引力波揭示質能轉換的新形式

北京時間2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）執行主任、加州理工學院教授戴維·賴茨在華盛頓舉行的記者會上宣布，人類首次發現了引力波。科學家費盡「千辛萬苦」，終於探測到期待已久的、由愛因斯坦100年前預測的引力波。根據物理學家的解釋，引力波源來自兩個相互繞轉和合併的黑洞，依據廣義相對論數學方程組的「一個解」，黑洞的合併過程會不斷地向外輻射引力波，而引力輻射將兩個黑洞之間的引力勢能減少，因此，兩個黑洞的距離會變小，在這種正反饋的過程中，隨著兩個黑洞距離的變小，它們之間相互繞轉的頻率會變得更快，就像兩個花樣滑冰的運動員，在音樂結束時，會在更快的旋轉中抱在一起。在黑洞碰撞合併的過程中，釋放了大量的引力波能量，比如：在這次引力波發現的事件中，損失的3個太陽質量轉變成了對外輻射的引力波。通過愛因斯坦著名的質能方程E=MC2的計算可知，釋放的能量相當於數億億億億顆原子彈同時爆炸，威力超乎想像，整個空間的顫動在13億年後傳到了地球，變成了LIGO科學家在去年9月份探測到的引力波。引力波的發現證明了黑洞失去的物質轉變成了「引力能」，不同於過去我們對於能量的理解，「引力能」應該是一種自然中新的能量形式。

根據物理學家的解釋，100年前，愛因斯坦以廣義相對論為基礎，預言了引力波的存在，同時認為引力波十分微弱，幾乎不可能被發現。從那時起，全世界的科學家都試圖與引力波來一次「不期而遇」發現。引力波的發現有助於理解在宇宙中發生的爆炸性事件，比如：中子星和黑洞的融合、超新星爆炸、甚至大約138億年前誕生宇宙的大爆炸。新的發現可能導致引力波天文學的新時代，引力波攜帶了不同於電磁輻射等方式傳遞的遙遠天體的信息。引力波是由運動的物體創造的，但是，引力是四種基本相互作用中最弱的，它產生的波動極其微弱，振幅之小至多相當於一個質子直徑的千分之一。如此小的波動只能由處於高速運動的大質量天體來引發，比如：兩個相互繞轉的黑洞。由於雙黑洞系與我們的距離以光年計算，所以對引力波的搜尋一直瞄準的是來自宇宙深處的強大天體。如果能夠徹底證實引力波的存在，那麼物質可以轉變為「引力能」的推斷就得到了證實。根據物理學家的解釋，我們可以提出三個「公民科學」的疑問：第一，以黑洞、中子星和超新星等天體形式存在的物質在轉為為引力輻射能的過程中為什麼發生了質量的損失？第二，引力波的輻射能在什麼條件下能夠轉變為物質的形態？第三，引力波的輻射能在時空纖維中如何傳播？

物質和引力能之間相互轉化的過程有待更多的證實，而物質和核能之間的轉化早已在恆星內部的能量形成機制和原子能發電廠中得到多次驗證，根據愛因斯坦的方程式E＝M C2，質量能夠轉換成能量，能量也能轉換成質量。通過這個公式，人們可以計算一定的質量被轉化為能量時所釋放的能量。據美國物理學機構網在去年11月25日報道，雖然歷時100多年的時間，但是，愛因斯坦的著名質能方程式E＝MC2 最終得以確證，這要歸功於法國、德國和匈牙利物理學家的共同努力，他們利用了世界上一些計算能力最強大的超級計算機，一個由法國理論物理中心的勞倫·勒魯奇領導的團隊提出了質子、中子及原子核中更小粒子的質量。根據粒子物理學的標準模型，質子和中子由更小的被稱之為「夸克」的粒子構成，夸克則受膠子束縛，令科學家不解的是膠子的質量為零，夸克的質量也只佔5%，另外的95%來源於夸克和膠子的移動以及相互作用，換句話說，能量和質量是可以相互轉換的，這也符合愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論的觀點。質能方程式曾在亞原子粒子層面的解釋中遭遇了「可怕的困難」，為此，法國國家科學研究中心的發言人驕傲地宣稱：「在此之前，這仍舊是一個假設，現在，這個假設終於首次得到證實。」除了驗證愛因斯坦的質能方程式以外，法國科學家的計算還包括，「將空間和時間假設為一個四維晶體點陣的結構，不連續的點在這個水晶方格中縱橫分布」。

根據物理學家的解釋，物體的靜止能量是它的總內能，包括分子運動的動能、分子間相互作用的勢能、使原子與原子結合在一起的化學能、原子內使原子核和電子結合在一起的電磁能、以及原子核內質子、中子的結合能等等.物體的靜止能量的揭示是相對論最重要的推論之一，靜止物質的內部仍然存在運動。一定質量的粒子具有一定的內部運動能量，反過來，帶有一定內部運動能量的粒子表現出有一定的慣性質量.在基本粒子轉化過程中，有可能把粒子內部蘊藏著的全部能量釋放出來，變為可以利用的動能。在俠義相對論描述的質能公式中，質量與能量存在固定關係，而在經典力學中，質量和能量之間是相互獨立、沒有固定的關係。在相對論力學中，能量和質量只不過是物體力學性質的兩個不同方面。因此，質量概念的外延被大大地擴展了。愛因斯坦認為，如果物體以輻射形式放出能量，那麼它的質量就要減少。質能方程式將原來的經典力學中彼此獨立的質量守恆和能量守恆定律結合起來，變成統一的「質能守恆定律」，充分反映了物質和能量的統一性，說明了質量和能量是「質能統一體」的不可分割的兩個方面。

根據百度搜索的結果，以質能方程式為研究對象所發表的文章和論文達到了150萬篇以上，研究人員和科學愛好者對於質能方程式的理解還存在這樣和那樣的分歧，具體的質能轉換條件屬於物理學的研究領域，這裡既涉及到物質和能量之間、能量和能量之間的轉化，也涉及到「正向轉化」和「反向轉化」。將理論物理學過去取得的成果和引力輻射能量的發現結合起來，我們至少知道了在自然的「能量家族」中多出了「引力能」，就像在恆星內部的核聚變反應中，損失的物質轉變成了核能一樣，在黑洞合併的過程中，一種我們還不清楚的物理機制讓合併後的黑洞減少了質量，損失的質量轉化成了引力輻射的能量。究竟在黑洞合併中發生了怎樣的物理機制，似乎是一個諾貝爾獎級別的物理課題，此時，我們會問：如果在黑洞合併的過程中沒有發生質量的損失，會不會對外發出引力波？黑洞的質量損失為什麼一定轉變成了「引力能」，而不是轉變成了核能、熱能、電磁能、化學能之類的其它能量？中子星發出了脈衝信號，應該是一種電磁能，黑洞和黑洞的合併是不是也向外發出了電磁能？為什麼黑洞和黑洞之間的合併主要是發出了「引力能」？太陽在對地球發出了「引力能」之後，它的質量是不是減少了？等等，我們提出了這些問題，希望有一天能夠得到物理學家的回答，有些回答現在就可以給出，有些回答也許需要數十年、甚至數百年的時間，因為，人類對質能方程式的理解會隨著時間的展開而不斷深入，我們所做的、所思的只能是「讓現在告訴未來」，而不是「讓未來告訴現在」。

我們不知道在核能反應的質能轉化過程中，是不是損失的質量首先轉化成核能，然後核能再轉換成熱能，或者損失的質量同時轉換成了核能和熱能，不知道在黑洞合併的過程中，是不是黑洞質量的損失全部轉化成了「引力能」，還是大部分轉換為「引力能」，少部分轉為為電磁能等其它形式的能量，難道黑洞質量的損失全部轉化成了「引力能」？本作者更不知道黑洞本身究竟是一個純粹的能量體，還是一個能量和粒子的混合體？的確發生了黑洞合併的事件，但是，這究竟是怎樣發生的？如果認為黑洞損失的質量轉變成了「引力能」，那麼引力的輻射能可以是物質本身的特性，就像物質還具有電磁能和化學能、機械能和化學能一樣；如果認為黑洞的合併事件將周圍的時空攪得「天翻地覆」，給時空的纖維傳遞了波動的能量，就像大海中的潮汐能一樣，那麼「引力能」似乎就不是物質本身的能量特性。本作者唯一能做的思考就是從物理哲學角度出發，給出一個多少有創建性的結論，即：物質和能量之間的轉化不僅是可能的，而且轉化的形式是多種多樣的，既有物質和核能、電磁能之間的相互轉化，也有物質和引力能之間的相互轉化。「引力能」是不是也能轉化為質量？這還是一個問題。不同形態的物質和不同形態的能量之間存在多種多樣的轉化方式，這一物理哲學的推斷應該是物理哲學史上的第一次。

2016-3-2

（Mass can be transformed into the energy of gravitational wave?）

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