读李学生先生的《机械能守恒定律与力学相对性原理关系剖析》

“对称性原理是凌驾于物理规律之上的自然界的一条基本原理。”对称性原理仅是物理学中的客观规律之一罢了，对称自发破缺的非对称倒是自然界更普遍的现象。

“物理学家并不可能先验地知道我们这个世界所涉及的全部对称性，而已经确实知道的对称性又不足以完全确定作用量的形式。”这句话就很客观、很科学。

“对称和守恒这两个得（应是：重）要概念是紧密地联系在一起的。”对称和守恒是有条件的，即是有前提的。在这个前提（条件）存在时，这种特定的对称和守恒才存在，才成立！不存在任何无特定前提（条件）对应的对称和守恒！

“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上。”这个“力学”不是简单的机械力学，而是某种运动、演化与某种相互作用间的因果关系的理论、学说。因而物理学中有各种各样、分门别类的力学。

“由于引力作用和加速度是完全等效的，对于一个在引力场中作自由落体运动的参考系，引力作用和自身加速度的作用抵消。这样的参考系，是一个真实的‘自由’参考系。”引力作用是一种相互作用，加速度是一种运动状态，可能有因果关系，但不能说是“等效”！引力与惯性离心力有可能在一个小局域内“等效”。自由落体本身是个加速运动体，不可能视为惯性系！是一个受约束的问题，根本不能视为“自由”参考系！

“一个参考系是不是惯性系，只能由试验确定。最基本的判据就是牛顿运动定律成立与否。”有失偏废。实验的条件和技术精度会局限人们的认识。例如，原来人们信奉地心说，又局限于宏观的低速运动，牛顿的动力学及基于其的早期的工程力学非常成功，认为地球是惯性系，牛顿力学绝对正确。然后，到了微观世界，近光速运动及电磁现象，到了探索手段和技术精度极大提高以后，发现牛顿力学不够用了，有问题了。原来测量的宇宙背景辐射，似乎是各向同性的，全域均匀的，宇宙似乎是球形的；后来不仅测量精度高了，还到外太空去测量，发现宇宙背景辐射不是各向同性的，不是全域均匀的，符合旋转椭球体的偶极子辐射，看来我们所在的宇宙是个旋转椭球体，它有整体的转动！而且还存在一些没有任何物质和辐射的宇宙大空洞！的确，“宇宙中不存在全局惯性参考系”。因而，再说地球和太阳是“很好的惯性系”，是不正确的。只能说在某些情况下，我们可以将地球或太阳看成为“惯性系”。在我看来，宇宙中心黑洞的中心，也就是形成我们所属的宇宙体系的那次宇宙大爆炸的爆心可视为我们所属的宇宙体系的全局惯性参考系的坐标原点，可以是比较合理和成功的。

“惯性质量同引力质量相等”，我已在多篇文章中指出，这种相等仅在引力居于绝对主导地位的场合才正确。在强力或电磁力居于绝对主导地位的场合，惯性质量同引力质量相等就不成立，其惯性质量主要由强力或电磁力决定，或主要由这两者所决定。

“牛顿力学适用于绝对时空观框架内的宏观低速惯性系，即满足力学相对性原理。在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。”我的理论研究表明：牛顿力学适用于绝对静止坐标系，而非要求是与任何物体及运动无关的绝对空间和绝对时间。例如，形成我们所属的宇宙体系的那次宇宙大爆炸的爆心作为绝对静止坐标系的原点，这个爆心现是这个宇宙体系的中心黑洞的中心。在这种理论中。时空是与物质分布及其运动密切相关的。

“相对性原理说明物理规律在相对运动中是等效的。狭义相对性原理指出一切物理规律对于各种惯性系都是相同的，广义相对性原理则把它推广应用于任意相对运动的参照系。”爱因斯坦相对论已经揭示：相对性原理在不同的状况下，其内涵以及数学表述是不同的！牛顿动力学的表述只在绝对静止坐标系—— 一种特殊的，极为理想的惯性坐标系中才严格正确；狭义相对论的动力学表述则普适于惯性坐标系，并不严格适于非惯性坐标系，在那里需要广义相对论的动力学表述。而我的研究表明，在场强或物质分布密度很大以及它们的梯度特别大的区域，爱因斯坦广义相对论的动力学表述也不行，在那种情况下，光速和引力常数不再能看做常数，而是随场强和物质分布密度变化而变化的。

“外力作功与内力作功代数和，等于质点系总动能的增量——质点系的动能定理。”——客观实际中，无论是外力作功还是内力作功，往往不会是纯粹的机械运动的功能转换，往往伴有物体分子热运动的改变，即还有功热转换的问题。例如，摩擦力不仅改变物体的运动速度，改变其动能，而且，会改变运动物体及赋予其摩擦力的物体分子热运动状态的改变；伸缩的弹簧，不仅有弹性势能和动能间的转换，还会有弹簧内部分子热运动状态的改变，结果弹性势能和动能之和会逐步减少，转化为弹簧内部分子热运动能量的增加（还不计空气阻力导致的损耗）。所以无论是牛顿动力学还是爱因斯坦相对论力学，往往将运动物体抽象为理想刚体，从而可视为质点，不考虑内力作功问题。

“如果一个系统内只有保守力做功，其它一切内力和外力不做功‘此时的机械能守恒定律可以称为过程机械能守恒定律，在整个运动变化过程中机械能始终守恒，它们的总功为0’时的机械能守恒定律称为状态机械能守恒定律”，此论述正确。

“能量守恒定律指出：‘自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变’。

注意：

1.从一种形式转换成另一种形式是泛指，是指所有形式能量。

2.能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变，并没有限制是那几种形式能量。”正确！

2.“能量守恒定律成立的条件是：一是功和能的关系——各种不同形式的能可以通过做功来转化，能转化的多少通过功来量度，即功是能转化的量度。二是能量增量与各种形式能量之间关系——各种形式能量的转换遵循等量转换原则，能量增量是所有形式能量的增量”，此说不当！能不太可能全部转化为功！！所以存在转换效率的问题。

3.“能量守恒定律与总能量守恒”——我的认识是：能量守恒定律适于封闭系统；总能量守恒还适于开放系统，系统能量的变化等于系统与外界交换的能量。

5.“功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。”功能原理从属于能量守恒定律。

“机械能守恒定律只是普遍的能量转化和守恒定律的特殊形式。”正确！

“能量有多种形式，如动能、势能、化学能、电磁能、核能等等，各种形式能量之间可以相互转换”，核能转化成动能、势能、化学能、电磁能是容易的，反向转换是很困难的。高速对撞是电磁能先转化为被加速粒子的动能，然后对撞引发核反应，形成一些新的粒子，还伴有光辐射。这些粒子的核能加上其动能及热能以及光辐射，等于反应前被加速粒子的核能和动能的总量。从而只有部分转化为增加的核能。而化学能实质上是电磁能。

“笔者认为，以地球为参照系机械能守恒定律不是严格成立的根源在于此时地球为非惯性系，例如选择非惯性系考察动能定理、动量定理也不成立，但是不能说动能定理和动量定理是错误的。”根本的是能量守恒定律与动量守恒定律在封闭系统才成立，在开放系统就不成立。在开放系统要计入系统与外界的能量交换与动量交换问题。

“在生产实践中直接利用机械能守恒定律在相当高的精度上仍然成立，当物体的质量越来越大时，系统相对误差会越来越大”，质量大到物体与地球的共同质心偏离地球质心时，例如月球与地球，就必须将两者作为一个系统来考虑。不仅地球影响着月球的运动，月球也影响着地球的运动。

“对应原理表明：新理论不是把旧理论根本推翻，而是在旧理论适用的领域中，新理论的结论过渡到旧理论的结论；包含某种特征参量的新理论的数学工具（基本方程及其推论），在特征参量具有适当数值的情况下，自动转变为旧理论的数学工具。”正确！

“由于引力使得原来的惯性系成为非惯性系从而牛顿力学与狭义相对论失效，才促使爱因斯坦研究广义相对论。”不仅因为引力，地球自转也使它成为非惯性系！狭义相对论仅考虑了平动导致的相对论效应，计入转动导致的相对论效应，狭义相对论就转化为广义相对论，这一点台湾学者崔思珑博士早已论证了。

“这场大讨论出现裂痕的症结在于是否把地球的质量视为无穷大，如果视为无穷大，地球的质心与系统的质心重合，以地球以及相对于地球匀速运动的物体为参照系机械能守恒定律满足力学相对性原理，否则机械能守恒定律不是严格成立的。”正确！

“在经典力学范围内对于天体轨道的运行轨迹的研究必须以系统的质心为参照系研究”，正确！

“由于开普勒定律也没有考虑太阳在行星的引力下的位移，因此也是一个近似规律”，更正确的说是：开普勒定律也没有考虑太阳在其行星的引力下运动状况的改变，因此也是一个近似规律。太阳系的质心与太阳自身的质心并不重合，因而，太阳的自转中心不是太阳自身的质心，而是绕太阳系的质心的偏心摆动式的自转，就像地球绕月地系统的质心的偏心摆动式的自转一样。

“电子在原子内的运动和行星在太阳系中的运动对比，电子的轨道角动量表示的转动相当于行星的公转，自旋角动量表示的转动相当于行星的自转”，这种比拟和认识并不正确。自旋是基本粒子的一种量子特性。费米子（所有的轻子和重子）的自旋数是h/2或－ h/2，Ω负超子的自旋数是3h/2，h是普朗克常数。费米子分布遵循费米—狄拉克分布律，同一能级中不会存在二个自旋数相同的费米子。二个自旋相反（自旋数一正一负）的费米子可以组成一个玻色子——库伯对。介子的自旋数为零，光子的自旋数为－h，胶子的自旋数为h，引力子的自旋数为2h，中间玻色子W±和Z0的自旋数为h，（见王正行著《近代无物理学》P8、9及P496、497）它们都是玻色子。玻色子分布遵循玻色—爱因斯坦分布律，同一能级中可以同时存在许许多多个玻色子。自旋相反的电子二二组成库伯对是超导现象的微观物理机理。在弱作用脱耦时，引力和电磁力分离，胶子转化为光子和引力子（h=－h+2h）。所以，基本粒子的量子特性自旋与星体的自转根本不是一回事！

“文章说：‘如上图，在匀速上升的电梯的天花板上用弹簧下挂物体m，研究m、弹簧和地球组成的系统，以地面为参考系时，天花板的拉力T对弹簧做功：dA外=T×dr≠0，系统的机械能不守恒。但我们选择电梯为参照系时，整个过程拉力T不做功： dA外=0，只有保守内力做功，系统的机械能守恒。’”我认为应该说：弹簧的拉力与物体m所受的地球引力平衡，物体m相对于拉长的弹簧或电梯是相对静止的，动能与势能无变化，机械能总量不变，即机械能守恒。而以地面作参考，匀速上升的电梯势能增加，动能相对于电梯静止时也是增加的，相对于开始匀速上升时则不再增加。其内的物体m亦然，当然机械能不守恒，这与地球质量是否是有限还是无限无关，而是能量的计算与参照系相关的问题。当考虑到电梯的运动是其卷扬机的动力作功而实现的，计入卷扬机的动力作功及功能转换的损耗，仍有能量守恒，仅是守恒的形式和内涵与以电梯为参照系时有所不同罢了。

“科学是有继承性的，新原理的出现并未全盘否定旧原理，旧原理不仅有其历史价值，而且在有效适用范围内还有其实用价值。”说得对！

关于惯性质量与引力质量问题，甚至电磁质量问题，我在《质量问题》（《物理学与宇宙学研究》一书中的第一篇）中已有详细的论述，这里不谈了。

2014年2月6日

附：答李学生先生2014－2－7电子邮件的几个问题：

1.在我写的三本书中，多篇文章阐明了一个观点：有静止质量的微粒物质在转化为无静止质量的场物质时，微粒物质的动质量（其中包含其静止质量）转化为场物质的动质量。质量守恒律只对动质量成立，不存在静止质量的守恒。能量守恒和动量守恒也都是对动质量成立，不是对静止质量成立的。仅在微粒物质低速运动时，其动质量差不多就是静止质量，从而质量守恒、能量守恒和动量守恒看来对静止质量成立。如果视正反物质的物性相反，它们的静止质量是正负反性的，那么万有引力是同性相吸，异性相斥，以及正反粒子湮没转化为场物质时，静止质量（－m+m=0）也守恒，就很自然了。但得认为，动 质量与物性无关，总是正值。

2.对于希格斯粒子，我至今不认为它是赋予基本粒子质量的一种基本粒子，我认为质量是相互作用的一种物理表现，与是否有希格斯粒子无关！我认为欧洲重离子对撞机中所谓发现的“希格斯粒子”仅是产生新粒子时的一个中间态！物理学中曾出现过“以太”、“超距作用”，“虚光子”、“真空激发”等，有些还是大物理学家提出的，但现在物理学界已很少认可了，现在的暗物质、暗能量说，我认为最终也会被抛弃的！希格斯本人原本并不期望希格斯粒子被证实而获诺奖。

3.我与学术杂志编辑无交往，许多杂志要付钱买版面，我是很反感的。近来我还无出新书的计划。你可以在网上博客中发表。

4.现在天文学和航天事业中使用大型计算机来解决天体运动轨道和航天器运行的测算。所以对经典理论的修正，实际工作者并不感兴趣。我在七十年代曾对经典控制论的根轨迹法研究出一种解析解法，能由传递函数获得根轨迹方程，并算出增益和响应函数，还能用于离散系统的Z分析法。尽管美国的月球登陆使用了旧的根轨迹法控制的，但他们靠计算机插补运算来解决的。我国的控制论学者——南京航空学院（现在是南京航空航天大学）的胡寿松教授给我的复信中，不仅肯定了我的理论正确和创新，而且说如在六十年代发表就是世界一流的水平！（可我是在七十年代才接触控制理论的！）并且认为我的工作开创了将经典控制论与现代控制论统一的前景。希望我能将理论从二维推进至N维，成功了，那就是世界一流的了。但如今靠现有的现代控制论和现代计算技术，改进的经典控制理论是没有生命力的。而我一为自己的数学水平不够，二为生计，不能脱开工作去干此事，就此放弃了这一努力。我对物理学和宇宙学的研究也是在退休以后进行的，尽管我是1965年就毕业于南京大学理论物理专业。