【原】质能关系的经典解释

摘要 在现代物理中，由于否定了以太的存在，使许多的物理现象无法解释，例如，能量是什么？质量与能量是如何转换的？如果引入以太，很多的问题都可以在经典理论的框架内得到自洽的解释。

关键词：以太，能量，自旋，原子能

1. 引言

在科学的历史上，以太是否存在是近几百年来争论最激烈的话题，以太理论也经历了三起三落，虽然现代的学界主流否定了以太的存在，但仍有很多人认为应该承认以太，否定以太并没有充足的理由。

2. 以太与空气的比较

在《以太的性质与运动》一文的第二章“以太的物理性质”中[1]，详细讨论了以太的性质，并给出了与空气的比较，如表1所示。

表1.以太与空气的比较

参数	空气(273 K, 1 atm)	以太(T = 2.725 K)	关系
静态密度ρ0 (kg/m3)	1.29	1.257 × 10-6
静态压强P0 (Pa)	1.01 × 105	6.78 × 1010
比热比γ	1.40	5/3
传播速度c (m/s)	331	3.0 × 108
体积弹性模量P (Pa)	1.43 × 105	1.13 × 1011
波阻抗Z(Ω)	427.6	376.7
体积压缩系数β (Pa-1)	7.0 × 10-6	8.85 × 10-12	= 1/E
最大辐射处波长λ (m)	1.06 × 10-5	1.06 × 10-3	= b/T
粒子最可几速度vp (m/s)	395	3.28 × 108
粒子平均质量m (kg)	4.81 × 10-26	6.974 × 10-40
每立方米粒子个数N(m-3)	2.69 × 1025	1.8 × 1033
气体常数R（J/mol.K)	8.31	8.31
粒子平均平动动能E (J)	5.67 × 10-21	5.67 × 10−23	= 1.5kT

3. 质量与速度的关系

在牛顿力学中，质量与速度是两个独立的物理量，二者没有关系，但在相对论中，二者的关系为，其中，m称为运动质量，m₀称为静止质量，也就是说，物体的质量会随着速度的增加而增大，那么，这个增加的质量是从哪里来的呢？

3.1. 在空气中运动时的质速关系

空气中运动的物体质量会增加吗？按照经典理论，物体的质量是不可能增加的。但是，任何流体都是可压缩的，对于低速、压强变化小的气体流动，可忽略流体的压缩性，对于可压缩性较为显著的流动，如速度为150 m/s的飞行器在静止大气中飞行时，其前端气体的密度可增加10%，当速度更高时，密度的变化将更为显著，特别是当速度接近音速时，飞行器前面好像是出现了一堵障碍墙，这堵墙就是音障，它是高密度的空气，它总是紧帖在飞行器的前面。由于这堵墙与飞行器形影相随，可以看成是飞行器在飞行过程中产生的附加质量，其大小与飞行器的速度有关。根据飞行器所受的阻力大小，可以猜测：如果只考虑压差阻力，飞行器前面一定范围内的空气质量可表示为，其中k 是飞行器的形状系数，c是空气中的音速。如图1所示，是球形物体（黑色）在空气中高速运动时所产生的障碍墙（红色）。当物体以亚音速运动时，障碍墙中空气的密度是渐变的，紧帖着球体的部分密度高，越向外密度越小。当物体以超音速运动时，障碍墙中空气的密度是跃变的，其密度随着速度的升高而升高，但其厚度却随着速度的升高而降低。

图1.球形物体在空气中运动时所产生的障碍墙

可见，在空气中运动的物体，其质量是可以增加的，但它本身的质量并没有增加，只是在它的前面附加了一层高密度的空气。但是，这层高密度空气的质量与宏观物体的质量相比，是可以忽略不计的。

3.2. 在以太中运动时的质速关系

微观粒子在以太中的运动与空气中运动的物体一样，其质量也会增加，而且原理也相同，但与宏观物体不同，粒子在以太中运动时所产生的附加质量与粒子的质量相比不能忽略。爱因斯坦在他的相对论中已明确提出，并经过了多个实验的证明，但是，爱因斯坦无法说明质量增加的原因，因为他当时否定以太的存在（后来又承认了），当然无法说明原因。如果承认以太的存在，粒子高速运动时所增加的质量就是以太附加在粒子上的。由于以太具有很大的可压缩性，附加在粒子上的以太的质量可以比粒子的自身质量大。

3.3. 粒子自旋时的附加质量

涡旋可分为两种：内旋与外旋。内旋是指径向向内运动、轴向向外运动的涡旋，外旋则相反。流体自身运动产生的涡旋一般是内旋，例如飓风，而物体在流体中的旋转产生的涡旋一般是外旋。从表象上看，这两种运动相似，但流体的密度分布并不相同，内旋所产生的涡旋，其运动速度大的部分密度高，而且在轴向上能产生向外的喷流，例如飓风的风眼墙的速度高、密度大，而外旋的涡流则正好相反，在轴向上，流体是向内运动的，在径向上，流体向外运动。

可以想象，当质子在以太中自旋时，以太会向质子的旋转轴集中，导致极点处的以太密度增大形成极冠，与火星的极冠相似，如图2所示。如果质停止旋转，极冠也会立即消失，我们称这种极冠为质子自旋时的附加质量，其值估计为质子质量的2/100。

图2.质子在以太中旋转时形成的极冠

4. 能量是什么？

4.1. 能量的定义

能量是物质运动的量度。世界万物是不断运动的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度。物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量，能量是一切运动着的物质的共同特性。能量守恒定律表明能量不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，而能的总量保持不变。能量是对一切宏观微观物质运动的描述。

4.2. 物质与能量的关系

能量是物质运动的结果，没有物质的运动就没有能量。物质并不能转换成为能量，物质在变化过程中释放能量的同时，物质转变成为了另一种状态，而物质在释放能量的过程中物质的本质的属性是没有发生任何的变化的。即物质在释放能量后物质的表现发生了改变，但是它还是物质的属性，所以说物质转化为能量的说法是不对的。物质与能量之间的关系只能是：能量来源于物质，也可以说，能量的产生需要物质为基础。

物质并不是能量转化而来的，物质也不能转化为能量，能量只能是来自于物质，物质可以通过介质释放能量，物质变化过程中的力量之余就是能量。在物质的变化过程中，物质的质变会产生一部分额外的力量，这种力量就是能量！所以物质并不能直接转化成为能量，但能量必须依赖于物质，没有物质就没有能量。

4.3. 能量存在的形式

能量是物质运动的体现，按照物体的运动形式可分为：运动能量、振动能量、转动能量。

A.    运动能量

运动能量一般是指物体的动能，其大小可表示为，其中v就是物体的速度，m是物体的质量。从这个式子可以看出，没有速度就没有能量，没有质量同样也没有能量。在我们的教科书中，能量还包括势能，但势能只是潜能，并不是真正的能量，它只是具有产生能量的能力，是能量的贮存方式之一。

B.     振动能量

振动能量是指物体振动产生的能量，在宏观上，声音的能量就是物体振动产生的，在微观上表现为热能，电磁波也是微观粒子振动产生的。其总的机械能可表示为，其中k表示弹性系数，A表示是物体的振动幅度。

C.     转动能量

转动能量是指物体转动时产生的能量，其转动能量可表示为，其中I表示转动惯量，ω表示是物体的转动角速度。转动能量通常并不表现出来，可以看成是能量贮存的一种方式。

总之，能量就是物体的运动，没有物体的运动就没有能量。例如，一个1 kg的铁球，当它静止在地球表面时，在实验室参考系中，它没有运动能量，但它还具有振动能量（也就是热能），因为铁原子还在不停地振动，除此之外，还有电子绕核的动能、原子核自旋的能量等。

动能是物体运动所表现出来的能量；势能则是物体所蕴含的能量；二者在运动中可以相互转换。

4.4. 化学能

化学能是一种只有在发生化学变化的时候才可以释放出来，转变成其他形式的能量。化学能本质上是由原子间的势能转化而来的，这个势能就是原子间的引力。例如，碳和氧之间的反应，就是由于碳原子与氧原子之间的引力大，在一定的温度下，氧原子可以把碳原子从固体中拽出来，形成二氧化碳。在反应过程中，氧原子与碳原子间的势能转化为二氧化碳的动能，从而使周围的空气温度升高，同时，在碳原子与氧原子结合过程中，会存在原子的振动，这个振动通过以太传播出去就是光。

4.5. 原子的能量

静止的原子也同样具有能量，主要包括原子核的自旋能量和核外电子的运动能量。

4.5.1. 原子核的能量

在《粒子的自旋及半径》[2]一文中，假设中子是由质子与电子组成的，原子核也是由质子与电子组成的，原子核内没有中子，没有核力，并说明了原因。本文继续按照上述假设说明原子核的能量组成。

在原子核内，假设质子周围电子的位置在它的自旋轴上，则这个质子将继续自旋，否则，停止自旋，如图3所示，红色代表电子，蓝色代表自旋的质子，黑色代表停止自旋的质子。

                     图3.原子核的结构与自旋

自旋是能量的最佳储存方式，原子核的能量很可能是贮存在质子的自旋中，例如，一个质子的自旋能量约为156 MeV[2]，但质子的自旋能量并不能直接释放出来，当质子停止自旋时，贮存在极冠中的以太将像炸弹爆炸一样散发到空间中，完成能量的释放。

从经典理论出发，两个质子是不可能形成氘核的，实验室里也从未观测到，两个质子要想合成氘核，必须有电子的参与。当两个质子与一个电子合成一个氘核时，质子上的一个极冠将部分消失，这很可能是氘核的质量小于两个质子和一个电子的原因。

4.5.2. 核外电子的能量

原子核外的电子具有运动能量，但其主要能量集中在最内层的两个电子上，由于最内层电子的角动量恒等于，因此，最内层的两个电子的速度可表示为：，其中，Z是原子核的电荷数，0.3是两个电子间的屏蔽系数，因此，这两个电子的总能量可表示为，其中，m表示电子的质量。例如，氢原子的核外电子能量为-13.6 eV ，氦原子核外两个电子的能量为 -79 eV，铀原子核外最内层两个电子的能量约为 -0.23 MeV，其他电子的能量之和也比这两个电子的能量低。

可见，原子的能量主要是原子核的能量，核外电子的能量可忽略。

5. 质量与能量的关系

5.1. 质能关系的推导

先看学界主流的推导：设静止质量为m₀的粒子从静止开始，在力F的作用下作一维运动，由动能定理：，又由质速关系：，两边微分得：，比较这两个式子，可以得出，其中，dE表示当粒子相对于以太的速度为v时所增加的能量，dm表示粒子相对于以太的速度为v时所增加的质量（注：在主流的推导中没有说明速度是相对于哪一个参考系）。

这个推导过程从数学上看是没有瑕疵的，但从物理过程上看，却没有意义，因为第一个式子是牛顿定理的应用，是表示在外力的作用下，能量的增加过程，速度的增加和质量的增加都代表着能量的增加，是可积、可微的，也是具有物理意义的。但第二个式子是表示粒子的速度与质量的关系，但微分后却失去了物理意义，因为对于任何粒子，当速度一定时，它的质量就是确定的，但质量的增加量与速度的增加量并没有确定的关系，同时对质量和速度微分代表什么？这种推导没有说明物理过程，它只能是一种数学游戏。质能关系在实验上并没有被证实，详情请参阅王令隽教授所写的《论质能关系》[3]。

如果按照经典理论，当粒子在以太中运动时，由于以太粒子间没有范德华力，可以认为：粒子在以太中运动只存在流体的前后压强差所产生阻力（称为压差阻力），可以忽略摩擦阻力，其阻力的大小可表示为，其中，k是阻力系数，与粒子的形状有关，s是迎风面积，ρ是以太的密度，v是相对以太的速度。当粒子的速度与光速相近时，则会产生激波，其阻力系数会大幅增加。如果粒子突然减速或停止运动，粒子前面的高密度以太会脱离粒子，并以波的形式继续向前传播，与船在水中行驶时突然停止所产生的水波类似，在物理学中称为轫致辐射。

从上述分析可知，计算粒子的能量时应该包括三个方面的能量，一是粒子本身的动能，二是高密度以太的动能（它与粒子一起运动），三是以太的压缩能（粒子一旦停止运动，压缩的以太将脱离粒子，并以波的形式继续向前，其能量为，可以看成是质量为Δm，运动速度为光速的准粒子），可表示为，其附加能量可以表示为，其中Δm是粒子在以太中运动产生的附加质量。这是完全从经典理论出发得出的结果，当粒子的速度接近光速时，与相对论得出的结果相同，但当粒子的速度较小时，是相对论的一半。

5.2. 质能关系的物理意义

假设相对论中的质能关系是正确的，从质能关系推导的过程可以看出：质量与能量都是在经典理论的框架下的定义，也就是说，力可以产生能量（因为力可以使物体产生运动），能量是物体运动的结果。质能关系的得出，有一个前提条件：粒子必须在介质中运动，粒子在空无一物的真空中是不可能产生附加质量的。之所以存在质能关系，是由于粒子在以太中运动时，粒子前面的以太密度增加并跟随粒子一起运动，从而产生了附加质量和能量。当粒子与以太相对静止时，以太各向同性，也就不存在附加质量和能量，因此，如粒子与以太没有相对运动就没有附加质量和能量，与静止质量的大小无关，与参考系无关（粒子的运动必须用以太作参考系）。

5.3. 质量与能量的区别

质量与能量具有完全不同的物理意义，二者不可等价，其主要区别如下：

A. 质量是物质多少的量度，是惯性的量度，而能量是运动多少的量度；

B. 质量能够产生万有引力，而能量则不能；

C. 质量具有惯性，而能量却没有，

D. 力可以产生能量，但力却不能产生质量。

将这两个根本不同的概念混淆，是对物理概念的根本性颠覆，例如，电磁（或引力）场具有能量，因为电磁（或引力）场中存在力，但电磁（或引力）场并没有质量。

5.4. 质量与能量的转变过程

普通物质的质量与能量并不能相互直接转换，也无法相互直接转换，但可以通过以太进行转换，转换的本质是以太的压缩和释放。常见的方式主要有两种：第一种是运动的粒子压缩前方的以太，当粒子转弯时，会部分释放压缩的以太，释放的方向是粒子运动的切线方向，当粒子突然减速或停止时会全部释放，所有的被压缩以太全部以波的形式传播出去，并且沿着粒子原来运动的方向以光速前进，其能量为；第二种是自旋的粒子形成的极冠，一旦旋转的粒子由于某种原因停止旋转，极冠中的以太会全部释放到空中，与压缩空气具有相似的原理，其能量与以太被压缩的密度有关，估计与具有相同的量级。

6. 结论

在现代物理学中，主流认为质量与能量等价，而且二者可以相互转换，但无法说明质量与能量是如何转换的。引入以太后，可以清楚地说明能量的产生过程。核弹的爆炸与普通炸弹的原理其实是相同的，都是瞬间施放大量的气体形成的冲击波。普通炸弹施放的是化学反应产生的普通气体，而核弹（不论是聚变还是裂变）施放的是核反应所产生的以太气体。空气对普通炸弹的作用与以太对核弹的作用相同，如果普通炸弹在没有空气的空间爆炸，炸弹的威力将大打折扣，同样，如果核弹在没有以太的空间爆炸，其威力也只剩下碎片的动能，没有光也没有冲击波。

本文也是一种猜想，没有经过实验证实，但比主流的猜想更实际些，至少在宏观世界中存在这种现象，而且符合经典理论。如果本文的猜想是正确的，费曼就不会说“在今天的物理学中，我们不知道能量究竟是什么？”了，能量的本质仍然是有质量物质的运动。

参考文献

[1] https://www./123876/d-e-z-y-t-d-x-z-y-y-d-y-t-d-w.html

[2] http://www.360doc.com/content/23/0304/20/1070464757_1070464757.shtml

[3] http://www.360doc.com/content/18/0807/00/18559339_776230325.shtml