《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第28节作者:
浅论物理 爱因斯坦的第二假设:光在所有惯性系中速度相同。这第二假设,也就是简单地将第一假设的原则,直接推广应用到电和磁的规律中去。
这个假设的来历,就是将第一假设的适用范围明确扩展到经典力学的全部内容中去。20世纪前,整个物理学的全部内容都概括在经典力学中了;而经典力学的主要内容就是牛顿力学及麦克斯韦电磁场两部分。19世纪末,麦克斯韦成功地将电与磁统一到他的电磁理论中,并且从他的方程推导出,电磁波在真空中传播的速度刚好与光速相等。于是他断言光波是电磁波的一种。于是就直接从描述所有电磁场的麦克斯韦方程中推导出了光速:光在真空中的速度为每秒30万千米。但由于他们家族有遗传病史,他仅仅活了48岁竟然未能亲眼看到电磁波试验的成功。在此以前,牛顿物理学一直是被认为是自洽的;在牛顿的“绝对空间”、“绝对时间”中,牛顿的万有引力被认为是在以无限速度传递的。并且,只有以无限速度运动的物体,在相对匀速运动的坐标系中,才能够有相同的速度。
光及电磁波是在以有限速度传递的,被人们称为具有优越性的速度。但为了防止它们在不同的坐标系中速度会发生改变,因而当时为它们单独设置了一种特定的坐标系,在这种坐标系中充满了一种叫做“以太”的介质;“以太”是一种绝对静止、绝对刚性、质量为零的特殊物质,它应该充满整个太空。为此,物理学界进行了大量的寻找“以太”的工作,但一无所获,最后迈克尔逊——莫雷的实验结果却否定了“以太”的存在。1905年爱因斯坦指出将时间和空间组成一种四维的时空,这时在参考系中进行相对匀速运动时,全部物理定律,也包括了麦克斯韦方程都可以应用相同的形式,那么“以太”的也就没有必要存在了。
我们再加深一下对第二假设的进一步理解:光在任何静止的或作匀速直线运动的坐标系中,都以确定不变的速度运动,这时不管观察者是在以任何速度在运动,也无论光是从静止的或者是从运动着的物体上在发射。光速恒为30万千米/秒。至于这个问题是否和光源的方向有关,爱因斯坦并没有提及。
关于第二假设,爱因斯坦证明的例子是“火车上的试验”:火车正以每秒10万千米的速度前进,同时火车上的人顺前进方向用手电筒“发射光子”,光子相对于他以每秒30万千米的速度运动。当时在铁路边地面上的人看到了火车离去的速度为每秒10万千米,以及光子离别火车的速度。为此我们得出光子离开地面上人的速度应为40万千米/秒,这显然与爱因斯坦的第二假设:“光速恒为每秒30 万千米的常速”不符。不过爱因斯坦并没有从正面回答这个问题。
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而也正因为这,爱因斯坦的狭义相对论由此而产生,他大胆地否定了绝对时空观!认为时间、空间、物质、能量和运动的概念都是相对的概念,均是由观察者的感觉决定的。而只有在“距离”相对于两个惯性系不同的情况下,或者“时间”相对于两个惯性系不同,他的两个假设才能够成立。为此他提出了“尺短钟慢”的新概念。
即第一种效果称作“长度收缩”。意思是说运动中的物体随着速度的提高,在沿运动速度方向的长度会缩短。那么在前述以每秒10万千米运行的火车上,标准米尺已自动按速度大小依一定比例缩短过了,那么这时从它上面发射出的每秒30万千米速度的光子,由于这个30万千米长度的“米”,是已经缩短过的“新米”,所以此时光子的速度仅可达到每秒20万千米的速度 ,再加上火车每秒10 万千米的速度,那么相对于地面上的人来说,此时观察到的光速就恰好是每秒30万千米。这时候在火车上的人并没有感觉到他所发射出去的光子的速度有所变化,仍认为是每秒30 万千米。那么如果火车提速成了每秒30万千米的光子火车时,车上顺运动方向放置的米尺的实际尺寸已“尺缩”为零;此时地面上的人所观察到的光的速度恒为30万千米,就完全是光子火车自身的速度;而车上所发射出去的每秒30万千米速度的光,由于车上的“米”的长度已为零,相对地面来说这部分速度其实为零。
第二种效果称作“时间膨胀”。它相对第一种效果则是地地道道的翻版之作。它的意思是说,随着运动速度的提高时间就会膨胀,也就意味着运动物体上的时钟会变慢;而一旦速度达到光速时由于时间已经无限膨胀,那么时钟其实就已停止不前了。还是回到前面火车上的例子,当火车以每秒10万千米的速度运行时,火车上的人发射出的光速虽然为每秒30万千米,但由于火车上的钟慢了,在地面上一秒钟的时间里,光子由于实际运行时间不足而离开火车的距离已达不到30万千米,才仅仅发射出20万千米;这时地面上的人所观察到的每秒30万千米的光子的速度,是火车每秒10万千米及光子每秒20万千米速度之总和。同理,当火车以光速运行时,火车上的人发射出的每秒30万千米速度的光子,由于火车上的时间已无限膨胀而前行的时间为零,故相对火车运行的距离也只能为零;此时地面上的人观察到该光子每秒30万千米的运动速度,实质上就纯粹是光子火车的速度了。
以上便是爱因斯坦提出的“尺短钟慢”现象。这也就是第二假说光速不变成立的基础。鉴于第二假设,爱因斯坦又推出了一些非凡的结论。依据光速不变原理,他得出了没有任何东西能运动得比光还快的结论,指出“超光速在物理学中是不可能的。”
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在这些非凡的结论中,最著名的莫过于质量和能量的等价,也就是爱因斯坦的“质能方程”:能量等于质量与光速的平方的乘积(E=MC^2)。这著名的质能等效公式是核能乃至核武器的理论根据。铀原子核分裂成两个小的原子核时,由于极少的一点质量的损失,会释放出巨大的核能,这也就是能证实质能方程的一个结论。也就是它将人类引入了原子时代。为此物理学中关于力的内容中又增添了强相互作用力和弱相互作用力两位新宠。
可以说第一、第二两个假设,也就是相对性原理和光速恒定原理是狭义相对论的产生依据。狭义相对论的本质也就是质量起源的本质。在狭义相对论中,空间与时间已构成相互关联的四维不可分割的联合体,这些空间和时间的维度能够互相转换,也就是时间可以转换成空间,空间也可以转换成时间。
在牛顿物理中,能量守恒定理说能量不会产生和消灭,只能从一种形态转化为另一种形态,宇宙中能量的总量永不改变。在狭义相对论中爱因斯坦指出,必须放弃一些直观的概念来保留两个神圣不可侵犯的定律——“能量守恒定律”和“动量守恒定律”。在这样的情况下质量本身也就不再是固定的了:物质可以变成能量,反之能量也可以变成物质。实质上“物质不灭定理”遇到了严重的挑战或者必须改写。事实上在实践中,质量与能量的这种关系,在理解宇宙辐射的观测中,起到过相当重要的作用。
另外,根据质能方程式,如果不断地增加粒子或宇宙飞船的能量,因为被加速物体由于速度的增高而质量会增大,因而难以继续增高速度。仅仅一个粒子要加速到光速就需要无限大的能量,就此也意味着超光速是不可能的。
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