觀點報告
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經典視圖
經典電磁理論認為電荷守恒。這是一個被廣泛接受的觀點。所有出版的書籍和老師都教導學生堅持這一觀點。以下內容摘自《電磁問題討論》電荷守恒定律,人民教育出版社 2003 年 6 月首次出版。
電荷守恒定律:“在任何物理過程中,在一個與外界不進行電荷交換的孤立系統中,電荷的代數和保持不變,這就是電荷守恒定律。它是迄今為止被一切實驗證明的定律,是物理學中普遍適用的基本守恒定律之一。”
摩擦帶電或靜電感應帶電現象,簡單地說就是一定的電荷從一個物體轉移到另一個物體上,或從一個物體的一部分轉移到另一個物體上,其實就是原來存在的正、負電荷分離、相互中和的過程。對于兩個物體相互摩擦構成的體系(或整個靜電感應導體),在摩擦過程或靜電感應過程中,體系電荷的代數和保持不變。
光子是不帶電、沒有電結構的基本粒子。現代實驗發現,能量(hυ)大于電子靜止質量(m0c)能量兩倍的高能光子在與物理粒子相互作用的過程中,可能產生電子、正電子對。產生的正電子、電子對相互吸引電荷守恒定律,二者圍繞共同質心運動,形成正電子素。約10秒后,正電子素中的正電子、電子對又相互掩埋,產生兩個光子。這里似乎沒有正負電荷的轉移,而是正電子、電子對是由光子產生的,而光子又是由正電子、電子對湮沒產生的。但在實驗所能達到的精度范圍內,證明了正電子和電子的電荷恰好相等,成對產生和湮沒的正電子、電子對,并不改變系統電荷的代數和。 因此,電荷守恒定律仍然成立。
還有“相對論電荷不變性”,即從不同的慣性系看,帶電粒子的電荷是相同的。換言之,系統的總電荷不會因帶電體的運動而改變。與質量隨速度變化相比,電荷不變性是一個值得關注的重要性質。
電荷不變性原本是一種信仰和假說。1901年,考夫曼在測量Ra-C發射的β射線的荷質比時發現,荷質比e/m隨速度而變化。在電荷不變性假設下,他做出了質量隨速度變化的猜想。后來,他在狹義相對論的基礎上推導出質速關系后,利用質速公式和電荷不變性假設解釋了荷質比隨速度變化的事實。這相當于證實了電荷不變性假設是正確的。
我們可以想象,如果電荷隨速度而變化,那么不同原子中電子和質子的運動就有很大差異,因此不同原子會有不同的凈電荷,并非全部呈中性。然而,高精度實驗證實所有原子都是中性的,這有力地表明電荷與運動速度無關。[1]
公式是
。
“電荷的不變性對于電荷的量子化性質具有特殊的意義。如果電荷隨速度而變化,而速度又可以連續變化,這必然否定電荷是量子的結論。事實上,一切帶電基本粒子的電荷絕對值都等于e,無論它們處于什么運動狀態。這個非常重要的事實,不僅表明了電荷的量子性,而且證明了電荷的不變性。”[1]
以上內容就是所謂的“電荷守恒定律”。“電荷守恒定律”其實包括兩部分,一部分是電荷數守恒定律,即只要電荷不湮滅,電荷數量就保持不變。另一部分是所謂的“電荷的相對論不變性”,即電荷不隨運動而變化。但我們知道,根據愛因斯坦的狹義相對論,質量是隨運動而變化的,所以電荷不同于質量,與運動無關。
新視角
有人對電荷的相對論不變性提出質疑,在《論運動電荷的相互作用》中文預印本系統物理自然科學論文第1230號,作者李東學,[2]認為電荷量隨速度而變化,運動電荷與靜電荷之間的定量關系,與運動物體與靜止物體之間的相對論質量關系相同。
根據狹義相對論的質量速度公式
,m0為物體靜止時的質量,m為物體運動時的質量。由v≤c可知,質量隨速度的增加而增大。
關于運動電荷相互作用的證明結論是
,Q0為帶電體靜止時所帶電荷,Q為帶電體運動時所帶電荷。由v≤c可知,電荷隨速度的增加而增加。
本文還解釋了上述“電荷守恒”觀點的幾個反例,例如為什么原子是電中性的,以及如何解釋法國科學家考夫曼(W.,1871-1947)發現的電荷質量比e/m隨速度變化的事實。《論運動電荷的相互作用》認為這些事實和實驗需要重新解釋。在測量電荷質量比的過程中使用了磁場的概念,這掩蓋了電荷移動后電荷量隨速度增加的事實。
同時,論文提出平衡力是洛倫茲變換下的不變量,從理論上推導出電流素間相互作用的安培定律,以及電荷在磁場中運動的洛倫茲力公式,解釋了電流間的相互作用來自于運動電荷所帶電量隨速度的變化,解釋了電流磁效應的本質來源。[2]
關于電荷不守恒,已經有一些討論和實驗,如青島大學學報-自然科學版2000年第3期發表的論文《電荷不守恒問題的探討與研究》;1998年物理雜志上的論文《思維的慣性——電荷守恒嗎?》從量子力學的角度討論了電荷不守恒。
總結報告
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運動電荷不守恒有兩種觀點,一種是以李東學先生為代表的,他認為電荷隨速度變化,不需要任何附加條件。也就是說,他認為不管是普通的機械運動條件還是量子態,電荷都是隨速度變化的,電荷Q不是洛倫茲變換下的不變量。他還證明了一個公式。這個理論在1997年7月完成,它的特點是建立了一個完整的理論。它還拋棄了磁場。[2]
另一種觀點則以倪光炯先生為代表,他認為在高能粒子相互作用過程中,電荷守恒會被破壞。“電荷守恒在自然界中是不存在的。”給出的解釋是,這只是一種量子效應,但沒有給出變換公式,而且倪光炯不認為電荷在正常情況下會發生變化。換言之,倪光炯仍然認為Q是洛倫茲變換下的不變量。這一點從倪光炯先生與艾小白先生的辯論文章中可以看出來。而他從未考慮過放棄磁場。[3]