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对相对论质速关系的新认识
袁玉刚

内容摘要：能量和能量可以相互转换，质量和能量不能相互转换。但质量可以加减，因为能量里含有质量的成分。能量增加了，质量自然要增加。相对论质量随速度的增加而增大的关系式是由于能量的加入而出现的两个结果之间的关系式，不是因果关系式，不是普遍真理，不能到处应用。

关键词：质量 能量 速度 相对论

    爱因斯坦是伟大的科学家。相对论彪炳千秋。他敢于否定前人，标新立异的科学精神是值得赞扬的，他的研究思路和研究方法也是应该肯定的，为科学事业做出的贡献更是无可比拟的。但是，不能因为他的伟大而把他奉若神灵，不能因为他的成就而爱屋及乌，甚至噤若寒蝉，唯唯诺诺。假如这样，就是没有真正理解相对论的理论精髓，没有真正继承爱因斯坦的科学精神。我们应该批判性地理解、继承和光大相对论。

1、质量和能量的定义

质量——物体所具有的物质的量。
能量——物体运动状态的量度。
宇宙中任何物体都具有质量和能量。大到星系，小到光子，概不例外。光子的质量可以假设为零，但决不是零。

2、能量与质量、速度的关系

2．1牛顿力学的能量表达式为：

E=(1/2) m v²                                      （1）

式中：E——物体的能量（焦耳），
m——物体的质量（千克），
v——物体的运动速度（千米/秒）。

    （1）式表明，能量里含有质量和速度成分。只要能量增加了，系统内的质量和速度肯定要随之增大。一个物体的质量是不变的。质量和能量不能相互转化，转化的只是能量和速度或者质量和速度。当能量守恒时，变化的只有质量和速度。质量和速度可以相互转化，但不一定全部转化。转化的方式无非是聚变和裂变。聚变则物质的运动速度变小，质量变大。裂变则物质的运动速度变大，质量变小。质量损失就意味着速度的增加，质量增加就意味着速度的减小。当电子进入质子的旋涡时，它的运行速度就会明显降低，系统质量就会增加。基本粒子在以光速运行时质量并不为零 ，中微子和光子都有质量，只是小得无法计量而已。一旦进入质子的旋涡，它们的质量特性就会体现出来。原子的质量应该是原子内所有基本粒子的总和。计算和实际之所以有误差，就是忽略了这个质量增长。当电子离开质子的旋涡时，它的运行速度明显增加，质量特性就会消失，系统质量就会降低。

2．2爱因斯坦著名的质量与能量方程式为：

              E= mc²                   （2）

式中：c——光速（千米/秒）。

    （2）式只是一种运动速度达到最大时的极端情况。

3、相对论质量和速度关系质疑

    1901年，考夫曼在确定镭发出的β射线的荷质比时，观察到了荷质比与速度有关。如果电荷不随速度改变，则电子的质量就要随速度的增加而增大。

    爱因斯坦相对论质量和速度的关系式为：

            m₀= m(1-v²/c²)^1/2                          （3）

式中：

m₀——物体的静止质量（千克），
v——物体的运动速度（千米/秒），
m——物体的运动质量（千克），
c——光速（千米/秒）。

    公式（3）是利用洛伦兹变换得到的。它忽略了全部外来能量的作用，片面地摘取能量加入的两种结果，形成了质量随速度的增加而增大的新的关系式。由于能量的加入而出现的两个结果之间突然变成了因果关系，质量的增大不再需要能量的加入，只需要速度的增加。反正，只要速度增加了，质量肯定增大了。至于速度的增加靠什么，那就不用管了。这就是相对论。

    就象一个人获得了一批经济援助，结果不仅治好了病而且所开的工厂的业务也发展起来了。但是，在总结经验时，他却置外援于不顾，硬说是因为自己治好了病所以工厂的业务才发展起来的。并且堂而皇之地提出了一个治病和工厂的业务发展之间的关系式。工厂的业务发展与治病成正比。治病速度越快，工厂的业务发展速度也越快。至于治病靠的什么，就是不说。诚然，工厂的业务发展与治病之间总会有一定的关系，但用这种方式推导出来的关系式即使歪打正着也总是不合正理，总是无源之水，无本之木。

    一只质量为m₁的小鸟以v₁的速度在天空中飞翔，一只质量为m₂ 的老鹰以v₂的速度从后面追上来，叼住小鸟以v₃的速度继续飞行。从小鸟的质量、速度和老鹰叼住小鸟后的质量、速度一定能够回归出一个计算公式。这个公式也一定能够推而广之。但是，绝不能说小鸟的质量随速度的增加而增大，只能说由于增加了外来能量，系统的速度和质量都增加了。一个低速电子不会自发地变成高速电子。一定要有外来能量。而能量本身就含有质量的成分。能量增加了，质量自然增大了。这里的老鹰作用不应该忽视。


4、质量和能量不能相互转换

    能量和能量可以相互转换。质量和能量不能相互转换，但质量可以加减，因为能量里含有质量的成分。能量增加了，质量自然要增加。但并不是能量转换成质量。

4．1热力学第一定律是能量转换定律

    热力学第一定律是包括热量在内的能量守恒和转换定律。它明确指出：外界对系统传递的热量（能量）一部分用于增加系统的内能，一部分用于系统对外做功。用公式表示为：

                 E=E1+E2                  （4）

式中：E1——增加的物体内能（焦耳），可以表示为：

               E1=(1/2) m（v₄²- v₃²）           （5）

E2——增加的物体动能（焦耳），可以表示为：

                 E2=(1/2) m(v₂²-v₁²)                 （6）

式中：v₄——物体内部分子运动末速度（千米/秒），
v₃——物体内部分子运动初速度（千米/秒），
v₂——物体运动末速度（千米/秒），
v₁——物体运动初速度（千米/秒）。

4．2爱因斯坦的光电效应也是能量转换

    爱因斯坦的光电效应方程明确指出：外界对系统传递的光能一部分用于光电子的动能的增加（对外做功），一部分用于电子的逸出功（增加系统的内能）。用公式表示为：

              hν=(1/2)me(v₂²-v₁²) +A               （7）

式中：h——普朗克常数，
ν——频率，
me——电子的质量（千克），
v₂——逸出电子的末速度（千米/秒），
v₁——逸出电子的初速度（千米/秒），

A——金属的电子逸出功（焦耳）。可以表示为：

              A=(1/2) m（v₄²- v₃²）                  （8）

式中：

v₄——未逸出电子的末速度（千米/秒），
v₃——未逸出电子的初速度（千米/秒），

可见（6）式与（3）式是等价的。

    从（6）式中可以看出：光频率变化时，能量变化了，电子的速度发生了变化。变化分成两部分，一部分是表面电子的加速运动，彰显宏观运动的变化，一部分是内部电子的加速运动。


4．3光子和电子的碰撞也是能量转换

    光子是有质量的。2003年3月的《物理学评论快报》发表了一篇文章，说中国科学家、武汉华中科技大学教授罗俊及同事通过实验在宇宙磁势造成的影响中寻找光子质量的痕迹，用精密扭秤检验出光子静止质量的上限为10^-48千克。果真如此，则光子质量的测定又精确了许多。

    假设光子和电子碰撞在一起，则

             (1/2)m₁v₁₁²+(1/2)m₂v₂₁²=(1/2)m₃v₃₁²                (9)

式中：

m₁——光子的质量（千克），
v₁₁——光子的速度（千米/秒），
m₂——电子的质量（千克），
v₂₁——电子的速度（千米/秒），
m₃——光子和电子的质量（千克），
v₃₁——光子和电子的速度（千米/秒）。

    (8)式完全可以认为是电子俘获了光子而增加了质量，并不是能量转化为质量。

                         m₁+ m₂= m₃                   (10)

    如果m₁的速度v₁₁为光速，用来加速m₂，则v₁₁ ﹥v₃₁ ﹥v₂₁ 。m₃的速度无论如何也达不到光速。这就是光速是宇宙中物体的最大速度的原因。

4．4原子核的质量变化也是能量转换

    原子核形成时，都会发生质量变化。即

                   Zm_p+(A-Z)m_n=m_a+Δm             （11）

式中：m_p——质子的质量（千克），

m_n——中子的质量（千克），
m_a——原子核的质量（千克），
Δm——质量亏损（千克）。
Z——电荷数
A——质量数

亏损的质量以能量的形式释放出来。反之，增加能量，原子核的质量就会增加。

5、结论

    物体的能量本来就含有质量的成分。系统的质量随着外界能量的不断加入而逐渐增大。同时，系统的速度也逐渐增大。相对论质量和速度的关系式只是外界能量加入后两种结果的关系式，不是因果关系式。它反映的只是一种特殊情况，不是普遍真理，不能到处应用。否则，就会遗患无穷。

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2003年6月22日

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