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质量错概念:我们不能超过光速的真正原因

(2023-03-28 12:34:05)
标签:

it

杂谈

质量错概念:我们不能超过光速的真正原因

对宇宙速度极限的解释往往将惯性与质量混合。

HARD SCIENCE — MARCH 27, 2023

Don Lincoln

 

a red and orange abstract background with lines.

Annelisa Leinbach / Big Think

关键要点

  • .爱因斯坦的相对论设定一个宇宙速度极限:没有任何东西能比光速更快旅行,对太空探索摆出挑战。
  •  一个广泛但不正确的解释提出物体随它们接近光速获得质量,使进一步加速不可能。
  • .在现实中,一个物体的质量仍然恒定的,而它的惯性随速度变化,最终防止以光速或超过光速旅行。

爱因斯坦的相对论是从来设计的最弯曲思维的理论之一。移动的时钟比静止的时钟滴答更慢且标尺缩小。也许最令人震惊的所有后果是没有任何东西能比光速更快旅行。

这最后一个对太空爱好者是非常失望的,因为它注定他们的越发迅速的探索这个宇宙的希望消亡。太空是广袤的,最近的恒星位于四光年之外。甚至以可能的最快速度传播的一个简单无线电信号也将要用八年做出一轮往返旅行。

有一个最大速度的想法是相当的反直觉的;毕竟,在日常体验中,您只更用力踩油门或升级到一辆跑车你能使一辆汽车跑得更快。在火箭中,你刚好能让火箭点火更长时间。如此为什么我们不能比光速更快移动呢?

宇宙速度极限

如果你读过任何关于爱因斯坦狭义相对论的东西,你将可能的读到一个物体的质量随它的速度的增加增加。而这是一类令人满意和直觉的回答。推动更大质量的物体更难,因此如果一个物体的质量变得更重,你不得不更努力工作来走得更快。而且,如果一个物体的质量变得无限接近光速,那么它会要用一个无限量的能量来甚至推它更快。瞧!问题回答了。

虽然这个答案令人满意且直觉的,但它也是错误的------至少在细节上。

现在,在任何人决定来引用如我说的一样爱因斯坦的相对论是错误的之前,不是。相对论确实真的声明一个质量不为零的物体不能以光速走,甚至无质量的物体不能比光速更快走。因此,这个质量的错误陈述对那些昔日的星际探险家无帮助。

不,问题不是一个最大速度的说法是错误的;问题是那个解释是错误的。如此它如何发生的呢?

质量对惯性

这个问题发生因为我们混合两个想法:质量和惯性。惯性实际上是抵抗运动中变化的属性。它只在低速惯性和质量是同一个东西。但在高速这不是真的。

这用方程式最容易看到,如此我会在这里勾勒它们,但如果你不是一个数学人,我只会很少的用它们。每一个人已经看过爱因斯坦最著名的方程,E = mc²,其中E是能量,m是质量,c是光速。字面上看,它说能量等于质量乘以一个常数。然而,这个等式实际上是一个特例。完全正确的方程是E = γmc²,其中γ是一个基本上在所有相对论方程中发生的一个因子。因子γ与速度相关,随速度增加增加。在零速度下,γ等于一,而随速度接近光速γ接近无穷大。这个参数γ变化,而不是质量。质量是恒定的。

因为相对论对学生是如此难以理解,物理老师发明了一个叫 “相对论质量”的教学概念。相对论性质量只是质量的γ倍。然后你能把相对论质量放进爱因斯坦著名的方程,而它看起来像熟悉的形式i杨。并且对许多其他用于物理入门课上教授的方程来用相对论质量是可能的。本质上,用相对论质量代替质量对学生来了解理论既使它更容易又赋予一个正在发生的的漂亮的和直觉的图片,这有学生更容易接受所有相对论的诡异性很好的结果。相对论质量是一个对学生友好的想法,而不是一个真的。

提醒你指出这一点并不是批评物理老师。我自己已经教过这个稍微不正确的想法。就像一个医生可能开出有一个副作用的药一样,但帮助大于伤害,物理教师必须平衡让学生拥抱相对论的价值,用这种错概念的后果是相对的小的。只有继续物理学的学生将需要更好地理解更深入和正确的解释。

那么,这种错误概念的后果是什么呢?本质上,质量、相对论质量它什么要紧呢?这要紧因为质量不仅是一个抵抗运动的量------它也是一个产生引力的量。因此,许多学生认为围绕一个快速移动的物体的引力场增加。如果质量真的增加,这会有意义的。但它不是的。

这种质量错概念描述一个试图用妥协来解释一个深刻的科学概念的真正问题;一个有动机的思想家往往把妥协当作真理并向前推进,往往得出一个完美的可究因的但错误的结论。可究因的结论跟随来自被教导的人,但它是错误的,因为妥协不是完全准确的。可悲的是,没有一个深度潜水的替代。

如此,如果你是那些有动机的思想家之一,认为一个快速移动的物体有一个更大的质量和更大的引力,我想代表世界各地的物理老师道歉。质量并不随速度增加。惯性确实的。好事情是,相对论的许多重要结论------最重要的是,没有任何东西能比光速旅行更快的结论------仍然是真的。

关键的信息------超越惯性确实随着速度的增加增加但质量仍然同一的------对聪明的人被对复杂问题的简化解释误导是很容易。这样,如果你认为你已经发现了一些专业科学界已经忽略的东西,也许是因为你从这些部分真相之一开始。

https://bigthink.com/hard-science/light-speed-relativistic-mass/

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