Bertozzi不能使電子運(yùn)動速度超越光速的原因

1、Bertozzi不能使電子運(yùn)動速度超越光速的原因劉 顯 鋼北京師范大學(xué)本文摘要：本文采用經(jīng)典電磁波理論和牛頓力學(xué)方法對Bertozzi 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論分析，解釋了“Bertozzi 實(shí)驗(yàn)不可能使電子運(yùn)動速度超越真空光速”的原因。本文還根據(jù)推導(dǎo)出的理論結(jié)果對原子能的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：Bertozzi 實(shí)驗(yàn)，極限速率，原子能一、引言Bertozzi 實(shí)驗(yàn)是到目前為止在驗(yàn)證狹義相對論速度能量關(guān)系的所有實(shí)驗(yàn)中唯一具有不附帶任何其他假設(shè)（包括狹義相對論的光速不變假設(shè)）前提的這一類加速器實(shí)驗(yàn)的代表性實(shí)驗(yàn)。1962年Bertozzi 1用電子在加速器中的加速運(yùn)動來驗(yàn)證真空光速是自然界中的極限速率。

2、在實(shí)驗(yàn)中，電子在范德格喇夫加速器中由逐漸增大的靜電場加速，然后，電子以恒定的速度通過一個無場區(qū)。假設(shè)電子的動能等于它在加速電場中獲得的能量，這一能量可以用熱電偶測量鋁靶受電子撞擊時獲得的熱量加以核定；電子通過在無電場區(qū)域內(nèi)確定距離的飛行時間由示波器測出，從而計(jì)算出電子的速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確顯示：當(dāng)電場加速能量無限增大時，電子速率趨向于極限速率，而不是由經(jīng)典公式預(yù)言的那樣趨向于無窮大。由于在驗(yàn)證及確立愛因斯坦狹義相對論速度能量關(guān)系時所起到的決定性作用，Bertozzi 實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被寫入了各大學(xué)的基礎(chǔ)物理學(xué)講義（例如2，3）。由其和其它類似實(shí)驗(yàn)“證實(shí)”的“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限

3、速率”的狹義相對論力學(xué)的預(yù)言，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地被作為是自然界的一條普遍原理，要求其他自然定律均不能與它發(fā)生矛盾3。但是，我們發(fā)現(xiàn)，由于Bertozzi 實(shí)驗(yàn)在主觀上是作為驗(yàn)證愛因斯坦狹義相對論速度能量關(guān)系而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，至今為止，并沒有用經(jīng)典物理理論對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體的分析，只是主觀地采用了經(jīng)典公式，并沒有考慮電磁波和運(yùn)動電荷相互作用的特殊性。如果能夠用經(jīng)典物理理論的推導(dǎo)結(jié)果完全解釋Bertozzi 實(shí)驗(yàn)，那么，Bertozzi 實(shí)驗(yàn)就不能夠作為愛因斯坦狹義相對論速度能量關(guān)系的驗(yàn)證，加上Bertozzi 實(shí)驗(yàn)所得到的四對數(shù)據(jù)不足以繪出一條嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)曲線來擬合愛因斯坦狹義相對論速度能量關(guān)系曲線的這一實(shí)驗(yàn)

4、事實(shí)，其結(jié)果將是：“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限速率”的愛因斯坦狹義相對論力學(xué)的預(yù)言可能并不正確。自類星體發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)確認(rèn)有數(shù)十個類星體及其它活動星系核內(nèi)存在有超光速分離現(xiàn)象，其分離速度大到十倍甚至數(shù)十倍光速，以及近年來不斷在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了超光速現(xiàn)象4，所有這些事實(shí)啟動了對超光速現(xiàn)象的研究，而Bertozzi 實(shí)驗(yàn)以及它支持的狹義相對論力學(xué)的有關(guān)結(jié)論已經(jīng)構(gòu)成了研究超光速現(xiàn)象的嚴(yán)重障礙，說明有必要對這個“奠定”愛因斯坦狹義相對論速度能量關(guān)系正確性的“實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”進(jìn)行重新分析。本文將試圖用Maxwell方程和牛頓力學(xué)的推導(dǎo)結(jié)果證明：由于電磁場本身在真空中的傳播速度不能夠超過光速，B

5、ertozzi 實(shí)驗(yàn)采用電場來驅(qū)動電子，不可能使電子的運(yùn)動速度超越真空光速。并從邏輯上說明：Bertozzi 實(shí)驗(yàn)和與其原理類似的其他實(shí)驗(yàn)都不能證明“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限速率”，同樣也不能證明“電子的質(zhì)量隨著其運(yùn)動速度的增加而增大”的狹義相對論力學(xué)的預(yù)言。二、在電場中被加速的電子的速度與其接受的加速能量的關(guān)系由文獻(xiàn)5給出的電場對運(yùn)動電荷的作用力的公式，我們得到：在Bertozzi 實(shí)驗(yàn)中，在方向以速度運(yùn)動的電荷，在被外電場加速過程中，速度為時的實(shí)際受力為： （2.1）由牛頓第二定律：得到： （2.2）移項(xiàng)整理：對電荷加速區(qū)間積分：等式左邊：等式右邊：分兩種情況：1如果

6、，有：其中為電子的初速度。因此，加速能量： （2.3）由（2.3）得到電子的速度與其接受的加速能量的關(guān)系： （2.4）2如果，則有：其中為電子的初速度。因此，加速能量： （2.5）則有： （2.6）可以看到在兩種情況中得到的速度表達(dá)式（2.4）和（2.6）在形式上是相同的。由（2.4）式可以看到：在Bertozzi 實(shí)驗(yàn)中，原本的電子的運(yùn)動速度是不可能在加速電場的作用下超越真空光速的。由（2.6）式還可以看到：在Bertozzi 實(shí)驗(yàn)中，原本的電子在加速電場的作用下，隨著加速能量的增大，其運(yùn)動速度將回到真空光速。當(dāng)， 時，從（2.4）式中忽略高階小量，因此有： （2.7）（2.7）式就是經(jīng)典動

7、能關(guān)系式，也就是Bertozzi 實(shí)驗(yàn)“證明了的”在電子運(yùn)動速度接近光速時“是錯誤的”速度能量關(guān)系表達(dá)式。由于（2.4）式給出的“在低能加速區(qū)域，電子的加速能量與電子的運(yùn)動速度之間滿足經(jīng)典動能關(guān)系；在高能加速區(qū)域，電子的運(yùn)動速度隨加速能量的增大而趨于光速”的結(jié)論與包括Bertozzi 實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的所有電子加速器實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果完全一致，即使在今后有更加細(xì)致的與Bertozzi 實(shí)驗(yàn)原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在中間能量的過渡區(qū)域不能與（2.4）式給出的曲線完全擬合，按照文獻(xiàn)5給出的分析，那也是對庫侖定律的“電荷運(yùn)動自屏蔽效應(yīng)”修正不徹底造成的結(jié)果。因此，無論今后的更加細(xì)致的與Bertozzi 實(shí)

8、驗(yàn)原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否完全擬合（2.4）式給出的曲線，都不影響得到這樣的結(jié)論：“因?yàn)殡姶艌龅膫鞑ニ俣缺旧聿荒艹^光速，所以不可能由電磁場驅(qū)動電子而使電子的運(yùn)動速度超過光速”。因此，“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限速率”的狹義相對論預(yù)言并沒有被Bertozzi 實(shí)驗(yàn)以及與其原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)所證實(shí)！三、運(yùn)動電子相伴電場的動能從（2.4）式我們知道：的電子在加速電場中獲得的動能為： （3.1）因?yàn)椋淖冸娮拥倪\(yùn)動速度必須同時改變電子相伴電場的運(yùn)動速度，所以，在提供能量加速電子的同時，還必須提供能量加速與該電子相伴的電場，這兩部分能量在電子撞擊鋁靶的同時都進(jìn)行了釋放。

9、Bertozzi實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：用熱電偶測量得到的鋁靶受電子撞擊時獲得的熱量等于電子在加速電場中獲得的能量。那么，多余的那部分能量就是與運(yùn)動電子相伴的電場的動能。四、評論從邏輯上講，電子作為一個被動的運(yùn)動體，在自身就受到光速運(yùn)動限制的電場的驅(qū)動下，其運(yùn)動速度不能夠超過光速，這并不能說明，電子在一個能夠超光速運(yùn)動的驅(qū)動體的作用下，其運(yùn)動速度也不能超越光速。因此，不能夠用Bertozzi 實(shí)驗(yàn)或與其原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)證明：“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限速率”。另外，公式(2.4)也說明：不能夠用與Bertozzi 實(shí)驗(yàn)原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)證明“電子的質(zhì)量隨著其運(yùn)動速度的增加而增大

10、”。因?yàn)椋?.4）式表明：電子在被電場加速的過程中，質(zhì)量并沒有發(fā)生變化。五、關(guān)于原子能問題的探討?yīng)M義相對論力學(xué)的重要貢獻(xiàn)之一就是給出了運(yùn)動物體的慣性質(zhì)量與其運(yùn)動速度的關(guān)系，因此，本文也有必要在這個方面進(jìn)行相關(guān)的探討。關(guān)系式（2.4）排除了僅僅利用電場加速、直接使帶電粒子的運(yùn)動速度超越真空光速的可能性，但是并沒有排除利用其它途徑使帶電粒子的運(yùn)動速度超越真空光速的可行性，例如核爆炸產(chǎn)生的粒子（其中包含宇宙射線中的粒子，尤其是非帶電粒子），其飛離爆炸點(diǎn)的初始速度和在自由空間中飛行的速度很有可能超過真空光速。在確認(rèn)本文前面已經(jīng)否定了“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限速率已經(jīng)被Bertoz

11、zi 實(shí)驗(yàn)或與其原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)證實(shí)”的前提下，關(guān)于宇宙線介子壽命測量實(shí)驗(yàn)6的結(jié)果就成為了以上超光速觀點(diǎn)的一個佐證。因此，我們有理由相信，在大爆炸形成宇宙的過程中的原子核以及原子形成的階段，形成原子核的高能粒子的運(yùn)動速度很有可能是接近光速乃至超光速的。自類星體發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)確認(rèn)有數(shù)十個類星體及其它活動星系核內(nèi)存在有超光速分離現(xiàn)象，其分離速度大到十倍甚至數(shù)十倍光速等的天文觀測結(jié)果4可以支持我們的推測。下面我們將利用上面導(dǎo)出的能量速度關(guān)系，對慣性質(zhì)量的形成過程進(jìn)行一個初步的純經(jīng)典性的探討，給出一個直觀的物理圖象：我們討論一個質(zhì)量為、荷電量為的以接近真空光速的速度運(yùn)動的帶電粒子1被一個靜止的質(zhì)量

12、為、荷電量為的帶反電的粒子2所俘獲后，形成的復(fù)合體的動力學(xué)狀態(tài)。1. 復(fù)合體的內(nèi)光速半徑假設(shè)粒子1在粒子2的散射截面上與粒子2相距處被粒子2俘獲，開始圍繞兩個粒子的質(zhì)心進(jìn)行圓周運(yùn)動，則有兩個粒子之間的庫侖力等于其向心力：其中，折合質(zhì)量 因此，有： 定義的半徑為復(fù)合體的內(nèi)光速半徑 （5.1）內(nèi)光速半徑有兩重的界定含義：其一，在內(nèi)光速半徑內(nèi)，如果粒子的運(yùn)動速率小于光速，粒子將向質(zhì)心環(huán)繞墜落；其二，在內(nèi)光速半徑外做質(zhì)心環(huán)繞運(yùn)動的粒子，其速率必然小于光速。2. 復(fù)合體的質(zhì)量變化兩個獨(dú)立運(yùn)動的帶電粒子形成一個復(fù)合體后，由于增加了電磁場的相對運(yùn)動能量，復(fù)合體的總質(zhì)量不應(yīng)該是兩個帶電粒子的質(zhì)量的簡單結(jié)合。由

13、（2.3）式可以得到粒子1從速度為零加速到所獲得的動能與相伴電場動能的總和為：因?yàn)榱Ｗ?原處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以也就是復(fù)合體扣除勢能后的總能量。假設(shè)在形成復(fù)合體的瞬間，動量守恒關(guān)系： （5.2）依然成立。其中為兩粒子復(fù)合體的總體平移速度。設(shè)在復(fù)合過程完成后的穩(wěn)定的復(fù)合體的總質(zhì)量為，由能量守恒關(guān)系得到： （5.3）由（5.3）和（5.2）消去，得到： （5.4）其總質(zhì)量的增加： （5.5）因?yàn)闀r，所以，由（5.4）得到： （5.6）從（5.2）式到（5.5）式說明了物質(zhì)由多個小的單元結(jié)合成一個大的單元時以質(zhì)量的形式存儲能量的過程之一。這個過程揭示了一個原理，那就是：物質(zhì)結(jié)合時，趨向于以質(zhì)量增加的形式

14、存儲能量。而這個原理也可能是宇宙能夠從大爆炸的巨熱狀態(tài)冷卻下來的原因之一。特別說明：以上是簡化的探討性的推導(dǎo)，不能作為一般性公式加以運(yùn)用。原因如下：（1）雖然，通常在運(yùn)用經(jīng)典物理理論考慮帶電粒子碰撞時，不考慮其相伴電磁場慣性質(zhì)量的貢獻(xiàn)，因此有（5.2）式的動量守恒假設(shè)，但是，我們也許不能漠視它們的貢獻(xiàn)，更準(zhǔn)確的考慮應(yīng)該在(5.2)式中加入帶電粒子相伴電磁場的慣性質(zhì)量對動量守恒的貢獻(xiàn)?？墒牵瑤щ娏Ｗ酉喟殡姶艌龅膽T性質(zhì)量在兩個粒子復(fù)合的前后并不一定具有一致性，必然給推導(dǎo)過程引入新的假設(shè)。因?yàn)樽髡咴诒疚闹兄幌雮鬟_(dá)一個新的有關(guān)慣性質(zhì)量形成的觀點(diǎn)，所以在推導(dǎo)過程中在不影響觀點(diǎn)表達(dá)的前提下采用了盡可能的簡

15、化。更準(zhǔn)確更復(fù)雜的考慮可以作為進(jìn)一步的工作。（2）帶電粒子以及其相伴電場的運(yùn)動能量與其運(yùn)動速度的關(guān)系式(2.3)不一定適用于“帶電粒子被電場加速而獲得其運(yùn)動速度”以外的情況，帶電粒子可以有其它途徑獲得其運(yùn)動速度，比如碰撞。3氫原子的內(nèi)光速半徑氫原子是一個由質(zhì)子和電子形成的復(fù)合體，我們先計(jì)算其內(nèi)光速半徑。由（5.1）式，我們得到：米我們從粒子物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道氫原子核的半徑是米，其他元素的原子核的半徑也都處于米的線度上，因此，氫原子的內(nèi)光速半徑處于原子核的線度上。由此，我們可以得到判斷：對于輕元素，在原子核外的電子可能做亞光速環(huán)繞運(yùn)動，如果電子運(yùn)動存在于原子核內(nèi)，其必定是做超光速運(yùn)動；對于重元素，

16、在原子核內(nèi)的電子也可能做亞光速環(huán)繞運(yùn)動。在此判斷的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)5中的運(yùn)動電荷與電磁場相互作用的規(guī)律可以導(dǎo)出：常規(guī)的電磁測量方法和光譜測量方法不能夠準(zhǔn)確測量到原子核內(nèi)可能存在的電子的電磁特性。因此，不能根據(jù)沒有測量到原子核內(nèi)存在遠(yuǎn)小于光速條件下的電子磁距等電磁特性而完全否定原子核內(nèi)電子的存在。由此，我們設(shè)想：原子核中的中子的形成是由質(zhì)子和環(huán)繞此質(zhì)子做超光速環(huán)繞運(yùn)動的電子構(gòu)成的。因?yàn)槌馑龠\(yùn)動的電子已經(jīng)擺脫了它的相伴電磁場，成為了“裸電子”，并在與質(zhì)子復(fù)合成中子時釋放了這部分電磁場。由此，我們進(jìn)一步設(shè)想：多電荷的原子核是由多個質(zhì)子和以近光速（大于或小于光速）穿行其間的電子形成的。原子核在形成其

17、穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，將釋放出多余的質(zhì)子、電子及其能量。在原子核分解時，一部分質(zhì)子與超光速電子復(fù)合成了中子，復(fù)合成中子時釋放在原子核中的那部分電磁場運(yùn)動能量構(gòu)成了原子核能。放射性原子核自發(fā)輻射時只釋放出質(zhì)子（粒子）、電子（粒子）和光子（粒子、射線），而沒有中子。這個事實(shí)可以作為以上建立在質(zhì)子電子層面上的原子核模型一個直接佐證。同時，用電子與質(zhì)子間的引力平衡質(zhì)子間的排斥力可以解釋原子核的穩(wěn)定性以及原子核顫動的問題。此原子核模型只是對質(zhì)子中子模型的部分修正，不涉及更深的粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)層面，比如夸克結(jié)構(gòu)。但是，可以從此原子核模型出發(fā)，建立一種核結(jié)構(gòu)理論來說明：為什么輕元素趨向于發(fā)生核聚變反應(yīng)，而重元素趨向

18、于發(fā)生核裂變反應(yīng)。五、本文總結(jié)本文采用經(jīng)典電磁波理論和牛頓力學(xué)方法對Bertozzi 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論分析，解釋了“Bertozzi 實(shí)驗(yàn)不可能使電子運(yùn)動速度超越真空光速”的原因，也說明了不能夠用與Bertozzi 實(shí)驗(yàn)原理相同的加速器實(shí)驗(yàn)證明“電子的質(zhì)量隨著其運(yùn)動速度的增加而增大”的原因。重新構(gòu)成了對愛因斯坦的“真空光速是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動和能量傳播的極限速率”的預(yù)言的質(zhì)疑。本文還根據(jù)推導(dǎo)出的理論結(jié)果對原子能的形成過程進(jìn)行了分析，給出了一個與現(xiàn)在流行的觀點(diǎn)不同的在質(zhì)子電子層面的原子核模型設(shè)想。參考文獻(xiàn)1 W. Bertozzi, Am. J. Phys., 1964, 32, 551 2 美C.基特爾等著，陳秉乾等譯，力學(xué)，伯克利物理學(xué)教程第一卷， 科學(xué)出版社，1979，4313 朱榮華主編，基礎(chǔ)物理學(xué)第I 卷 理論原理與方法，高等教育出版社，2000， 2184 黃志洵著，超光速研究新進(jìn)展，國防工業(yè)出版社，2002，2915 劉顯鋼，電荷的運(yùn)動自屏蔽效應(yīng)，本文附件6 張?jiān)僦M義相對論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1994， 82Why Bertozzi cannot speed the electron faster than the LightXiangang LiuBeijing Normal UniversityAbstract: Using the method o