；即使是中性植物，也是雌雄同体。
这些正反物质从总体上看都是正反平衡的。
也许有些读者会问，按照你说的自然形态的正反物质，宇宙基本方程不会严格成立。
对此，我的回答是倘若严格成立，那男女结合不就湮灭成光了吗，还能有人类吗？
但按照正反物质的自然形态理解，如果把精子看是正的，则卵子就是负的，受精卵是中性的，而受精卵已经有生命力，这和零有生命力是相同的。
可见，宇宙基本方程对自然形态的正反物质近似成立。
实际上，一切形态的物质都有自然形态的反物质存在，只不过我们不能像科学意义的正反物质那样去绝对理解而已。
这就是说宇宙基本方程对一切自然形态的正反物质都正确或近似成立。
既然如此，地球物质不是正物质，反物质也用不着上太空中去寻找了。不知丁肇中教授看了这句话有何感想？
当光生出正负电子后，真空中就有了光和正负电子。
而自然形态的物质都是在这三类物质的基础上凝聚而成的。
因正负电子源于光，故还有结论：一切物质最终都可溯源到光。
这就是赵新墉的“宇宙的全部物质是由光物质构成的”的重大结论。
光是中性的，而一切物质源于光，故孔子说“中庸之道”。这样，“中庸之道”是不是在本文有了谜底？
既然“宇宙的全部物质是由光物质构成的”，而光是能量，故有：
定理1：光是能量；能量是光；光和能量是同一的。
能量和物质在光上得到了统一。因光总是运动的，故：
推论1：能量是光的运动；光的运动是能量；能量和光的运动是同一的。
能量的奥秘就这样揭开了。
推论2：运动是永恒的。
定理2：物质由光组成。
5．理解与解释
是否真的揭开了能量奥秘首先要看逻辑上是不是自圆其说；其次再看能否用揭开的奥秘解释越来越多的自然现象。
5.1 质能公式的理解
笔者的最新研究成果，质量是真空物质点的分布密度（真空物质由光混元而成）。
这样，在质能公式E=mc2中，m是真空物质点的分布密度， c是光的传播速度，两个数的乘积值与光有关。
因光只有能量值，没有质量值，因此这个数只能是物质中所包含的光能。
从光聚合成物质角度也能正确理解质能公式。
当光还没有生出正负电子时，任何地方的真空都是同一的，没有差异存在。
但当两个光量子受约束生出正负电子后，光量子和正负电子的差异就显现出来了：正负电子的运动速度小于光量子的运动速度。速度差异的存在使得在两类粒子之间有了动静之分。
如果观察者站在正负电子上，则会发现正负电子相对于观察者是静止的，而光量子相对于观察者却在以光速运动。
但观察者不可能站在光量子上，因为光量子是实际上一个波。这是科学无法建立光参照系的原因。
既然无法建立相对于光静止的参照系，所以光量子相对于参照系总是运动。
光量子总是运动，意味着光量子没有静止质量，或静止质量为零。
相反，正负电子却有静止质量。
有静止质量的物质是“有”形态的，无静止质量的物质是“无”形态的。
因正负电子是通过光量子自约束生出来，故“有”的正负电子源自的“无”的光量子。
因光量子有能量而无静止质量，故光量子的自约束将自身能量转变成了电子的静止质量。
如果正负电子再湮灭成光量子，则正负电子因失去约束而再一次把静止质量转变成能量。转化的计算公式就是质能公式。
物体的最初质量就是这样形成的。因一般物质是在正负电子的基础上凝聚而成的，因此，质量的增大就可用简单的加法了。
这样，我们得到物质从光开始演化的图像：
以光速c运动的光量子，因自约束生出正负电子，于是光量子的动能按照质能公式转变为正负电子的质量。然后，在正负电子的基础上以真空为背景进一步形成一般物质。可见，一般物质再终可溯源到光。
如果令 c=1，则E=mc2 就变成了E=m 。公式告诉我们，质量就是能量，能量就是质量，质量和能量等同了。
要直接从一般物质获得这个结果几乎是不可能的，但如果能从演化角度来看却是合情又合理。
我们知道，物质演化从光开始。
站在物质角度看，光是物质，而从能量角度去观察，光是能量，故有能量 = 质量。
而一般物质是通过光物质聚合而成的，故从能量角度来看，一般物质的静能就是光能量的储存，故依然有能量 = 质量。可见，能量 = 质量这个公式普遍成立。
这是对质能公式最简洁的认识。
5.2来自燃烧现象的佐证
物质在燃烧时发光；发出的光从四面八方射向太空，并再次和真空物质融合到一起，从而回归到真空中。
在散射过程中不断有物质还原成能量，因而物质的质量在不断地减小。
假定这个燃烧物是理想的，即在燃烧过程中质量全部变成能量，且物体在燃烧到最后时，就变成了光并全部散射回空中。
物质变成光全部散出去，恰好说明物质由是光组成的，或者说物质是储存了的光能。
如果我们把物质燃烧并通过光散射的过程自始至终用录像带把它拍下来，并把带子倒过来放，则人们就可以看到光不断聚合成物质的图像。
看到这个图像也许你就不会再怀疑物质是由光聚合而成的结论了。
可燃物质是如此，不可燃物质依然如此。
实际上，任何物质都会发光。能发光不说明任何物质都是由光组成的吗！
爆炸难道不可以理解成光瞬间挣脱束缚回归真空的过程吗！
感谢
孔令民博士在成稿之后，仔细阅读了本文，指出了一些地方的存在的错误，并提出了修改意见。
参考文献
[1]] SHI Yixiang. 2005. On the Profound Mysteries of Mass On the Profound Mysteries of Mass---Second big break through the base of special relativity. The Proceeding of the China Association for Science and Technology. Vol.2 No.1:13-22.
[2] 石益祥，李友松．论复数的本体论意义与方法论启示[J]．自然辩证法研究，2002(11)：36-39．
[3]
[4] 石益祥．山静无人水自流（1）——我的一些创新思想[J]．科技信息，2005（9）．
[5] 石益祥．宇宙基本方程——最简数学方程的哲学和物理学意义[J]．新科技，2005(3)：27－33．中国科技论文在线，200505-101．
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