“達(dá)到”這個(gè)詞,讓人感覺(jué)有一個(gè)加速的過(guò)程,從零逐漸增加,最后到光速。但是光不會(huì)“達(dá)到”光速,因?yàn)楣獾乃俣扔肋h(yuǎn)不會(huì)低于光速(這里說(shuō)的是真空中,在介質(zhì)里光速會(huì)降低,變成真空光速除以這種介質(zhì)的折射率)。當(dāng)然,也不會(huì)高于光速。
光的速度就是一個(gè)定值,——光速,大約每秒30萬(wàn)公里。這就是為什么“光速”是一個(gè)自然界的基本常數(shù),而“你的速度”或者“一輛汽車的速度”不是自然界的基本常數(shù),因?yàn)檫@些速度是可變的,而光速不變。
為什么你日常見(jiàn)到的物體速度會(huì)改變,會(huì)從零逐漸變化,而光卻不會(huì)?因?yàn)檫@是狹義相對(duì)論決定的。
狹義相對(duì)論里,每一個(gè)物體都有一個(gè)“靜質(zhì)量”m0,就是它在靜止時(shí)的質(zhì)量,然后,當(dāng)它運(yùn)動(dòng)起來(lái)時(shí),質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化,——這是完全超越日常經(jīng)驗(yàn)的,但卻經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)!變成什么呢?
當(dāng)速度為v時(shí),“動(dòng)質(zhì)量”m = m0 / sqrt(1 - v^2/c^2),這里sqrt表示“開(kāi)根號(hào)”,^2表示“平方”,c是光速。
當(dāng)v很小時(shí),v^2/c^2接近于0,1 - v^2/c^2接近于1,sqrt(1 - v^2/c^2)也接近于1,m接近于m0,也就是說(shuō),動(dòng)質(zhì)量跟靜質(zhì)量沒(méi)有多少差別。多小算“很小”呢?你要考慮到光速是30萬(wàn)公里每秒,我們?nèi)粘K?jiàn)的速度跟它相比都差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。比如高鐵列車,假設(shè)在以360公里每小時(shí)的運(yùn)行(比最近要恢復(fù)的350還高一點(diǎn)),就是0.1公里每秒(一小時(shí)是3600秒),這個(gè)v只是c的300萬(wàn)分之一!在這個(gè)速度下,質(zhì)量的變化只有幾萬(wàn)億分之一的量級(jí),無(wú)法察覺(jué)。即使是以第一宇宙速度環(huán)繞地球的衛(wèi)星,速度也不過(guò)是7.9公里每秒,雖然比高鐵快多了,跟光速相比還是可以忽略不計(jì)。
但是當(dāng)v接近光速時(shí),動(dòng)質(zhì)量跟靜質(zhì)量的差別就顯示出來(lái)了。例如v = c/2,這時(shí)你會(huì)算出m = 2/sqrt(3) m0 = 1.155 m0。如果v = 0.9 c,就有m = 2.294 m0。而如果v = 0.99 c呢?這時(shí)m = 7.089 m0。隨著速度接近光速,動(dòng)質(zhì)量迅速地增大。
如果速度達(dá)到光速了,會(huì)怎么樣呢?這個(gè)公式告訴你,動(dòng)質(zhì)量會(huì)變成無(wú)窮大。
但這實(shí)際上是不可能發(fā)生的事情!因?yàn)橘|(zhì)量越大,要再加速,需要外界給它的能量就越多。到接近光速的時(shí)候,你給它天文數(shù)字的能量,也只能讓它的速度增加一點(diǎn)點(diǎn),仍然達(dá)不到光速。而你能提供的能量總是有限的。
因此,如果一個(gè)物體的靜質(zhì)量不為零,你就永遠(yuǎn)不可能把它加速到光速。
但是,還有另一種情況。如果一個(gè)物體的靜質(zhì)量為零呢?這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn),如果它的速度低于光速,動(dòng)質(zhì)量就必然是0,因?yàn)閙0 / sqrt(1 - v^2/c^2)這個(gè)分式中,分子為零,分母不為零。但這又是不可能發(fā)生的事。因?yàn)榘凑障鄬?duì)論的質(zhì)能關(guān)系,E = m c^2,能量等于動(dòng)質(zhì)量乘以光速的平方,如果動(dòng)質(zhì)量為零,這個(gè)物體的能量就是零了,它怎么可能既在運(yùn)動(dòng)又能量為零呢?
所以,唯一合理的情況,就是這個(gè)物體的靜質(zhì)量為零,但動(dòng)質(zhì)量不為零。這種情況怎么可能出現(xiàn)?只能要求m0 / sqrt(1 - v^2/c^2)這個(gè)分式的分子分母都等于0,也就是說(shuō),v只能等于c。
因此,靜質(zhì)量為零的物體,只能以光速運(yùn)動(dòng),速度不可能降到光速以下。
光是什么樣的物體?就是這種靜質(zhì)量為零、動(dòng)質(zhì)量不為零、只能以光速運(yùn)動(dòng)的物體。
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