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跟胖哥學物理 質量與時空
在經典物理中,質量定義是最含糊一種說法。質量是物體所含物質的多少,物質是什麼?根據牛頓在《自然哲學的數學原理)一書中,對物質的量下了這樣的定義:“物質的量是用它的密度和體積一起來量度的.所以空氣的密度加倍,體積加倍,它的量就增加到四倍;體積加到三倍,它的量就增加到六倍.因壓緊或液化而凝聚起來的雪、微塵或粉末,以及由任何原因而無論怎樣不同地凝聚起來的所有物體,也都可作同樣的理解。我在以後不論何處稱之為‘物體’或‘質量’的,就是指這個量而言。”
但是,在牛頓力學中,人們發現兩個質量:慣性質量和引力質量。這兩個質量都是根據牛頓力學推到出來的,慣性質量是透過動力學測量的 F=ma,引力質量是透過靜力學測量的F=GMm/RR。我們可以定義標準慣性質量,以求得某物體的慣性質量.同時我們也就定義了力的度量,但卻並不能由此也求得引力質量,因為在G的測量過程中會使用到引力質量,在沒有定義引力質量的度量之前,G並不能確立其值,同時M實際上也是引力質量.所以我們只能再定義標準引力質量,以求得該物體的引力質量。
其實,如果我們稍微思考一下,慣性質量和引力質量都是在一種低速條件下,人類關注問題不一樣出現。一個關注是物體改變運動一種能力,一個關注是天體之間一種吸引能力。其實從時空來看,雖然本質一樣,但是時空已經發到一個大變化。、慣性質量是描物體慣性大小的量,也可以理解為物體產生慣性大小的能力。引力質量是描述物體產生萬有引力大小的量,也可以理解為物體產生引力大小的能力。
有一個有趣問題,在經典力學,引力也是產生加速度原因,因此引力質量和慣性質量是統一的。當慣性質量與引力質量成正比時,我們總可以適當選取這兩個標準質量,使慣性質量與引力質量相等。
後來有了愛因斯坦的相對論,質能方程方程式:E = mc^2,從狹義相對論來看,質量和能量都是同一事物的不同表現形式。物質具有固有的能量,質量可以在一定的條件下被轉化為能量,並且能量可以用來創造以前不存在的物體。
其實,根據愛因斯坦觀點,能量和物質是可以相互轉化的。不如這種轉化是有條件的,譬如能量轉化為物質,大家都同意現在宇宙一切物質都是在宇宙大爆炸是由能量形成的。而且人類已經有了一種共識,在能量轉移過程中是把能量轉化成兩個正反物質。這個觀點人類已經在高速粒子加速器找到實驗來驗證。能量向物質的轉變並不容易,目前人類可以在高能高能粒子加速器中實現這一目的。例如在大型粒子加速器中,可以讓一個獲得了足夠高能量的電子和光子相撞,這樣就可以製造出新的電子和光子,同時還可以製造出一對正反物質粒子。
同樣的,物質要轉化成能量,並不是我們常見一個物質突然消失,變成一種能量。那樣話,物質尺度是如何轉化成的呢?筆者有一個基本觀點,正反兩種物質,就是都是有相反粒子構成的,他們基本自旋和正反性剛好相反,這樣剛好把幾何尺度上峰谷平衡,從而只以一種光子形式嚮往輻射了能量。此時,物質空間體積被消滅,但是依然滿足能量和質量守恆定律。也就是不管怎麼發展,宇宙爆炸後總質能是守恆的。呵呵,這個觀點已經超越能量守恆和質量守恆。
也就是說,物體質量只能是一種時空表現形式,當物質轉化成一種能量時,時空變消失了。能量以光子形式很快充滿空間,也延伸到無窮時間。其實,時間本來就是一個人為概念。如果時間存在,那麼四維時空中,質能如何穿越,空間扭曲讓空間分佈不均勻,那麼時間呢?能扭曲麼?
1905年愛因斯坦發表了一篇探討光線在狹義相對論中,重力和加速度關係,第一次引入慣性質量和引力質量概念。1912年,愛因斯坦發表了另外一篇論文,探討如何將重力場用幾何的語言來描述。至此,廣義相對論的運動學出現了。到了1915年,愛因斯坦引力場方程發表了出來,整個廣義相對論的動力學才終於完成。在他的廣義相對論中,他第一次提出重力其實是空間一種扭曲,而物體質量於物體速度有關係,當物質速度增大時,物體質量會增加,此時物體在時空中長度會減小,時間會變慢,這在物理學上叫做尺縮效應。
尺縮效應,質量增加的變化應該相同,但結果是引力場中物體重量增加而質量沒有增加,那麼是質能方程正確廣義相對論有錯了,如果廣義相對論正確那麼是質能方程有錯了,物體高速運動時增加的是重量而不是質量,實驗證實在迴旋加速器中高速運動的粒子壽命延長即時間變慢,質量增加,但為什麼不能說是重量增加呢,因為質量是反映了物質的數量,而構成粒子的粒子數量沒有變化,質量不應該發生變化,應該說愛因斯坦廣義相對論沒有錯,兩個氫原子結合發出能量後是重量減少,而不是質量減少。
那麼當運動速度增大後,作為座標系的時空是如何變化的呢?
假如現在有個座標系A(x,y,z,t),這幾個座標軸上都標著刻度,舊的時空觀認為不管這個座標系如何運動,這個座標系中的刻度間隔是不會變化的,也就是說一米的長度永遠對應一米,一秒的間隔永遠對應一秒,不會改變;如果說你人本身在這個參考系A中,那你觀察到的結論確實是這樣的。
但如果你跳出這個座標系,比如你處在另外一個座標系B中(B中也有和A中相同的刻度),情況就大不相同了。假設原先那個A與B相對高速運動,你比較一下兩個座標系對應的刻度,就會發現那邊原先認為的一米比你這邊的一米短(尺縮效應),那邊的一秒比這邊的一秒慢(鐘慢效應),也就是說A的時空相對於B發生了一定比例的伸縮!
這種伸縮是時空本身的伸縮,也就是說尺還是那把尺,一米還是一米,都沒有變化,變化的是時空本身;這個效應從另外的一個參考系看起來,就是真的尺縮和鐘慢了,相對的時空伸縮在另一個參考系的描述下就是絕對的變短變慢。
某種程度上說,質量改變其實是時空本是伸縮一種變換形式,但是質量改變中一定會伴隨著能量變化,但是宇宙中質能還是守恆的。
2019年3月28日於宜昌吾同齋
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3 # 科學365
而我們在時空中運動的方向並不像現在我們認識的方向一樣,我們運動的方向是一種很廣泛的方向,看起來有點四面八方。但我們為什麼不能達到光速呢?我覺得應該是這樣,光速是一個臨界速度,一旦達到光速我們就會脫離我們現在的宇宙,也就是重新進入另一個時空,在我們的宇宙中也就再也找不到了,所以我認為那些東西只是在我們的時空中消失了,卻存在另一個時空中。
光速是宇宙的極限速度,那為什麼接近光速就可以到達未來?我認為這不難解釋,我們宇宙這個整體現在執行的方向便是一種“廣泛方向”,也就是說我們的四面八方都是他運動的方向,或許你會問這怎麼可能,打個比方,一個二維世界的人的思維裡可以認為他們可以向四個方向運動,但是不能同時在四個方向上運動,而當平面沿其法線方向運動時,他的四周就都發生了運動,這就不難解釋我們現在所說的“廣泛方向”了,也就是說無論我們往哪運動都是沿著我們的基礎速度的方向在運動,速度越大我們就可以越快的來到未來,所以時間旅行也就解釋的通了。
總之歷史在不斷的發展,新的假設也在不斷的產生,從經典時空觀到相對論時空,從牛頓力學到量子力學,未來一切都是未知,讓時空證明這一切。
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宇宙中很多的概念是相對的,就連真空也是!宇宙中所有的物質都產生於所謂的真空!所以時間也是相對的,你活著有意識時才能感覺到時間,你沒出生之前的億億萬年你並不知道!你沒意識也感覺不到了!目前憑藉人的感知還不能完全單純獨立的對時間定義!相對論或許只是讓人類初步意識到了物質時間速度質量相互之間有一定的關聯!但宇宙究竟是怎麼回事,還不知道!