13   重力场中的质量

湮灭实验
    实验第一步：在地面上，量取0.5m的正物质和0.5m的反物质，逐步地合并正反物质，进行湮灭反应，物质转化成光子形式，设全部光子均被远处的光接收器C吸收，如图13.01中的a所示。结果，在光接收器C获得一个能量读数E1。

图13.01   不同高度的湮灭实验

    实验第二步：再次量取等量的正反物质，先不让正反物质接触，这次，我们要将它们送入远离地球的太空，即送出引力场，然后进行湮灭反应，如图13.01中的b所示，再次，在光接收器C上得到读数E2：
    现在要问，E1是否等于E2呢？
    1：根据质能方程，质量m相同，光速c相同，所以E1＝E2。
    如果这两次获得的能量相等，那么，外力做功的能量去向将无法解释？比如，从地面送出1Kg的物质须要做功6千多万焦耳，这可是一笔不小的开销，对于质量更大的天体将更为显著，这个答案显然不符合实事。
    2：有人认为，外力所做功用来克服地球的引力，即被地球的引力所消耗。
    也就是说，外力功交给了重力场，真的是这样吗？我们来做一个思想实验，用一只长手臂重复一个简单的动作，每次从地球上取走m的质量，不断进行，直到取走全部物质，这时，这个重力场应该获得不少的功吧，但是，重力场却消失了。
    质能守恒表明，能量要么转化成质量，要么转换成另外一种形式的能量，但能量不会无端地消失，如果说重力场收纳了外力所做功，那么，重力场本身应该被增强？这样，地球物质的势能增加了，能量的去处得以解释。但实际情况却相反，从地球上取走物质之后，重力场本身却变弱了，重力场吸收说法无法解释能量的消失。
    3：有人提出，光子离开须要克服地球引力做功，从而地面反应的能量读数要小。
    这种说法也叫“光子势能说”，光子势能说要求光子具有质量，如果光子具有质量，全部电磁学理论将存在问题，有质量的物体以光速运动是不允许的。同样，光子的部分能量交给重力场，我们应该能观察到这种长期积累的效应，这对长期发光的恒星来说应当是极其显著的，但是，人们并没有观察到太阳的引力场有任何异常。无论如何，“光子势能说”不能解决问题。
    4：光子的引力红移，理论和实验都证实了引力红移，但现在无法回答为什么会红移。
    可以做一个光谱观察实验，在塔顶观察地面氢原子的光谱频率，发觉地面氢原子光谱的频率较低，现在，将地面的氢原子提升到塔顶，在塔顶对比观察，这时，发觉与塔顶氢原子光谱的频率一致，即不再偏低，原来位于塔顶的氢原子显然没有变化，只能地面的氢原子在上升的过程中频率变化了，而上升过程中，重力和提升力合力为零，光谱的频率却发生了变化，从这里可以说明，只有外力做功才是真实有效的。具体地说，外力做功被物体所收容，以致光源频率变高了。
    所以，综合现代物理成就，对于上述湮灭实验，唯一的解释就是：在重力场中，改变物体的高度将导致物体质量的改变，外力做功将被物体吸收，转化成为物体的质量形式。
    由于两次读数能量相差：
   ……………式13.1
    因为：
    ………………………………………式13.2
    R地球半径，M为地球质量，为具有一般形式，令重力势能为U，考虑到任意高度的实验：
    …………………………………式13.3

    进一步加以分析，下列实事也可以证明重力场中的质量是变化的：

1. 不同高度物理学实验协变性要求。
2. 能量守恒和动量守恒规律的要求。
3. 现代整个理论体系自洽性的要求。

重力场中的协变性问题
    鉴于后面的讨论，这里阐明重力场“协变性”范围。
    狭义相对论的“协变性”已为大家所知，即时空中的尺、钟和质量协调变化，协变性保证了物理定律在所有的系统中均适用，协变性得到了大量实事的证明，比如，高速运动系统中，尺度变短、时间变慢、质量增加，系统的观察者不能意识到任何变化，物理公式仍然适用系统的任何实验。
    例如：在高速运动系统中观察弹簧振子，虽然质量增加了，但系统中的时钟变慢了，实验者依然测量到同样的周期。再比如：比赛在高速运动的列车上进行，运动员并不能从中受益，虽然跑道缩短了，时钟变慢了，但是，运动员的身体质量增加了，反应速度降低了，所有的变化刚好保证运动员获得同地面相同的成绩，没有任何异样的感觉，包括运动员的神经细胞。虽然没有人真这样做过，但结论已经为无数事实所证实，确信无疑。
    对于重力场而言，是否满足协变性规则呢，这里只能给出结论：没有重力势能能量交换的实验满足协变性规则。典型的例如，水平面上的实验，在教科书中，常见“在光滑的水平面上”之语，其意思就是不存在重力的参与，还有本文的水平面旋转实验等。从水平面的“协变性”可以推知，测量一个水平圆周运动向心力、周期、半径等参数，不能从结果中推知实验所处的高度。 有一种特利需要指明，在自由落体运动中，对于落体内部的观察者而言，不能感受到本身被加速，系统的势能逐步变成动能，能量仍然以动能的形式存在于该系统中，直到到达地面之前，所以自由落体系等效于惯性系，完全满足协变性规则。
    与重力场之间有能量交换的实验不满足协变性。通常的非水平面实验都不满足协变性，例如，与重力场相对静止的观察者，观察抛物线运动，可以通过轨迹推知实验系统的高度，不满足协变性规则。
    后面涉及到重力场的协变性范畴，即指水平面实验或自由落体运动。

                                         http://www.wlsyw.com   占礼葵 2007.6.18

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