能量相對性原理

張海峰

【摘 ?要】通過靜電場加速帶電粒子的實驗發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律和能量守恒定律之間相互矛盾的事實，在解決該矛盾的過程中發(fā)現(xiàn)了力的三段性，通過力的三段性推導出了能量相對性原理，該原理敘述了星球內部能量的來源以及宇宙暗能量的來源，界定了能量守恒轉換定律的使用范圍和條件。

【關鍵詞】能量;相對性;原理

引言：

悖論，來自于希臘文“突然的”、“令人驚奇的”，是一種推論。它既能證明某個判斷是真，又能證明這個判斷是假（或者說，它既能證明這個判斷，又能證明這個判斷的否定）①。歷史上比較著名的悖論有：古希臘哲學家伊壁孟德提出的說謊者悖論、伯特納德·羅素的理發(fā)師悖論，唐吉訶德悖論、芝諾悖論、費米悖論、康德的二律背反等，在這里我就不一一贅述了。悖論的產生有它積極和消極的兩面性。消極的一面是能對現(xiàn)有的理論產生一定的沖擊作用，能夠降低人們對現(xiàn)有真理的信任程度;積極的一面是它在整個科學的發(fā)展史上起著積極的促進作用，利用這種方法有時也能推導和發(fā)現(xiàn)新的科學理論。比如，羅素集合論的發(fā)現(xiàn)等。總之，悖論的中心思想可以歸結為《韓非子·難一》中的“矛盾”一詞。原文如下：楚人有鬻盾與矛者，譽之曰：“吾盾之堅，物莫能陷也?！庇肿u其矛曰：“吾矛之利，于物無不陷也?！被蛟唬骸耙宰又?，陷子之盾，何如？”其人弗能應也。夫不可陷之盾與無不陷之矛，不可同世而立。譯文：楚國有個賣矛又賣盾的人，他首先夸耀自己的盾，說：“我的盾很堅固，無論用什么矛都無法穿破它！”然后，他又夸耀自己的矛，說：“我的矛很銳利，無論用什么盾不能不被它穿破！”有的人問他：“如果用你的矛去刺你的盾，會怎樣”？，那個人被問得啞口無言。什么矛都無法穿破的盾與什么盾都能穿破的矛，不能同時出現(xiàn)在一起②。

一、二律背（悖）反如何解？

如圖（一）所示：在真空中有一對平行金屬板，相距為d，由于接上電壓為U的電池組而帶電，在它們之間就建立了勻強電場，設場強為E。假設，有一個電荷+q處在電場中，它將受到電場力的作用，作用力為F=qE。+q從正極板移到負極板，電場力作的正功等于Fd。如果+q是在正極板處由靜止開始運動，到達負極板時，它的動能為 ，所以+q到達負極板時的速度為 。

設兩板上各有一個小孔，兩孔彼此正對，在正極板的左方有一些電量為+q的粒子，有一部分粒子能以很小的速度從左孔進入電場，這些粒子在電場中被加速，到達負極板后又從右孔穿出，它們穿出的速度為 。我們從電力線的形狀圖（二）實驗中知道，在平行金屬板之外并沒有電場，所以，從右孔穿出的帶電粒子將保持勻速直線運動，一直到它們碰到別的物體或者進入另一個電場為止③。

將以上實驗中，當電池組U給平行金屬板充電完畢后，切斷電源，平行金屬板上仍有電荷存在，它們之間仍然存在著電場，因為這時這對平行金屬板本身就組成了一個電容器。我們知道，電容器的基本特性就是具有儲存電荷的能力。電荷和電場是不可分割的整體，只要有電荷存在，電場便存在。既然有電場存在，那么，只要有+q進入電場，電場就會對+q作功而加速并從右孔穿出。我們設+q在沒進入正極板時具有能量 ，穿出負極板后具有的能為 ，這時則有 的關系。按照能量守恒定律分析，有能量輸出，其它地方必有能量減少，分析+q的整個加速過程，則電場能量應該有消耗，即電場強度應該減弱，而電場強度減弱，必須要有一個前提，就是平行金屬板上的電荷數(shù)目要減少，否則平行金屬板之間的電場強度不會減弱的。根據(jù)電荷守恒定律：當一個物體失去電子時，必有其它地方獲得電子，且這一過程的完成必須要有電子的傳導途徑。在+q被加速的過程中，+q并沒有觸及金屬板，金屬板上的電荷數(shù)目怎么會減少呢？無法用電荷守恒定律的觀點加以解釋。如果電荷守恒定律在此是成立的，那么只要有+q進入電場，+q就會被加速，獲得一個能量的增量，這意味著能量守恒轉換定律在此是不成立的。若認為能量守恒定律在此是成立的，那么輸出的能量又來源于何處呢？所以，電荷守恒定律和能量守恒定律在此是相互矛盾的，不能同時成立，其中必有一個是“錯誤”的，而這兩個定律是經典物理學中最基礎和最重要的兩個定律，又都是人們經過長期實踐檢驗過的真理，它們之間怎么會發(fā)生矛盾呢？請問，在此我應該堅持和相信哪一條定律呢？

二、能量相對性原理

在同一科學理論體系當中，真理是相容的，不可能發(fā)生矛盾，然而在本文中能量守恒定律和電荷守恒定律之間卻發(fā)生了矛盾。俗話說：“二虎相爭，必有一傷”，我們在此只能相信其中之一，二者不可能同時相信，而能量守恒定律和電荷守恒定律又都是人們經過長期實踐和理論檢驗過的真理，否定其中哪一個定律都是不可能的，在這二難選擇的境地，我經過仔細研究發(fā)現(xiàn)，原來在能量守恒定律之前還存在著一個能量的來源定律，它就是能量相對性原理。

1、能量相對性原理的基本概念

分析靜電場中粒子的加速過程，我首先發(fā)現(xiàn)了以下幾個問題：1.粒子的運動過程分為三個階段：①無相互作用階段;②相互作用階段;③相互作用平衡終止階段。這三個階段實質上就是力的三段性。2.保守力場存在著一定的作用范圍。3.目前我們發(fā)現(xiàn)的四種力都是保守力。4.力的三段性是與保守力場的作用范圍相對應的，粒子的運動狀態(tài)也與牛頓的三個定律是相對應的。5.粒子獲得勢能的過程與隕石進入地球引力場獲得勢能和加速度的過程是相似的，也可以說是同一過程。6.力的第一階段向第二階段轉化時，勢能是可以無中生有的。7.粒子運動的整個過程，就是牛頓三個定律的轉化過程。

力的定義是物體間的相互作用。從力的定義中，我們明顯可以看出來力的相互作用分為三個階段：①無相互作用階段;②相互作用階段;③相互作用平衡終止階段。這就是力和矛盾的三段性。力之所以存在著三段性，是由保守力場的性質決定的。原來我們目前發(fā)現(xiàn)的四種力：萬有引力、電磁力、弱力、強力都是保守力，因為它們的場強均與力場源之間的空間距離有關，力場源質量越大，其周圍的作圍范圍也越大。帶電體所帶電量越大其電荷的作用范圍也越大。弱力和強力只能在原子核內起作用，它們的作用范圍大概在 厘米左右。④無論是哪一種力場，它們的作用范圍我們可以這樣規(guī)定：以被作用的物體相對力場源勢能為零的點為界線，被作用的物體處于點以內，就意味著該物體處于力場當中，相對力場源來說，該物體相對力場具有一定的勢能。點以外的空間叫宇宙空間或叫作系統(tǒng)空間也可以叫作場外空間，在這種空間中同樣存在著物質，物質在這種空間中是以牛頓第一定律的狀態(tài)運動的，即以勻速直線運動的方式運動的，物質處在這種空間中，隨時都會與周圍環(huán)境中具有力場的力場源發(fā)生相互作用，但在沒發(fā)生相互作用之前，物體的參照系是不確定的，參照系不確定，我們就無法談起物體與力場源之間的勢能，因為勢能的概念是相對某一確定參照系才有的概念，我們把物體處在這種沒有確定參照系的狀態(tài)稱作物體處于“無”的狀態(tài)。處于這種狀態(tài)的物體不可能長時間存在，它隨時都會與周圍具有力場的質點發(fā)生相互作用，一旦進入某個力場源的作用范圍之內，力場源就會與之發(fā)生相互作用，這時力場源與物體之間的相互作用力是從無到有的過程，其間的勢能也是從無到有的過程。力場中的勢能值最小可以小到零值，這個零值代表著“有”、“存在”，并不是沒有，因為這種零是有確定的參照系的。所以“零”和“無”是有區(qū)別的。判斷一個物體是處于“無”或“有”的狀態(tài)，首先要考查它是否有無確定的參照系，如果有確定的參照系意味著物體處于“有”的狀態(tài);如果物體沒有確定的參照系，那么物體就處于“無”的狀態(tài)。處于力場內具有勢能的物體開始作勻加速運動，勢能轉換為動能，此種運動方式就是牛頓第二定律的運動方式。由此我們可以看出勢能的概念是依附于力的概念的存在而存在的，力可以從無到有，那么物體與力場源之間的勢能也可以從無到有，當物體與力場源結合以后，這部分勢能轉換為動能，動能又轉換為功和熱儲存在結合體當中成為結合體總內能中的一部分，這時被作用物體與力場源之間的相互作用力是以靜態(tài)力的作用方式作用，處在一種相對靜止的平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)實質上就是牛頓第三定律狀態(tài)。

2、1+1=3的能量原理

根據(jù)熱力學第一定律，任何一個單獨的物體都具有一定的內能，它的內能為△E=Q+A。

假如這個物體是運動的，我們把這部分動能也可以看作物體內能的一部分這時上式則變?yōu)?△E=Q+A+ mv2或 △E=Q+A+ m（v22-v12），若v2=v1，即物體作勻速直線運動時，上式就為△ E=Q+A+c mv2.

設宇宙空間中有兩個星球，每一個星球的內能為△E1=Q1+A1+ M1V12=1;△E2=Q2+A2+ m2v22=1，兩個星球從“無限遠”（所謂“無限遠”是指兩星球之間無相互作用的狀態(tài)。例如經典物理學中有條定議：無限遠處引力場為零。零之外同樣存在著物質，這種物質與力場源之間是沒有相互作用的，此時物體相對力場源來說就是處于“無限遠”的狀態(tài)）處開始運動，兩星球逐漸接近時，兩星球之間的萬有引力場開始發(fā)生相互作用，此時兩星球之間的相互勢能也是從無到有的過程，兩星球之間的相互作用力是從無到有的過程，這部分勢能轉換為動能，動能又轉換為功和熱儲存在結合體內能當中。若設G 值也等于1，兩星球結合后，結合體的總內能為△E總=Q1+A1+ m1v12+Q2+A2+ m2v22+G =3，若這個過程發(fā)生在一個封閉系統(tǒng)內部，我們很明顯可以看出，這個過程已經證偽了能量守恒定律的存在。

當然，現(xiàn)實世界當中這種兩個內能相等的星球是不存在的，其間的勢能值等于1這種情況也是不存在的，我采用這種方法主要是為了強調能量無中生有的世界觀。

3、能量相對性原理的定義

能量相對性原理：在一個封閉系統(tǒng)中，多個具有萬有引力場的質點，從牛頓第一定律狀態(tài)轉化為牛頓第二定律狀態(tài)時，質點間的相互作用力是從無到有的過程，此時質點間的相互勢能也是從無到有的過程，直至轉化為牛頓第三定律狀態(tài)后，整個系統(tǒng)的能量是一個增量。其定義式為：△E=Q1+A1+ mv12+Q2+A2+ m2v22+G 。

4、宇宙的暗能量

從上面的推導過程中我們看到一個結合體（星球）的內能除了外星球（太陽）的輻射能以外，其內部能量來源于組成這個星球的每一個物質微粒的結合。在一個封閉系統(tǒng)中，兩物體若從無相互作用力開始相加，整個系統(tǒng)的能量是一個增量。這個增量在兩物體沒開始相互作用結合之前在宇宙或系統(tǒng)中是不存在的，根本無處查找，只有兩星球發(fā)生相互作用或結合在一起以后，這部分能量才會在宇宙或系統(tǒng)中顯現(xiàn)出來，即其中的G 部分是無中生有的能量，這部分能量就是宇宙的暗能量。

5、“第一推動”假說

有兩個原初粒子（目前我不確定這種粒子的性質，初步猜想應該是組成物質的最基本粒子，應該是氫原子）。由于原始存在的原因相距較近，發(fā)生了萬有引力場的作用，兩粒子結合后擴大了其周圍萬有引力場的作用范圍，影響到了周圍第三個粒子…，依次類推形成了物體，物體在萬有引力的作用下繼續(xù)吸引周圍的原初粒子和物體逐漸形成了宇宙中第一個星球，由于能量相對性原理（星球內初始能量的來源），星球內的壓力和溫度不斷升高，引發(fā)了星球內的聚變反應（同時形成了宇宙中的各種元素），使星球發(fā)生了第一次宇宙大爆炸，大爆炸的星球碎塊在宇宙空間中四散而去又在萬有引力的作用下，不斷吸引周圍的原初粒子及星球碎塊，形成了新的星球，這些星球在萬有引力的作用下集聚又發(fā)生了宇宙空間中的第二次爆炸…，依次類推，往復無窮的永遠運動下去。也許這就是宇宙物質開始運動的初始原因。

結論

本論文依據(jù)經典物理學中“無限遠”處引力場為零的定義，解決和發(fā)現(xiàn)了如下幾個問題：

1、解決了《二律（悖）背反如何解？》中能量守恒定律與電荷守恒定律之間的矛盾問題。

2、發(fā)現(xiàn)了力和矛盾的三段性。靜電場中粒子的運動過程，就是力三段性的表現(xiàn)。

3、力的三段性是與牛頓的三個定律相互對應的。場外物體運動方式對應著牛頓第一定律。場內物體受力運動方式對應著牛頓第二定律。物體與力場源結合以后，其內部的相互作用力對應著牛頓第三定律。

4、靜電場中，粒子運動的三個階段是可以相互轉化的，即牛頓一、二、三定律之間是可以相互轉化的。

5、目前發(fā)現(xiàn)的四種力：萬有引力、電磁力、強力、弱力都是保守力。

6、只要是保守力，它就存在著一定的作用范圍，這個作用范圍是以被作用物體對力場源勢能為零的點作為界線的，分為場外、場內、與力場源相結合三種情況：物體處在場外時，是沒有確定的參照系的，則該物體處“無”的狀態(tài)：物體處于場內，勢能值可以小到零值，但該物體處于“有”的狀態(tài)。另一種狀態(tài)就是物體與力場源結合的狀態(tài)。

7、勢能的概念是依附于力的概念的存在而存在的，力可以無中生有，那么質點間的相互勢能也可以從無到有，打破了人類關于星球內能量恒定不變的世界觀，即能量可以無中生有。

8、成功修改了熱力學第一定律的表達式，把整個系統(tǒng)運動能看作系統(tǒng)內能的一部分。即熱力學第一定律的表達式△E=Q+A修改為△E=Q+A+ mv2。

9、發(fā)現(xiàn)了能量相對性原理，敘述了星球內能量的來源，在一定范圍內證偽了能量守恒定律的存在，同時界定了能量守恒定律的使用范圍和條件。

10、發(fā)現(xiàn)了星球內能量的初始來源，即星球內能量來源于組成星球物質各種保守力場的結合，這種結合分為萬有引力結合、電磁力結合、弱力結合、強力結合。

11、一個星球內若要能量守恒，首要條件是這個星球內的質量要守恒，質量守恒是星球內能量守恒的前提條件。

12、發(fā)現(xiàn)了宇宙的暗能量，宇宙的暗能量即是能量相對性原理的逆過程。宇宙暗能量=能量相對性原理-能量守恒定律。

13、宇宙中不存在暗物質，只存在著暗質量。宇宙暗質量=（能量相對性原理-能量守恒定律）除以光速的平方=宇宙暗能量除以光速的平方。

14、宇宙暗能量的發(fā)現(xiàn)（實質上就是質量的相對性）同時也會引起行星周圍引力場的改變（實質上就是引力場的相對性），這種質量同樣影響著行星的運行規(guī)律。例如，我們目前測得地球的總質量為5.965×1024kg，其中就包含著地球的內能質量，內能質量為（Q地+A地+ m地v地2）/c2=△m地。

15、從能量相對性原理中可以看出，機械能守恒定律具有局限性，它只能在單個保守力場內部使用，超出單個的保守力場范圍后，機械能守恒定律即不適用。

16、一個封閉系統(tǒng)中，如果發(fā)生了能量相對性效應，系統(tǒng)中的能量是不固定的，這時就會影響到熱力學第零定律、熱力學第一定律的使用，具體如何使用是我今后的研究課題。

17、自然界中的一切物體都是從具有高能量向低能量的方向運動的，這就是熱力第二定律。而在保守力場之外，勢能是從無到有的，是從低能量向高能量方向運動的，這就打破了熱力學第二定律的論斷。

18、一個封閉系統(tǒng)中，如果發(fā)生了能量相對性效應，結合體的質量毫無疑問是增加的，質量（其中還包含著能量質量的增加）增加，那么結合體周圍的引力場是增強的，在這種情況下，熵是逆向發(fā)展的，這有待于我們進一步進行研究。

19、從“第一推動”假說中看出，宇宙物質運動在自然界中是自足的，不需要什么上帝的角色。

參考文獻：

[1]孫小禮 ?韓增祿 ?傅杰青主編 ?《科學方法》下冊，北京：知識出版社 ?1980年8月第一版第663頁。

[2]https：//www.kekeshici.com。

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[4]I.阿西莫夫著，李立昂譯，《宇宙黑洞的秘密》，北京：知識出版社1983年5月、第二頁。