能量的本质是什么?宇宙能量从何而来

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wojiukan
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能量是物质的基本属性。在物理学中,能量被定义为物体运动时产生的变动状态或状态转变所产生的内在效应,因此能量的最终来源和本质尚未完全明了。在宏观尺度上,可以将能量分为机械能、热能、电能等类型,并认为其本质与物体内部的质量和形状有关。在微观层次上,可以将其理解为原子核中的质子和中子之间相互作用以及电子之间的库仑力。,,能量在自然界中以多种形式存在:物质的能量形式包括动能、势能、热能、电磁能等。不同的能量形式具有不同的转化方式,例如电能可以从一种形式转化为另一种形式,但不能同时转换。不同种类的能量有各自的性质,比如电磁能是由电磁场对电流的作用产生的;而质能方程E=mc²则是量子力学的一个基本原理,它表示了一个物体的质量等于其总能量加上一个忽略不计的能量媒介的平方。,,能量的本质在于物体内部的运作过程及其与其他物体之间的互动。它是物体质量和形状等物理特性的一部分,也是影响宇宙各种现象的关键因素之一。

能量的本质是什么?宇宙能量从何而来

我就纳闷了:有标V者,竟把能量说成是一种物质,莫非物理是跟体育老师学的?

能量,与质量、动量、电量、速度、温度、梯度...一样,只是反映物质属性的参量。

照其逻辑,能说动量、电量...是一种物质么?能说速度、温度...是一种物质么?

更有甚者,理论界竟有把“暗能量”与“暗物质”并置,真可谓稀里糊涂一锅粥。

不顾基本逻辑,不讲物理方程,不讲严谨自洽,如此的不管不顾,奢谈什么科普?

我心疼涉世不深的莘莘学子,你是国家的未来与希望,动动脑子,不要人云亦云。

本文,先讲能量的概念与分类,再讲物系的概念与分类,最后揭示能量的本质。

1【能量】与【物质】的区别

先厘清一些概念。物理学的研究物质的存在形式与运动方式,这句话,有两个要点:

其一,物质的存在形式,也叫「物态」组织结构,即有关成分组成物质的空间分布物质的结构性参量,如:质量、电量、坐标、尺度、密度、弹性、硬度、粘度。

其二,物质的运动方式,也叫「规律」、动力学方程,即运动与受力的函数关系物质的运动性参量,如:能量、动量、角动量、转动惯量、位移、作用力、周期。

显然,能量只是用来测量物质运动规模的物理量,不是一种独立的物质存在形式。

例如,电子是一种物质,电子动能是赋予电子的能量,不能说「动能」转为「电子」。

例如,电场是一种物质,电势能是赋予电场的能量,不能说「电势能」转为「电场」。

2「能量」与「能源」的区别

两个术语都是外来语energy。构词分析:en=in(内含),erg=work(功能),y特性。意思:energy是物质含有特定功能的属性。

能源,是以震荡生产能量的物系。能量总要在空间以波动的方式传递。

物体能量的构成,包括自身携带的「固有势能」与「可变动能」,即:

E=Ep+Ek...(1)

固有势能(inner potential)是保证物质自我存在的能量,这部分能量,与质量相对应,是不可利用的那部分「内能」。

如,电子自旋势能Ep=m₀c²=0.511MeV,只够电子以光速自转以实现自我成球。

固有势能是不可以作为能源来开发利用的,这也是不可能造出此类永动机的原因。

如,氢气(H₂)燃烧后的产物(CO₂+H₂O),不可以作为可再生的二次能源。

如,地球或磁铁的引力势能是所含亚原子维持独立的叠加效应,不可作为永动机能源。

可变动能(variable kinetic),是可利用或可增减的能量。可变动能有两种类型:

其一:零点参照系的高位势能(Uᵧ)

例如,天池的高水位势能,可变成水流动能。电池的高电位势能,可变成电流动能。

高位势能,总是面向零点参照系。即:假设零点参照系的势能为零(U₀=0),其转化的动能表达式为:

△U=Uᵧ=Ek=½mv²...(2)

其二:外力做功引起的动能增量(△Ek)

根据热力学原理,一个物系,若被外力作功或加热(W),则获得动能增量(△Ek):

W=△Ek=½m△v²...(3)

此时的物系,要么还保持静止或匀直运动,物系内能有变;要么物系加速或减速运动。

由此可见,可变动能包括高位势能与增量动能,会改变微观或宏观状态。所以:

固有势能不是能源,是不可利用的能量;可变动能是能源,是可以利用的(±)能量。

这只是初步,下面更进一步。

3 物系的理解:狭义物系、广义物系

物系(material system),是动力学研究的具有特定物态的系统,有时也叫体系。

物系的对立面,即与物系相应相关的物系,叫环境(circumstances or surroundings)。

物系的范畴,涉及能量守恒与转换,涉及量子场效应,必须有精准的定义。

3.1 狭义物系,是不够严谨的

狭义物系(narrow system),经常称为物体(body),是不含附近空间的裸体对象。单说物体,有时是不够严谨的。

例如,不含大气层或者不含辐射带的地球,不含附近被激发场效应的电子或核子。

狭义物系或物体的总能量公式,写成:

物体总能量=固有势能+可变动能,可变动能=高位势能(△U)+动能增量(△Ek):

E=Ep+Ek=Ep+△U+△Ek...(4)

E=mc²+½mv₁²+½m△v₂²...(5)

3.2 广义物系,涉及场效应

●广义物系的定义

物体或本体(proper body)不是赤裸裸的独个,它有自己的引力场与运动空间。

我们把一个实体及其附近的场空间,称为该实体的物质系统,简称「物系」,相比单一物体而言,也叫广义物系(wide system)。

例如,「地球系」是以地球为中心的连同大气层与辐射带与引力场在内的系统。地球引力场可以远到拉格朗日平衡点,离地约150万千米。

又如,「电子系」是以电子本体为中心的连同电子切向运动所扰动的场空间在内的系统。电子引力场空间可延伸到不处于主控地位为止。

●物系涉及的场效应

场效应(field effect),特指实体运动因扰动附近真空场而激发场波动的现象。

场波动(field fluctuation),主要有:引力波(因电子自旋)、电磁波(因电子进动)、机械波(大粒子震荡)、电流(因电子接力传动)、脑波(因细胞电荷簇震荡)。

根据热力学第一定律与光电效应原理,实体运动的平均动能,同时激发电磁辐射能:

½mv²=1.5kT=nhc/λ...(6)

k为玻尔兹曼常数,n=q/e=m/m₀是电子电荷或电子质量的当量数,h是普朗克常数,λ是实体切向运动所激发的光子波长。

就「原子系」而言,既有核外电子与原子核,还有电子震荡激发的原子光谱。

单独考虑原子系的总能量(E):既有亚原子的固有势能(Ep),也有各自的可变动能(Ek),还有各自激发的电磁辐射能(Eγ):

E=Ep+Ek+Eγ...(7)

Ep=nm₀c²+nmₚc²+?mₙc²...(8)

Ek=½nm₀vₑ²+½nmₚvₚ²+?½mₙvₙ²...(9)

Eγ=nhfₑ+1836nhfₚ+?1840hfₙ...(10)

深入研究发现,「核子系」的能量,包括核内电子的固有势能与它们以光速震荡的动能与共时激发的电磁辐射能。详见笔者文章下的《叠加原理及其应用(第2集)》。

4 能量的本质是电荷运动的「场效应」

4.1 能量传递的基本原则

原则1:能量的转换或传递,不可以超距方式从一个实体传到另一个实体。

原则2:「物体」含「分子」含「原子」含「亚原子」含「电荷」。物体之间的相互作用,其实是电荷之间的相互作用。

原则3:电荷之间的相互作用,只能通过以借助「场空间」来承载并传递给对方电荷。

4.2 「电荷运动激发场效应」的完整表述

电荷的运动,扰动或挤压了场空间,进而激发场空间的波动,此称场效应。

场效应主要表现为:引力场效应(或引力波)、电磁场效应(或电磁波)、温度场效应(如机械波)、细胞电池场效应(如脑波)。

能量的本质是什么?宇宙能量从何而来

单一电子运动,激发「场量子效应」。场量子可分类为引力子、光量子、声子,它们都是传递能量的传播子(propagator)。

4.3 典型的场量子效应

其一:电子的光速自旋有南北极负压差,扰动了真空场,激发的「引力子效应」为:

Ep=m₀c²=hc/λ₀...(11)

其中,λ₀=2.42×10⁻¹²m=2.42皮米,是引力子的初始波长,拓扑的引力子半径为

r₀=λ₀/2π=0.39皮米...(12)

其二:核外电子的切向震荡,挤压附近的场空间,激发的「光量子效应」为:

Ek=½m₀v²=hc/λ...(13)

λ=2hc/m₀v²...(14)

r=λ/2π=(hc/πm₀)/v²...(15)

可见,光子半径与电子切向速度平方成反比,光子对电子速度非常敏感。

其三:大质量粒子的切向震荡(v),其实是所含电子以伴随速度(v),挤压温度场,激发的「声量子效应」为:

Ek=½nm₀v²=nhc/λ...(16)

λ=2hc/m₀v²...(17)

可见,声子波长(也是光子波长)只与大粒子切向速度有关,与其质量无关。

声子,是机械震荡的传播子或光子,属于机械波的「光学支」,而大粒子激元(exviton)对应的是「声学支」。

能量的本质是什么?宇宙能量从何而来

例如,空气传递声波的工作原理:分子之间的真空场距离很大,分子之间不可能直接碰撞,所含电子之间也不可能直接碰撞,而是通过电子激发场效应的声子或光子来传递分子动能。声学支的分子运动速度(v₁)<<光学支的声子波动速度(v₂=c)。

5 「电运动」与「场波动」互为因果

电子电荷的切向运动,简称电运动。场效应波动传递,简称「场波动」或「场辐射」,二者之间共时关联、互为因果,即:

【电运动】↹【场波动】

即,电运动可以激发场波动,反过来,场波动也可以激发电运动。

例如康普顿散射效应,用高频电磁波照射电子,电子加速运动,光子偏折而降频红移。

当高频电磁波路过太阳大气层(等离子晕环)附近时,会发生光线偏折,这是康普顿散射效应,与时空弯曲无关。

6 关于「宇宙能量的起源」

这个话题,等同于「宇宙的起源」。以下谈谈个人意见,有以下几个要点。

6.1 哈勃常数的「类星体的退行性红移」可替换为「电磁波的熵增性红移」

由于类星体(quasar)释放的等离子体如自由电子(electron),不可能一直以初速度(v₀≈c)在深太空旅行若干亿年,而必然会渐渐减速,所激发的电磁波也会随之降频红移,因为它必然从高能态发散到真空场的低能态,服从熵增加原理。

能量的本质是什么?宇宙能量从何而来

类星体退行速度v(q)其实是自由电子的减速度v(q)。其常数H₀(q)可替换为H₀(e),即:

把原常数:H₀(q)=74km/s/Mpc

应替换为:H₀(e)=74km/s/Mpc...(18)

有:H₀(e)=3.76×10¹²Hz/Hz/Mpc...(19)

即,电子减速激发的光子频率,因光子波动每1Mpc(326万光年)而降频3.76万亿倍。换句话说,退行性或宇宙学红移皆不成立。

6.2 如果【熵增性红移】成立;那么宇宙就是固有的,「宇宙的起源」是无意义的。

其1,只有可观测宇宙才有意义。无穷大宇宙,既无法测量验证,也无法计算推理。

根据式(19),若在月球背面建设的射电望远镜可接收并识别波长为千米级的电磁波,则可观测宇宙的半径大约是536亿光年。

其2,搞清可观测宇宙足以满足人类对「识破天机」的最大进取心与「最高福祉」。

可观测宇宙的成份,不外乎是两大类:

①形态大大小小的「高密度天体」,诸如:超新星或黑洞、磁星与脉冲星、大小恒星、大小行星、流星雨、星际物质,

但归根结底,都是作为基元粒子的电子的叠加产物。电子实体的内空间是最高密度的真空场,核子内部是次高密度的真空场、原子内部是较高密度的真空场,万物皆空。

②能密千差万别的「低密度真空」。黑洞附近有最高的低密度真空场,地球附近的大气层附近有较高的低密度真空场,地球辐射带有较低的低密度真空场,微波背景辐射带有极低的低密度真空场。

其3,实体内部的能密分布与实体外围的能密分布,具有共时关联的动态平衡的超对称关系。

所以,还是请大家深刻领会中国古代先贤的大智慧:色空亦空、四大皆空;聚则成器,散则成气。

(完)

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