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季灏带电粒子高速运动轨道能量异常试验意味着什么
季灏“带电粒子高速运动时能量和轨道异常”
实验的物理意义和理论解释
——经典电磁理论需要引入运动电荷概念洛伦茲力公式需要修正
梅晓春
(福州原创物理研究所)
内容摘要季灏完成的三个“带电粒子高速运动时能量和轨道异常”实验表明,带电粒子运动速度接近光速时,能量和运动轨迹偏离狭义相对论的预言。
本文对其中的两个实验进行分析,指出该组实验实际上并不意味着狭义相对论的质速关系被破坏,而是意味着带电子粒子的电荷与运动速度有关,不是一个常数。
带电粒子运动速度接近光速时,电荷明显偏离现有理论认为的常数值。
本文对季灏实验进行理论分析,通过引入运动电荷的概念,修改经典电磁理论的洛伦茲力公式,在不违背质速关系的前提下,较好地解释季灏实验。
洛伦茲力公式的修正意味着电磁场运动方程必须,修正后的电磁场运动方程显然不可能满足洛伦茲变换的不变性。
因此季灏实验意味着相对性原理不成立,而光速不变原理仍然成立。
季灏这组实验涉及到物理学最基本的核心问题,如果能够证实这类异常现象的存在,对物理学基础理论和高能粒子物理学实验的影响将是震撼性的。
建议国家有关科研机构予以重视,尽快组织力量进行重复性实验。
关键词狭义相对论,质速关系,质能关系,经典电磁理论,洛伦兹力,电荷守恒律,粒子物理学
一.季灏实验的简介与评述
上海电磁波研究所季灏先生从2006年起连续在《中国工程科学》,《中国科技纵横》等杂志上发表了三篇论文,介绍了他完成的三个实验。
这三个实验的结果是一致的,表明带电粒子运动速度接近光速时,出现能量和运动轨迹偏离狭义相对论预言的异常现象。
由于涉及到狭义相对论的质量速度关系是否成立的问题,文章发表后在互联网上引起热烈的讨论。
本文对季灏实验进行理论分析,指出该组实验意味着电荷与运动速度有关,不是一个常数。
带电粒子运动速度接近光速时,电荷将明显偏离现有理论认为的常数值。
也就是说与静止质量和运动质量概念一样,引入静止电荷与运动电荷的概念,修改经典电磁理论的洛伦茲力公式,就可以在不违背狭义相对论质速关系的条件下,较好地解释季灏实验。
然而洛伦茲力公式的修正意味着电磁场运动方程必须,修正后的电磁场运动方程显然不可能满足洛伦茲变换的不变性。
也就是说季灏实验意味着相对性原理不成立,虽然光速不变原理仍然成立。
鉴于季灏这组实验涉及物理学最基本的核心问题,建议有关科研机构予以重视,组织力量进行重复。
如果能够最终证实这类异常现象的存在,对物理学基础理论和高能粒子物理学实验的意义和影响将是巨大而深远的。
季灏的三个实验分别是:
1.用量热法验证相对论质速关系;2.不同能量电子在均匀磁场中运动轨迹的实验;3.关于电子洛伦兹力和能量测量的实验。
笔者2009年10月在上海亲眼目睹了第二个实验,并与季灏先生进行过广泛和深入的讨论。
现根据季灏已发表的文章,现对这三个实验做简单介绍,然后对实验结果进行理论分析和评价如下。
1.用量热法验证相对论质速关系
用量热法验证质速关系的实验方法,是美国麻省理工学院的贝托齐在1964年提出,并在麻省理工学院物理系的核科学实验室实施的。
该实验用直线加速器加速电子,然后测量电子的运动速度,以及电子撞击到铝盘产生的热量,证明相对论的质速关系成立。
季灏对该实验进行分析,发现贝托齐当年用理论值为0.5MeV,1.0MeV,1.5MeV,4.5MeV,15MeV的五种能量的电子,并测量了它们的速度。
但在实验报告中仅给出1.5MeV和4.5MeV两种电子能量的实际测量值,并没有给出15MeV电子能量的实际测量值。
既然已经测量了15MeV电子的运动速度,为何不提供该电子实际能量测量值呢?
季灏对此产生疑问,就对该实验进行改进并重新测量。
季灏的这个实验是在中国科学院上海应用物理研究所的加速器实验室中进行的。
采用的也是直线加速器,产生能量为1.6MeV,6MeV,8MeV,10MeV和15MeV的电子。
每个束流产生的有效电子数为个,在束流引出线上电子轰击台柱体的铅靶,然后用热电偶自动测温仪测量在铅台柱体上产生的温度并换算成热量,自动测温仪的误差为摄氏度。
相对论质能公式,动能与速度关系分别为:
(1)
按上式计算,能量1.6MeV的电子速度为0.970c,能量15MeV的电子速度为0.999c,因此实验中电子速度都接近光速。
按相对论质能关系,此时电子速度改变一点对能量的影响非常大。
若按牛顿力学的动能与速度关系,电子速度接近光速时有:
(2)
电子速度小的改变对动能的影响是很小的。
季灏实验中铅柱体的质量是70克,按季灏文计算,温度每升高1度需要热量焦耳。
实验结果是,对于能量理论值为1.6MeV,6MeV,8MeV,10MeV和15MeV的电子,在铅靶上产生的温度分别为0.97,1.00,1.03,1.03,1.03,1.03度。
季灏认为电子带有电场能,射到铅靶上后电子放电会产生热量,因此还应当扣除电子放电时对应的电场能产生的温度增加。
将铅台体看成孤立的金属球,计算表明电场能引起的温度增加为0.89摄氏度。
最后的测量结果是,对于能量理论值为1.6MeV,6MeV,8MeV,10MeV和15MeV的电子束流,在铅靶上产生的温度分别为0.08,0.11,0.14,0.14,0.14,0.14度。
另外按相对论的能量公式
(1)计算,对于能量理论值为1.6MeV,6MeV,8MeV,10MeV和15MeV的电子束流,对应的温度升高应当为0.67,2.52,3.36,4.20,5.03,6.29度。
按牛顿力学公式
(2)计算,实验中电子的速度都接近光速,能量大约为0.255MeV。
每个束流在铅靶上产生的温度升高为0.11摄氏度。
因此季灏认为实验结果与相对论的能量公式
(1)式不一致,与牛顿力学的结果一致。
对于理论能量为15MeV的电子束流,季灏实验测量的温度升高是1.03度。
按相对论动能公式的计算,温度升高是6.29度,二者相差6倍,这种差别很容易被测量。
然而笔者认为,季灏在计算中扣除电子电场能对应的温度增加是不对的。
按电磁学我们知道,导体静电平衡时是个等势体,导体内部电场强度为零。
导体表面电荷产生的电场分布在导体之外的全空间的。
相对于整个导体外的空间,铅台柱的体积是很小的。
因此即使产生放电现象,也不必考虑电场能对铅台柱的温度的影响。
按季灏的计算,电场能引起的温度增加高达0.89度。
扣除这个温度后,电子束流产生的温度就所剩无几。
在季灏的论文中,笔者没有看到在测温度的过程中是否存在放电现象。
在贝托齐1964年的论文中提到实验中有通过电容器放电,但也没有提到需要扣除放电过程产生温度增加。
如果不扣除放电过程的温度增加,季灏的实验就与牛顿力学的计算不符。
但季灏认为经加速器加速后电子的实际能量被高估,或者说相对论对粒子能量的定标偏高,却是非常重要的,笔者认为这才是季灏实验的真正价值和意义所在。
这个实验还反映了另外一个问题。
如果季灏的测量是正确的,贝托齐1964年的测量就是错误的。
笔者查看了贝托齐的论文,发现正如季灏所言,论文中仅给出对1.5MeV和4.5MeV的电子热量的测量值。
为什么不提供其他能量,尤其更高能的1.5MeV电子的热量测量值呢?
用量热法验证质速关系,这本来是该实验最重要是参数。
没有这个测量值,如何让人确信他的结论呢?
贝托齐不提供这个数据,其动机是可疑的。
他仅按1.5MeV和4.5MeV电子热量增加的测量值,就给出能量在1.6~15MeV之间的速度—能量曲线。
如果季灏的测量是正确的,贝托齐的论文就存在造假的嫌疑。
2.不同能量电子在均匀磁场中运动轨迹的实验
季灏的这个实验是在美国瓦里安公司的2300C/D型直线加速器上进行的。
按相对论公式,静止质量为,带电量为的粒子以速度在电磁场中运动时,满足的洛伦兹力运动方程是:
(3)
采用柱坐标系,设电子在平面运动。
在均匀磁场中,令是粒子圆形轨道半径,是粒子的相对论动量,加速器理论中常用的基本公式是:
(4)
季灏实验用的2300C/D型直线加速器产生六种能量分别为4MeV,6MeV,9MeV,12MeV,16MeV和20MeV的电子束。
按相对论质能关系,速度分别为0.9918c,0.9969c,0.9986c,0.9992c,0.9995c,0.9997c。
通过铅铁准直器垂直射入0.1210T的均匀磁场,按(4)式计算,电子的圆周运动轨道半径运动应当为10.94cm,16.41cm,24.62cm,32.82cm,43.76cm,54.70cm。
然而季灏实验表明,所有的六种电子都落在感光胶片半径大约为18cm的上,意味着这些理论上具有不同能量的电子的运动轨迹几乎落在同一个圆上。
也就是说这些电子的能量实际上相差无几,可以说基本上是一样的!
图1.不同能量电子在均匀磁场中运动轨迹的实验
从相对论质能关系的角度,这个结果看起来匪夷所思,如果不是瓦里安公司加速器有问题的话。
尽管考虑到接近光速时,带电粒子的辐射较大,能量越大的粒子辐射越大,但不同能量的粒子会通过辐射达到完全相同的能量,落到磁场中的相同点上,这几乎是完全不可能的。
然而这个结果却与季灏第一个的实验结果一致,如果进行量热实验,理论能量不同的粒子在靶上引起的温度升高是一样的。
由于以上六种电子的速度都与光速相差无几,若按经典动能公式
(2)式,它们的动能应当是几乎一样的。
因此季灏和许多网友倾都向于认为,狭义相对论的质速关系可能不成立。
这个实验与第一个实验揭示了一个相同的现象,即用直线加速器加速带电粒子速度接近光速后,粒子的能量可能难以继续增加。
用季灏的话说,粒子的运动速度接近光速时,现有理论的能标偏高了。
3.关于电子洛伦兹力和能量测量的实验
该实验是在上海复旦大学近代物理学实验室中进行的。
采用厚铝窗NaI(TI)闪烁探头,配合微机多道系统,组成能谱仪来测量粒子(电子)的能量。
实验中使用作为放射源提供能量为2.274MeV的粒子。
测量粒子在均匀磁场中运动的圆形轨道半径,用(4)式来确定粒子的相对论动量,从而确定粒子的能量动量是否满足相对论关系。
实验考虑到闪烁体探头位置对能量测量的影响等因素,但没有考虑带电粒子在磁场中加速运动的辐射。
季灏认为辐射很小,可以忽略不计,但他使用的是非相对论的辐射公式。
当粒子运动速度较大时,辐射还与因子有关,应当予以注意。
实验结果表明1.不同的磁场对动量值的测量有影响,2.相同能量的粒子在不同强度的磁场中受力不同,磁场较弱时实际受力小于洛伦兹力的理论值,磁场较强时实际受力大于洛伦兹力的理论值。
3.按照现有理论(4)式,,动量与磁场强度成正比。
实际测量表明,动量与磁场强度不成正比。
季灏认为现有洛伦兹力不正确,相对论的能量动量关系与实际不符。
电子在磁场中运动时,洛伦兹力应当乘上一个有效因子,就可以使经典力学的动能与动量关系得到满足。
实验还表明在同一个磁场中,电子的运动速度与越大,所受到的洛伦兹力越小。
季灏的第三个实验的描述和数据处理比较复杂,限于篇幅此处不再详叙。
笔者的感觉是,这个实验的结果比较含糊,不像第一和第二个实验那样结论非常明确,实验中对能标的确定和数据的处理有待精确化。
因此笔者以下的讨论以第一和第二个实验为据,只将第三个实验作为参考和旁证。
但该实验给出电子动量与磁场强度不成正比,洛伦兹力需要修正的结果是非常有价值的。
二.季灏实验的解释
包括季灏先生在内的不少人认为以上实验结果否定了狭义相对论的质量速度关系,笔者认为这种看法是不合适的,也是没有必要的。
首先在中低能条件下已经有许多实验证明,相对论的质速公式与实验结果是基本一致的。
相对论质能公式也是在质速公式的基础上导出的,质能公式在原子能中有广泛的应用,而且精确度极高,是不容怀疑。
事实上季灏实验中测量的是带电粒子在电磁场中的运动,测量结果与电磁相互作用力有关。
如果要避免电磁场的因素,我们就应当使用电中性物体,比如考虑中子的质速关系。
然而我们知道,至今物理学家没有找到加速中子的方法。
而原子能实验所证实的质能公式涉及强相互作用
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