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2005世界物理年科普系列報(bào)告會(huì)
第三場(chǎng)報(bào)告

理論物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士賀賢土

五、賀賢土院士答問

提問:
  在四維的空間里,能量和質(zhì)量應(yīng)該是可以相互轉(zhuǎn)換的,我們是不是可以說能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律在高速運(yùn)動(dòng)的物理中是不是能成立?和或者總和是不是不變的?動(dòng)質(zhì)量的問題,我自己的想法是這個(gè)觀點(diǎn)提出來以后,是不是說明除了光以外,沒有任何一個(gè)物體可以繼續(xù)達(dá)到光速,質(zhì)量變得越來越大,給它加速的話需要更大的能量,當(dāng)質(zhì)量趨近于無限大的時(shí)候,沒有無限大的能量加速?

回答:
  在伽利略變換下,牛頓力學(xué)是三個(gè)守恒量,一個(gè)是質(zhì)量,一個(gè)是能量,動(dòng)量是守恒的。但是在狹義相對(duì)論下,質(zhì)能的關(guān)系,守恒量只有一個(gè),質(zhì)量、能量、動(dòng)量已經(jīng)不是獨(dú)立的了,三者之間有一個(gè)關(guān)系。狹義相對(duì)論中三個(gè)只有一個(gè)守恒量,有相互關(guān)系,質(zhì)量跟能量相互關(guān)聯(lián),質(zhì)能轉(zhuǎn)換是這么來的。光速不光是光子,中微子也有光速,沒有質(zhì)量。是不是會(huì)有一個(gè)物質(zhì),除了光子跟中微子一樣,可以達(dá)到光速,我可以說,很多的物體可以接近于光速,比如0.99999光速都完全可能,基本粒子里很多都是這樣的,接近光速,有質(zhì)量的質(zhì)能逼近。

提問:
  四維變換的時(shí)候有一個(gè)i。

回答:
  K理解成火車,站在火車?yán)锟,火車的長(zhǎng)度是L0,光來回地跑,L0,光跑的之間間隔乘以2。從地球上看到火車是跑的,光走的距離,還必須考慮跟時(shí)間有關(guān),必須考慮火車往前跑的V乘以y。

提問:
  不同的慣性系計(jì)算火車的長(zhǎng)度。

回答:
  變長(zhǎng)了,火車本身有一個(gè)距離是L,長(zhǎng)度是L,從地球上看火車是L,它在運(yùn)動(dòng)。另外火車跑了Vyt,所以時(shí)間是由這兩個(gè)長(zhǎng)度加起來組成光速。

提問:
  是不是認(rèn)為光從發(fā)出去到反射回來的接收,這段時(shí)間乘上以光速,就等于火車長(zhǎng)度的二倍?

回答:
  第一個(gè)是單程,發(fā)射出去看,單程走過來,測(cè)量時(shí)間的變化距離,火車在前面跑,再加上光在里面的時(shí)間。第二是返回來的,火車是迎著光跑的,光經(jīng)過的距離,從地球上看少了一個(gè)vt1。

提問:
  四維變換中ict。

回答:
  為什么加i呢?有一個(gè)光錐,宇宙大爆炸以后,隨著時(shí)間的變化,光不是無限的,有一定的光速,經(jīng)過t以后,光只能跑這個(gè)距離,到t2的時(shí)候是這個(gè)距離,ict保證長(zhǎng)度,保證c2T2減掉(X2+Y2+Z2)。

  我本來盡量想用物理直觀,物理直觀反映不出愛因斯坦相對(duì)論最本質(zhì)的東西,保證在洛倫茲變換下慣性系的參考系,物理定律是不變的,如果不涉及這些東西就沒有相對(duì)論的味道。

提問:
  光速和光速的和速度還是光的速度?

回答:
  愛因斯坦延緩,最基本的是無論光怎么跑,無論在哪個(gè)系統(tǒng)跑,最基本的一條,光的傳播速度是不變的,無論在K系統(tǒng)或者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中看,最基本的光速不變,F(xiàn)在看看物理的例子,一個(gè)是地球,宇宙飛船速度可以很大很大,如果訪問哪個(gè)星球的話,回來的時(shí)候感覺到長(zhǎng)了幾歲,但是回到地球上,你們的親屬早已經(jīng)不在人間了;疖囋谶\(yùn)動(dòng),地球是K系,火車是K'系?椿疖嚿系墓馔洗,大家站到車廂里看光往上打,然后有一個(gè)鏡子反射回來,光來回的路程速度是光速,來回兩個(gè)距離知道了以后,傳播的速度是光速,時(shí)間就知道了。車廂的距離是b,所以來回一乘,兩倍b,乘上c,站在車廂里看,從光發(fā)出來到接收到的時(shí)間是t。現(xiàn)在站在地球上,車往前跑,看到光發(fā)出來的是斜著走的,因?yàn)槭莻?cè)著跑,看到的光是斜過去的,回來的時(shí)候光反射回來,不是反射到原來的點(diǎn),仍然是看到光是斜的,原因是火車也在往前跑,相對(duì)來說是地球的距離,不是車廂的距離,看到的是斜的三角形,F(xiàn)在我們的問題是光從這兒出發(fā)到那兒,返回來的路程,光速是不變的,速度是一樣的,距離知道,車廂還是b,高度還是b,這一段距離為什么會(huì)拉開距離?因?yàn)檐囋诘厍蛏线\(yùn)動(dòng),速度也是運(yùn)動(dòng)的,運(yùn)動(dòng)的距離是vt,t是兩倍l除上光速,L怎么求?直角三角形的關(guān)系,斜變、直角變,二分之一vt,l的平方應(yīng)該等于這條距離的平方加上這條距離的平方,這是直角三角形的距離,b的平方加上二分之一vt的平方,這樣一來t等于2l除c,兩個(gè)平方合在一起,出來兩倍的b除以c,y因子是這樣出來的。t=rt',是在火車上看的,地球上看到的火車上的時(shí)間短了,因?yàn)槌松洗笥?的數(shù),從火車上的時(shí)間變慢了,一個(gè)是在地球上看,看火車?yán)锏溺娍赡苁?2點(diǎn),但是用運(yùn)動(dòng)的車廂為坐標(biāo)來看,可能只有6點(diǎn),時(shí)間比12點(diǎn)早的多。

主持人:
  西方作家曾經(jīng)寫過一本科幻小說,一個(gè)游客來到了光速相對(duì)非常慢的城市,跑一下步可能就很接近光速了,在這個(gè)城市會(huì)看到什么現(xiàn)象呢?比如我站在人行道上有人騎自行車從我跟前走過去,他看到的是一個(gè)人被擠扁了,像照片一樣。實(shí)際上這里所謂的看到是類似第六感、第七感的看到,并不是依賴于光發(fā)射過來進(jìn)入到我們的眼睛中,我們沒有把光發(fā)出來再到我們眼睛中的過程加進(jìn)去,可以理解為超反應(yīng)力,那個(gè)地方發(fā)生什么事情我同時(shí)就知道了。實(shí)際上如果真的光從那點(diǎn)發(fā)出把到進(jìn)入我們眼睛的加進(jìn)去,畫一下圖就可以知道,看到的這個(gè)人刺過來一定的角度,背沖著我們往前走。比如稱作宇宙飛船這個(gè)人會(huì)變年輕,會(huì)有一個(gè)悖論,就是著名的雙生子悖論,雙胞胎兄弟坐飛船走了,過了幾年回來,他看起來比較年輕,我也是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的,我也會(huì)比他年輕,我們倆到底誰年輕,就產(chǎn)生了一個(gè)悖論,這個(gè)問題到底是相對(duì)論錯(cuò)呢,還是我們忽略了一些什么問題,都是非常值得大家思考的。

回答:
  實(shí)際上相對(duì)運(yùn)動(dòng),k'系看起來年輕,時(shí)間短,地球上的人老早就死掉了。但是實(shí)際上從地球看這樣的,倒過來從飛船上看地球的人,同樣一樣,壽命就短了,原因是什么?慣性系的關(guān)系,我們假定了慣性系,等價(jià)了。但是的確客觀上有這個(gè)存在,如果飛船是加速度的,就是廣義相對(duì)論,那個(gè)時(shí)候不對(duì)稱,不是你看我跟我看你完全是等價(jià)的,加速度的確會(huì)發(fā)生這種情況,特別當(dāng)加速度y因子達(dá)到一百或者一千,一百的時(shí)候相當(dāng)于0.99995的光速,可以看出來由于加速度的關(guān)系,很可能本來李家是20歲,坐宇宙飛船,游了一圈回來,你的夫人、父母全都去世了,可能看到的或許是你的孫子或者孫孫子,這是實(shí)際情況。

主持人:
  如果飛船不從地球起飛,也不從地球降落,只是從地球旁邊勻速的降落,確實(shí)是我看我兄弟,還是我兄弟看我,都覺得自己比對(duì)方活的短。實(shí)際上飛船從地球起飛、降落,肯定有加速的過程,加速度一旦被加進(jìn)去之后就不是慣性系,慣性系是說參照物做勻速直接運(yùn)動(dòng)或者靜止,才能叫慣性系。一旦涉及到非慣性系,加速度,就需要廣義相對(duì)論的內(nèi)容。廣義相對(duì)論不像狹義相對(duì)論在高中學(xué)習(xí)的,是非常困難的。但是如果做純物理研究,一定要涉及這方面的東西。