質能關係是普適的關係,牛頓力學計算出來的動能關係式只是質能關係的低速極限。不必是隻有高速情況下才有質能關係。在無引力情形下,狹義相對論具有高度普適性。其普適性體現在,狹義相對論既能與力學理論相適配,又能與場論相適配。電磁理論是狹義相對論協變,楊米爾斯理論也是如此。
這裡的m是動質量。按照質能關係有
兩邊微分得
這就得到了質量與速度之間的數學關係式
積分得到質速關係
兩邊取指數有
現在帶回到質能關係有
注意這個式子不是動能關係式,而是能量-質量-速度關係式。很明顯如果速度v=c,那麼就存在發散困難。消除發散困難的辦法是,對於速度大小為光速的物質,其靜止質量為0。這就導致一個問題出現,靜止質量是相對論不變數,它是物質屬性的反映。一個物體靜止質量不為零,那麼它的速度大小就一定不能等於光速。這裡有一個地方要注意一下,那就是小編人為地扔掉了下面這個情況
由於種種原因,我們不相信存在超光速。所以這個解就扔掉了。
下面回到正題,狹義相對論的低速極限是什麼。根據狹義相對論我們能得到物體的動能為
很明顯當速度大小v=0的時候,T=0。現在我們來看看當0<v<<c的時候有什麼結論。做泰勒展開有
因此在低速極限下,物體動能退化為
第一項就是牛頓力學的動能關係式,而後面的修正項是十分小的,對於速度大小1km/s的數量級第二項帶來的修正百分比為10^(-11)量級,由此可見我們現在的宇宙飛船還不足以考慮相對論修正。如果我們設定第二項帶來的修正百分比為1%時就要考慮相對論修正,那麼這時候的速度大小為0.115c,也就是十分之一倍光速時,相對論效應才比較明顯,這個速率恰恰和α粒子的速率相當。換言之,研究α粒子如果不考慮相對論效應,那麼就出現問題。對於像β粒子,其相對論修正就大得厲害了,這時候就不考慮一級修正的事兒了,而是直接用相對論。
當然還有一種方法來理解相對論的低速極限。考慮能量-動量關係式。
如果設定動量為0的時候能量為靜止能量,那麼有
如果不這樣設定,會有別的形式,比如設定能量為0的時候動量為靜止質量乘以光速,那麼就得到了另一個形式。
根據上面的式子可以得出動能為
低速極限時候很明顯有m—>m0,所以退化為牛頓力學的動能-動量關係。
當然如果把能-動關係代入動能-動量關係式,我們也可以給出動能-動量關係式的相對論修正
於是有
看得出來,當動量比靜止質量與光速的乘積要小得多的時候,相對論修正仍然是不明顯,但是對於高能粒子而言,就必須考慮相對論修正,甚至是直接使用相對論能動關係。
由此可見質能關係不僅僅適用於高速運動粒子,也適用低速運動的宏觀物體。
質能關係是普適的關係,牛頓力學計算出來的動能關係式只是質能關係的低速極限。不必是隻有高速情況下才有質能關係。在無引力情形下,狹義相對論具有高度普適性。其普適性體現在,狹義相對論既能與力學理論相適配,又能與場論相適配。電磁理論是狹義相對論協變,楊米爾斯理論也是如此。
這裡的m是動質量。按照質能關係有
兩邊微分得
這就得到了質量與速度之間的數學關係式
積分得到質速關係
兩邊取指數有
現在帶回到質能關係有
注意這個式子不是動能關係式,而是能量-質量-速度關係式。很明顯如果速度v=c,那麼就存在發散困難。消除發散困難的辦法是,對於速度大小為光速的物質,其靜止質量為0。這就導致一個問題出現,靜止質量是相對論不變數,它是物質屬性的反映。一個物體靜止質量不為零,那麼它的速度大小就一定不能等於光速。這裡有一個地方要注意一下,那就是小編人為地扔掉了下面這個情況
由於種種原因,我們不相信存在超光速。所以這個解就扔掉了。
下面回到正題,狹義相對論的低速極限是什麼。根據狹義相對論我們能得到物體的動能為
很明顯當速度大小v=0的時候,T=0。現在我們來看看當0<v<<c的時候有什麼結論。做泰勒展開有
因此在低速極限下,物體動能退化為
第一項就是牛頓力學的動能關係式,而後面的修正項是十分小的,對於速度大小1km/s的數量級第二項帶來的修正百分比為10^(-11)量級,由此可見我們現在的宇宙飛船還不足以考慮相對論修正。如果我們設定第二項帶來的修正百分比為1%時就要考慮相對論修正,那麼這時候的速度大小為0.115c,也就是十分之一倍光速時,相對論效應才比較明顯,這個速率恰恰和α粒子的速率相當。換言之,研究α粒子如果不考慮相對論效應,那麼就出現問題。對於像β粒子,其相對論修正就大得厲害了,這時候就不考慮一級修正的事兒了,而是直接用相對論。
當然還有一種方法來理解相對論的低速極限。考慮能量-動量關係式。
如果設定動量為0的時候能量為靜止能量,那麼有
如果不這樣設定,會有別的形式,比如設定能量為0的時候動量為靜止質量乘以光速,那麼就得到了另一個形式。
根據上面的式子可以得出動能為
低速極限時候很明顯有m—>m0,所以退化為牛頓力學的動能-動量關係。
當然如果把能-動關係代入動能-動量關係式,我們也可以給出動能-動量關係式的相對論修正
於是有
看得出來,當動量比靜止質量與光速的乘積要小得多的時候,相對論修正仍然是不明顯,但是對於高能粒子而言,就必須考慮相對論修正,甚至是直接使用相對論能動關係。
由此可見質能關係不僅僅適用於高速運動粒子,也適用低速運動的宏觀物體。