相对论光速, 为什么物质的行进速度不能快于光速

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施加给一个物体的能量可以通过多种途径对这个物体产生作用。如果,铁锤敲在悬空的钉子上,钉子就会得到动能,也就是得到运动的能量,而向外飞去。如果铁锤敲在嵌入硬木里的钉子上,那么,钉子就不会运动,这时,它仍然会得到能量,但这个能量表现为热的形式。

阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中指出,质量可以看 作是能量的一种形式(原子弹的发明已经确凿地证明他这种 说法是正确的)。这样一来,如果对一个物体施加能量,那 么,这个能量不但可以通过其他形式表现出来,也可以表现 为质量的形式。

在一般条件下,物体所获得的表现为质量的能量实在微 乎其微。因此,过去从来没有人能够把这样小的质量测量出 来。直到二十世纪,当人们观察到亚原子粒子以每秒数万公 里的速度运动时,才找到了质量的增加大到能够探测出的事 例。一个以每秒约256,000公里速度相对于我们而运 动的物体,当我们对它进行测量时,它的质量将是它相对于 我们静止不动时的质量的两倍。

如果对任何一个正在自由运动的物体施加能量,那么能 量可以通过下列两种途径之一进入物体内部:(1)所施加 的能量表现为速度,结果,物体的运动速度就增大了;(2) 所施加的能量表现为质量,结果,物体就变得“重一些”。 当我们对这个物体进行测量时,它所得到的这两种能量形式 之间的区别,决定于我们所测量到的这个物体的起始运动速 度。

要是这个物体以一般速度运动,那么,所施加的能量实 际上会全部以速度的形式进入物体内部,这时,它会运动得 越来越快,而它的质量几乎丝毫不变。

随着运动物体速度的增大(也就是随着我们所想象的附 加能量不断地施加到物体中去);以速度的形式进入物体内 部的能量将越来越少,而以质量的形式进入物体内部的能量 则不断增加。我们会发现,尽管这个物体仍然在不断加快它 的运动,但是,它的速度提高率却一直在降低,此外,我们 还会发现,这个物体变重的速率正在渐渐增大。

当物体的速度继续不断增大,并且非常接近于光在真空 中的速度即每秒约300,000公里时,所施加的能量几 乎全部以质量的形式进入物体内部。换句话说,物体的运动 速度现在增长得非常慢,但是,它的质量却极快地向上增长。 到它达到光速的时候,所施加的能量就全部表现为增加的质 量。

物体运动速度之所以不能超过光速,是因为当我们要它 超过光速时,就得不断对它施加能量,而在它达到光速时, 不管给它的能量有多大,都会统统转变成增加的质量,因此, 物体的速度就丝毫也不会增大了。

其实,这种“恰好达到光速的理论”也是不成立的。多 年以来,科学家一直非常细致地对被加速的亚原子粒子进行 观察。宇宙线粒子所含的能量高到无法想象,但是,尽管它 们的质量确实升高了,它们的速度却从来没有达到光在真空 中的速度。已经查明,亚原子粒子的质量和速度正好同相对 论所预言的一样,因此,光速是最大速度这一点,已经是一 个观察到的事实,而不仅仅是一种推测。

阿西莫夫《你知道吗?—现代科学中的一百个问题》 科学普及出版社 1984年

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49 为什么物质的行进速度不能快于光速?(2)

前面的解释并没有完全说明问题。正好相反,它会使人 产生一些疑问,并且来进一步提出一些问题。有些人问道: “为什么能量会变成质量,而不是变成速度?”也有人问道: “为什么光的传播速度是每秒约300,000公里,而不 是其他别的速度呢?”

就目前来说,这类问题只能够这样回答:“因为宇宙就 是这么安排的嘛!”

还有些人问道:“质量是怎样增大的?”这个问题比较 容易回答。质量的增大并不靠原子数目增多。原子的数目是 保持不变的。但是,每一个原子——实际上是原子中的每一 个粒子——的质量都增大了。

有人提出过这样的问题:我们究竟能不能通过使物质的 运动快到它的质量增大一倍的办法,来增加我们的各种资源 呢?要是能够这样做,我们的资源就会翻一番了。

事实上这是办不到的。质量并不是“真正”增大了。这 只是测量的问题。速度只有在相对于某种别的物体,比方说 相对于测量它的那个人来进行测量时,它才是有意义的。只 有那种能够计量的东西,才可以对它进行测量。跑得比光还 要快的物质,你是不可能对它进行测量的。

但是,假定你曾经测得某种物质的质量比它的正常质量 大一倍,而现在你抓住了它,想利用它达到某种目的。这时 如果你同它一起运动,那么,它相对于你的速度就等于零, 因此,它的质量就会突然变成正常质量了。

如果你的一个朋友以接近光速的速度从你身边掠过,你 会测出他有非常大的质量,他也会测出你有非常大的质量。 而你们各自都认为自己的质量是正常的。

你可能会问:“那么,到底谁的质量真正增大了?”答 案是:“这要看是谁在进行测量。”这里根本不存在“真正” 这种东西。每一件东西都只是由某个人相对于某种别的东西 测量出来的。正因为这样,才产生了“相对论”这个理论。

你会认为,你是脑袋朝上站着的,而澳大利亚人却脑袋 朝下。但是,澳大利亚人则认为他们脑袋朝上,脑袋朝下的 是你。谁的看法是“真正”正确的呢?谁也不“真正”正确。 这里不存在“真正”这种东西。这要看你是站在地球的什么 地方,一切都是相对的。

有人曾经问道:“既然质量随着速度而增大,那么,如 果一个物体处在绝对静止的状态,它的质量不会减小到零吗?” 可是,“绝对静止”这种玩艺儿是根本不存在的。这里只有 “相对的静止”。某个东西相对于另一个东西可以处在静止 的状态中。当一个物体相对于进行测量的人静止不动时,它 具有一定的最小质量,即所谓“静质量”。质量不能小于这 个值。

很高的相对速度不仅仅使所测得的物体质量增大,它还 会使物体在它运动方向上的长度减小,并使在这个物体上测 得的时间流逝得慢一些。

如果你还要再问个“为什么”,那么,我的答案是: “要是事情不是这样的话,光速就不会是物质的最大速度了。”

阿西莫夫《你知道吗?—现代科学中的一百个问题》 科学普及出版社 1984年

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作者 tuenhai:这个星球上对大道理解最为深刻的人,著有《道解相对论》《圣医治国——黄帝内经客观点评》《理性即慧根》《父母怎么教育孩子》。咨询微信或QQ (备注 tuenhai.com)

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