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聊聊狭义相对论-第29章

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电子和原子核结合在一块的电磁能啦,原子核的核子间的结合能啦等等,都是包含在静能中!也就是说,E包括了物体里边所有所有的能量!凡是能量都要算进来!所以,一块小小的物质,也可以包含着巨大的能量! 
  你上面说静止质量,对应着静能。那要是物体在运动呢,它就有速度了呀,那E有得怎么算呀? 
  也很简单,静能就是物体静止时所具有的一切能量,当它运动起来之时,就多了动能呀,加上去就行了。其实,不是说物体运动时质量会增大吗,只要你用那个“膨胀”后的质量乘以光速的平方,就是这个时候物体所具有的总能量啦! 
  这个时候,我们另外有一条更加直观、简洁的式子来计算,那就是 
  E2=m02c^4+p2c2 
  这个E呢,就是物体的总能量。m02c^4就是物体静能的平方,而p呢,就是我们熟悉的动量,p=mu,也就是质量乘以速度那个,这里m就是“膨胀”后的质量了。c,大家就熟悉啦,就是光速,那个299792458米每秒,或者说是30万公里每秒。 
  这就是相对论的能量与动量关系式。 
  这个式子的得来是非常简单的,只需要用到质速关系式。进行一些变形,就可以弄出来了。不过,这样“艰巨”的任务,还是交给你去完成吧!我相信你是一定可以办到的!加油哟! 
  看一下这个式子,我们得发扬从物理方程中找物理意义的精神!爱因斯坦曾经说,理论决定了我们所能观察到的东西!呵呵,如此说来,看懂一条方程,你将具有洞察世界的能力! 
  从能量与动量关系式中,我们可以看到,一个物体的总能量,其实是静能和动能之和。 
  当p等于0时,也就是说物体的速度u等于0时,E是物体的静能。 
  那,要是静能等于0呢? 
  可以存在这样的事情吗? 
  只要它还有能量,就有可能!因为,虽然你的静能等于0,但方程的右边还有一项!那一项可以不为0! 
  慢着,静能等于0意味着什么?!那就得静止质量为0! 
  你疯了?! 
  竟然想出这样荒唐的事情来! 
  非也,非也!一点也不荒唐……



先把那个式子再写一遍: 
  E2=m02c^4+p2c2  
  倘若我们让m0等于0,回发生什么事情呢? 
  意味着E=pc! 
  意味着那个具有能量E的物质,它没有静止质量,但却在不停地运动! 
  存在这样的物质吗?! 
  p等于什么呢? 
  p=mu呀!而m=m0/√(1…u2/c2)!所以 
  p=m0u/√(1…u2/c2) 
  现在m0=0啦,而要使得p不等于0,有没有办法呢? 
  为了使动量p不等于0,注意一下分子、分母,运用极限的思想,当m0不断趋于0时,上面的分子不断趋于0,为了使动量p为有限值,唯一的办法是让下面的分母也不断趋于0!而要使得分母趋于0,就应该让u不断趋于光速c! 
  所以,当静能为0时,要使得p不等于0,这种物质就得以光速c运动! 
  这也就是说,无质量的粒子必须以光速运动! 
  慢着,我似乎想到了什么! 
  是的,光子! 
  光子就是这种以光速运动却静质量为零的粒子! 
  有趣!有趣!狭义相对论竟然预言了光子的存在! 
  理论决定了我们所能观察到的东西! 
  这也印证了前面我们的讨论,任何有质量的物质的运动速度都必须小于光速!回头来看一下,当一个物体不断加速时,速度就会越来越大,于是质量也就会越来越大,加速就会越来越困难!这样就会使得物体的运动速度永远小于光速。这在粒子加速实验中已经得到了证实!但是,对于那个可以以光速运行的粒子——光子来说,由于它没有静止质量,所以它才拥有这一神奇力量——以光速运行! 
  顺带说一句,光子虽然没有静止质量(或者说是惯性质量),但在广义相对论中,光子是具有引力质量的。所以当你看到“光子的质量”时,就要明白那是指它的引力质量。 
  为了可以以光速运行,你必须得付出代价!收之桑榆,失之东隅!上帝永远是公平的! 
  感觉怎样? 
  神奇吗? 
  我们还得继续向前走,冒险的路程还没有完呢! 
  不过,不用叫兔子了,它现在有了兔MM啦,早度蜜月去了,那小子,招呼也不打一声……


257楼

  到此为止,我们已经粗略地领略了一回狭义相对论力学的风采。 
  我们回头来看一看前面我们所走过的征程。 
  为了调和牛顿力学和麦克斯韦电磁学的矛盾,我们下定决心并挑选出来了两条比较合理的原理,作为我们的“根据地”。还记得吗?那时我们还没有对它的正误做过任何的评价!只是采用“倒金字塔式”的推理,从这两条原理出发,先是得到了洛伦兹变换式(那个具有四条式子的方程),然后推导出同时性不是绝对的,而应该是相对的!并且我们发现这个结论是非常有道理的!再接下来,我们又得到了时间膨胀这样怪异的结论,而它也得到了实验的支持!长度收缩同样是那两条原理的演绎结果!而新的速度变换式不但经受住了逻辑讨论的考验,一样地也有实验的支持!接着的质速关系着实也让我们感到万分惊奇,它的后台也很硬——实验为它撑腰!E=mc2更是不负众望,成为了核物理中的基石。最令我们惊讶的是,两条原理竟然预言了光子的存在! 
  我想,此时此刻,你对那两条原理肯定会有了自己的看法!有了自己的评价!你已经可以回答前面遗留下来的问题了!原理究竟是对是错? 
  虽然我们拥有如此之多的实验证据,但是我们依旧不可以作出判决——狭义相对论是正确的!否则我们就犯了肯定后件谬论的错误了!然而,在这么多的实验事实面前,我们的信心的天平早已倾向了狭义相对论! 
  它不仅可以解释经典力学中低速的内容,还对高速世界作出了经典力学无法给出的准确预言!同时告诉我们其实经典力学不过是它的一个近似规律而已! 
  包容旧理论的正确内容,纠正了旧理论的欠佳地方,拓展了理论的使用范畴。 
  这是新理论必须具备的特征!也是新理论的生命力所在! 
  所有这一切,使得我们越来越相信那两条原理,使得我们越来越相信狭义相对论! 
  是的,它应该是比牛顿力学更胜一筹的理论! 
  是的,它应该是一个更加精确、更加广泛的理论! 
  是的,现今我们应该相信它! 
  是的,时间、空间、质量都是相对的! 
  为爱因斯坦喝彩!为相对论喝彩! 
  荣耀当属新一代的科学英雄!


也许你已经能够认可那两条原理了,但是,在狭义相对论刚被提出来的时候,很多物理学家,包括一些很著名的大师,却是感到不能接受的。他们认为那两条原理是互相抵触的!当然了,那是因为他们依旧站在旧的时空观的立场上去看待问题,所以才造成了这种局面。 
  根据狭义相对性原理,所有的定律在惯性系中都应该是取相同形式的,光速不变原理也不例外。正如我们前面所做的那样,从这两条原理出发,是可以构建一个自身融洽、没有矛盾的理论体系的。对此,爱因斯坦这样说:“相对性原理和光的传播定律实际上丝毫没有抵触之处,如果系统地贯彻这两个定律,就能够得到一个逻辑严谨的理论。这个理论已被称为狭义相对论。” 
  好,现在,让我们站在高处,俯瞰整一个狭义相对论框架,讨论一些比较本质的问题。同时也把狭义相对论时空观那里还遗留下来的一点内容说完。 
  我们来看看狭义相对论的血脉问题——因果律和决定论。 
  因果律和决定论是经典物理学的光荣传统,在牛顿和拉普拉斯时代将自己的光彩发挥到了极至。 
  因果律说,每一个事件都有它的原因,而事件本身为其结果,原因发生在结果之前。当我们看到一块石头从山顶上滚落下来时,就会很自然地认为,这个石头滚落的事件之前肯定是有原因的,这个原因可能是被其他什么物体推了一下,或者地质发生了什么变化……这是很自然的,也是很自觉的,因为因果律已经深深地在我们的思维里扎下了根!以致它已经成为了我们认识和实践的默认法则。 
  事实上,狭义相对论也是符合因果律的时间次序要求的。 
  我们又来拿出洛伦兹变换式。 
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