相對(duì)論淺說-質(zhì)量

相對(duì)論淺說—質(zhì)量質(zhì)量在一般情況下，物體的質(zhì)量不因靜止或運(yùn)動(dòng)而有所變化。一個(gè)人在地上站著，質(zhì)量是60公斤，當(dāng)他稱上運(yùn)動(dòng)的火車，質(zhì)量還是60公斤。這在低速世界當(dāng)然是事實(shí)的?？墒钱?dāng)這個(gè)人乘上高速運(yùn)動(dòng)的飛船的時(shí)候，它的質(zhì)量卻不是60公斤了，而是比60公斤要多。飛船的速度和光速越接近，人的質(zhì)量變化就越顯著。如果飛船速度達(dá)到光速，人的質(zhì)量將變成無限大。當(dāng)然這是不可能達(dá)到的。這也說明，一般物體的速度不可能達(dá)到光速。

現(xiàn)在我們進(jìn)一步來討論這一問題。

設(shè)想我們要是某一慣性物體以某一確定的速度運(yùn)動(dòng)，這就必須將一定的力作用于該物體。如果沒有外力，比如摩擦力，來阻滯物體的運(yùn)動(dòng)，我們將能按需要來加速物體運(yùn)動(dòng)的速度。我們發(fā)現(xiàn)，用一定大小的力加速不同物體的運(yùn)動(dòng)，使其達(dá)到所需要的運(yùn)動(dòng)速度，就必須用不同的時(shí)間。

為了排除摩擦力，我們?cè)O(shè)想，在宇宙空間由兩個(gè)同樣大的球體，一個(gè)用鉛做成，另一個(gè)用木做成。現(xiàn)在用同樣的力作用于這兩個(gè)球體，直到將它們的運(yùn)動(dòng)速度增加達(dá)到每小時(shí)10公里。

顯然，將一定的力作用于鉛球的時(shí)間，比作用于木球的時(shí)間要長(zhǎng)些。鉛球的質(zhì)量比木球的質(zhì)量大。在恒力作用下，速度的加大是與時(shí)間成正比的。所以質(zhì)量與加快一個(gè)慣性物體運(yùn)動(dòng)速度所需時(shí)間有關(guān)。這就是說，質(zhì)—量同時(shí)兼有一定的比例，其比例系數(shù)有所加的力而定。

質(zhì)量的增值

質(zhì)量是一切物體的重要的屬性。我們習(xí)慣于永恒不變的物體質(zhì)量，即物體的質(zhì)量不因物體運(yùn)動(dòng)速度的不同而不同。這同我們下面的結(jié)論是一致的：在一種恒力的持續(xù)作用下，速度的增加與力作用于物體的時(shí)間長(zhǎng)短成正比。

這一結(jié)論是基于速度相加定理之上的。但是我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)正式，速度相加定理不能在一切情況下都適用。

比如說，我們用兩秒的時(shí)間，對(duì)一個(gè)物體施加一定的力之后，將獲得多大的速度呢？我們通常使用普通的速度相加規(guī)則球物體的末速度，即把第一秒末的速度與物體在第二秒獲得的速度相加，以求得第二秒末的速度。

我們可以這樣繼續(xù)不斷的加下去，一直到使物體運(yùn)動(dòng)的速度接近光速。在這種情況下，速度相加這一陳舊的定理就不再適用了。根據(jù)相對(duì)論的觀點(diǎn)，速度相加定理在這種情況下就無能為力了。如果繼續(xù)運(yùn)用這一陳舊定理，我們得到的速度就要比預(yù)想的速度小。這就是說，在高速運(yùn)動(dòng)中，速度的加大不再同對(duì)物體加力的時(shí)間長(zhǎng)短成正比。換句話說，雖然以同樣的時(shí)間將一定的力作用于物體，但是物體運(yùn)動(dòng)速度的加大率，要比在低速運(yùn)動(dòng)中小。出現(xiàn)這種情況是很自然的，因?yàn)橛钪骈g存在一個(gè)最高速度。如果將恒力作用于一個(gè)物體，當(dāng)這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度在逐漸接近光速的過程中，它的運(yùn)動(dòng)速度加大的比例就會(huì)越來越小。因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)的速度永遠(yuǎn)也不能超過速度的最高極限，即光速。只要物體運(yùn)動(dòng)速度與物體外加力的時(shí)間是成正比例的增加，我們就可以認(rèn)為，質(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)速度是無關(guān)的。但是，一旦物體運(yùn)動(dòng)速度接近光速，時(shí)間與速度的增加就失去了比例，于是質(zhì)量就變得與速度息息相關(guān)了。由于時(shí)間可以無限加長(zhǎng)，而速度卻不能超越最高極限。由此我們發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量隨速度的增加而增加，而且當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速時(shí)，質(zhì)量就成為無限大。

計(jì)算結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量隨其長(zhǎng)度的縮減而增加。這樣，一列愛因斯坦火車在以每秒24萬公里的速度運(yùn)行時(shí)，其質(zhì)量要比它在靜止時(shí)大10/6倍。

很顯然，與光速相比，我們?nèi)粘＝佑|的一般速度就顯得微不足道了。所以在低速世界里，我們可以不考慮質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)中的變化，也不必考慮物體運(yùn)動(dòng)速度與其體積之間的關(guān)系。同樣，也不必考慮兩個(gè)事件發(fā)生之間的時(shí)間間隔同事件觀察者的運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。

質(zhì)量與速度之間的關(guān)系，是根據(jù)相對(duì)論的理論推導(dǎo)二處。要觀察和檢驗(yàn)這兩個(gè)之間的關(guān)系，我們可以進(jìn)行對(duì)電子的快速運(yùn)動(dòng)情況的觀察實(shí)驗(yàn)。

利用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是電子以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)已是相當(dāng)普通的事。在加速其中，能將電子運(yùn)動(dòng)速度加大到僅僅比光速低美秒30公里。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)代物理學(xué)完全能夠?qū)⑻幱诟咚龠\(yùn)動(dòng)中電子的質(zhì)量同靜止電子的質(zhì)量加以比較。實(shí)驗(yàn)也充分表明，質(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)速度息息相關(guān)。這也是相對(duì)論闡明的客觀規(guī)律。

物體質(zhì)量的增值與作用與物體的理由密切的關(guān)系，而且有一定的比例關(guān)系。一切作用與物體的力，以及任何物體能量的增值，都會(huì)使物體質(zhì)量增加。這就是當(dāng)物體被加熱時(shí)，其質(zhì)量就比為加熱時(shí)大的原因。這也就是當(dāng)彈簧被壓縮時(shí)，其質(zhì)量就增加的原因。但是質(zhì)量變化同能量變化之間的比例系數(shù)是微乎其微的。例如：要使一個(gè)物體的質(zhì)量增加一克，就必須對(duì)該物體施加2500萬千瓦小時(shí)的能量。

這就是在一般物體情況下，物體質(zhì)量的變化是非常微小的原因，即使是運(yùn)用最精密的儀器，也無法測(cè)量出來。如果將一噸水從零度加熱到沸點(diǎn)，其質(zhì)量大約會(huì)增大一百萬分之五克。

在現(xiàn)代物理學(xué)中，我們也觀察到質(zhì)量的變化起著非常顯著作用的現(xiàn)象。

例如，當(dāng)原子核相互碰撞后產(chǎn)生新的原子核的現(xiàn)象。又如，當(dāng)一個(gè)鋰原子與一個(gè)氫原子相互碰撞，產(chǎn)生兩個(gè)氦原子。再者一過程中，氦原子的重量比原物質(zhì)的質(zhì)量減少四百分之一。

前面已經(jīng)提到，將一個(gè)物體的質(zhì)量增加一克，必須對(duì)該物體施加2500萬千瓦小時(shí)的能量。因此，將一克鋰和氫轉(zhuǎn)變成氦需要的能量就比上面這個(gè)數(shù)字小400倍，即62500千瓦小時(shí)。

結(jié)束語

相對(duì)論揭示了我們周圍世界大量令人驚異的現(xiàn)象，而且精確而令人信服的大量實(shí)驗(yàn)，使我們必須承認(rèn)相對(duì)論的正確性。相對(duì)論揭示地大量現(xiàn)象，如果是粗略的觀察，往往會(huì)被忽視或者不易理解。

相對(duì)論對(duì)人類通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累起來的基本觀念，帶來了極其深遠(yuǎn)和根本的變化。

那么，這是不是說，由于相對(duì)論的出現(xiàn)，以前長(zhǎng)期發(fā)展起來的物理學(xué)理論，就像一直舊鞋一樣而被拋棄呢？如果是這樣的話，那么，就沒有必要從事科學(xué)研究了。新的理論必將不斷出現(xiàn)，而且不斷改變舊的理論和舊的觀念。

設(shè)想，如果一位乘上一般火車的旅客，一上車就開始矯正他的時(shí)間，因?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)論的理論，他的手表將比車站的時(shí)鐘慢。這時(shí)，大家都會(huì)把他的做法當(dāng)成笑柄。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)家門是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且他們將繼續(xù)這樣做下去。因?yàn)椋绻麄兏鶕?jù)相對(duì)論來改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，那么這種改進(jìn)的效果，就想把一個(gè)微生物放到發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上一樣，絲毫改變不了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。但是，研究高速運(yùn)動(dòng)的電子物理學(xué)家，卻必須時(shí)刻記住運(yùn)動(dòng)速度同質(zhì)量變化的關(guān)系。

相對(duì)論決不排斥和否定經(jīng)典物理學(xué)建立起來的觀念和理論，而是大大擴(kuò)展了經(jīng)典物理學(xué)的領(lǐng)域。另一方面，相對(duì)論也規(guī)定了經(jīng)典物理學(xué)理論和它建立起來的觀念適用的范圍，從而避免了導(dǎo)致錯(cuò)誤的危險(xiǎn)。相對(duì)論誕生以前，物理學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的自然規(guī)律根本沒有、也不可能被廢棄，相對(duì)論只是明確地規(guī)定和限制了這些規(guī)律與用的范圍。

相對(duì)論物理學(xué)對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的校正，同高級(jí)大地測(cè)量學(xué)對(duì)基礎(chǔ)大地測(cè)量學(xué)的校正大體相同。前者認(rèn)為地球是圓的，而后者則忽視了這一點(diǎn)。高級(jí)大地測(cè)量學(xué)是從垂直的相對(duì)性出發(fā)。相對(duì)論物理學(xué)注意物體體積以及兩個(gè)事件時(shí)間間隔的相對(duì)性，而經(jīng)典物理學(xué)不研究相對(duì)性這一概念。

同高極大地測(cè)量學(xué)是在基礎(chǔ)大地測(cè)量學(xué)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一樣，相對(duì)論物理學(xué)是在經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來的。如果我們假定地球半徑是無限的，那么我們就能夠從運(yùn)用球面幾何學(xué)的基本原理，轉(zhuǎn)而運(yùn)用平面幾何學(xué)的基本原理來測(cè)量地球表面的面積。這樣，地球就不再是一個(gè)球體，而是一片無限大的平面，那么垂直也成為絕對(duì)到了，三角形三個(gè)內(nèi)角的和也恰恰等于兩個(gè)直角三角形。

如果我們假定光速是無限的，也就是說，光的傳播速度是瞬時(shí)的，那么在相對(duì)論物理學(xué)中，也就會(huì)出現(xiàn)同樣的變化。

的確，如果光的傳播是瞬時(shí)的，那么同時(shí)性這一概念就成為絕對(duì)的了，事件發(fā)生的間隔和物體的體積也就成為絕對(duì)的，而不必考