你知道吗--现代科学中的100个问题-第15章

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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、具有虚质量和虚长度的粒子称为“快子”。要是我们假定这种快子能够存在，那么，它是不是能够按另一种方式来遵循爱因斯坦方程的要求呢？

　　　　显然，快子是会这样的。我们可以描绘出比光跑得还要快，但却遵循相对论要求的快子所构成的整个宇宙。不过，为了使快子能够做到这一点，在涉及能量和速度的时候，情况就会同我们通常所习惯的情况相反。

　　　　在我们这个“慢宇宙”中，不运动的物体的能量等于零，但是，当它获得能量时，它就运动得越来越快，如果它得到的能量无限大，它就会被加速而达到光的速度。在“快宇宙”中，能量等于零的快子以无限大的速度进行运动，它所得到的能量越大，它的运动就越慢，到能量为无限大时，它的速度就降低到光速。

　　　　在我们这个慢字宙中，一个物体在任何条件下都不能运动得比光快。而在快宇宙中，一个快子在任何条件下都不能运动得比光慢。光速是这两个宇宙之间的界线，它是不能超越的。

　　　　但是，快子是不是真的存在呢？我们可以断言说，有可能存在着一个并不违反爱因斯坦理论的快宇宙，不过，有可能存在并不一定就等于存在。

　　　　探测快宇宙的一种可能的途径，就是要考虑到如果有一个快子以超光速通过真空而运动，那么，在它飞过时就必定会留下一道有