旋转的相对论效应

旋转的相对论效应北京航空航天大学殷瑞殷茗王阳摘要对定轴转动的参考系,称线速度为光速的点到转轴的距离为临界半径，称到轴距离为临界半径的所有点集合成的圆柱面为临界筒。我们发现了两个学界尚未认知的自然规律：一是临界筒外存在时空互易致使定轴转动的线速度仍小于光速；另一个是旋转体的许多物理量在临界筒外域的符号和内域是相反的，我们称之为临界筒效应。本文第一部分给出了电子在外磁场作用下产生进动后，此进动的临界筒外域电场力变方向的实验结果,这不仅直接证明了临界筒效应的存在，同时间接证明了临界筒外域电场旋转的线速度不超光速。第二部分则是用最基础的数学工具对时空互易和临界筒效应做了理论证明。第三部分给出了临界筒效应在理论研究和祛氧化治疗中的应用。关键字:相对论,临界半径,临界筒效应,时空互易ABSTRACTForarotationalreferenceframe,definethedistancefromtheaxistothepoint,wherethelinearvelocityisequaltolightspeed,asthecriticalradius,andthesetofallpointsseparatedfromaxisbycriticalradiusasthecriticalcylinder.Wefindtworelativisticeffectsofrotation.OneisthatthelinearvelocityintheregionofOutsideCriticalCylinder(OCC)isnotsuperluminal,becausethereisspace-timeexchange.Theotheristhatsomeofphysicalquantitiesofrotationalbodywillchangedirectionorsign,iftheplaceischangedfromInsideCriticalCylinder(ICC)toOCC.WecallittheCriticalCylindricalEffect(CCE).ExperimentsmadeinourLabshowthattherepulsionexertedonanionbyelectronswillbecomeattraction,iftheelectronsareprecessingandtheanionislocatedintheregionofOCCoftheprecession.Thirtyscreenshotsofexperimentalvideosaregiveninthispaper,thatshowstheCCEexistexperimentally.Thenthetheoreticallyproveforbothspace-timeexchangeandCCEaregiveninthispapertoo.TheapplicationofCCEisgiveninthispaperatlast.Keywords:relativity;criticalradius;criticalcylindricaleffect;space-timeexchange引言旋转是自然界最基本的运动形式，大到星球﹑星系，小到电子﹑质子，都在不停地旋转（自旋，进动等等）。众所周知：定轴转动的线速度和角速度以及径向距离r之间的关系为：v=rω。因此，任何转动（无论角速度ω多大或多小）都存在一个对应的径向距离rc，此距离处线速度达到光速：rcω=c=3×108m/s。我们称此径向距离为临界半径。到转轴的径向距离为临界半径的所有点集合成了一个无限长的圆柱面，称为临界筒。比如，地球自转一周的时间为24小时，对应的临界半径约为4.13×1012米，差不多是光在3.82小时里传过的距离。而质子和电子自旋的临界半径则分别在10-15米和10-18米的量级上。学界认为：临界筒之外线速度将超光速，而超光速是不可能的，从而一再强调基本粒子的自旋不是定轴转动，角动量和自旋磁矩都是内禀的,继而放弃了对临界筒外域自然规律的研究。下面的实验将证明临界筒外域存在着与内域相反的自然规律，不考虑它们，就不可能对自然界作完整的研究。旋转相对论效应的实验观察实验方案众所周知：当自旋带电粒子的自旋磁矩(M)和外磁场（B）方向不相同时，自旋带电粒子将通过（在原地的）进动转到其磁矩和外磁场平行（不妨称此进动为磁进动）。进动的角速度ωm和外磁场B的关系为ωm=2πγB。其中γ为旋磁比，自由电子的旋磁比是γe=2.6667×1010（赫兹/特斯拉），在B=0.12特斯拉的磁场中进动的角速度为:ωm=2πγeB=2π×2.6667×1010×0.12=2.0106×1010弧度/秒，对应的临界半径为rc=c/ωm=1.492≈1.5厘米。学界认为：“距此电子(径向)1.5厘米之外，电子的电场转速就要超光速了，而电场有能量，能量是不可能超光速运动的。”于是放弃了对它的研究。但0.12特斯拉的磁场不难产生，自由电子也容易得到，1.5厘米左右肉眼就能观察。让我们通过实验看看此时进动电子的电场力在1.5厘米左右实际是什么。实验设备、方法和结果长1.2厘米、直径2毫米的螺旋状电极连在直流高压产生器（HVG）的负极输出端。当高压（本实验用1800伏）开通时，大量的自由电子将聚集在电极表面。电极固定在一个单面覆铜树脂板的树脂面上，树脂板又固定在一个塑料皿中。两个U28型铁氧体磁芯的两个端头把电极、树脂板和塑料皿一起夹起，另两个端头则插在激磁线圈中，如图0-1所示。线圈由方波电流产生器（SWCG）通入方波电流，产生出方波磁场，经两个U28型铁氧体磁芯加到电极上,使电极上的自由电子产生进动。调节方波电流的幅度可改变穿过电子的磁场强度，从而改变电子进动的临界半径。本实验中先取磁感应强度为0.12特斯拉，对应进动的临界半径为1.492厘米。为观察进动电子的电场力，采用20%浓度的碳素墨水作为检验电荷。碳素墨水中除了含碳粒和胶水外还含有大量的负离子表面活性剂，是带负电的。实验时先给塑料皿加入温水，然后在水下电极右侧1到1.3厘米处注入微量稀墨水。此后立即开通高压发生器使电极带足电子，墨水将被电子的电场排斥开，出现明显的定向右移，如图2(b)给出的实验视频的4个顺序截图所示。当墨水被排斥到作为标记的树脂板中心黑孔处时，接通激磁电流，使电子产生进动。此后我们看到：左边缘的墨水继续被排向右移，而已被排到右边的墨水却被进动的电子吸引了回去。图2(c)顺序给出了此阶段实验记录视频的6个截图。实验结果表明：无位移但原地转动的电子的电场力在转动的临界筒外域不仅存在,而且方向和内域相反！这是当代学界尚未认知的自然规律。为了看清临界半径两边电子电场力的变化，我们预先在距电极1.5厘米处画出一条标识红线，再重做实验。图3给出了另一次实验的视频截图，(a)是不加磁场无进动时，电子对全部墨水均施以斥力的2张顺序截图，大部分墨水被排到了竖标识红线（距电极1.5厘米）右边。(b)是加磁场后，进动的电子把标识红线右边的墨水拉回到紧靠红线的5张顺序截图，请注意：这五张图中原在标识红线左边的墨水，被逐步排斥到了红线右边。这表明电子对临界半径之外的负电荷吸引的同时也在排斥临界半径之内的负电荷。更进一步，把激磁电流的幅度加大，使磁场由0.12特斯拉变为0.13特斯拉，电子进动的角速度变为：ωm=2πγeB=2π×2.6667×1010×0.13=2.1782×1010弧度/秒，对应的临界半径为rc=c/ωm=1.377厘米。此时实验记录视频的12张顺序截图示于图0-4。其中(a)是无进动时墨水受斥力右移的四张截图，(b)的8张顺序截图是电子有进动时左边的墨水被排斥，右边的墨水被吸引，最后聚集在距电极1.377厘米的临界半径右侧,(距电极1.5厘米标识红线的左侧)。实验结果讨论这个简单的实验证实了一个重要结论:原地旋转的电子的电场力在临界筒外域不是不存在,而是和内域的电场力反向。实际上，旋转体的许多物理量在临界筒内外域都会取相反的符号或方向，只要物体有转动就有这个变化。这是至今物理学界尚未认知的自然规律。它是旋转的相对论效应，我们称之为临界筒效应。认知了旋转的临界筒效应,自然就揭示了库仑定律的不完整性。带电粒子都在不停地旋转，甚至有多个转动，每过一个旋转的临界筒，电场力都会反一次方向。不知道这个变化，基于库仑定律对粒子世界的研究怎可能完整？另一方面，临界半径的存在表明电子的磁进动是有确定的轴和转速的定轴转动。但只有本身在转动的物体受外力矩后才会象陀螺一样产生进动，所以电子的自旋必也是有轴有角速度的转动。而不是量子力学一再强调的“不是定轴转动”。再一方面，量子力学认为电场力是光子传递的，它是说：电子发射(虚)光子打在负离子上，造成负离子的动量变化，此动量的变化率就是负离子受的力。如果是这样，试问电子发射的(虚)光子打在一线之隔的临界半径两边的负离子上有何不同，竟然连力的方向都变反了？显然，电力的传递必和一个和电子转动同步旋转的媒介有关，而不是电子发射的(虚)光子。由此引申：中间玻色子传递弱力、胶子传递强力、引力子传递牛顿引力的说法不仅不符合实际反倒是把研究引入了歧途：花费大量精力寻找胶子和引力子却至今无果。原因是强力、弱力、引力都是电磁力的相对论效应产生的，我们将在下文中给以说明。难道上述实验中进动着的电子的电场在临界半径之外不超光速吗？是的，不超！因为临界筒外域中，定轴转动的线、角速度关系不再是v=rω而是v=c2/(rω)，这又是学界尚未认知的。下面对此作一证明:2．时空互易和旋转的线速度设A、A’二参考系相对以ω的角速度绕z(z’)轴旋转，如图5所示。众所周知：用被观察点P处的弧长、径向、轴向、时间的微分（ds,dρ,dz,dt）代替直角坐标和时间（x,y,z,t）代入到洛伦兹正反变换中，得到旋转系的洛伦兹正反变换如下：（2.1）和(2.2)其中(2.3)为简化书写，把,dz=dz’,记在脑中，(2.2)式给出的洛伦兹(反)变换可简写成下式：(2.4)其中：这里,,(2.5)这表明即使γ的开方仅取正根，γ’也须考虑有正负双根。将此关系代入,(2.4)式可表示为：（2.6）表成复数形式，为：（2.7）在临界筒内域，γ是实数,γ’是虚数,是实数,是虚数。取（2.7）式等号两边实虚部分别相等，即得（2.6）式，也即（2.4）式。而在临界筒外域，γ是虚数，γ’是实数,是虚数,是实数.再取实虚部分别相等则得如下的（2.8）式：（2.8）再把其中虚数的γ代换成得:（2.9）同样，由（2.1）式给出的正变换:可推出对应的外域正变换为：(2.10)但要得到临界筒外域洛仑兹变换的完整表达式，还必须确定各γ’的正负.为此给（2.9）（2.10）两式中的四个γ’分别加入1,2,3,4四个下标，表成：,和.再把它们表成矩阵形式，为:，和构成同构映射的一对正反变换，下述关系是必须要满足的：一组[ds，dt]正变换成[ds’，dt’],再反变换回来,必须是[ds，dt]本身，即须保证下式成立：这意味着两个系数矩阵之积必须是单位矩阵：由此可解出：:（2.11)分别取和得到两组临界筒外域的洛仑兹正、反变换:正变换反变换一组：（2.12a）(2.12b)二组：（2.13a）(2.13b)这两组变换给出的切向速度（反）变换都是：，（2.14）若(旋转系中的静止点)，则：us=c2/(ρω)=cρc/ρ即临界筒外域中线速度不再是ρω=cρ/ρc而是c2/(ρω)=cρc/ρ.它仍是小于光速的，且径向距离ρ是临界半径的几倍，线速度就是光速的几分之一。这个结论实际上已经被多次的实际测量所证实：上世纪有多位学者在远大于自旋的临界半径处测量过电子自旋的线速度，本以为会远超光速，但实测结果却是远低于光速。比如在ρ≈10-12cm附近测得v在106cm/s的量级上。据此测得值按v=ρω算出自旋的角速度为ω=v/ρ≈1018r/s,但发现这仅是产生/2的自旋角动量所需角速度的亿分之一(10-8）。于是学者们认定电子的自旋角动量不是由旋转产生，而是天生就有（内禀：intrinsic）的。但实际上，按所测出的线速度，据v=c2/(ρω)可算出：ω=c2/(ρv)≈1026r/s,正好是v/ρ≈1018r/s的108倍。即正是由绕轴转动产生了自旋角动量。基于v=c2/(ρω)=cρc/ρ，临界筒外域的一切都变得合情合理。不知道临界筒外域线速度变成了c2/(ρω)=cρc/ρ，但又实测出它远低于光速,前辈学者就把高速旋转的电子自旋误解成了“没有转动”,继而放弃了用相对论对粒子世界进行研究，以致粒子物理的研究难有突破性进展。另外，由测得之线速度，可算出电子自旋的临界半径为：ρc=ρv/c=10-16厘米=10-18米，此数据我们在前文提起过，以后会经常用到。现在回到旋转系的洛仑兹变换的讨论中来。把（2.4）（2.6）和（2.8）三式写在一起，并用ICC(InsideCriticalCylinder)、OCC(OutsideCriticalCylinder)表临界筒内、外域，得：（2.16）这是迄今为止尚未被揭示的自然规律，我们称之为“时空互易”。其意义是：A’系中的空间(ds’+ρωdt’)在临界筒内域中按实γ的比例收缩成A中的空间ds，但在临界筒外域中则按虚γ的比例转化成A中的虚空间icdt即时间dt;A’系中的时间(dt’+ρωds’/c2)在临界筒内域中按实γ的比例拉长成A中的时间dt，但在外域中则按虚γ的比例转化成A中的虚时间ds/(ic)即切向空间ds。时空互易也是相互的，正变换的互易表达式为：，其意义是：A系中的空间(ds-ρωdt)在临界筒内域中按实γ的比例收缩成A’中的空间ds’，在临界筒外域中则按虚γ的比例转化成A’中的虚空间icdt’即时间dt’;A系中的时间(dt-ρωds/c2)在临界筒内域中按实γ的比例拉长成A’中的时间dt’，当ds’=0时(点事件相对旋转系A’静止，即固定在旋转系中的点),式(2.16)变成:注意到：,可得:内域各点相对A系的速度为:外域各点相对A系的速度为(2.17)由(2.15)我们已知临界筒外域中,(2.17)式表明γ’必须取和γ相反的符号，γ已取正根，γ’则必须取负根。换言之，仅(2.12a)和(2.12b)式是适用的外域变换。(顺便提一句:γ取负根，γ’取正根(即2.13式)也是有意义的,它对应着反粒子的情况)。这样，令：(2.18)(2.19)则(2.1)(2.2)给出的内域变换和(2.12a)(2.12b)给出的外域变换可统一表成下式：（2.20）(2.21)这就是旋转系的洛仑兹变换在临界筒内外域的统一表达式。此组变换和狭义相对论的洛仑兹变换形式相似，不同之处表现在两个参考系的相对速度上：狭义相对论中，v是常数，dv/dt=dv/dt’=0。但旋转相对论中，无论是内域的v(ρ)=ρω还是外域的v(ρ)=c2/(ρω)，都是随着时间的变化而改变着方向，即对时间的导数都不是0，而出现了径向的分量(v2(ρ)/ρ)。因此在推求过程中没有对v(ρ)取微分运算的物理量，可仿照狭义相对论的讨论，导出相应的其它物理量的变换。这里直接给出几个（反）变换如下：质量反变换：;(2.21)能量反变换：(2.22)切向动量反变换：(2.23)径向力Fρ、轴向力Fz及其合力FR的反变换：(2.24)其中us’、us分别为受力者在A’和A中的切向速度。而在推演过程中有对v(ρ)求导数的运算时，则必须注意到dv(ρ)/dt或dv(ρ)/dt’不是0而是-v2(ρ)/ρ，从而得到和狭义相对论不同的表达式。3.临界筒效应上面给出的时空坐标,质量,能量动量,力和加速度变换中都有γ(ρ)（或1/γ(ρ)）作为系数，而γ(ρ)在临界筒内外域是取正负不同符号的，因此这些物理量在临界筒内外域将取正负不同的符号或方向。这是最重要的也是学界尚未认知的旋转相对论效应，我们称之为临界筒效应。前面已给出了实验证明。下面以自旋带电粒子的场力为例对临界筒效应作较细致的讨论。为了下文引用的方便，这里先给出部分ρ下的γ(ρ)的数值。在=[0.2c,0.9c,0.99c,0.999c,1.001c,1.01c,1.1c,5c,]处，γ(ρ)=1.02.3，7.1，22.4-22.4-7.1-2.4-1.0设实验室中无位移的带电粒子q1在图0-5的坐标原点O处绕z轴以ω的角速度自旋,检验电荷q2在图0-5的P点，到q1的距离为R=(ρ2+z2)1/2。取实验室为参考系A,粒子q1自旋的参考系为A’,仅在A’中该粒子才是既无位移又无转动而真正静止,它对检验电荷q2的作用力才是真正的静电力,这里用FR’表示。此真正的静电力是和检验电荷q2的运动状态无关的。据(2.24)式把自旋系A’中的此静电力变换到实验室参考系A中,得实验室中此力的表达式,为:(2.27)其中us’和us分别是检验电荷q2在A’和A系中相对于q1自旋的切向速度.这表明实验室参考系中,无位移的自旋带电粒子对检验电荷的作用力和检验电荷的运动状态有关.若检验电荷在实验室里无位移,即us=0,则上式变为:,即:(2.28)称此关系为第一类临界筒效应.它表明当时,此力变得非常强,且当检验电荷由临界筒内域变到临界筒外域时,此力要改变方向，如图6所示。比如，在ρ=0.999ρc,处,FR=22.4FR’;而在ρ=1.001ρc处,FR=-22.4FR’.这在前文给出的实验中已得到了证实.这就是原子核内质子间强相互作用的源,强相互作用仅出现在ρ=10-15m处,故可确定质子自旋的临界半径在ρc=10-15m的量级上。若检验电荷q2和q1的自旋同步旋转,即us=v(ρ),也即us’=0,则(2.27)变为:,即：(2.29)称1/γ(ρ)为第二类临界筒效应.它是说:当时,场力将变得很弱,而当检验电荷从临界筒内域变到外域时,场力将过零并改变方向,如图6所示.这是弱相互作用的源。绕质子作轨道旋转的电子受质子的作用力就是这种情况。若电子的轨道半径恰等于质子-电子体系进动的临界半径,电子受质子的作用力几乎为零,这就是中子衰变成质子和电子（加中微子）时，电子受质子的作用力。当代物理认为弱力只出现在轻子之间，强力只出现在原子核内的强子（质子、中子、夸克）之间。我们认为这种说法并不准确。前面给出的实验表明自旋又进动着的电子在进动的临界筒外对负离子（本质上仍是电子）是吸引的，而且此引力不仅比负离子之间的斥力要大得多，而且比负离子对电极中电子的库仑斥力也大得多（所以才能克服这些斥力把负离子又吸引到临界半径处），这表明轻子之间可以有强相互作用。当然，强子之间也可以有弱相互作用。强、弱力的区分不在于是轻子还是强子，而是在于受力粒子相对实验室的状态：是us=0还是等于v(ρ),即受力的粒子是静止的还是和施力的粒子的自旋同步旋转的。一般情况下,受力粒子既不静止又不和施力粒子的自旋同步旋转，即：0≠us≠v(ρ),此时自旋带电粒子q1对检验电荷q2的作用力可分成两部分:(2.30)其中是电力,是磁力.库仑定律是在R>10-10米的距离上，定出了Fc=Fe=q1q24πε0R2,而此距离上(2.31)比如，质子的带电量为q=1.602×10-19库仑,距其自旋轴R=ρ=0.999ρc=0.999×10-15米处电场旋转的线速度为：v(ρ)=cρ/ρc=2.997×108m/s,洛仑兹系数为γ(ρ)=22.4,自由空间的导磁率为μ0=4π×10-7H/m,代入上式即可算出此处质子自旋产生的磁感应强度为：Bs=1.07×1014特斯拉（T）.照此可算出质子自旋磁场（准确地说是磁感应强度）随距离的变化如下：R=ρ=0.9×10-15,0.99×10-15,0.999×10-15,1.001×10-15,1.01×10-15，1.1×10-15(m)B=0.12×10140.34×10141.07×1014-1.08×1014-0.33×1014-8.7×1012(T)显然，在R=ρ≈ρc=(10-15±10-18)m（即质子自旋临界半径附近千分之一）的范围内,磁感应强度的绝对值不低于Bs=1.07×1014T，且以临界半径10-15m为界，内外取相反的方向。这是库仑定律揭示不出来的自然规律。正是此强磁场使原子核内其他质子产生了进动，叠加在原有的自旋上。正像序言中给出的实验证实了的‘自旋又进动的电子可以吸引负离子’一样，自旋又进动的质子可以吸引其它的质子，这就是原子核内质子之间的强相互作用产生的根源，我们将在另文对它做细致讨论。知道了带电粒子的自旋也是绕轴转动，就知道了自旋的临界筒内外域也有电场方向变化。我们已经给出：电子自旋的临界半径在10-18米的量级上，而质子则在10-15米的量级。库仑的实验是在10-10米之外观察到了同号电相斥，在自旋的临界筒内域则必是同号电相吸。此相吸就是牛顿引力的源。式FR=γ(ρ)FR'[1-usv(ρ)/c2]中的us是