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第16章

聊聊狭义相对论-第16章

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有什么两样,质量是一样的,寿命也相同。 
  接下来,1955年,人们又发现了反质子,这种质子带的是负电荷!之后又找到了反中子、反介子……值得一提的是,反∑超子的发现要归功到我们国人的身上——1959年中国科学家王淦昌填补了这一个空白(我们应该为此自豪,也应该以此为榜样!)。 
  最令人振奋的是,1996年1月,当西方人还沉浸在圣诞节的悠闲假期时,一条爆炸性的新闻响彻全球,各大媒体纷纷跟进报道——CERN奥勒特研究小组的科学家们制造出了人类首批“反氢原子”!这是第一次真正意义上的反物质(对于CERN,就是我们前面说到的那个欧洲粒子物理研究所)!次年,美国费米国立加速器实验室也成功地制造出了“反氢原子”! 
  从理论到实践,从预言到现实,人类将自己的聪明才智发挥到了及至。这是人类科学理论的又一次伟大胜利!向人类致敬!向科学致敬!我们有信心,也有理由走得更远! 
  现在,几乎每一种粒子,人们都已经找到了它的反粒子!不过,要真正制造出一个“反你”来,却还有很长的路要走呢! 
  但是,既然反物质是存在的,为什么我们一直都没有发现、没有遇到呢?我们周边都是物质来的呀?反物质又藏在哪里呢?这确实是一个问题,一个到现在还令物理学家头疼的大问题。为什么我们的宇宙中物质这么多,而反物质却那么少?这到现在都还没有确切的答案!是反物质集中在另一个地方,我们没有发现吗?很有可能! 1997年科学家宣布在银河系中心附近发现了“银心反物质喷泉”现象,这极大地震撼了整个物理学界!1998年,美籍华人科学家、诺贝尔奖得主丁肇中领衔的AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)计划,将试图寻找宇宙中的反物质。AMS计划是一个大型国际合作项目,共有美国、意大利、瑞士、中国、法国、德国等10多个国家、50多所高校和科研院所参加。值得关注的是,中国的东南大学、山东大学、中山大学、上海交通大学、中科院电工所等单位近期还加入了AMS科研项目。 
  物质和反物质具有这么一种特性:只要它们一碰头,就立即会湮灭,放射出辐射来。这就有点像梁山伯和祝英台了,生前两隔,相聚之时,竟已化蝶成仙!物质和反物质寻寻觅觅,难得一见,当两家一接触时,却会双双“化蝶”(湮灭),放出巨大的能量! 
  注意到了吗?这就将是我们将质量完全转化成能量的方法!


想不到物理学竟也存在着浪漫的梁祝姻缘,原来物理学也有甜蜜蜜的时候。 
  当物质和反物质相碰头的瞬间,就会互相湮灭,完全转化成巨大的辐射能量,不留下一点自身的痕迹。 
  比方说,当一个正电子和一个负电子(也就是我们“常见”的电子)相碰时,就会转化成一对γ光子,而辐射光子的能量就刚好对应正负电子的质量和与光速平方的乘积。 
  于是,我们就找到了一个献身的途径!只要找到一个“反你”或者一堆反物质,然后抱到一快,之后就会将你们的质量完全转化成能量了!这次呀,不再仅仅是50公斤了,而还得加上反物质的质量,也就是100公斤!呵呵,这下可以足足烧上两个10^10年了! 
  不过,这个方法的实现在现在看来依旧还是不太可能的。然而,这又为我们提供了一条新的、无污染的能源途径哟。 
  在此提醒一下,如果有一天,你偶然见到了“反你”,千万不要跟他握手,否则你们将相互湮灭,成为一堆能量! 
  而对于反物质和物质的不均衡之谜,如果你有兴趣的话,不妨在本次冒险完了之后,跟“旅游局”联系一下,去做一次反物质之旅!并且期待你的大功告捷! 
  也许你会问,爱因斯坦说E=mc2,那么这个E究竟指的是什么能量呢,是热能?势能?动能?…… 
  其实呀,当那个质量是静止质量时,我们可以说E就是静能。静能是什么呢?它包括了该物体一切的能量!像物体的分子运动的动能啦,分子间相互作用的势能啦,使原子与原子之间结合到一起的化学能啦,使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。 
     t1…u x/c2  
t1'=-------  
      
   √(1… u2/ c2)  
    t2…u x/c2  
t2'= -------  
      
   √(1… u2/ c2)  

  那么, 
       ( t2…u x/c2) -( t1…u x/c2)  
t2’… t1’=---------------  
            
         √(1… u2/ c2)  


  如果t2>t1,表示在你的坐标系中,事件1发生在事件2之前。要是事件1说的是石头被人推了一下,事件2表示石头滚落下来。那么,这两个事件就是有因果关联的了。根据因果律,原因必须发生在结果之前,这在任一个惯性系看来都应该是成立的!所以,在兔子看来,也应该是石头先被人家推一下,之后才滚下来!也就是事件1发生在事件2之前。因此就要求 
  t2’… t1’>0 
  也就是要求右边的分母大于0, 
  (t2… t1)…u(x2… x1)/ c2>0 
  再变一下形,便会有 
  u'(x2… x1)/(t2… t1)'<c2 
  而根据狭义相对论的要求,物体的运动速度(也就是u)必须小于光速c,而且两个事件之间的信息传递速度(也就是'(x2… x1)/(t2… t1)')也不得大于光速!很明显上面的式子是成立的! 
  因此,狭义相对论也隐含了因果律的规定。 
  从这一个角度来说,狭义相对论也是一个经典的理论,因为,它同样有着因果律的血统,跟牛顿力学是“同源”的。 
  再来看决定论。 
  在牛顿力学中,只要你知道了一个系统的所有数据,那么你将可以对它以后的每一个时刻的状态都进行预言!你甚至可以算出它过去的、现在的或者将来的每一时刻的状态!不管是一个被抛出的篮球,还是一颗正在运转的行星,或者一台复杂的机器,在牛顿看来,它们都是严格按照力学规律来工作的,我们有能力知晓过去,洞察未来。 
  这是决定式的! 
  日月经天,江河行地。世界仿佛被设定了程序一般,运行不息。运用经典理论,我们可以推算出几百年后的一次日食,时间甚至精确到秒! 
  这一切,都是决定论的荣耀勋章! 
  是的,所有物体的运动都是由自然规律控制的,没有半点商量的余地!从你诞生的那一刻起,上帝已经为你安排了每一个细节,你什么时候做什么,都是注定的!没有自由意志的余地!因为,这是一个规律掌管的世界! 
  这种决定论是牛顿方程数学结构的直接推论。所以人们也形象地将上帝比喻成一个钟表匠,它只不过是上好了链条,之后那个钟表式宇宙就按照规律“滴答滴答”的运转开来。这就跟16世纪欧洲宗教�

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