磁場和電場可以轉換的發現促進了科學的進步,造就了麥克斯韋的科學地位。
磁場和電場確實可以互相轉換,它們是同一事物的兩種形式,十九世紀的麥克斯韋用一組方程把它們統一了起來,構建了電磁理論大廈,完善了經典力學。並據此預測了電磁波的存在,且進一步預言光是一種電磁波。現在這一切都已被證實,麥克斯韋由此奠定了他在物理學上的地位,成為牛頓之後的又一位偉大科學家。
狹義相對論的重要結論――質能關係式成功指導科學實踐,奠定了愛因斯坦牢不可破的科學地位。
時間進入二十世紀,愛因斯坦橫空出世,他接連發表兩個相對論,一舉奠定了他無人能比的歷史地位。
1905年他發表了關於狹義相對論的幾篇論文,其中有一篇推出了著名的質能關係式E=mC,關係式不但指出了物體質量m和物體具有的全部能量E之間的數量關係(其中C為光速),而且還闡明了質量和能量是可以互相轉化的。質量和能量是物質的兩種不同的屬性,它們大多時候是共存的,有時能量可以單獨存在,而質量不能單獨存在。共存時不存在轉化,因此所謂的轉化只能是共存向能量單獨存在(消失質量)的轉化,以及能量單獨存在向共存(顯出質量)的轉化。
自從有了這個關係式,它使很多重大科學的研究(比如高能物理和核物理)從定性轉為定量,使很多重大工程有了精確的數據分析指導,比如說在研製原子彈過程中,質能關係式首先幫助科學家探明了能量來源――原子核的質量虧損,然後幫助科學家精準計算核材料的釋放當量,使人類完全掌握核能的利用。這個轉換式還幫助科學家們解決了恆星能量來源和演化問題,直接推動了宇宙學和天文科學的發展。
質能轉化的實質和轉化條件
但這質能轉換式目前僅僅在高能物理和核物理、宇宙天文等方面體現出來(並且體現的幾乎全都是質量轉化為能量,而能量轉化為質量的例子很少),在我們的日常生活中卻很難體現。實際上目前無論是能量轉化為質量,還是質量轉化為能量都很難。我們千萬不要把普通的燃燒爆炸、化學反應的放熱看作是質量轉化為能量,上述的例子都嚴格遵守質量守恆定律,它們的質量並沒有減少。真正的質量轉化為能量的例子目前僅有原子核的裂變和聚變,而實現它們的條件也非常苛刻,或者提純濃縮,或者高溫高壓。
而能量轉化為質量的例子僅僅停留在大學老師對學生講的「高能光子轉化為一對正反電子對」的說法。
至於有人說綠色植物的「光合作用」是能量轉化為質量,這種說法是錯誤的。植物生長的物質構成主要來自於空氣、水和土壤,陽光的作用是提供動力,並沒有直接轉化為質量。實現能量轉化為質量的條件比質量轉化為能量更苛刻,就目前所知,只有宇宙大爆炸早期階段是能量大規模生成物質質量的唯一時期,構成宇宙的物質就在那時一次性形成。
換句話說,宇宙誕生之初的超高溫高壓、超高密度和超高時空曲率是能量大規模轉化為質量的條件。隨著宇宙溫度的下降,也失去了能量轉化為質量的條件,因此現在很難看到能量轉化為質量的例子。
二十一世紀對新轉換的呼喚和展望
在上世紀的前20年出現了重大科學革命和發現――相對論和量子力學。現在是2020年,時間上已經進入二十一世紀二十年代了,但在本世紀前20年並沒有出現像上世紀那樣的奇蹟,實際上科學已經近百年沒有重大突破了。沒有重大突破,就不會發現新的轉換關係;發現新的轉換關係就意味著重大突破。因為每個轉換關係的背後都揭示了深刻的自然規律,新的轉換關係反映了人類更新更深的認識和更深的宇宙原理。
本世紀到現在為止沒有特別重大的突破,是因為一直在積累,這是從量變到質變的過程。雖然沒有最終突破,但有些地方已露端倪,時代早已召喚。下面結合本題對未來可能的突破做一簡單展望和預測。
1,時間和空間的轉換
愛因斯坦創立相對論以來,時間和空間是實在性物質的觀念逐漸被人接受,愛因斯坦曾經的數學老師閔可夫斯基把時間t乘以一個虛數因子ic(其中c為光速,i=-1),這樣ict就具有了長度量綱,時間就成了一維特殊的空間(類空間維),他最終把三維空間和一維時間在數學和幾何上統一為「四維時空」,他認為過去一直被認定是獨立的時間和空間的概念可以被結合在一個四維時空結構中。
不過「四維時空」和「四維空間」還是有所不同的,四維空間中的四個維具有相同的性質,而四維時空的類空間維和其他三維在性質上還是有很大區別的,例如長度上只能是虛值,還有物體運動的時間坐標和空間坐標是互相影響的等等,因此目前這個「四維時空」還是被認為是虛構的,它只是在數學上的一種推導、物理上的理解和計算。但事實上又如何呢?人類現在對時空的理解還很膚淺,愛因斯坦相對論的時空理論激發了人們無限的遐想,什麼「時空穿越」「時間旅行」、「蟲洞」等概念令人激動,無論以時間換空間,還是以空間換時間都寄託著人們美好的願望,等到徹底搞清時空本質,找到轉換機制,相信時間和空間可以隨意轉換,因為時間和空間本來是一回事兒。
2,四種相互作用力之間的轉換
強力、弱力、電磁力和引力現在雖然沒有統一,但其中幾種力之間應該是可以轉換的,目前電磁力和弱力已經統一,從某種角度上講它們是可以轉換的。由於篇幅的原因,這裡不再贅述。
3,意識和物質的轉換
從狹義上講,意識不是物質。從廣義上講,意識也是物質,因為世界的本原就是物質。它們之間的轉換是理所當然的,不過現在意識的本質至今還沒搞清,具體怎麼轉換還有待研究。