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简单介绍狭义相对论。
运动的相对性 设想你开车旅行，你正在驾车行驶的高速公路很直、路面保持水平、十分平坦，汽车以60英里/小时（97公里/小时）的恒速行驶。你闭上了眼睛。显然你会感觉到自己不是在向前运动，而感到似乎处于静止状态。也许，事实上你就是这种感觉，这时尽管你肯定感到自己已放慢了速度。然而你再睁开眼睛，你就会发现两侧的树木和房屋以及道路在你眼前飞掠而过，你就又会确信自身确实处于运动状态。但上述现象令人深思，难道汽车果真处于静止状态以及车轮所过之处以60英里/小时的速度后移吗？尽管牛顿允许已考虑到这种可能性，但爱因斯坦直截了当地指出肯定存在这种可能性。事实上，他指出，世界上不存在任何“真实性”。对一个匀速运动的物体来说，我们只能说汽车运动是相对于地球而言，地球相对于汽车运动，或者说两者作相对运动（匀速一词非常重要，匀速意味着运动物体不加速、不减速、不转弯。如果物体作匀速运动，则应当可以用一种绝对的方法来测定其运动，其原因放到《广义相对论》中去谈到）。世上没有绝对运动，运动只是相对于另一物体或物体系而言。 我们接受相对论，或者更确切地说接受狭义相对论，因为这一理论阐述匀速运动这一特例（本书交替使用用来表示速度的两个词speed和velocity，尽管这两个词从技术角度看略有差异，后者带方向性，而前者则没有）。爱因斯坦于1905年提出相对论，这一理论有以下两个基本前提： 1．不能绝对地肯定某物体静止或作匀速运动。 2．无论光源对观察者作怎样的相对运动，光速（本文都指真空）为恒值。 下一节谈谈前提2的意义及其与前提1的关系。 光速的恒定性 19世纪末20世纪初，科学家们对运动相对论一直感到奇怪和费解。从某种角度讲，必定能以某种方法测定物体的绝对运动，如果可能存在这种方法，那么必定有一种可称为绝对静止的参考系，于是可依据这一标准来测量任何运动。但是哪儿会有绝对静止的物体呢？当时人们都知道地球自转（赤道上的自转速度为每小时1040英里或者1674公里），并绕太阳公转（公转速度为每小时65，870英里或106，000公里）。另外，太阳绕银河系中心公转的速度更高，而银河系以10倍于太阳的公转速度在宇宙中运动，因此，似乎可以肯定并不存在能用来测出天体绝对运动的任何“静止”的参考系。 但是，科学家还提出其他观点。他们认为宇宙充满了一种叫“以太”（希腊语是“燃烧”的意思）的看不见、摸不到的物质。这个词是根据亚里士多德为描述天体的物质而杜撰的。不能很容易探测到这种物质，但这种物质必然存在，是光波传输媒介。海洋波需要水来传播，声波需要某种物质来传播，同样，光也需要某种物质来传播光波。空间或真空并非真的空空如也，实际上，空间或真空充满传送光波的以太。 这种以太像波浪那样振动或者振荡，通过它携带光能。但是以太没有任何总体运动，也不改变位置。以太绝对不运动。它在整个宇宙中是固定的，神秘的，探测不到的。只是以太的振动总额达到光能而已。 由于以太以这种方式固定在宇宙中，因而可成为十分需要加以利用的“静止”参考系。但是如果不能设法将其看到、感到、听到、闻到、尝到或者探测到，又怎么能在实际中将其用于测量其他物体呢？ 我们来看一下光，尽管探测不到以太，但是却可探测到将以太振动的光。这是一种以太的标记。从某种意义上讲，光波就是以太，犹如水在水面上的起伏运动叫水波，或者爆炸后空气分子的振动叫声波，光由以太波构成。如果没有以太，光就不存在，也就没有光的传播。 因此，尽管尚不能对照另一物体来测量某物体的运动（你无法确定哪个物体在真正运动），但是，对照固定的以太或者具体说来对照让以太振动的光是肯定可以测量物体的运动的。科学家们推断（正在开始用实验来证明这一点）光通过以太以恒速运动，无论一个星体是向着接近我们还是离开我们的方向移动，其通过以太的速度都相同，星体所造成的以太振动并不受星体运动的影响，因此，可将光速作为一种参考系，一个指向标，通过它就可以测量某物体或某观察者的绝对运动。 例如，如果某观察者向一束光走去，那么观测者测到的光速应大于静止不动的观察者所测到的光速，而如果某观察者向离开光束的方向走去，该观测者所测到的光速应小于静止不动的观察者所测到的光速。 在19世纪末以前，尚无法检验这种推断，因为那时还没有灵敏度很高的仪器来测量物体相对于以太的运动。基于这种运动的光速变化微不足道。然而，在19世纪80年代，利用一种名叫干涉仪的新研制的仪器，物理学家埃伯特·米切尔森和爱德华·莫利最终能检验以太假说。这一检验结果让世界震惊。在他们的所有实验中，米切尔森和莫利并未发现光速有任何差异。地球自转或者某物体在任何方向上相对于光束的运动，都改变不了光速的测量结果。不仅就源运动而言，而且就观察者运动而言，光速始终恒定。现在人们确认光速恒定不变是绝对的--这是爱因斯坦宇宙观中几乎绝无仅有绝对内容之一。光速为186，291英里/秒（299，792公里/秒），用符号c表示。 光速的恒定性促使科学家们十分怀疑充满以太的空间概念和绝对运动的测定能力。光速的恒定性似乎还违背基本逻辑和常识，如果一名棒球投手以速度p将球投向本垒板，而一名击球手挥棒以速度b击球，那么球的有效速度应当是p＋b（这里空气阻力和地球吸引力忽略不计）。这是很简单的两者速度相加的情况，如果这位投手“投掷”的是一束光而不是一个棒球，为什么应该有所不同呢？原理应该不一样吗？如果击球棒的速度仍是b，光速是c，当一束光遇到或通过击球棒时，那么测到的光速应该是p＋c（原文如此-编著），这个速度肯定大于光速。为什么测到的速度并没有增加？ 爱因斯坦的推论是：也许棒对球速的影响小于我们的预计值，即这个值略小于b，当球速（或者任何运动物体的速度）增加时，击球棒的影响继续减弱。对于以日常速度运动的物体来说，例如掷球，或美国全国铁路客运公司的列车（但不是在客运高峰期），或最快的宇宙飞船，这种影响的减弱可忽略不计，速度似乎是两者相加。但随着球的运动速度接近光速，击球棒的速度对总速度的影响减为零，因而，b＋c变为0＋c，或者c，即光速，这些假设佐证了严谨的数学分析。 长度是多少 鉴于米切尔森和莫利作出上述发现，而他们本人又设法极力证明充满以太的空间概念和绝对运动，爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰惹提出，所有物体在它们的绝对运动方向上变得越来越短，这是他利用数学方法计算出来的，其缩短程度正好解释了米切尔森和莫利的零假设。物体长度随着运动产生缩短的概念就是著名的菲茨杰惹收缩（或菲茨杰惹-洛伦兹收缩，以后来进一步发展了这一假说的荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹命名）。这一收缩定律的公式指出，以速度v运动的某物体会以下列值缩短： √[1-(v/c)^2] 尽管菲茨杰惹作出的努力很有价值，但是以太概念和绝对运动最终被否定，而他所提出的运动物体产生长度缩短效应的观点仍有效。某物体随其运动速度的增加而其长度缩短，这是相对论的一个重要的结果，而相对论则是菲茨杰惹试图驳斥的，但是最终得出的结果是他始料不及的。收缩只发生在运动方向上（当然是相对运动），而且只有在接近光速时才十分明显。事实上，一个物体必须以光速的八分之七的速度运动，其长度才能缩短为其其余长度的一半，如果物体的运动速度只有光速的一半，那么该物体的长度只会缩短八分之一左右。请记住，目前我们最快的宇宙飞船的速度只有光速的五千分之一。因此，以这样的速度运行，其缩短程度几乎微不足道。地球绕太阳公转的速度只有光速的万分之一，所以地球的赤道直径只缩短了205英尺（62.5米），只有一个足球场长度的三分之二，而地球赤道的直径有14万个足球场那么大。 运动物体长度缩短只在运动的方向上产生，这个事实产生了有趣的结果，如果一个6英尺高的人站在一个以接近光速作水平运动的平台上，这个人会不断变胖，但其身高仍然是6英尺。而如果这个人以光速运动，则他会变得很瘦，瘦得看不见（这种现象让节食减肥者大惑不解）。 质量有多大 不仅长度，而且质量都随速度的变化而变化。这是狭义相对论的又一个结论。质量是物体拥有的物质量，质量和重量不是一码事，但往往将它们看作可以互相替用（重量是作用在物体上的引力的量度。在月球上，因为月球的引力较小，所以人的重量只有其在地球上的六分之一。在外层空间，人会失重，而物体的质量则不变）。 速度增加时，物体的质量也会增加。拿高尔夫球来说，放在球座时的质量要小于球在空中飞起时的质量。人坐下来看电视时的质量小于他乘电视播放广告时起身去冰箱拿点心时的质量。如同长度一样，以上述很低速度运动的物体，其质量的变化很小，小得即使我们采用最先进的技术几乎测量不了。而物体以接近光的速度运动时，其质量将明显增加，因为质量随速度的增加而增加（这一点与长度变化正好相反）。质量变化公式是菲茨杰惹收缩公式的倒数，即： 1/{√[1-(v/c)^2]} 为了使物体质量增加一倍，其运动速度必须达到光速的八分之七。目前任何飞行器或者大的物体都无法达到这一速度。但是亚原子粒子能够达到这一速度。粒子加速器已将电子的速度加速到光速的99.9999999％以上。它们的质量为原来的4万多倍，以光速运动的电子，其质量将无穷大。 为什么质量会随速度的增加而增加呢？让我们用下述方式来分析一下：物体获得能量后，其运动速度增加，若速度远低于光速，则这些能量几乎完全变为运动，如果速度接近光速，那么，越来越多的能量就变成质量，也就是说越来越少的能量变成物体的运动。若以光速运动，则所有的能量都加到物体上而变成质量，不会再有能量变为运动，物体的速度不会继续增大，其质量无穷大。 质量－－能量转换 上述概念明确地揭示了质量和能量之间的关系。在经典物理学中，物质和能量是分开的而且是分立的、性质不同的实体。质量占空间，能量不占空间。给定一个引力场，质量有重量，而能量没有重量。狭义相对论不这样区分质量和能量，它将质量和能量看作一块钱币的两个等效面，一方可转换成另一方，正如电能和热能互相转换一样。 爱因斯坦的著名方程：E＝mc2（式中E为能量，m为质量，c为光速）清楚地表明了这种等效性，公式中将光速作为转换因子，表明在给定的质量中能获得多少能量。其数量很大。而实际上整个人类全年所用能量的质量当量只有几吨，即一头小象的重量。 在普通化学反应或非核化学反应中，只有几乎可以忽略不计的质量转换为能量。例如：汽车发动机内的1加仑汽油燃烧可行驶30英里（48公里），但是，一滴汽油只有三万分之一转换为能量，其余汽油仍然为质量，即汽油燃烧过程的生成物。一般来说，在非核反应中，质量中转换成能量的部分太少，因而无法测量。事实上，科学家们有理由确信在化学反应中没有质量损失，因此，他们系统地阐述了质量守恒定律，也就是说，质量不会创生，也不消灭，质量只是发生变化而已。可以将纸烧掉，但燃烧后的灰和烟的重量和纸的重量一样（质量相同）。 核时代是从1896年发现放射现象开始的，后来又发现核裂变（见于原子弹和核反应堆）和核聚变（见于氢弹和各种天体的能源），所有这些情况都是核反应。原子核发生变化，而周围的电子壳层不发生变化，释放大量能量，很容易测出损失的质量，质量转换为能量必定遵循爱因斯坦的方程式E＝mc2。 随着核时代的发展，必须将质量转换定律改为质量-能量转换定律，质量可以消灭，或者更确切地说是将质量变为能量，但是该系统中总的质量和能量仍然一样。 在核反应中损失的能量作为质量令人难以置信地释放出来，这一现象帮助人们解释了科学上的一个大难题：即太阳所释放的巨大能量来自何方。远在19世纪中期，地质学家就认识到地球和太阳至少有几亿年的历史，然而，根据燃料常规燃烧所作的各种计算来看，太阳的历史几乎不可能那么长。著名的物理学家洛德·开尔文推测太阳的寿命最多为3000万年。 现在，我们都知道太阳的寿命为46亿年，为什么太阳能释放出这样大的能量，而且在这样漫长的岁月里燃料还没用完？核聚变正如E＝mc2方程式所示的那样，质量变成能量。实际上，太阳燃料若按现在的速率燃烧，则耗尽太阳质量至少还要46亿年。 有一种有趣的想法，即是否可能出现逆转？能量能否转换为质量？答案是肯定的，能量能转换成质量。利用高能粒子加速器已经在实验室的小范围内做到这一点（这类创新性试验详见《揭示物质秘密的艰难历程》一文）。质量很小的物体由大量能量构成，这也是根据E＝mc2方程式得出的。大约在150亿年前，在大得多的范围内，质量由一种密度大得难以想象的持续膨胀的能量球形成。这就是宇宙的创生。 什么时间了？ 在狭义相对论中，另一个也许最令人感兴趣的方面是时间随着速度的增加而减少，《空间和时间旅行》一文已谈到这种现象，这种现象叫时间膨胀。将原子钟这种精度很高的计时器装在喷气式飞机和火箭上的经验已证明确实存在时间膨胀，飞行结束后，将飞机与火箭上的原子钟与留在地球上的原子钟作比较可见原子钟记下的消逝的时间，前者少于后者。飞行器速度越快，时间慢得越多。正如长度的变化一样，菲茨杰惹收缩中已谈到时间减慢。 我们从上述公式可知，物体运动速度接近光速时，其变化才明显。以十分之一的光速运行，时钟的计时只减慢5％，以光速的八分之七的速度运行，时钟的计时将减少一半，以光速运行，时间计时减为零。目前世界上飞得最快的宇宙飞船（其时速超过40多英里/秒），其计时只减慢亿分之二，即在一年半多的时间里，时间减慢还不到1秒钟。 时间减慢这个概念似乎与狭义相对论相抵触。例如：我们以物理学家所说的“孪生佯谬”或“时钟佯谬”现象为例。玛丽和贝蒂是孪生姐妹，在她们30岁生日那天，玛丽决定到宇宙中最明亮的天狼星A去旅行，她乘坐的宇宙飞船的速度是光速的八分之七，以这一速度飞行，对她来说，宇宙飞船上的计时与地球上的计时相比减少了一半，按地球上的计时，她一个来回花了约20年，玛丽回到家里，发现她的孪生姐姐头上的白发和皱纹比她的多，玛丽毕竟只有40岁，而贝蒂已经50岁了。时钟也可以显示出这种时间差异。 如果运动能够造成时间减慢，难道不能将时间作为长期以来一直在寻求的衡量绝对运动的参考系吗？如果玛丽比贝蒂年轻，或者宇宙飞船上的时钟表明旅行的时间消逝少，那么毕竟说明她处于运动状态，而不是贝蒂处于运动状态。运动不是相对的，而是绝对的。 更令人困惑的是，根据狭义相对论，可以说玛丽的宇宙飞船静止不动，而地球和宇宙的其他部分以八分之七于光速的速度离开玛丽的宇宙飞船。既然这样，对留在地球上的贝蒂来说时间会减慢，而她将会是年轻10岁的妹妹。 显然不可能出现这种情况。姐妹俩不可能彼此都比对方年轻，看来一定是狭义相对论已陷入了极大的困境。哲学家和科学家对这个问题争论不休。 总之，相对论和爱因斯坦的名声都得到保全。读者不难发现，玛丽和贝蒂都没有发现时间有任何变化，地们根据自己的参考系都认为时间的消逝正常。对她们来说，要发现时间消逝的任何变化，必须携带时钟并作比较，而能做到这一点的唯一办法是让其中一个时钟倒一圈并与另一个时钟对好时间，或者让这个时钟不走并完全改变时间。在两种情况下，时钟都会加速（科学家们认为，加速是速度变化或者方向变化）。基于匀速运动的相对论的内容是以恒速作直线运动。一旦玛丽的宇宙飞船或者贝蒂的地球转一圈再回到家里，那么狭义相对论就不再适用。 但广义相对论却适用。 中学语文网中网 http://www./yuwen/book2/kongjian/xiangguang/kongjianxg7.htm |
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