《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第32节作者:
一朵熊ss 日期:2014-12-14 18:08:06
质量与能量
要回答上面的问题,让我们首先设计一个思想实验,把宏观低速的牛顿王国与微观高速的爱因斯坦时空联系起来,看看会产生怎样奇妙的结果。
如图,左边是一块固定不动的钢板,在与其相距1000米处有一把手枪,扣动扳机,子『弹』将以固定的速率沿水平方向飞行,直至嵌入或击穿钢板。现假设子『弹』的速率为1000米/秒,那么在相对静止的旁观者眼中,扣动扳机1秒之后,子『弹』将触到钢板表层。根据牛顿定律,钢板受到冲击的强弱取决于子『弹』的动量p,动量越大,子『弹』嵌入越深,当动量达到一定程度,子『弹』将穿透挡板继续前行。
以上是我们再熟悉不过的宏观场景,现在,轮到听命于爱因斯坦的微型飞船 “δ子号”登场了。假设δ子的γ因子恒定为100,令其沿着垂直于弹道的方向匀速向纸面下方狂奔。当δ子掠过机枪时,子『弹』刚好射出;前文专门强调过:运动物体周围的空间只在平行于运动的方向上发生收缩,因此,对于垂直于δ子飞行轨迹的子『弹』来说,它在脱离枪膛时距离钢板依然是1000米。但同时,γ因子的另一种魔力——延缓时间——却在悄悄发挥着效用。
当周围的一切——钢板、手枪、子『弹』——都以接近光速的速率v从δ子身旁一闪而过时,变身为“延缓因子”的γ忽然将时间的脚步放慢了:在γ看来,子『弹』不再飞行1秒就到达钢板,而是飞行了1*γ=1*100=100秒!而子『弹』的飞行长度依然是1000米,所以,其水平速率也不再是1000米/秒,而减慢到了10米/秒——这相当于人类短跑冠军的冲刺速率——你能想象当冠军奔到终点时在他面前放置一块硬质钢板,他的冲击力足以让自己陷进钢板中吗?10米/秒的速率想要钻穿钢板是远远不够的。
问题出在哪里呢?不同于时间/空间,在静止/运动两组观察者眼中可以各自下定义;子『弹』飞向挡板,布不论从那种角度看,结局都摆在眼前——它确确实实攻陷了铁皮层。
牛顿定律告诉我们,钢板所受的冲击力来自撞击物的动量:p=mv,其大小不仅仅取决于速率,同时还取决于物体本身的质量。既然不论观察者状态如何,子『弹』陷入钢板的深度都相同,就意味着p值不因参照系的变换而改变。那么,当v值减小的时候,运动物体只能依靠将其质量m增大相同的倍数来保证动量的守恒:
运动能够令物体质量大增,这又是一个在古典王国中难以想象的论断。因为,在低速状态下,v/c的比值趋近于零,此时,物体的实际质量M即与m画上了等号。但上式表明,m其实只是物体的“静止质量”——通常,人们也尊称其为“牛顿质量”。而当物体处于高速运动状态之时,比如:当γ=100,物体实际拥有的质量将达到M=γm=100m!
还有更神奇的:当v增大到与光速c相等之时,γ因子的值将增至无穷大,也就是说,物体的实际质量M将变得无限大!现在,你明白为何不论技术多么发达也无法建造“超光速”飞船的原因了么——c是一道无形的关卡,静止质量m不为零的物体,其运动速率只能无限接近c,却永远无法突破它。而越逼近光速,飞船所承载的质量M将呈几何级数倍增长,时时有将其拽入地狱的危险,所以,传说中的“光速飞船”若建成,大概可以直接把它命名为“毁灭号”了。
那光为什么能够悠然自得地以速率c行走在天地间呢?你猜对了,通过现代测量手段,人类最终证实:光之所以能达到速率c,正是因为它根本就没有静止质量!所以,确切地说:c是宇宙中所有无质量粒子所能达到的最高速率——是大自然为所物质打造的终极壁垒。
注:所谓的“光速壁垒”指的是物质在携带信息的情况下所能达到的最大速率,后面你将看到:宇宙大爆炸造成的空间本身的退行速率、不携带信息的微观粒子的穿越速率……人类已经发现了多种“超光速”行迹,但目前为止,皆不违背狭义相对论的初衷。
日期:2014-12-14 18:10:06
如此说来,采用“超光速”回到过去的计划是彻底泡汤了。宇宙那么大,而我们的生命那么短暂,虽然凭借时间延缓效应,来个“银河系三日游”有朝一日也许能够实现,但仅仅是拜访一下近邻,再回到母星,地球上的生灵却早已轮回千年,物是人非……然而,就算是终极壁垒也阻挡不了人类那蓬勃的想象力,强攻不成,我们还可以“曲线救国”——把时空折叠起来,穿越“虫洞”到达彼方;被狭义相对论掐灭的希望火苗在广义相对论中又微微燃起……1909年,即将步入创造力巅峰的闵可夫斯基突然因急性阑尾炎抱憾离世,而此后数年间,与爱因斯坦相互启发、相互竞争着向经典物理的珠穆朗玛——广义相对论——发起冲击的,正是他生前的挚友希尔伯特。
光速无法超越=时间不可逆,有了这一结论,让我们再次回到阿基里斯与乌龟的赛场:悖论中,芝诺实际上是将“追距离”的目标偷换为了“追时间”;乌龟位于阿基里斯前方100米处,发令枪响时,这已是既成事实,此刻起,阿基里斯要跨越100米的距离轻轻容易,但他就算跑得如同光那样快,也跑不回过去——正所谓“往者不可谏,来者犹可追”呐……
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