假如你是一位賽車手，想要超過對(duì)手，就需要狠踩油門，讓汽車加速?？墒且坏┧砷_油門，速度就會(huì)因?yàn)榭諝庾枇εc機(jī)械零件、輪胎和地面等等各種摩擦力變慢下來。其實(shí)在這個(gè)過程中發(fā)生著這么幾件事。
汽油是具有能量的，它在發(fā)動(dòng)機(jī)里面燃燒就是在釋放能量。其中釋放出來的能量就有一部分變成了汽車的能量。汽車的速度越快所具有的能量就越大，所以狠狠踩下油門的時(shí)候汽車才會(huì)變的更快，因?yàn)橛懈嗟钠腿紵嗟哪芰哭D(zhuǎn)化成汽車運(yùn)動(dòng)的能量，也就是動(dòng)能。
最后不踩油門汽車又會(huì)變的慢下來，這是因?yàn)楦鞣N阻力把汽車的動(dòng)能變成了熱能。摩擦生熱的道理大家應(yīng)該都是知道的，就是因?yàn)槟Σ辽鸁?，空氣的阻力，機(jī)械零件之間，輪胎和地面之間，都會(huì)產(chǎn)生熱量，并且這些熱量的來源就是汽車運(yùn)動(dòng)所具有的能量。
接下來就需要大家想想看，汽車停下來是因?yàn)楦鞣N的摩擦力，那么我們假設(shè)一下，假如沒有這些摩擦力了，又會(huì)如何呢？沒有摩擦力了，運(yùn)動(dòng)的能量——?jiǎng)幽?，它就不?huì)轉(zhuǎn)化成熱能了，那么是不是說汽車就永遠(yuǎn)不會(huì)停下來呢？沒有錯(cuò)，就是這樣。大家可以看看我們天空中的太陽，我們都知道太陽會(huì)東升西落，其實(shí)是地球在繞著太陽旋轉(zhuǎn)，而且還是繞了幾十億年，現(xiàn)在仍然在轉(zhuǎn)，就是因?yàn)橛钪嬷袥]有這樣那樣的阻力，所以地球的動(dòng)能依舊是動(dòng)能，它的速度也還是那么快。
前面你已經(jīng)聽了那么多有關(guān)相對(duì)論的內(nèi)容了，那么對(duì)速度一定是非常敏感的，這次我們又從能量的角度提到了速度，那相對(duì)論會(huì)不會(huì)在能量方面又帶來什么顛覆性的觀點(diǎn)呢？
我們先來看這樣一個(gè)情況。在未來，經(jīng)過了幾百年的科技發(fā)展，人類發(fā)明出來了一種特殊的宇宙飛船，可以利用宇宙中的宇宙塵埃來產(chǎn)生能量，換句話說就是這艘宇宙飛船有可以有無限多的能量，只要需要就可以一直踩下“油門”給宇宙飛船提供動(dòng)力，就像是一個(gè)永不熄滅的火箭。我們假設(shè)這個(gè)飛船從地球發(fā)射，它就一直用最大的動(dòng)力向前前進(jìn)。那么最后發(fā)生呢？
宇宙空間中是沒有阻力的，也就是說已經(jīng)變成飛船動(dòng)能的能量是不會(huì)變成熱量被消散掉的。那樣的話，通過消耗宇宙塵埃產(chǎn)生的能量就可以一直給飛船提供動(dòng)能，讓飛船越來越快。沒錯(cuò)，就是越來越快。你是不是對(duì)這個(gè)詞會(huì)非常非常地敏感呢？真的可以越來越快嗎？甚至可以超過光速？
當(dāng)然不行，在相對(duì)論中，是不可能超過光速的。那就出現(xiàn)問題了。我們都知道，消耗一公斤燃料帶來的能量，就應(yīng)該給飛船帶來相應(yīng)的一公斤燃料的動(dòng)能。飛船的速度會(huì)一直變快，假如真的達(dá)到光速了，問題也就出現(xiàn)了。這個(gè)是時(shí)候繼續(xù)提供燃料，繼續(xù)給飛船提供動(dòng)能，根據(jù)相對(duì)論，飛船仍然無法變快，否則就超過光速了。那么，這部分燃料消耗后的能量那里去了呢？憑空消失了嗎？
我們都應(yīng)該知道一個(gè)非常非?；镜囊?guī)律，那就是能量守恒，全宇宙的能量就這么多，不能增加也不能減少，只能是從一種能量變成另外一種能量。就像我們?nèi)?，可以運(yùn)動(dòng)可以思考，這些能量來自于食物，食物的能量呢？歸根結(jié)底是來自于植物，植物的能量呢來自于太陽，太陽的能量呢，來自于宇宙誕生之初。再往前宇宙誕生的能量來自于哪里，科學(xué)家們也不知道了。不過，可以確定的是，能量從前一種狀態(tài)變成后一種狀態(tài)，總量是不會(huì)發(fā)生任何變化的，一點(diǎn)不多，一點(diǎn)不少。這也就是能量守恒定律了。
到現(xiàn)在，相對(duì)論和能量守恒定律看起來發(fā)生了矛盾，那相對(duì)論會(huì)不會(huì)就像是顛覆時(shí)間不變這個(gè)基本物理規(guī)律一樣，一下顛覆另一個(gè)基本規(guī)律，也就是顛覆能量守恒定律呢？貌似真的是這樣子的。不過還不用著急下結(jié)論，因?yàn)闆Q定運(yùn)動(dòng)能量的不只是速度，還有另外一個(gè)物理量。會(huì)不會(huì)燃料燃燒消耗的能量的確全部轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，只不過不是體現(xiàn)在速度上，而是體現(xiàn)在了另一個(gè)物理量上了。這個(gè)和動(dòng)能息息相關(guān)的另一個(gè)物理量，就是我們已經(jīng)很熟悉的質(zhì)量了。
這一點(diǎn)很好理解，你去推一個(gè)小車，如果是空的，就很容易推動(dòng)，可是里面如果裝滿了東西，就很難推動(dòng)。汽車也是這樣子，如果是空的，那么踩下油門，速度就會(huì)很短時(shí)間就變得很快，可是如果汽車裝滿了東西，很重，那么踩下油門，消耗同樣多的汽油，汽車的速度也不會(huì)很快。這其實(shí)就可以看出，同樣的動(dòng)能，也就是汽車消耗了同樣多的汽油，那么質(zhì)量越大速度越慢，質(zhì)量越小速度越快，但是兩種情況的動(dòng)能都是相同的，都等于那么多汽油消耗完之后轉(zhuǎn)化成為的動(dòng)能。
這樣子看來，我們剛才想到的相對(duì)論和能量守恒的矛盾還有緩和的余地，或許真的有可能速度不增加但是動(dòng)能還可以繼續(xù)增加，如果那樣的話就是宇宙飛船的質(zhì)量增加了?？墒?，質(zhì)量可以隨便就發(fā)生變化嗎？我們前面講過，質(zhì)量是代表了一個(gè)東西所包含的物質(zhì)的多少，難道一個(gè)東西的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同所包含的物質(zhì)多少就會(huì)發(fā)生變化嗎？靜止的汽車比起運(yùn)動(dòng)的汽車難道就需要使用更少的材料？這好像說不通啊。而且，幾百年來人們各種各樣的實(shí)驗(yàn)也都證明質(zhì)量是守恒的。
相對(duì)論帶來這樣一個(gè)麻煩的問題，如果它真的是正確的話，那么要么是能量守恒出現(xiàn)了問題，要么是質(zhì)量守恒出現(xiàn)了問題。這兩個(gè)定律還都是經(jīng)過幾百年來的實(shí)踐驗(yàn)證過的，都可以非常有效地幫人們解決身邊的各種問題。到底選擇放棄哪一個(gè)，的確是一個(gè)比較糾結(jié)的問題。
愛因斯坦的選擇是繼續(xù)保留能量守恒，放棄質(zhì)量守恒。愛因斯坦為什么這么選呢？這個(gè)還需要從科學(xué)的一個(gè)基本原則開始說起了，那就是奧卡姆剃刀原理。這是由14世紀(jì)一位在英國奧卡姆這個(gè)地方的哲學(xué)家最先提出了的，用最簡(jiǎn)單的語音表述的話，就是“如無必要勿增實(shí)體”。什么意思呢？就像是你做一道數(shù)學(xué)題，解題思路有很多，有的思路解起題來很簡(jiǎn)單，有的就很復(fù)雜。如果只是沖著最后答案來說，不同的思路結(jié)果都是一樣的，因?yàn)樽詈蟮拇鸢付际且粯拥?。但是根?jù)奧卡姆剃刀原理，就認(rèn)為更簡(jiǎn)單的思路更好，因而保留更簡(jiǎn)單的思路。
看起來這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的道理，沒有必要這樣大張旗鼓地來講，而且還要為這個(gè)簡(jiǎn)單道理起一個(gè)聽起來很唬人的名字——奧卡姆剃刀，也就是專門把那些復(fù)雜的思路給剃掉的原理。道理是簡(jiǎn)單的、，但是真的在現(xiàn)實(shí)中就沒有那么容易了。最經(jīng)典的一個(gè)例子就是地心說和日心說，它們誰是對(duì)的，誰是錯(cuò)的呢？如果只是從答案本身來說，都沒有問題，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，同樣也可以說太陽繞著地球轉(zhuǎn)。關(guān)鍵問題是，如果把太陽當(dāng)做是中心，金星啊，火星啊，這些行星也會(huì)很好描述，它們的軌道和地球一樣是以太陽為中心的橢圓?？墒欠催^來呢？要是地球?yàn)橹行牡脑?，這些行星的軌道可就復(fù)雜很多了，大家可以看一下下面這個(gè)圖，就是地心說中這些行星的軌道，是不是非常的復(fù)雜呢。所以，根據(jù)奧卡姆剃刀原理，日心說就是對(duì)的，地心說就不對(duì)了。
擺在愛因斯坦面前的也是類似的選擇，如果相對(duì)論是對(duì)的話，是選擇放棄能量守恒更簡(jiǎn)單呢？還是放棄質(zhì)量守恒更簡(jiǎn)單呢？愛因斯坦選擇的是放棄了質(zhì)量守恒，現(xiàn)在來看相對(duì)論的確是對(duì)的，他這樣的選擇也沒有錯(cuò)，的確是放棄質(zhì)量守恒更簡(jiǎn)單一些。
我們前面講過，科學(xué)研究中只是簡(jiǎn)單地有一個(gè)想法很容易，就像是玩魔方，難的是你為了將一邊的顏色拼成一樣的，轉(zhuǎn)動(dòng)了一下，可是卻又把另外一邊已經(jīng)拼好的部分全部打亂了。相對(duì)論提出來了，可以解釋為什么邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)中光速不變。這算是把魔方的一面拼出來了，但是會(huì)有連鎖反應(yīng)啊，魔方的另一面卻可能會(huì)被打破，能量守恒和質(zhì)量守恒必須放棄一個(gè)。放棄哪一個(gè)呢？我們可以大膽地猜想，或許放棄任何一個(gè)都可以發(fā)展處一套自圓其說的理論。不過現(xiàn)在來看放棄質(zhì)量守恒會(huì)更容易一些，所以根據(jù)奧卡姆剃刀原理，放棄質(zhì)量守恒會(huì)更正確，對(duì)現(xiàn)有的相關(guān)科學(xué)體系改動(dòng)最小。
所以，如果相對(duì)論是正確的，并且能量守恒也是正確的，那么質(zhì)量就不再守恒了。質(zhì)量會(huì)隨著速度的增加而發(fā)生改變。用同一個(gè)大小不變的力氣向前去推一個(gè)東西，這個(gè)東西的速度就會(huì)變得越來越快，速度變快的同時(shí)，質(zhì)量也會(huì)增加。而且這些變化還不是均勻的，隨著速度越來越快，越來越接近光速，速度變快的速度就會(huì)減慢了，而質(zhì)量的增加也會(huì)變得更快。只要這個(gè)東西，最開始的時(shí)候有質(zhì)量，那么當(dāng)它增加到了光速的時(shí)候，質(zhì)量都會(huì)變成無窮大。無窮大的質(zhì)量是不可能存在的，所以任何一個(gè)靜止時(shí)有質(zhì)量的物體，都不可能被加速到完全等于光速，只能無限接近。而光線之所以能以光速運(yùn)行，是因?yàn)楣庾屿o止時(shí)是沒有質(zhì)量的，而它也永遠(yuǎn)也不會(huì)停下來，或是變慢一些。
于是，通過相對(duì)論就可以得出這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的公式。我們還是用飛船來舉例，并且假設(shè)沒有額外的能量流失，飛船上消耗燃料的能量=飛船動(dòng)能的改變，飛船動(dòng)能的改變=速度改變帶來的能量變化 質(zhì)量改變帶來的能量變化。所以，很自然的就會(huì)有這樣的結(jié)論了——質(zhì)量改變是會(huì)帶來能量改變的。那么，具體來看一下，質(zhì)量每增加1g會(huì)帶來多少能量的改變呢？通過相對(duì)論的公式進(jìn)行計(jì)算之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每增加1g的質(zhì)量帶來的能量改變是：1g的質(zhì)量乘以光速的平方，也就是1g乘以30萬公里每秒，再乘以一個(gè)30萬公里每秒，就是對(duì)應(yīng)的能量改變的大小了。如果用M代表質(zhì)量，C代表光速，E代表能量，這個(gè)公式寫出來就是E=MC2，偉大的質(zhì)能方式就誕生了。質(zhì)是質(zhì)量的質(zhì)，能是能量的能。
既然這樣的方程已經(jīng)出現(xiàn)了，那么我們很容易就會(huì)去想，如果不是增加1g的質(zhì)量，而是減少1g的質(zhì)量會(huì)發(fā)生什么呢？是不是就會(huì)釋放出對(duì)應(yīng)那么多的能量呢？可以帶來質(zhì)量改變的只能是動(dòng)能嗎？其他形式的能量，比如化學(xué)能，熱能等等，是不是也會(huì)帶來質(zhì)量的改變呢？我們下次再來一起討論吧。
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