能量相对性原理

张海峰

【摘  要】通过静电场加速带电粒子的实验发现了电荷守恒定律和能量守恒定律之间相互矛盾的事实，在解决该矛盾的过程中发现了力的三段性，通过力的三段性推导出了能量相对性原理，该原理叙述了星球内部能量的来源以及宇宙暗能量的来源，界定了能量守恒转换定律的使用范围和条件。

【关键词】能量;相对性;原理

引言：

悖论，来自于希腊文“突然的”、“令人惊奇的”，是一种推论。它既能证明某个判断是真，又能证明这个判断是假（或者说，它既能证明这个判断，又能证明这个判断的否定）①。历史上比较著名的悖论有：古希腊哲学家伊壁孟德提出的说谎者悖论、伯特纳德·罗素的理发师悖论，唐吉诃德悖论、芝诺悖论、费米悖论、康德的二律背反等，在这里我就不一一赘述了。悖论的产生有它积极和消极的两面性。消极的一面是能对现有的理论产生一定的冲击作用，能够降低人们对现有真理的信任程度;积极的一面是它在整个科学的发展史上起着积极的促进作用，利用这种方法有时也能推导和发现新的科学理论。比如，罗素集合论的发现等。总之，悖论的中心思想可以归结为《韩非子·难一》中的“矛盾”一词。原文如下：楚人有鬻盾与矛者，誉之曰：“吾盾之坚，物莫能陷也。”又誉其矛曰：“吾矛之利，于物无不陷也。”或曰：“以子之矛，陷子之盾，何如？”其人弗能应也。夫不可陷之盾与无不陷之矛，不可同世而立。译文：楚国有个卖矛又卖盾的人，他首先夸耀自己的盾，说：“我的盾很坚固，无论用什么矛都无法穿破它！”然后，他又夸耀自己的矛，说：“我的矛很锐利，无论用什么盾不能不被它穿破！”有的人问他：“如果用你的矛去刺你的盾，会怎样”？，那个人被问得哑口无言。什么矛都无法穿破的盾与什么盾都能穿破的矛，不能同时出现在一起②。

一、二律背（悖）反如何解？

如图（一）所示：在真空中有一对平行金属板，相距为d，由于接上电压为U的电池组而带电，在它们之间就建立了匀强电场，设场强为E。假设，有一个电荷+q处在电场中，它将受到电场力的作用，作用力为F=qE。+q从正极板移到负极板，电场力作的正功等于Fd。如果+q是在正极板处由静止开始运动，到达负极板时，它的动能为 ，所以+q到达负极板时的速度为 。

设两板上各有一个小孔，两孔彼此正对，在正极板的左方有一些电量为+q的粒子，有一部分粒子能以很小的速度从左孔进入电场，这些粒子在电场中被加速，到达负极板后又从右孔穿出，它们穿出的速度为 。我们从电力线的形状图（二）实验中知道，在平行金属板之外并没有电场，所以，从右孔穿出的带电粒子將保持匀速直线运动，一直到它们碰到别的物体或者进入另一个电场为止③。

将以上实验中，当电池组U给平行金属板充电完毕后，切断电源，平行金属板上仍有电荷存在，它们之间仍然存在着电场，因为这时这对平行金属板本身就组成了一个电容器。我们知道，电容器的基本特性就是具有储存电荷的能力。电荷和电场是不可分割的整体，只要有电荷存在，电场便存在。既然有电场存在，那么，只要有+q进入电场，电场就会对+q作功而加速并从右孔穿出。我们设+q在没进入正极板时具有能量 ，穿出负极板后具有的能为 ，这时则有 的关系。按照能量守恒定律分析，有能量输出，其它地方必有能量减少，分析+q的整个加速过程，则电场能量应该有消耗，即电场强度应该减弱，而电场强度减弱，必须要有一个前提，就是平行金属板上的电荷数目要减少，否则平行金属板之间的电场强度不会减弱的。根据电荷守恒定律：当一个物体失去电子时，必有其它地方获得电子，且这一过程的完成必须要有电子的传导途径。在+q被加速的过程中，+q并没有触及金属板，金属板上的电荷数目怎么会减少呢？无法用电荷守恒定律的观点加以解释。如果电荷守恒定律在此是成立的，那么只要有+q进入电场，+q就会被加速，获得一个能量的增量，这意味着能量守恒转换定律在此是不成立的。若认为能量守恒定律在此是成立的，那么输出的能量又来源于何处呢？所以，电荷守恒定律和能量守恒定律在此是相互矛盾的，不能同时成立，其中必有一个是“错误”的，而这两个定律是经典物理学中最基础和最重要的两个定律，又都是人们经过长期实践检验过的真理，它们之间怎么会发生矛盾呢？请问，在此我应该坚持和相信哪一条定律呢？

二、能量相对性原理

在同一科学理论体系当中，真理是相容的，不可能发生矛盾，然而在本文中能量守恒定律和电荷守恒定律之间却发生了矛盾。俗话说：“二虎相争，必有一伤”，我们在此只能相信其中之一，二者不可能同时相信，而能量守恒定律和电荷守恒定律又都是人们经过长期实践和理论检验过的真理，否定其中哪一个定律都是不可能的，在这二难选择的境地，我经过仔细研究发现，原来在能量守恒定律之前还存在着一个能量的来源定律，它就是能量相对性原理。

1、能量相对性原理的基本概念

分析静电场中粒子的加速过程，我首先发现了以下几个问题：1.粒子的运动过程分为三个阶段：①无相互作用阶段;②相互作用阶段;③相互作用平衡终止阶段。这三个阶段实质上就是力的三段性。2.保守力场存在着一定的作用范围。3.目前我们发现的四种力都是保守力。4.力的三段性是与保守力场的作用范围相对应的，粒子的运动状态也与牛顿的三个定律是相对应的。5.粒子获得势能的过程与陨石进入地球引力场获得势能和加速度的过程是相似的，也可以说是同一过程。6.力的第一阶段向第二阶段转化时，势能是可以无中生有的。7.粒子运动的整个过程，就是牛顿三个定律的转化过程。

力的定义是物体间的相互作用。从力的定义中，我们明显可以看出来力的相互作用分为三个阶段：①无相互作用阶段;②相互作用阶段;③相互作用平衡终止阶段。这就是力和矛盾的三段性。力之所以存在着三段性，是由保守力场的性质决定的。原来我们目前发现的四种力：万有引力、电磁力、弱力、强力都是保守力，因为它们的场强均与力场源之间的空间距离有关，力场源质量越大，其周围的作围范围也越大。带电体所带电量越大其电荷的作用范围也越大。弱力和强力只能在原子核内起作用，它们的作用范围大概在 厘米左右。④无论是哪一种力场，它们的作用范围我们可以这样规定：以被作用的物体相对力场源势能为零的点为界线，被作用的物体处于点以内，就意味着该物体处于力场当中，相对力场源来说，该物体相对力场具有一定的势能。点以外的空间叫宇宙空间或叫作系统空间也可以叫作场外空间，在这种空间中同样存在着物质，物质在这种空间中是以牛顿第一定律的状态运动的，即以匀速直线运动的方式运动的，物质处在这种空间中，随时都会与周围环境中具有力场的力场源发生相互作用，但在没发生相互作用之前，物体的参照系是不确定的，参照系不确定，我们就无法谈起物体与力场源之间的势能，因为势能的概念是相对某一确定参照系才有的概念，我们把物体处在这种没有确定参照系的状态称作物体处于“无”的状态。处于这种状态的物体不可能长时间存在，它随时都会与周围具有力场的质点发生相互作用，一旦进入某个力场源的作用范围之内，力场源就会与之发生相互作用，这时力场源与物体之间的相互作用力是从无到有的过程，其间的势能也是从无到有的过程。力场中的势能值最小可以小到零值，这个零值代表着“有”、“存在”，并不是没有，因为这种零是有确定的参照系的。所以“零”和“无”是有区别的。判断一个物体是处于“无”或“有”的状态，首先要考查它是否有无确定的参照系，如果有确定的参照系意味着物体处于“有”的状态;如果物体没有确定的参照系，那么物体就处于“无”的状态。处于力场内具有势能的物体开始作匀加速运动，势能转换为动能，此种运动方式就是牛顿第二定律的运动方式。由此我们可以看出势能的概念是依附于力的概念的存在而存在的，力可以从无到有，那么物体与力场源之间的势能也可以从无到有，当物体与力场源结合以后，这部分势能转换为动能，动能又转换为功和热储存在结合体当中成为结合体总内能中的一部分，这时被作用物体与力场源之间的相互作用力是以静态力的作用方式作用，处在一种相对静止的平衡状态，这种状态实质上就是牛顿第三定律状态。

2、1+1=3的能量原理

根据热力学第一定律，任何一个单独的物体都具有一定的内能，它的内能为△E=Q+A。

假如这个物体是运动的，我们把这部分动能也可以看作物体内能的一部分这时上式则变为 △E=Q+A+ mv2或 △E=Q+A+ m（v22-v12），若v2=v1，即物体作匀速直线运动时，上式就为△ E=Q+A+c mv2.

设宇宙空间中有两个星球，每一个星球的内能为△E1=Q1+A1+ M1V12=1;△E2=Q2+A2+ m2v22=1，两个星球从“无限远”（所谓“无限远”是指两星球之间无相互作用的状态。例如经典物理学中有条定议：无限远处引力场为零。零之外同样存在着物质，这种物质与力场源之间是没有相互作用的，此时物体相对力场源来说就是处于“无限远”的状态）处开始运动，两星球逐渐接近时，两星球之间的万有引力场开始发生相互作用，此时两星球之间的相互势能也是从无到有的过程，两星球之间的相互作用力是从无到有的过程，这部分势能转换为动能，动能又转换为功和热储存在结合体内能当中。若设G 值也等于1，两星球结合后，结合体的总内能为△E总=Q1+A1+ m1v12+Q2+A2+ m2v22+G =3，若这个过程发生在一个封闭系统内部，我们很明显可以看出，这个过程已经证伪了能量守恒定律的存在。

当然，现实世界当中这种两个内能相等的星球是不存在的，其间的势能值等于1这种情况也是不存在的，我采用这种方法主要是为了强调能量无中生有的世界观。

3、能量相对性原理的定义

能量相对性原理：在一个封闭系统中，多个具有万有引力场的质点，从牛顿第一定律状态转化为牛顿第二定律状态时，质点间的相互作用力是从无到有的过程，此时质点间的相互势能也是从无到有的过程，直至转化为牛顿第三定律状态后，整个系统的能量是一个增量。其定义式为：△E=Q1+A1+ mv12+Q2+A2+ m2v22+G 。

4、宇宙的暗能量

从上面的推导过程中我们看到一个结合体（星球）的内能除了外星球（太阳）的辐射能以外，其内部能量来源于组成这个星球的每一个物质微粒的结合。在一个封闭系统中，两物体若从无相互作用力开始相加，整个系统的能量是一个增量。这个增量在两物体没开始相互作用结合之前在宇宙或系统中是不存在的，根本无处查找，只有两星球发生相互作用或结合在一起以后，这部分能量才会在宇宙或系统中显现出来，即其中的G 部分是无中生有的能量，这部分能量就是宇宙的暗能量。

5、“第一推動”假说

有两个原初粒子（目前我不确定这种粒子的性质，初步猜想应该是组成物质的最基本粒子，应该是氢原子）。由于原始存在的原因相距较近，发生了万有引力场的作用，两粒子结合后扩大了其周围万有引力场的作用范围，影响到了周围第三个粒子…，依次类推形成了物体，物体在万有引力的作用下继续吸引周围的原初粒子和物体逐渐形成了宇宙中第一个星球，由于能量相对性原理（星球内初始能量的来源），星球内的压力和温度不断升高，引发了星球内的聚变反应（同时形成了宇宙中的各种元素），使星球发生了第一次宇宙大爆炸，大爆炸的星球碎块在宇宙空间中四散而去又在万有引力的作用下，不断吸引周围的原初粒子及星球碎块，形成了新的星球，这些星球在万有引力的作用下集聚又发生了宇宙空间中的第二次爆炸…，依次类推，往复无穷的永远运动下去。也许这就是宇宙物质开始运动的初始原因。

结论

本论文依据经典物理学中“无限远”处引力场为零的定义，解决和发现了如下几个问题：

1、解决了《二律（悖）背反如何解？》中能量守恒定律与电荷守恒定律之间的矛盾问题。

2、发现了力和矛盾的三段性。静电场中粒子的运动过程，就是力三段性的表现。

3、力的三段性是与牛顿的三个定律相互对应的。场外物体运动方式对应着牛顿第一定律。场内物体受力运动方式对应着牛顿第二定律。物体与力场源结合以后，其内部的相互作用力对应着牛顿第三定律。

4、静电场中，粒子运动的三个阶段是可以相互转化的，即牛顿一、二、三定律之间是可以相互转化的。

5、目前发现的四种力：万有引力、电磁力、强力、弱力都是保守力。

6、只要是保守力，它就存在着一定的作用范围，这个作用范围是以被作用物体对力场源势能为零的点作为界线的，分为场外、场内、与力场源相结合三种情况：物体处在场外时，是没有确定的参照系的，则该物体处“无”的状态：物体处于场内，势能值可以小到零值，但该物体处于“有”的状态。另一种状态就是物体与力场源结合的状态。

7、势能的概念是依附于力的概念的存在而存在的，力可以无中生有，那么质点间的相互势能也可以从无到有，打破了人类关于星球内能量恒定不变的世界观，即能量可以无中生有。

8、成功修改了热力学第一定律的表达式，把整个系统运动能看作系统内能的一部分。即热力学第一定律的表达式△E=Q+A修改为△E=Q+A+ mv2。

9、发现了能量相对性原理，叙述了星球内能量的来源，在一定范围内证伪了能量守恒定律的存在，同时界定了能量守恒定律的使用范围和条件。

10、发现了星球内能量的初始来源，即星球内能量来源于组成星球物质各种保守力场的结合，这种结合分为万有引力结合、电磁力结合、弱力结合、强力结合。

11、一个星球内若要能量守恒，首要条件是这个星球内的质量要守恒，质量守恒是星球内能量守恒的前提条件。

12、发现了宇宙的暗能量，宇宙的暗能量即是能量相对性原理的逆过程。宇宙暗能量=能量相对性原理-能量守恒定律。

13、宇宙中不存在暗物质，只存在着暗质量。宇宙暗质量=（能量相对性原理-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、宇宙暗能量的发现（实质上就是质量的相对性）同时也会引起行星周围引力场的改变（实质上就是引力场的相对性），这种质量同样影响着行星的运行规律。例如，我们目前测得地球的总质量为5.965×1024kg，其中就包含着地球的内能质量，内能质量为（Q地+A地+ m地v地2）/c2=△m地。

15、从能量相对性原理中可以看出，机械能守恒定律具有局限性，它只能在单个保守力场内部使用，超出单个的保守力场范围后，机械能守恒定律即不适用。

16、一个封闭系统中，如果发生了能量相对性效应，系统中的能量是不固定的，这时就会影响到热力学第零定律、热力学第一定律的使用，具体如何使用是我今后的研究课题。

17、自然界中的一切物体都是从具有高能量向低能量的方向运动的，这就是热力第二定律。而在保守力场之外，势能是从无到有的，是从低能量向高能量方向运动的，这就打破了热力学第二定律的论断。

18、一个封闭系统中，如果发生了能量相对性效应，结合体的质量毫无疑问是增加的，质量（其中还包含着能量质量的增加）增加，那么结合体周围的引力场是增强的，在这种情况下，熵是逆向发展的，这有待于我们进一步进行研究。

19、从“第一推动”假说中看出，宇宙物质运动在自然界中是自足的，不需要什么上帝的角色。

参考文献：

[1]孙小礼  韩增禄  傅杰青主编  《科学方法》下册，北京：知识出版社  1980年8月第一版第663页。

[2]https：//www.kekeshici.com。

[3]《物理》十年全日制高中课本  北京：人民出版社  1980年版  第24页至25页。

[4]I.阿西莫夫著，李立昂译，《宇宙黑洞的秘密》，北京：知识出版社1983年5月、第二页。