聊聊狭义相对论-第16章
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有什么两样，质量是一样的，寿命也相同。
接下来，1955年，人们又发现了反质子，这种质子带的是负电荷！之后又找到了反中子、反介子……值得一提的是，反∑超子的发现要归功到我们国人的身上——1959年中国科学家王淦昌填补了这一个空白（我们应该为此自豪，也应该以此为榜样！）。
最令人振奋的是，1996年1月，当西方人还沉浸在圣诞节的悠闲假期时，一条爆炸性的新闻响彻全球，各大媒体纷纷跟进报道——CERN奥勒特研究小组的科学家们制造出了人类首批“反氢原子”！这是第一次真正意义上的反物质（对于CERN，就是我们前面说到的那个欧洲粒子物理研究所）！次年，美国费米国立加速器实验室也成功地制造出了“反氢原子”！
从理论到实践，从预言到现实，人类将自己的聪明才智发挥到了及至。这是人类科学理论的又一次伟大胜利！向人类致敬！向科学致敬！我们有信心，也有理由走得更远！
现在，几乎每一种粒子，人们都已经找到了它的反粒子！不过，要真正制造出一个“反你”来，却还有很长的路要走呢！
但是，既然反物质是存在的，为什么我们一直都没有发现、没有遇到呢？我们周边都是物质来的呀？反物质又藏在哪里呢？这确实是一个问题，一个到现在还令物理学家头疼的大问题。为什么我们的宇宙中物质这么多，而反物质却那么少？这到现在都还没有确切的答案！是反物质集中在另一个地方，我们没有发现吗？很有可能！ 1997年科学家宣布在银河系中心附近发现了“银心反物质喷泉”现象，这极大地震撼了整个物理学界！1998年，美籍华人科学家、诺贝尔奖得主丁肇中领衔的AMS（Alpha Magnetic Spectrometer）计划，将试图寻找宇宙中的反物质。AMS计划是一个大型国际合作项目，共有美国、意大利、瑞士、中国、法国、德国等10多个国家、50多所高校和科研院所参加。值得关注的是，中国的东南大学、山东大学、中山大学、上海交通大学、中科院电工所等单位近期还加入了AMS科研项目。
物质和反物质具有这么一种特性：只要它们一碰头，就立即会湮灭，放射出辐射来。这就有点像梁山伯和祝英台了，生前两隔，相聚之时，竟已化蝶成仙！物质和反物质寻寻觅觅，难得一见，当两家一接触时，却会双双“化蝶”（湮灭），放出巨大的能量！
注意到了吗？这就将是我们将质量完全转化成能量的方法！
想不到物理学竟也存在着浪漫的梁祝姻缘，原来物理学也有甜蜜蜜的时候。
当物质和反物质相碰头的瞬间，就会互相湮灭，完全转化成巨大的辐射能量，不留下一点自身的痕迹。
比方说，当一个正电子和一个负电子（也就是我们“常见”的电子）相碰时，就会转化成一对γ光子，而辐射光子的能量就刚好对应正负电子的质量和与光速平方的乘积。
于是，我们就找到了一个献身的途径！只要找到一个“反你”或者一堆反物质，然后抱到一快，之后就会将你们的质量完全转化成能量了！这次呀，不再仅仅是50公斤了，而还得加上反物质的质量，也就是100公斤！呵呵，这下可以足足烧上两个10^10年了！
不过，这个方法的实现在现在看来依旧还是不太可能的。然而，这又为我们提供了一条新的、无污染的能源途径哟。
在此提醒一下，如果有一天，你偶然见到了“反你”，千万不要跟他握手，否则你们将相互湮灭，成为一堆能量！
而对于反物质和物质的不均衡之谜，如果你有兴趣的话，不妨在本次冒险完了之后，跟“旅游局”联系一下，去做一次反物质之旅！并且期待你的大功告捷！
也许你会问，爱因斯坦说E=mc2，那么这个E究竟指的是什么能量呢，是热能？势能？动能？……
其实呀，当那个质量是静止质量时，我们可以说E就是静能。静能是什么呢？它包括了该物体一切的能量！像物体的分子运动的动能啦，分子间相互作用的势能啦，使原子与原子之间结合到一起的化学能啦，使电子和原子核结合在一块的电磁能啦，原子核的核子间的结合能啦等等，都是包含在静能中！也就是说，E包括了物体里边所有所有的能量！凡是能量都要算进来！所以，一块小小的物质，也可以包含着巨大的能量！
你上面说静止质量，对应着静能。那要是物体在运动呢，它就有速度了呀，那E有得怎么算呀？
也很简单，静能就是物体静止时所具有的一切能量，当它运动起来之时，就多了动能呀，加上去就行了。其实，不是说物体运动时质量会增大吗，只要你用那个“膨胀”后的质量乘以光速的平方，就是这个时候物体所具有的总能量啦！
这个时候，我们另外有一条更加直观、简洁的式子来计算，那就是
E2=m02c^4＋p2c2
这个E呢，就是物体的总能量。m02c^4就是物体静能的平方，而p呢，就是我们熟悉的动量，p=mu，也就是质量乘以速度那个，这里m就是“膨胀”后的质量了。c，大家就熟悉啦，就是光速，那个299792458米每秒，或者说是30万公里每秒。
这就是相对论的能量与动量关系式。
这个式子的得来是非常简单的，只需要用到质速关系式。进行一些变形，就可以弄出来了。不过，这样“艰巨”的任务，还是交给你去完成吧！我相信你是一定可以办到的！加油哟！
看一下这个式子，我们得发扬从物理方程中找物理意义的精神！爱因斯坦曾经说，理论决定了我们所能观察到的东西！呵呵，如此说来，看懂一条方程，你将具有洞察世界的能力！
从能量与动量关系式中，我们可以看到，一个物体的总能量，其实是静能和动能之和。
当p等于0时，也就是说物体的速度u等于0时，E是物体的静能。
那，要是静能等于0呢？
可以存在这样的事情吗？
只要它还有能量，就有可能！因为，虽然你的静能等于0，但方程的右边还有一项！那一项可以不为0！
慢着，静能等于0意味着什么？！那就得静止质量为0！
你疯了？！
竟然想出这样荒唐的事情来！
非也，非也！一点也不荒唐……
先把那个式子再写一遍：
E2=m02c^4＋p2c2
倘若我们让m0等于0，回发生什么事情呢？
意味着E=pc！
意味着那个具有能量E的物质，它没有静止质量，但却在不停地运动！
存在这样的物质吗？！
p等于什么呢？
p=mu呀！而m=m0/√（1…u2/c2）！所以
p＝m0u/√（1…u2/c2）
现在m0＝0啦，而要使得p不等于0，有没有办法呢？
为了使动量p不等于0，注意一下分子、分母，运用极限的思想，当m0不断趋于0时，上面的分子不断趋于０，为了使动量p为有限值，唯一的办法是让下面的分母也不断趋于０！而要使得分母趋于０，就应该让u不断趋于光速c！
所以，当静能为０时，要使得p不等于0，这种物质就得以光速c运动！
这也就是说，无质量的粒子必须以光速运动！
慢着，我似乎想到了什么！
是的，光子！
光子就是这种以光速运动却静质量为零的粒子！
有趣！有趣！狭义相对论竟然预言了光子的存在！
理论决定了我们所能观察到的东西！
这也印证了前面我们的讨论，任何有质量的物质的运动速度都必须小于光速！回头来看一下，当一个物体不断加速时，速度就会越来越大，于是质量也就会越来越大，加速就会越来越困难！这样就会使得物体的运动速度永远小于光速。这在粒子加速实验中已经得到了证实！但是，对于那个可以以光速运行的粒子——光子来说，由于它没有静止质量，所以它才拥有这一神奇力量——以光速运行！
顺带说一句，光子虽然没有静止质量（或者说是惯性质量），但在广义相对论中，光子是具有引力质量的。所以当你看到“光子的质量”时，就要明白那是指它的引力质量。
为了可以以光速运行，你必须得付出代价！收之桑榆，失之东隅！上帝永远是公平的！
感觉怎样？
神奇吗？
我们还得继续向前走，冒险的路程还没有完呢！
不过，不用叫兔子了，它现在有了兔ＭＭ啦，早度蜜月去了，那小子，招呼也不打一声……
257楼
到此为止，我们已经粗略地领略了一回狭义相对论力学的风采。
我们回头来看一看前面我们所走过的征程。
为了调和牛顿力学和麦克斯韦电磁学的矛盾，我们下定决心并挑选出来了两条比较合理的原理，作为我们的“根据地”。还记得吗？那时我们还没有对它的正误做过任何的评价！只是采用“倒金字塔式”的推理，从这两条原理出发，先是得到了洛伦兹变换式（那个具有四条式子的方程），然后推导出同时性不是绝对的，而应该是相对的！并且我们发现这个结论是非常有道理的！再接下来，我们又得到了时间膨胀这样怪异的结论，而它也得到了实验的支持！长度收缩同样是那两条原理的演绎结果！而新的速度变换式不但经受住了逻辑讨论的考验，一样地也有实验的支持！接着的质速关系着实也让我们感到万分惊奇，它的后台也很硬——实验为它撑腰！E=mc2更是不负众望，成为了核物理中的基石。最令我们惊讶的是，两条原理竟然预言了光子的存在！
我想，此时此刻，你对那两条原理肯定会有了自己的看法！有了自己的评价！你已经可以回答前面遗留下来的问题了！原理究竟是对是错？
虽然我们拥有如此之多的实验证据，但是我们依旧不可以作出判决——狭义相对论是正确的！否则我们就犯了肯定后件谬论的错误了！然而，在这么多的实验事实面前，我们的信心的天平早已倾向了狭义相对论！
它不仅可以解释经典力学中低速的内容，还对高速世界作出了经典力学无法给出的准确预言！同时告诉我们其实经典力学不过是它的一个近似规律而已！
包容旧理论的正确内容，纠正了旧理论的欠佳地方，拓展了理论的使用范畴。
这是新理论必须具备的特征！也是新理论的生命力所在！
所有这一切，使得我们越来越相信那两条原理，使得我们越来越相信狭义相对论！
是的，它应该是比牛顿力学更胜一筹的理论！
是的，它应该是一个更加精确、更加广泛的理论！
是的，现今我们应该相信它！
是的，时间、空间、质量都是相对的！
为爱因斯坦喝彩！为相对论喝彩！
荣耀当属新一代的科学英雄！
也许你已经能够认可那两条原理了，但是，在狭义相对论刚被提出来的时候，很多物理学家，包括一些很著名的大师，却是感到不能接受的。他们认为那两条原理是互相抵触的！当然了，那是因为他们依旧站在旧的时空观的立场上去看待问题，所以才造成了这种局面。
根据狭义相对性原理，所有的定律在惯性系中都应该是取相同形式的，光速不变原理也不例外。正如我们前面所做的那样，从这两条原理出发，是可以构建一个自身融洽、没有矛盾的理论体系的。对此，爱因斯坦这样说：“相对性原理和光的传播定律实际上丝毫没有抵触之处，如果系统地贯彻这两个定律，就能够得到一个逻辑严谨的理论。这个理论已被称为狭义相对论。”
好，现在，让我们站在高处，俯瞰整一个狭义相对论框架，讨论一些比较本质的问题。同时也把狭义相对论时空观那里还遗留下来的一点内容说完。
我们来看看狭义相对论的血脉问题——因果律和决定论。
因果律和决定论是经典物理学的光荣传统，在牛顿和拉普拉斯时代将自己的光彩发挥到了极至。
因果律说，每一个事件都有它的原因，而事件本身为其结果，原因发生在结果之前。当我们看到一块石头从山顶上滚落下来时，就会很自然地认为，这个石头滚落的事件之前肯定是有原因的，这个原因可能是被其他什么物体推了一下，或者地质发生了什么变化……这是很自然的，也是很自觉的，因为因果律已经深深地在我们的思维里扎下了根！以致它已经成为了我们认识和实践的默认法则。
事实上，狭义相对论也是符合因果律的时间次序要求的。
我们又来拿出洛伦兹变换式。
t1…u x/c2
t１'＝－－－－－－－
√（1… u2/ c2）
t2…u x／c2
t２'＝ －－－－－－－
√（1… u2/ c2）
那么，
（ t２…u x/c2） －（ t１…u x/c2）
t２’… t１’＝－－－－－－－－－－－－－－－
√（1… u2/ c2）
如果t２＞t１，表示在你的坐标系中，事件１发生在事件２之前。要是事件1说的是石头被人推了一下，事件2表示石头滚落下来。那么，这两个事件就是有因果关联的了。根据因果律，原因必须发生在结果之前，这在任一个惯性系看来都应该是成立的！所以，在兔子看来，也应该是石头先被人家推一下，之后才滚下来！也就是事件1发生在事件2之前。因此就要求
t２’… t１’＞0
也就是要求右边的分母大于0，
（t２… t１）…u（x２… x１）/ c2＞0
再变一下形，便会有
u＇（x２… x１）/（t２… t１）＇＜c2
而根据狭义相对论的要求，物体的运动速度（也就是u）必须小于光速c，而且两个事件之间的信息传递速度（也就是＇（x２… x１）/（t２… t１）＇）也不得大于光速！很明显上面的式子是成立的！
因此，狭义相对论也隐含了因果律的规定。
从这一个角度来说，狭义相对论也是一个经典的理论，因为，它同样有着因果律的血统，跟牛顿力学是“同源”的。
再来看决定论。
在牛顿力学中，只要你知道了一个系统的所有数据，那么你将可以对它以后的每一个时刻的状态都进行预言！你甚至可以算出它过去的、现在的或者将来的每一时刻的状态！不管是一个被抛出的篮球，还是一颗正在运转的行星，或者一台复杂的机器，在牛顿看来，它们都是严格按照力学规律来工作的，我们有能力知晓过去，洞察未来。
这是决定式的！
日月经天，江河行地。世界仿佛被设定了程序一般，运行不息。运用经典理论，我们可以推算出几百年后的一次日食，时间甚至精确到秒！
这一切，都是决定论的荣耀勋章！
是的，所有物体的运动都是由自然规律控制的，没有半点商量的余地！从你诞生的那一刻起，上帝已经为你安排了每一个细节，你什么时候做什么，都是注定的！没有自由意志的余地！因为，这是一个规律掌管的世界！
这种决定论是牛顿方程数学结构的直接推论。所以人们也形象地将上帝比喻成一个钟表匠，它只不过是上好了链条，之后那个钟表式宇宙就按照规律“滴答滴答”的运转开来。这就跟16世纪欧洲宗教�
