接近光速时的物体能量

物理学与哲学

（2009年5月5日）

Physics and Philosophy

唯物主义的根本观念是：客观存在是第一性的，人对客观世界的认识是第二性的；实践是第一性的，理论是第二性的。人的认识必须与客观存在保持一致，人对客观世界的认识是逐步完善的，不是一蹴而成的。僵化不是唯物主义！

物理学是一门试图从深度和广度上全面理解宇宙的科学，它始终与哲学紧密地相互影响着。哲学是人们从自然现象、生产（包括实验）和社会实践的经验总结的最概括的思维结论，并以此来指导人们的生产、科研及社会实践。由于实践的局限性和主观认识的片面性，这些哲学思维不可避免地可能带有时代的局限性和认识的主观性，所以，一方面哲学中有唯心的、形而上学的哲学认识和唯物辩证的哲学认识的分别，一方面随着时代的进步，人们的哲学思维也会不断地与时俱进，不断发展、丰富和更新。所以，停滞、僵化的态度是错误的，而认为科学（自然的和社会的）源于哲学则是一种本末倒置的错误观点。实践和客观世界才是自然科学、社会科学和哲学的根本源泉，也是检验它们正确与否的唯一标准。

任何事物都随观察者的不同而有所不同。通常，人们会寻求其中的共同点，对差异进行分析，从中寻求原因，可以求同存异。至于，因政治立场和思想方法不同而造成的，则另当别论。但不可能无法判别谁对谁错。真理是有客观标准的。正确的观点和认知，总会为科学实践或社会实践所证实和支持，终会为历史所肯定，为绝大多数人所认可和接受。

一个正确的有价值的新理论，必须要立论正确，仅用最少、最简单的假设，理论结构具有逻辑上的自洽，能涵盖现有的科学理论，并能合理地解释旧理论不能解释的问题，又能推断出可为科学实践验证的结论来。它之所以科学，就是能经受科学实践的反复的多方面的检验，而非个别实践的支持，更非自我感觉的良好和某一帮人的吹捧。

只有科学实践才能鉴别理论的真伪，完善人们的认识，推进新观念和新理论的建立。科学和技术是相辅相成的，正确的科学理论及观念推动技术的发展，技术的发展又推动了科学认知和理论的发展，除此无它。

在哲学与自然科学的关系上，恩格斯说：“在从笛卡儿到黑格尔和从霍布斯到费尔巴哈这一长时期内，推动哲学家前进的，决不像他们所想象的那样，只是纯粹思想的力量。恰恰相反，真正推动他们前进的，主要是自然科学和工业的强大而日益迅速的进步，在唯物主义者那里，这已经是一目了然的了。”（《马克思恩格斯全集》21卷第318页）

恩格斯又说：“马克思和我，可以说是从德国唯心主义哲学中拯救了自觉的辩证法，并且把它转为唯物主义的自然观和历史观的唯一的人。可是要确立辩证的同时又是唯物主义的自然观，需要具备数学和自然科学的知识。”（《马克思恩格斯全集》20卷第13页）

恩格斯说：“自然界是检验辩证法的试金石，而且我们必须说，现代自然科学为这种检验提供了极其丰富的、与日俱增的材料，并从而证明了自然界的一切归根到底是辩证地而不是形而上学地发生的。”（《马克思恩格斯全集》19卷第222页）

恩格斯又说：“辩证法的规律是从自然界和人类社会的历史中抽象出来的。辩证法的规律不是别的，正是历史发展的这两方面和思维本身最一般的规律。”（《马克思恩格斯全集》20卷第401页）

马克思在《机器，自然力和科学的应用》一文中说：“近代天文学的发展也推动了近代力学的发展。没有哥白尼、第谷、伽利略、开普勒等人在天文学上的努力，牛顿是不可能建立他的力学体系的。近代数学的发展直接源于近代天文学、力学的推动，也间接源于生产实践。近代物理学的各个学科分支的产生和发展源于生产实践和科学实验的直接推动作用。近代化学、生物学也是。……生产对科学的推动作用：1.社会生产不断提出的新需要。生产过程成了科学的应用，而科学反过来成了生产过程的因素即所谓职能。2.生产的发展不断给科学提供新的实验手段——资本主义生产第一次在相当大的程度上为自然科学创造了进行研究、观察、实验的物质手段。3.生产不断给科学开创新的研究领域，提出新的研究对象。”“科学的发生和发展一开始就是由生产决定的。”

由此可见，“物理学源于哲学”不仅是本末倒置的错误观点，还是彻底地违反马克思哲学的。

在《自然哲学的数学原理》的序言中，牛顿明确地提出了他的科学纲领：“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象……我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。”——应该说牛顿的这个基本思想是正确的，只有从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象。各种自然之力有共性又有个性，只有正确把握，才能识别世界的奥秘。而这些分析和推理只有从客观真实的运动现象去着手，去判别，而不是自说自话。也不是按什么旧有的哲学观念来进行什么“逻辑推理”！自吹自擂“维护牛顿力学和马克思哲学”的人，实在是个既不懂而又反道而行的人物。

就像宏观现象和宇观现象中还有许多是人们已有的观念和理论所无法解释的一样，在微观世界中我们也还有许多是已有的观念和理论所无法解释的，这就要求我们修改旧有的观念和理论，甚至创立新的观念和理论。客观世界永远是人类不可超越的老师。任何声称自己已经洞察了客观世界的全部奥秘，发现和创立了终极理论的，不是无知的自夸，就是无耻的谎言。我们能够做的是用一个改善的观念和理论去取代旧有的观念和理论，一代接一代地进行下去。这一切不能仅仅靠理论思索，更重要的是科学的实践。经得起客观实践检验的观念和理论才是有生命力的。

客观的实在的世界就是没有了人类的存在，它的确是会依然存在的。但人类的存在和活动也在影响着、改变着这个客观的实在的世界，这也是个不容置疑的事实。人类不仅对地球陆地的表观进行了相当大的改变：将许多森林、草原变成了农田、城镇；水电站和水库改变了河流的旧貌，矿山油井又改变了某些地区地壳的结构；大量的车辆在人类开辟的道路上行驶，而海轮和海上油井则改变了海洋的景观，各种飞行器改变了大气层的景观。数以万计的生物因人类的活动而灭绝，海陆空的环境被污染，臭氧层受破坏，近地球太空新添了许多“太空垃圾”。如今太阳系里平添了许多地球人的太空飞船和星球探测器，如果控制不当，还可能将地球生物污染了可能繁衍生命的星球。就是微观方面，我们不仅大量制造着微米级的集成电路，广泛地用在计算机和影视器械中，又在开发纳米级的器件和薄膜超导体；大量的核反应堆、加速器在进行人为的核子或量子反应。所以，仅仅承认“客观的实在的世界就是没有了人类的存在，它会依然存在。”不正视“人类的存在和活动也在影响着、改变着这个客观的实在的世界，”就不能说是辩证唯物主义的。同样也不能说“观测者和测量仪器的介入影响到量子的运动”就是反唯物主义的。恰恰相反，这种观点反倒是辩证唯物主义的！观测者和测量仪器的介入不可避免地给量子的相空间带来了新的度作用影响。这种度作用对于宏观物体如此大的质量来说是无关紧要的，但对质量如此小的量子就举足轻重了。在太空中，不同度规（不同时标）空间的天体间的度作用就很大了，它使天体引力场离散化、频谱化，从而使较大天体的稳定运行轨道不可能随意的、连续地分布了，只有微天体的运行随意性较大，但稳定性也就差了。

有人说：“爱因斯坦相对论是违反辩证唯物主义宇宙观的相对主义。”可是我们可以看到，恩格斯说：“任何静止、任何平衡都只是相对的，只有对这种或那种确定的运动形式来说才是有意义的。例如，某一物体在地球上可以处于机械的平衡，即处于力学意义上的静止，这绝不妨碍这一物体参加地球的运动和整个太阳系的运动，同样也不妨碍它的最小的物理粒子去实现由它的温度所造成的振动，也不妨碍它的物质原子去经历化学的过程。因此，运动和物质本身一样，是既不能创造也不能消灭的。”（《马克思恩格斯全集》20卷第65页）他又指出：“牛顿所以需要有一个第一次推动，是因为他把现有状态的永恒性作为他的前提。”（20卷第617页）是否也要把恩格斯说成是“相对主义”且又“否定牛顿力学”？

有人说：“能量是物体运动固有的，与坐标系（参照物）的选取无关。”但是人们所说的具体的物体运动本就与坐标系（参照物）的选取有关，那其能量怎么会与坐标系（参照物）的选取无关呐？

两个人以同速运动，如果是同向的，无论是平肩而行（横向彼此之间不施力），还是非同时起动或是非同地起动，他们相对而言都是静止的，不会相互碰撞，相互而言都不具有给对方以作功的能力，即相对能量为零（做功的能力就是能量不就是牛顿力学的观念吗）；而如果不是同向，就会交会，交角越大，碰撞的能量就越大。交角最大是180°，也就是对撞，其对撞能量无论对其中的哪一个物体而言，都是二个个体相对速度冲量作功，而非对方个体所具有的能量。一个人静坐在高速行驶的火车或汽车里，无论车行速度多快（不是加速段时），都不会感到车对他（她）有什么作用，车对其而言是相对静止的，相对能量为零。但对站在车正前方的人而言，车具有可以致其非命的巨大的能量，一旦撞上，车对人冲击作功，必使该人粉身碎骨，但此人对车也会有损伤，因为他（她）对车的作功等于车对他（她）的作功，只是车的材料及结构使人对车的损伤不太严重而已。而飞鸟撞击使飞机（甚至是大型客机）机毁人亡，脱落的泡沫塑料使航天飞机坠毁，不正说明了相对运动与能量的关系了吗？

换成光子，问题有一点是不同的。单个光子的能量与其频率成正比，光束的总能量不仅正比于其频率还正比于其照度（所以说是照度，对于探测器而言，光强再大，如平行于探测器的接收表面，其照度为零，那是“视而不见”的，只有直射其表面时照度等于光束的强度）。所以，单个光子与光束的能量问题是不可混为一谈的，但光能与光速无关，这是与有静止质量的物体不同的地方，不正视这一点就会发生一些错误。不同频率的光之间不发生干涉，它们相遇、相交时，互不相干，各走各的道；例如，七色光会混成白色光（实际上由红、黄、蓝三色光按一定比例就可合成白光，不同比例会得到各种不同的色彩。彩电就是以此原理工作的）。同频率的光之间具有相干性，如有相位之差就会发生干涉、衍射，也就是能量会按空间相位重新分配。这不仅与有静止质量的物体不同，也与不同频率的光之间的不相干性不同，不正视这一点也会发生错误。

我们来看同频率的光（相干光）的情况，这种光或由激光器产生，或是电子束的韧止辐射形成，或是直线加速器或同步回旋加速器产生的同步辐射光，当然还可以用分光光栅将复色光分离出的单色光。同束光内的光子频率和相位都相同，不发生干涉。的确，如以其中一个光子建立坐标系，其他光子与其相对静止，相对能量为零。不过即使没有媒质分子的散射，光束内光子间的光压大于光子间的引力（这是一种与光前进方向垂直的力），光束还是会散射变粗的。通过与光束成45°的（使用真空镀膜技术）薄银膜透光镜，将光束分成互相垂直的透射光束和反射光束，在两束光前置反射镜，在反射光束的对侧设置衍射屏。则透射光束由薄银膜反射到屏与反射光束透过薄银膜透光镜的光束发生由光程差造成的相位差而干涉的光斑。迈克耳孙—莫雷实验的实验装置大致就是这样。实验表明地球的运动速度并没影响到光程差，表明光源速度对光速无影响。实际上，就是声速也是与声源的运动速度无关的，只与媒质有关，声源的运动速度只影响声音的频率。生活中有两个现象可说明：（1）鸣笛的火车在向观测者驶来时，鸣声尖利（频率高），驶过后鸣声突变为较低沉（频率低）了，这就是多普勒效应。火车车轮与铁轨的摩擦撞击声通过铁轨传输速度快，我们将耳朵贴近铁轨可以比较早地得知火车的驶近。因为这种摩擦撞击声通过空气传递的速度是空气中的音速，它比钢铁中的音速慢得多。（2）超音速的战斗机要掠过头顶后，我们才能听到其轰鸣，在此之前是不可能听到其轰鸣声的，除非它没以超音速飞行。如果声速与声源的运动速度是叠加的，则我们应该在超音速的战斗机掠过头顶之前就能听到其轰鸣声的。喜欢用声波来说道光的反相会徒众们，既然声速与声源的运动速度无关，只与媒质有关，声源的运动速度只影响声音的频率（也即影响声能）；那么，你们怎么对于光速与光源的运动速度无关，只与媒质有关，光源的运动速度只影响光的频率（也即影响光能）就喋喋不休，不予认可，无法容忍呢？可见，并非是爱因斯坦相对论的论述有误，而是他们观察和思考问题的立场和思想方法成问题！

同束的γ光子能量最高也不会激发为正反粒子对，除非γ光子相撞或与有静止质量的原子相作用时才会发生。这是因为γ光子不仅有能量，还有动量，它转化为正反粒子对时，既要满足能量守恒，还要满足动量守恒。利用激光不仅可加速粒子，加热物体，例如在可控热核反应堆中；也能冷却粒子，使之达近乎静止（接近绝对零度）。前者是利用光子的能量，后者是利用光子的动量使粒子逐步减速降温。

地球上自然界的动物（无论在空中、陆上还是水中）运动速度远低于空气内的音速。因为，它们的机体不可能抵御音障的冲击波和媒质剧烈摩擦的伤害。自然的风和水流也没有能达到空气内的音速的。只有人类在科技的指导下，制造的超音速喷气飞机，在密闭的机舱保护下，才在空中飞行中实现了超音速飞行。在陆上和水上及水中还未能做到。利用多级火箭技术，人造卫星和空间站能突破第一宇宙速度（约为7.9 km/s）在环绕地球的轨道上运行；在空间站，人也必须以密闭舱或宇宙服的保护才能生存和工作；人造探测器以第二宇宙速度（约为11.2 km/s）脱离地球引力场在太阳系内飞行、探测，其中还巧妙地利用了接近大天体（大卫星或大行星）时，天体的引力作用来加速；以此，有两个人造探测器正突破了第三宇宙速度（约为16.7 km/s）飞离太阳系。可见，人类的科技将宏观物体加速达到的水平，离光在空中的传播速度还差远着呐！在微观，自然界只有光子和中微子的运动速度能达到30万公里/秒，而且中微子还在传输过程中衰变的，因为没有外来力提供补充能量，切伦可夫辐射迫使它衰变。还没发现其他基本粒子有以此光速运动的，更不要说是超光速运动了。在加速器中，人类也没能将基本粒子加速到光速的。因为，将物体（包括基本粒子）加速要给以作用力，而已知的任何相互作用（特别是长程的引力和电磁力）在地球上和地球周围的太空中，其传播速度不可能超过上述光速，而被加速物的运动速度不可能超过作用力的传播速度，当达到时，此力对它就不起作用了，能起作用（即对被加速物作功，给其能量，使其动能增加，速度增加）的就是被加速物速度低于作用力的传播速度的阶段，而越到后期作用力的加速能力就越低。因而，被加速物的速度低于相光速是必然的，是技术上无法超越的。

声子的能量也与频率成正比：ε＝（n+ 1/2）hω，n＝0，1，2，……，其动量p＝hK。这是与光类似的地方。但声音是微粒物质的弹性波动，没有微粒物质的弹性碰撞的传递，声音是无法传递的。而光是无形的场物质（光子）的电磁振荡横波，它不需要借助于微粒物质，可以在真空中传输，这是与声音根本不同之处。辩证唯物主义要求我们不仅要抓住事物的共性，还要注重事物的本质差别，否则对问题不可能有正确的认识和分析。微粒物质的平均自由程越短，音速就越快，所以，固体内音速比液体内高，比气体内更高，同质内温度高音速也高。由此，我们用声波来探测地球的内部结构和温度，就是这个道理。光子是电磁振荡，在强电磁场内它受到的阻尼大，传输速度就低。其作为“粒子”，它既有电磁质量又有引力质量（动质量），微粒物质的密度越大，或者讲微粒物质间的场强也越大，对它的传输阻碍也越大。所以，空气中光速比液体中要高，比固体中更高。高密度中子气体可将光速减慢到几十米/秒，而在恒星内核处光速是极慢的。好似几十万人集合的广场内，散会时，最外围人是可以以最快的速度离开的，但最内部的人只有周围人松散了，才走动得了。真空内光速应该最大，因为光子此时才是完全自由而无阻力的。但必有一有限速度，速度不可能是随意的。由牛顿第一定律，光子无外力作用，应匀速直线运动，怎么可能不定速运动呢？更不可能是无穷大吧！否则，后来的光子和先发光子能并肩而行？所以，爱因斯坦假定：“真空光速为一有限值，一切物质（包括场物质）的运动速度不可能超过真空光速。”也很合理么，何错之有，更何罪之有？“真空光速无定值或为无穷大，”无论从物理上讲，还是从哲学上讲，能有什么道理？大质量天体附近的强引力场对它的拉力也越大，光射向它时频率蓝移（能量增加），离开时红移（能量减少），其速度也慢，光程线就弯曲，空间看似变弯曲了，所以大质量天体使周围空间“弯曲”，这种表象的说法也没错啊！当然，问题的实质是引力使光程线变弯了，而使时空呈弯曲了，而不是时空弯曲，使光程线变弯。爱因斯坦将因果关系说颠倒了么！所以，狭义相对论的三个前提：真空光速为一有限值，光速与光源的运动速度无关，任何惯性坐标系中物理规律是相同的（这一点从伽里略到牛顿到爱因斯坦都一致啊），没有任何错误啊，其一切理论结论都与事实一致啊。反狭义相对论是完全没有道理的！当然，我们从地球周围的太空和人造真空室测到的约30万公里/秒的光速不是真空光速，笔者称其为星际空间相光速，真空光速另有它值，这是另外的问题。

牛顿第二定律是以绝对静止坐标系来处理问题的，狭义相对论是以相对惯性运动坐标系来处理问题的，比较贴近实际了一点。但地球是既有引力又转动的非惯性坐标系，爱因斯坦要想解决这个问题，就成了将狭义相对论推进到广义相对论的本意。这一点是应承了时代和理论发展的要求，无可指责。广义相对论的三个前提：惯性质量与引力质量等价（这是从牛顿到爱因斯坦都一致的观点，反相论者不会反对吧！但笔者以为正是这一点是成问题的，已在《质量问题》中论述过了。笔者以微粒物质的质量与场物质的动质量的转换取代了这一等价）；在小局域内引力等效于惯性离心力（这一点也可以，但广义相对论是用于宇观这样的大范围的，突破了“小局域”这一前提，这就产生了问题。但如用时空的转动及坐标变换下时空面积不变取代此假定，狭义相对论就自然推广到既有引力又转动的非惯性坐标系，见崔思珑博士的《解析时空理论》及笔者的评论和理论，甚至不少结果超越了广义相对论）；引力与时空曲率相关（如果改成相互作用与时空曲率相关，而非单单是引力，作为表象理论的处理还是可行的。我国学者王永久、唐智明及笔者的工作都说明了这点）。由此可见，广义相对论部分合理，但有欠缺。这就是为什么广义相对论的一些具体结论与客观事实差距较大（但比较用牛顿力学得到的结果要与客观事实接近的多），并与量子理论难以统一。但作了上述的改进后，相对论可成功地用于既有引力又转动的非惯性坐标系，并与量子理论统一，用以解决大到宇宙的演化，小至物质的微观结构的问题。而这仅靠牛顿力学是绝对无能为力的！

“作自由落体运动的带电物体，可以辐射电磁场的现象是一个熟知的事实，这个现象是可以用实验观测的。”可是有人却说：“在自由降落的升降机内，虽然相对地球升降机是一个非惯性系，但是根据广义相对论的‘所有参照系等价’原理在升降机这个参照系中，电荷是静止的，那么电荷不会发出辐射。因而，广义相对论是错的。”那是他主观地、错误地断定：“在自由降落的升降机内，带电物体会像不带电物体那样作自由落体运动的。从而，在升降机这个参照系中，电荷是静止的。”事实上，在自由降落的升降机内，带电物体不可能像不带电物体那样作自由落体运动！即使屏蔽掉地磁场，带电物体自己的电场在以光速传播，带电物体相对这个电场不是静止的，也不是同步的，而是相对异步地运动的，它必然受到这个电场的阻尼（形象地说，切割电力线产生一个阻尼它运动的感生电磁场），从而，它必然会发出电磁辐射。它的动能减小，因而它下落的速度比较作自由落体运动的不带电物体的速度要慢，它相对于那个升降机参照系，不是静止的，而是运动的，是向升降机的顶部方向运动的！一个客观的物理现象，不会因坐标系的选取而发生根本性的改变；另外，应该指出：非惯性系与惯性系是不能等价的。由此可见，不是广义相对论错了，是指责相对论的人分析问题的思维错了，他的主观假定错了，是在用错误的主观认识去运用科学理论导出理论与实际矛盾，以这种自身制造的矛盾来反对相对论是没有道理，是一种无理取闹！也是注定要失败的。

不同相的相光速不一样，相光速可在近乎0～真空光速间变动，已是铁的事实，有些也是生活常识（例如，光进入水或玻璃发生折射是光速改变）。在这种情况下，再把真空光速为定值说成“光速不变原理”，究竟是糊涂无知，还是对爱因斯坦相对论的恶意歪曲和篡改，再以此来攻击爱因斯坦及其相对论不仅是完全没有道理，而且是不择手段了。E＝MC 2也早有科学家指出是质能关系式，仅表示同质同能，并非质能转化！还以“质量灭而转化为能量，能量灭而转化为质量。”“物质不灭——质量守恒”与“运动不灭——能量守恒”这两个物理科学中最基本的原理被一口否定，来攻击相对论，也是在用自己的错误认识去对待科学结论。

就像在政治领域中一些自封为“马列主义者”的人总好用列宁抨击一些第二国际的领导“半个世纪以来，没有一个马克思主义者是理解马克思的”话来否定一切，贬低别人，以抬高自己。在物理论坛上，有些自封为“物理大师”的人，也一再宣称“没有一个人能理解爱因斯坦的相对论”，来否定一切，贬低别人，以抬高自己。而我们认真分析他们的言行，对照马列主义和自然科学理论及客观事实，这种人的面目就清楚了。