）,并给出了两个实验验证方案。.DOC

1、1电动量守恒及电量随速度的变化而变化（作者简介：王文磊，男，1977 年 1 月出生，湖北武汉人，工学学士，研究方向为电磁学与原子核物理。通讯地址：武汉市汉口江汉二路 127 号。邮编：430020。联系电话：027-82778821。E-mail：）摘要：本文提出了电动量守恒的概念，结合狭义相对论速度变换公式推出了电量会随着速度的变化而变化的结论（q ） ，并给出了两个实验验201cvq证方案。关键词：电动量；电动量守恒；电量亏损1 引言有“动量守恒” ，那么有没有“电动量守恒”呢？电量真的与速度无关吗？（或者说，质量与时空有关，难道电量真的与时空无关吗？）高能粒子加速器中被加速粒子的“质荷

2、比”到底是变大还是保持不变？如果是后者，那么什么变了呢？为什么以前通过做实验会使人觉得“电量与速度无关，电量恒定不变”？有“质量亏损” ，那么有没有“电量亏损”呢？本文将对以上问题进行论述。2 理论推导物质可以分为两大类：有形物质和无形物质。有形物质如电子、中子、质子、 介子等，无形物质如“光子”和“引力子” 。无形物质有若干有别于有形物质的特性，如， （在真空中）无形物质相对于任何有形物质惯性参照系而言，其速度总是为恒定的光速 c，无形物质没有质量和电量（静止质量和静止电量都为 0） 。而任何有形物质都既具有质量，也同时具有电量（中子虽然呈电中性，但这是它具有绝对值相等的正负电量的结果） ，

3、质量和电量密不可分。所以，一个有形物质，比如一个质子或电子，在其运动时质量会变大（狭义相对论理论） ，但电量却保持不变，这显然是不合理的。如果去考查狭义相对论中“质量变大”的推导过程，就会发现，它是用动量守恒定律结合狭义相对论速度变换公式，对两个作弹性碰撞的小球（比如两个质子，或两个电子）进行分析后得到的。将电量的绝对值（q）与速度矢量（v）的乘积定义为电动量（qv） ，与动量一样，电动量也是个矢量，电动量矢量的方向与速度矢量的方向相同，电动量矢量的大小就是电量的绝对值与速率的乘积，则我们完全可以肯定：在微观领域，同种基本粒子（比如两个质子，或两个电子）发生弹性碰撞，象动量守恒一样，同样存在着

4、电动量的守恒。由电动量守恒和狭义相对论速度变换公式，去分析两个质子（或两个电子）的弹性碰撞，很容易就能推出与“质量变大”相类似的“电量的绝对值变大”的结论。如图 1中球 B 所示质子 B（或电子 B） ，在相对于参照系球 A 为静止时，其静止电量为 ，那么，当它作远离参照系球 A 的速度为 v 的运动时（如图 10q23中球 B 所示） ，相对于参照系球 A 而言，它的电量会变为 ，Bq201cv即电量的绝对值变大了。这个“电量的绝对值变大”的结论的推导过程，与狭义相对论中“质量变大”的推导过程完全一样，只是将运动质量和静止质量换成运动电量和静止电量罢了。现（模仿狭义相对论）将“电量随速度的变

5、化而变化，即 q （ 表示静止电量） ”的具体推导过程详述如下：201cv 0q如图 2 所示，在惯性参照系 K 中，有两个相同的质子 a 和 b，它们的质量相等（ ） ，电量也相等（ ） ，在坐标原点处发生弹性碰撞。碰撞ambaqb前，质子 a 和质子 b 的速度矢量的大小相等方向相反，将两个速度矢量分解为x 和 y 两个方向的分量，有 ， （这里脚标xav1xb1yavyb1a 代表质子 a，b 代表质子 b，1 代表碰撞前）因为是弹性碰撞，可以假定碰撞之后是这样的情况：质子 a 和质子 b 沿 x方向的速度分量，大小和方向都未改变；沿 y 方向的速度分量，大小未变方向相反，即 ， xav

6、21xbv21 ， （这里脚标 2 代表碰撞后）yyaybv显然，这样的碰撞满足电动量守恒（当然也满足动量守恒） ，即 aqxv1bqx1aqx2bqxv2 yyvyvy现在选择另外一个惯性参照系 K，它相对于 K 系沿 x 正方向以速度 v 运动，并且 v ，从 K系考察两个质子的弹性碰撞（如图 3 所示） ，碰撞前后两个xa1质子各自的速度分量，可以由狭义相对论速度变换公式计算得到，计算结果为 0xa1xav2 xb1xb221cv4 ， yav12a1ycv ya22a1ycv ， ybv121cvya yb2221cvya 如果在 K系，两个质子的电量用 和 表示，那么在 x方向的电动

7、量aqb守恒的表达式为 bqxv1bqxv2显然，这个电动量守恒的表达式是成立的。y方向电动量守恒的表达式应该是 ayv1byv1aqyv2bqyv2将式和式中的值代入式，化简后得 （1 ） （1 ） aq2cb2c由推导出的式，就可知 不等于 ，aqbq且 。这是为什么呢？我们注意到，在 K 系中质子 a 和质子 baqb的速度的大小是相等的，而在 K系中质子 a 和质子 b 的速度的大小却不相等，且质子 a 的速率小于质子 b 的速率，由此我们可以推断，如果要保持电动量守恒在洛仑兹变换下的不变性，就不能把电量看作是恒定不变的，而应该将其看成是与速率有关的量。为了找到电量与速率的关系，我们可

8、以稍许改变一下上面假想实验的条件，使两个质子在 y 方向的速度分量趋于 0，这样一来，质子 a 在 K系中是静止的，而质子 b 的速率为 vx12cv将式和式综合可得 bq21cvba 去掉式中的绝对值符号，这样，我们就找到了电量与速率的关系。若以代表质子静止时的电量，那么 就是质子具有速率 时的电量，显然运aqbqbv5动电量的绝对值大于静止电量的绝对值。至此，电量的概念有了新的发展：在任何惯性参照系，有形物质（比如质子、电子等）静止时的电量叫做它的静止电量，用 表示，当有形物质以速率0qv 运动时，它的电量随着速率 v 的变化而变化，满足下式q （这里 q 表示运动电量，或相对论电量）20

9、1cv3 实验及分析“事实胜于雄辩” 。下面给出两个实验验证方案（结合高能粒子加速的实验以证明“q ”）：201cvq实验一：如图 1所示，均匀球 A 和均匀球 B（两球都为中性不带电状态）相对静止，两球的静止质量为 和 ，两球的质心（即球心）之间的距离为mBr，这时测得两球之间的万有引力为 F。然后，如图 1所示，让球 B 获得一个远离参照系球 A 运动的速度 v，在两球质心距离同样为 r 时测量两球之间的万有引力 F。按照原有观点，这时由于球 B 的质量相对于其静止时变大了（变成了 ） ，而两球质心之间的距离不变，由狭义相对论和万有引力公式可知，21cvmBF应该大于 F，即F F21cv

10、rGBA 2rmBA但事实上这却是错误的！精确的实测结果应该是两球之间的万有引力不变，即 FF。这是为什么呢？这是因为，两球之间是靠引力场和电磁场，或者说是“引力子”和“光子”相“联系”和“维系”的，那么，当球 B 作远离球 A 的速度为 v 的运动时，引力场（或“引力子” ）与球 B 之间的相互作用会减弱（减弱为原来的也就是相对静止时的 倍） ，这种减弱的效应与球 B 质量增大的效21cv应刚好相互抵消，所以两球之间的万有引力不变，写出来就是6F F，即 FF。221cvrmGBA 2rmGBA实验一需要说明的是，引力场强度“ ”是由引力场本身所决定的，它2Ar反映的其实是引力场对处于它之中

11、的静止的单位质量物质的作用力，引力场强度是不会随处于它之中的物质的速度的变化而变化的，但正因为处于引力场之中的物质由静止变为了运动，即有了速度 v，所以引力场与运动的物质之间的相互作用会减弱，或者说，引力场对运动的单位质量物质的作用力会减弱，在数量上可表示为减弱至“ ”（我们以前总是想当然地认为引力场对21AGmcr静止单位质量的作用力等于引力场对运动单位质量的作用力） 。一艘宇宙飞船，在太阳系中高速运动，其质量会变大，所以有人预言，如果飞船的速度接近光速，飞船的质量会变得很大，它与地球之间的万有引力也会变得很大，甚至可以改变地球的运行轨道但这实际上却是不可能的，因为物体质量随速度的增大而增大

12、的效应，会与引力场（或“引力子” ）与物体之间的相互作用随速度的增大而减弱的效应相抵消，飞船与地球之间的万有引力将保持不变（两者质心距离不变时） ，根本就不会增大。实验二：实验一中如果球 A 和球 B 都带电（比如都带正电，球 A 所带的静止正电量为 ，球 B 所带的静止正电量为 ） ，其它的条件和过程不变，则两Aqq次测得的两球之间的库仑力（用 N 和 N表示）肯定相等，即一定有 NN。出现这种结果的原因与实验一的分析相类似，即球 B 的电量（实际上是球 B 所带正负电量相抵后的电量）的绝对值虽然增大了，但电磁场（或“光子” ）与球 B之间的相互作用却减弱了（减弱为原来的也就是相对静止时的

13、倍） ，两21cv种效应正好相互抵消，所以两球之间的库仑力保持不变，写出来就是N N，即 NN。221cvrqKBA 2rqKBA实验二需要说明的是，电场强度“ ”是由电磁场本身所决定的，它反2Ar映的其实是电磁场对处于它之中的静止的单位电量物质的作用力，电场强度是不会随处于它之中的物质的速度的变化而变化的，但正因为处于电磁场之中的物质由静止变为了运动，即有了速度 v，所以电磁场与运动的物质之间的相互作用会减弱，或者说，电磁场对运动的单位电量物质的作用力会减弱，在数量7上可表示为减弱至“ ”（我们以前总是想当然地认为电磁场对静止21AvKqcr单位电量的作用力等于电磁场对运动单位电量的作用力）

14、 。原有的高能粒子加速器理论，认为随着被加速粒子的速度增大，其质量会随着增大，而电量保持不变，粒子质量与电量的绝对值的比值，即“质荷比”会变大，所以粒子的速度越大其加速越困难由本文所述可知，这种分析其实是错误的。举回旋粒子加速器为例，带电粒子在磁场（由电磁场本身所决定的磁感应强度为 B，粒子的静止质量为 m，粒子的静止电量为 q）中的旋转周期T （这里用“ ”表示粒子的运动质量只是一种简化的说明21cvqm 21cv方法） ，由这个周期表达式可以看出，随着粒子运动速度 v 的增大，旋转周期 T也会随着增大。这个“T ”的结果无疑是正确的，也是与实验结果21cvqBm相吻合的，但其推导过程却是错

15、误的：粒子的质量与电量实际上是在“同步”变化的，粒子的“质荷比”实际上保持不变，变的其实是电磁场（或“光子” ）与粒子之间的相互作用，这种相互作用的变化效应与粒子质量（或电量）的变化效应正好相反。假设粒子的质量增大为“ ”，那么粒子的电量也会变21cvm为“ ”，质量与电量的变化“同步” ， “质荷比”保持不变；而电磁场21cvq（或“光子” ）与粒子之间的相互作用则会减弱，在数量上可表示为减弱至“B”（设 E 表示电场强度，由“E ”，可以推导出“B ”，详2cv 21cv 21cv细推导过程本文略） 。旋转周期 T 的正确的推导过程应该是：T 2221cvBqm 21cvqm按照本文所述，

16、其实以前物理学中的一些基础电磁学理论并不正确（最错误的是，居然会认为电量是一个绝对孤立的物理量） ，但有意思的是，这种认识上的错误往往并不影响最后结果的正确，象上面所举回旋粒子加速器中粒子旋转周期的例子，按原有错误观点（电量不变）推导出的最后的结果一定是正确8的，因为错误的因素在推导过程中正好抵消了。只要承认客观上两个发生弹性碰撞的质子（或电子）电动量守恒，结合狭义相对论速度变换公式很容易就能推出电量随速度的变化而变化，即“q”的结论。这里必须强调一下，动量守恒定律，其实是早期在认为201cvq“质量与速度无关，质量不变”的时候，由（并不精确的）碰撞实验总结出来的，但到了后来认为“质量与速度有

17、关，质量会变”的时候，则仍然认为动量守恒定律成立（这里回顾历史，意在表明，我们也完全可以认为“电动量守恒”这一全新概念客观成立） 。事实上，狭义相对论就是在并不知道质量与速度的关系的前提下，由弹性碰撞中动量（先将动量作为一个整体）守恒，结合狭义相对论速度变换公式推出“m （ 表示静止质量，m 表示运动质量或相201cv 0对论质量） ”的。这个结论后来得到了实验的验证，最典型的就是对带电粒子的加速实验，但正如本文所述，虽然理论推导结果与实验结果相吻合，但理论推导过程却是错误的，因为忽视了电量的变化效应和电磁场与带电粒子之间相互作用的变化效应（两种变化效应都与速度有关，两种变化效应正好相互抵消）

18、 。中学物理中的洛仑兹力公式 fqvB（q 其实是静止电量，B 其实是由电磁场本身所决定的磁感应强度） ，认为电量 q 与磁感应强度 B（实际上是电磁场与带电粒子之间的相互作用）不随速度 v 的变化而变化，带电粒子所受洛仑兹力f 与速度 v 成正比。这个“f 与 v 成正比”的结论当然是正确的，也是与实验结果相吻合的，但其分析过程却是错误的，因为电量会随速度的变化而变化，电磁场与带电粒子之间的相互作用也会随速度的变化而变化，但两种变化的效应正好相互抵消，写出来就是 f vB qvB，所以才会在实验的表21cvq 2象上给人以“电量不变”的假象。以前之所以会认为“电量与速度无关” ，是因为研究电

19、量与速度的关系的实验都是从力（库仑力）的效应上进行的，例如将某种本来呈电中性的气体（如）电离，测量放在电离气体旁边的检验电荷所受的库仑吸引力与库仑排斥6SF力的合力是否还是为 0，如果合力还是为 0，则认为电离气体中正负电量的绝对值仍然相等，考虑到电离气体中正负电荷的运动速度相差极大，则可以认为电量不随速度的变化而变化，即电量与速度无关（也可采用其它方法判断是否仍呈电中性，但其实都是从库仑力的角度进行考查） 。但正如本文实验一和实验二所述，如果仅从万有引力和库仑力的角度进行考查，一定会得出“质量与速度无关”和“电量与速度无关”的错误结论（因为质量和电量虽然变了，但万有引力和库仑力却没有变） 。

20、实际上， “质量与速度有关，即 m ”的结论，201cv9是通过狭义相对论的理论推导，以及高能粒子加速实验中粒子旋转周期的变化等实验现象才得到公认的，它的确立，与万有引力的实验并无直接关系，相反，如果仅从万有引力是否变化这一角度进行考查（如实验一） ，还会得出“质量与速度无关”的错误结论；电量与质量相类似，如果仅从库仑力是否变化这一角度进行考查，也会得出“电量与速度无关”的错误结论，但如果将本文所述的实验一和实验二，结合高能粒子加速实验以及狭义相对论理论进行综合考虑和分析，则可以得出“电量与速度有关，即 q ”的结论（物理学中的201cv“电荷守恒” ，应该被“电动量守恒”和“能量守恒”所替代

21、） 。质量与电量密不可分，一个有形物质（比如电子、质子、中子）肯定既有质量又有电量，质量和电量都是描述有形物质性质的物理量，两者只是角度不同而已，它们在描述物质性质方面地位其实是平等的。质量与电量之间这种紧密相连、密不可分的关系，其实就是牛顿万有引力公式与库仑定律公式在数学形式上惊人相似的客观原因。事实上，对于质量和电量两者之一总结出来的物理学规律，对于两者中的另一个也往往同样适用：比如“质量亏损”和质能方程式 Em ，我们同样可以肯定，在发生 “质量亏损”时，一定也同时发生了2c“电量亏损” ，同样存在着电量能方程式 Ekq （k 为由单位制引起的比2c例恒量） （电量能方程式的推导过程与狭

22、义相对论中质能方程式的推导过程相类似，本文略） 。 “质量亏损”产生能量 E，或“电量亏损”产生能量 E，其实都只是片面的说法，准确全面的观点应该是：含有能量 E 的有形物质通过“质量亏损”和“电量亏损” （两种“亏损”同时发生）转化成了含有能量 E 的无形物质。有形物质的质量与电量密不可分，同样的，无形物质引力场和电磁场（或 “引力子”和“光子” ）其实也是密不可分的，引力场中必然包含电磁场，电磁场中也必然包含引力场，即引力场与电磁场在本质上就是统一的整体。当试图从理论上统一四种力场的时候，必须注意到“质量与电量密不可分、引力场与电磁场密不可分”这一客观事实。电量有正又有负，但质量却只有正而

23、没有负，按照“有正必有负”的观点，没有“负质量”其实是一件很奇怪的事情。可如果认为有形物质的质量与电量密不可分，两者是一个统一的整体，那么没有“负质量”也就不足为奇了，因为电子的质量与电量之比为负（“负质荷比” ） ，而反电子的质量与电量之比为正（“正质荷比” ） ， “负质荷比”与“正质荷比”的绝对值相等，符号正好相反。一个电子，从某一能级跃迁到低一层的能级时，电子的能量减小， “质量亏损”和“电量亏损” ，放出一个密不可分的“光子和引力子” ，有形物质转化成了无形物质；反之，一个密不可分的“光子和引力子” ，被一个电子吸收，电子能量增大，跃迁到高一层的能级，质量增大，电量的绝对值增大，无形

24、物质转化成了有形物质。有形物质与无形物质之间可以相互转化，这实际上表明了：物质永恒不灭。10致谢辞：向彭鹏先生致以诚挚的谢意！参考文献尤广建.爱因斯坦和相对论M.北京：新时代出版社，1985.Electric Momentum Conservation and Quantity of Electric Charge changes along with Speed（q）201cvqWANG Wen-leiAbstract: This article brings forward electric momentum conservation, links narrow principle of relativity speed formula to bring forward that quantity of electric charge changes along with speed（q ）, and gives two test plans.201cvKey Words: electric momentum；electric momentum conservation；quantity of electric charge decrement