《你知道吗--现代科学中的100个问题》

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你知道吗--现代科学中的100个问题- 第17部分


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施加的能量表现为质量,结果,物体就变得“重一些”。当我们对这个物体进行测量时,它所得到的这两种能量形式之间的区别,决定于我们所测量到的这个物体的起始运动速度。

    要是这个物体以一般速度运动,那么,所施加的能量实际上会全部以速度的形式进入物体内部,这时,它会运动得越来越快,而它的质量几乎丝毫不变。

    随着运动物体速度的增大(也就是随着我们所想象的附加能量不断地施加到物体中去);以速度的形式进入物体内部的能量将越来越少,而以质量的形式进入物体内部的能量则不断增加。我们会发现,尽管这个物体仍然在不断加快它的运动,但是,它的速度提高率却一直在降低,此外,我们还会发现,这个物体变重的速率正在渐渐增大。

    当物体的速度继续不断增大,并且非常接近于光在真空中的速度即每秒约300,000公里时,所施加的能量几乎全部以质量的形式进入物体内部。换句话说,物体的运动速度现在增长得非常慢,但是,它的质量却极快地向上增长。到它达到光速的时候,所施加的能量就全部表现为增加的质量。

    物体运动速度之所以不能超过光速,是因为当我们要它超过光速时,就得不断对它施加能量,而在它达到光速时,不管给它的能量有多大,都会统统转变成增加的质量,因此,物体的速度就丝毫也不会增大了。

    其实,这种“恰好达到光速的理论”也是不成立的。多年以来,科学家一直非常细致地对被加速的亚原子粒子进行观察。宇宙线粒子所含的能量高到无法想象,但是,尽管它们的质量确实升高了,它们的速度却从来没有达到光在真空中的速度。已经查明,亚原子粒子的质量和速度正好同相对论所预言的一样,因此,光速是最大速度这一点,已经是一个观察到的事实,而不仅仅是一种推测。
第49节
    前面的解释并没有完全说明问题。正好相反,它会使人产生一些疑问,并且来进一步提出一些问题。有些人问道:“为什么能量会变成质量,而不是变成速度?”也有人问道:“为什么光的传播速度是每秒约300,000公里,而不是其他别的速度呢?”

    就目前来说,这类问题只能够这样回答:“因为宇宙就是这么安排的嘛!”

    还有些人问道:“质量是怎样增大的?”这个问题比较容易回答。质量的增大并不靠原子数目增多。原子的数目是保持不变的。但是,每一个原子——实际上是原子中的每一个粒子——的质量都增大了。

    有人提出过这样的问题:我们究竟能不能通过使物质的运动快到它的质量增大一倍的办法,来增加我们的各种资源呢?要是能够这样做,我们的资源就会翻一番了。

    事实上这是办不到的。质量并不是“真正”增大了。这只是测量的问题。速度只有在相对于某种别的物体,比方说相对于测量它的那个人来进行测量时,它才是有意义的。只有那种能够计量的东西,才可以对它进行测量。跑得比光还要快的物质,你是不可能对它进行测量的。

    但是,假定你曾经测得某种物质的质量比它的正常质量大一倍,而现在你抓住了它,想利用它达到某种目的。这时如果你同它一起运动,那么,它相对于你的速度就等于零,因此,它的质量就会突然变成正常质量了。

    如果你的一个朋友以接近光速的速度从你身边掠过,你会测出他有非常大的质量,他也会测出你有非常大的质量。而你们各自都认为自己的质量是正常的。

    你可能会问:“那么,到底谁的质量真正增大了?”答案是:“这要看是谁在进行测量。”这里根本不存在“真正”这种东西。每一件东西都只是由某个人相对于某种别的东西测量出来的。正因为这样,才产生了“相对论”这个理论。

    你会认为,你是脑袋朝上站着的,而澳大利亚人却脑袋朝下。但是,澳大利亚人则认为他们脑袋朝上,脑袋朝下的是你。谁的看法是“真正”正确的呢?谁也不“真正”正确。这里不存在“真正”这种东西。这要看你是站在地球的什么地方,一切都是相对的。

    有人曾经问道:“既然质量随着速度而增大,那么,如果一个物体处在绝对静止的状态,它的质量不会减小到零吗?”可是,“绝对静止”这种玩艺儿是根本不存在的。这里只有“相对的静止”。某个东西相对于另一个东西可以处在静止的状态中。当一个物体相对于进行测量的人静止不动时,它具有一定的最小质量,即所谓“静质量”。质量不能小于这个值。

    很高的相对速度不仅仅使所测得的物体质量增大,它还会使物体在它运动方向上的长度减小,并使在这个物体上测得的时间流逝得慢一些。

    如果你还要再问个“为什么”,那么,我的答案是:“要是事情不是这样的话,光速就不会是物质的最大速度了。”
第50节
    我们常常说,粒子不能够运动得“比光快”,“光速”是速度的上限。

    实际上,如果我们单单这样说,那是说得不够完全的,因为光在通过不同媒质时,它的传播速度并不相同,光在真空中的行进速度最快。在这种场合下,它以每秒300,000公里的速度运动。这个速度就是终极速度。

    因此,如果想把话说得确切一些。我们就应该这样说:粒子的运动速度不能够“快于真空中的光速”。

    光在通过真空以外的任何其他透明媒质时,它的传播速度总是小于真空中的光速,有时甚至要慢很多。光在某一特定的媒质中行进得越慢,当它从真空中以倾斜的角度进入这种媒质时,它受到偏折(折射)的角度就越大。偏折的大小是由一个称为“折射率”的物理量决定的。

    把真空中的光速除以某一特定媒质的折射率,就得出光在这种媒质中的速度。在一般的压力和温度下,空气的折射率约为1.0003,所以光在空气中的速度等于300,000除以1.0003,即每秒约299,910公里。这比真空中的光速小90公里/秒。

    水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.7,而钻石的折射率是2.42。这就是说,光在水中的传播速度为每秒约224,000公里,在玻璃中为每秒约176,000公里,在钻石中只有每秒约123,200公里。

    粒子的运动速度不能快于每秒约300,000公里,但是,即使在水中,它们也确实能够以每秒约256,000公里的速度运动。当它们的速度这样大时,它们在水中的行进速度就超过水中的光速了。事实上,除了在真空中以外,粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过那种媒质中的光速。

    在非真空媒质中运动得比光快的粒子,会发出一种蓝光作为它的尾迹。这种尾迹的角度大小,取决于这个粒子在媒质中的速度比光在同一媒质中的速度快多少。

    最先观察到比光快的粒子所发射出的这种蓝光的,是一个名叫巴维尔·切伦科夫的俄国物理学家,他在1934年报道了这件事。因此,这种光就被称为“切伦科夫辐射”。1937年,另外两个俄国物理学家——伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆——把这种光同粒子和光在那种媒质中的相对速度联系起来,从而解释了为什么会有这种光。结果,这三个人获得了1958年的诺贝尔物理学奖。

    人们已经设计出一种特殊的仪器——切伦科夫计数器,用来探测这种辐射,并测定它的强度和发射方向。

    切伦科夫计数器特别有用,因为它只对速度非常高的粒子才起作用,并且很容易根据这种光的发射角度估计出这些粒子的速度。能量极高的宇宙线的运动速度已经非常接近真空中的光速,因此,它们就是在空气中也会产生切伦科夫辐射。

    快子——这是人们所假设的一种只能以超过真空中光速的速度运动的粒子——即使在真空中也应该会留下一道非常短暂的闪光。因此,物理学家希望能依靠探测这种切伦科夫辐射,来证明快子是确实存在的(如果它真的存在的话)。
第51节
    爱因斯坦的狭义相对论有一个要求:我们宇宙中所存在的一切物体,都无法以超过真空中的光速的相对速度运动。单是为了迫使物体达到光速,就得花费无限多的能量,而要把它推动到超过光速,就需要花费比无限多还要多的能量,这简直是无法思议的了。

    不过,让我们暂时假定有一个物体正在以超过光速的速度运动。

    光的速度是每秒约300,000公里,那么,要是有某个质量为1公斤、长度为1厘米的物体以每秒约424,000公里的速度运动,会发生什么情况呢?如果我们应用爱因斯坦的方程,它就会告诉我们说,这时物体的质量将等于(负的负1的平方根)公斤,它的长度将变成(负1的平方根)厘米。

    换句话说,任何一个运动得比光还快的物体,都会具有必须用数学上所谓“虚数”(参看问题6)来表示的质量和长度。我们没有任何办法把用虚数表示的质量和长度具体化,所以,大家就很容易认为,这样的东西既然是无法想象的,它们就不会存在了。

    但是,1967年,美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格却认为很有希望把那样的质量和长度具体化(范伯格并不是最先提出快子的人,这种粒子是比拉纽克和苏达珊最先假定的,但是,范伯格推广了这种概念)。也许,由“虚数”表示的质量和长度只不过是一种描述具有(让我们说是)负重力的物体的办法——这种物体同我们这个宇宙中的物质并不是靠万有引力互相吸引,而是互相排斥。

    范伯格把这种比光还要快的、

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