觀點
經典觀點
經典電磁理論認為
電荷守恆,這種認識是現在普遍流行的觀點,所有已經出版的書,教師教給學生的結論都是這樣認為的。以下是選自《電磁學問題討論》,人民教育出版社2003年6月第一版的內容。
電荷守恆定律:“在任何物理過程中,一個與外界無電荷交換的孤立體系內,電荷的代數和保持不變,這就是電荷守恆定律。它是即今為止所有實驗證明了的規律,是物理學中普遍適用的基本守恆定律之一。
在摩擦起電或靜電感應起電現象中,只是某種電荷從一個物體轉移到另一物體,或從物體的這一部分轉移到另一部分。實際上是使原來就存在並相互中和的正電荷和負電荷分開的過程。就相互摩擦的兩個物體組成的體系(或就靜電感應的整個導體)來說,在摩擦過程或靜電感應過程中,體系的電荷量的代數和是不變的。
光子是不帶電的、沒有電結構的基本粒子。近代實驗發現,能量(hυ)大於電子靜質量的能(m0c)二倍的高能光子,在與實物粒子的作用過程中,可能產生電子和正電子對。產生的正、負電子對互相吸引,二者繞共同質心運動,形成電子偶素,大約經過10s,電子偶素中的正、負電子對又彼此淹沒,產生兩個光子。這裡似乎沒有正負電荷的轉移,而是由光子產生正、負電子對,由正負電子對湮沒而產生光子。但在實驗能達到的精度內證明,正負電子的電荷量大小精確相等。成對產生和成對湮沒的正、負電子對,並不改變體系電荷量的代數和。因此電荷守恆定律仍是精確成立的。
另外還有“電荷的相對論不變性”,是指從不同的慣性繫上看一帶電粒子的電量都是相同的。或者說,一個系統的總電量不因帶電體的運動而改變。與質量隨速度而變這一事實相比,電荷不變性是一個十分值得注意的重要屬性。
電荷不變性最初是一種信念和假想。1901年考夫曼在測量Ra-C放射性的β射線的荷質比時,發現荷質比e/m隨速度而變化。他就在電荷不變性的假設下,作出過質量隨速度變化而變化的猜想,後來根據狹義相對論得出了質-速關係以後,用質-速公式和電荷不變性的假定又恰好解釋了荷質比隨速度變化的事實。這就相當於證實了電荷不變性的假想是正確的。
我們可以構想,如果電荷電量要隨速度變化,那么在不同的原子內,電子和核內質子的運動是大不相同的,因而不同的原子將有不同的淨電荷量,不都是中性的。然而已經用高精度的實驗證實所有原子都是中性的,這就有力的表明電荷量與運動速度無關。
“電荷不變性對電荷量子化這一性質有特殊的意義。如果電荷隨速度而變,而速度是可連續變化的,這就一定會否定電荷的量子性的結論。事實上,一切帶電的基本粒子不論運動狀態如何不同,電量絕對值相等,都等於e。這一非常重要的事實,不僅表明了電荷的量子性,也證明了電荷的的不變性。”
以上內容就是所謂的“電荷守恆定律”,“電荷守恆定律”實際上包含兩部分,其一是電荷數守恆,就是電荷只要不湮滅其數量不變,另一個是所謂的“電荷的相對論不變性”就是電荷電量不隨運動而改變,但我們知道按照
愛因斯坦的狹義相對論質量是隨運動而改變的,所以電荷電量與質量不同,與運動無關。
新型觀點
現在已經有人對“電荷的相對論不變性”提出了質疑。在中國預印本系統中收錄的論文《論運動電荷的相互作用》物理學,自然科學,論文序號1230,作者李冬雪,這篇論文中,認為電荷電量是隨速度而改變的。其運動電荷與靜止電荷之間的數量關係與運動物體與靜止物體相對論質量關係相同。
由狹義相對論質量速度公式
,m
0是物體靜止時的質量,m是物體運動時的質量,由v≤c可得質量隨速度增大而增大。
《論運動電荷的相互作用》的證明的結論是
,Q
0是帶電體靜止時的電荷量,Q是帶電體運動時的電荷量,由v≤c可得電荷量隨速度增大而增大。
這篇論文還解釋了前述“電荷守恆”觀點中的幾個反例,例如:原子為什麼顯電中性,而法國的考夫曼(W·Kanfman,1871-1947)發現的荷質比e/m隨速度而變化又怎樣解釋?《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。荷質比測定過程中使用了磁場概念,磁場概念將電荷運動後電荷量隨速度增大這一事實給掩蓋了。
同時,論文推出平衡力是洛倫茲變換下的不變數,理論導出電流元相互作用的安培定律,電荷在磁場中運動的洛倫茲力公式,說明了電流之間的相互作用來自於運動電荷的電荷量隨速度的變化,說明了電流磁效應的本質來源。
電荷不守恆已經有過一些論述和實驗,例如《青島大學學報——自然科學版》2000年第3期就發表了論文《對電荷不守恆問題的探討與研究》,還有1998年物理雜誌有《思維的慣性——電荷守恆嗎?》等論文,從量子力學的角度論述了電荷不守恆性。
總結
運動電荷不守恆的觀點有兩種,一種是李冬雪先生為代表的,認為電荷隨速度變化不附加條件,就是認為不管是普通機械運動條件,還是量子狀態,電荷都隨速度變化,電荷Q不是洛倫茲變換下的不變數,並且證明了一個公式。這個理論完成於1997年7月。它的特點就是建立了一個完整理論。並放棄了磁場。
另一種觀點就是以倪光炯先生為代表,認為在
高能粒子的相互作用過程中,電荷守恆會遭到破壞。“自然界並不存在電荷守恆”。給出的解釋是這只是一種量子效應,但沒給出變換公式,並且倪光炯並不認為在普通情況下電荷會變,也就是倪光炯仍然認為Q是洛倫茲變換下的不變數。這可以從倪光炯先生,同艾小白先生的論辯文章中看出來。並且沒有考慮過放棄磁場。