隨著運動物體速度的增大(也就是隨著我們所想象的附加能量不斷地施加到物體中去);以速度的形式進入物體內部的能量將越來越少,而以質量的形式進入物體內部的能量則不斷增加。我們會發現,盡管這個物體仍然在不斷加快它的運動,但是,它的速度提高率卻一直在降低,此外,我們還會發現,這個物體變重的速率正在漸漸增大。
當物體的速度繼續不斷增大,並且非常接近於光在真空中的速度即每秒約300,000公里時,所施加的能量幾乎全部以質量的形式進入物體內部。換句話說,物體的運動速度現在增長得非常慢,但是,它的質量卻極快地向上增長。到它達到光速的時候,所施加的能量就全部表現為增加的質量。
物體運動速度之所以不能超過光速,是因為當我們要它超過光速時,就得不斷對它施加能量,而在它達到光速時,不管給它的能量有多大,都會統統轉變成增加的質量,因此,物體的速度就絲毫也不會增大了。
其實,這種「恰好達到光速的理論」也是不成立的。多年以來,科學家一直非常細致地對被加速的亞原子粒子進行觀察。宇宙線粒子所含的能量高到無法想象,但是,盡管它們的質量確實升高了,它們的速度卻從來沒有達到光在真空中的速度。已經查明,亞原子粒子的質量和速度正好同相對論所預言的一樣,因此,光速是最大速度這一點,已經是一個觀察到的事實,而不僅僅是一種推測。
第49節
前面的解釋並沒有完全說明問題。正好相反,它會使人產生一些疑問,並且來進一步提出一些問題。有些人問道:「為什麼能量會變成質量,而不是變成速度?」也有人問道:「為什麼光的傳播速度是每秒約300,000公里,而不是其他別的速度呢?」
就目前來說,這類問題只能夠這樣回答:「因為宇宙就是這麼安排的嘛!」
還有些人問道:「質量是怎樣增大的?」這個問題比較容易回答。質量的增大並不靠原子數目增多。原子的數目是保持不變的。但是,每一個原子——實際上是原子中的每一個粒子——的質量都增大了。
有人提出過這樣的問題:我們究竟能不能通過使物質的運動快到它的質量增大一倍的辦法,來增加我們的各種資源呢?要是能夠這樣做,我們的資源就會翻一番了。
事實上這是辦不到的。質量並不是「真正」增大了。這只是測量的問題。速度只有在相對於某種別的物體,比方說相對於測量它的那個人來進行測量時,它才是有意義的。只有那種能夠計量的東西,才可以對它進行測量。跑得比光還要快的物質,你是不可能對它進行測量的。
但是,假定你曾經測得某種物質的質量比它的正常質量大一倍,而現在你抓住了它,想利用它達到某種目的。這時如果你同它一起運動,那麼,它相對於你的速度就等於零,因此,它的質量就會突然變成正常質量了。
如果你的一個朋友以接近光速的速度從你身邊掠過,你會測出他有非常大的質量,他也會測出你有非常大的質量。而你們各自都認為自己的質量是正常的。
你可能會問:「那麼,到底誰的質量真正增大了?」答案是:「這要看是誰在進行測量。」這裏根本不存在「真正」這種東西。每一件東西都只是由某個人相對於某種別的東西測量出來的。正因為這樣,才產生了「相對論」這個理論。
你會認為,你是腦袋朝上站著的,而澳大利亞人卻腦袋朝下。但是,澳大利亞人則認為他們腦袋朝上,腦袋朝下的是你。誰的看法是「真正」正確的呢?誰也不「真正」正確。這裏不存在「真正」這種東西。這要看你是站在地球的什麼地方,一切都是相對的。
有人曾經問道:「既然質量隨著速度而增大,那麼,如果一個物體處在絕對靜止的狀態,它的質量不會減小到零嗎?」可是,「絕對靜止」這種玩藝兒是根本不存在的。這裏只有「相對的靜止」。某個東西相對於另一個東西可以處在靜止的狀態中。當一個物體相對於進行測量的人靜止不動時,它具有一定的最小質量,即所謂「靜質量」。質量不能小於這個值。
很高的相對速度不僅僅使所測得的物體質量增大,它還會使物體在它運動方向上的長度減小,並使在這個物體上測得的時間流逝得慢一些。
如果你還要再問個「為什麼」,那麼,我的答案是:「要是事情不是這樣的話,光速就不會是物質的最大速度了。」
第50節
我們常常說,粒子不能夠運動得「比光快」,「光速」是速度的上限。
實際上,如果我們單單這樣說,那是說得不夠完全的,因為光在通過不同媒質時,它的傳播速度並不相同,光在真空中的行進速度最快。在這種場合下,它以每秒300,000公里的速度運動。這個速度就是終極速度。
因此,如果想把話說得確切一些。我們就應該這樣說:粒子的運動速度不能夠「快於真空中的光速」。
光在通過真空以外的任何其他透明媒質時,它的傳播速度總是小於真空中的光速,有時甚至要慢很多。光在某一特定的媒質中行進得越慢,當它從真空中以傾斜的角度進入這種媒質時,它受到偏折(折射)的角度就越大。偏折的大小是由一個稱為「折射率」的物理量決定的。
把真空中的光速除以某一特定媒質的折射率,就得出光在這種媒質中的速度。在一般的壓力和溫度下,空氣的折射率約為1.0003,所以光在空氣中的速度等於300,000除以1.0003,即每秒約2,910公里。這比真空中的光速小90公里/秒。
水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.7,而鑽石的折射率是2.42。這就是說,光在水中的傳播速度為每秒約224,000公里,在玻璃中為每秒約176,000公里,在鑽石中只有每秒約123,200公里。
粒子的運動速度不能快於每秒約300,000公里,但是,即使在水中,它們也確實能夠以每秒約256,000公里的速度運動。當它們的速度這樣大時,它們在水中的行進速度就超過水中的光速了。事實上,除了在真空中以外,粒子在任何一種媒質中的運動速度都有可能超過那種媒質中的光速。
在非真空媒質中運動得比光快的粒子,會發出一種藍光作為它的尾跡。這種尾跡的角度大小,取決於這個粒子在媒質中的速度比光在同一媒質中的速度快多少。
最先觀察到比光快的粒子所發射出的這種藍光的,是一個名叫巴維爾·切倫科夫的俄國物理學家,他在1934年報道了這件事。因此,這種光就被稱為「切倫科夫輻射」。1937年,另外兩個俄國物理學家——伊利亞·弗蘭克和伊戈爾·塔姆——把這種光同粒子和光在那種媒質中的相對速度聯系起來,從而解釋了為什麼會有這種光。結果,這三個人獲得了1958年的諾貝爾物理學獎。
人們已經設計出一種特殊的儀器——切倫科夫計數器,用來探測這種輻射,並測定它的強度和發射方向。
切倫科夫計數器特別有用,因為它只對速度非常高的粒子才起作用,並且很容易根據這種光的發射角度估計出這些粒子的速度。能量極高的宇宙線的運動速度已經非常接近真空中的光速,因此,它們就是在空氣中也會產生切倫科夫輻射。
快子——這是人們所假設的一種只能以超過真空中光速的速度運動的粒子——即使在真空中也應該會留下一道非常短暫的閃光。因此,物理學家希望能依靠探測這種切倫科夫輻射,來證明快子是確實存在的(如果它真的存在的話)。
第51節
愛因斯坦的狹義相對論有一個要求:我們宇宙中所存在的一切物體,都無法以超過真空中的光速的相對速度運動。單是為了迫使物體達到光速,就得花費無限多的能量,而要把它推動到超過光速,就需要花費比無限多還要多的能量,這簡直是無法思議的了。
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