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  • 1 # 裸猿的故事

    因為質量和動能之間彼此並不真的獨立。

    而在牛頓推導他的動能公式時,他可是萬萬想不到運動中的物體的質量不是一個常數,而是一個隨著速度的變化而不斷變化的一個量,並且運動中的物體的質量變化會與真空光速C之間存在著函式關係,這遠遠超過了牛頓那個時代的經驗,那時候光速究竟是常數還是無限大都還沒有搞清楚呢。

    圖示:伽利略曾經嘗試測量光速,但是距離太近,人類反應時間太慢,鐘錶精確度更是糟糕。所以,那時代的物理學家完全不知道光速究竟有多快。

    能量以多種形式存在,包括化學能,熱能,電磁輻射,重力能,電能,彈效能,核能和靜止能。所有這些能量又可以分為兩大類:勢能和動能。簡單說動能是物體的運動能量,且動能可以在物體之間進行傳遞並轉化為其他種類的能量。

    物理學中存在好幾種關於物體動能的數學描述,對於普通人類經驗中的物體和過程,牛頓力學給出的公式mv²/2 是非常合適的。然而,如果物體的速度與光速相當,則相對論效應變得顯著,此時應該使用相對論動能公式。如果物體屬於原子或亞原子尺度,則量子力學效應變得顯著,就必須採用量子力學的動能公式。

    圖示:狹義相對論的三種匪夷所思的效應

    愛因斯坦和牛頓動能公式的主要區別,本質上是因為在牛頓的公式中,物體的質量和物體的速度之間沒有關係造成的。這在低速宏觀世界中,差不多可以認為是“正確”的或者至少在工程使用的範圍中是適用的,因為真實的質量差異甚至小於測量本身帶來的誤差。

    但是,隨著物體的速度越來越接近光速,比如超過0.9C的情況下,此時運動中的物體的質量的增加就會變得非常顯著,以至於基於靜止質量的牛頓動能公式將不再適用,而必須使用相對論動能公式,才能正確計算出當前物體的動能。

    圖示:狹義相對論動能公式。

    這個公式最大的價值之一是告訴我們 ,當V=C時,動能將變得無限大,這就是為什麼在狹義相對論中,具有靜止質量(m>0)的物體的運動速度不可能達到光速的根本原因。也是引發超光速熱議的關鍵,一直到今天,還有許多物理學愛好者認為牛頓是對的,愛因斯坦錯了 ,因為在牛頓的世界中,太空中無摩擦的情況下,緩慢加速的物體,最終可以達到任意速度,只要時間足夠長就行。

    而愛因斯坦動能公式的另一重大價值,則是得到了著名的質能公式:

    E = mc²

    質能方程的推導,表示能量和質量在更底層的物理世界中可以互相轉變。這個副產品的正確性已經在原子彈和氫彈的爆炸中得到了驗證。

    所以,我們很難認為愛因斯坦的動能公式會一半是對的,另一半是錯的。

    如果質能可以相互轉化,那麼運動中的物體,隨著速度的增加,它的質量也就一定會隨之增加。讓物體運動的力,不僅會讓物體的運動速度上升,同時還導致物體的質量也隨之上升,這意味著要維持物體的加速度不變,需要更大的力。最終當物體的運動速度接近光速時,需要的力也將逐漸逼近無窮大。

    總之,在學習物理的過程中,要記得所有公式,本質上都屬於經驗公式,不是終極真理,不能越過公式適用的範圍去使用它。因為所有公式本質上都來自於人類有限的經驗和實驗資料,而任何實驗資料又都受到實驗精度的限制,當我們將公式計算的結果與實驗資料彼此印證時,誤差總是難免的。但哪些誤差是屬於測量誤差,哪些誤差是本質錯誤,要將兩者分辨出來,是一個大難題。

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