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2005世界物理年科普系列报告会
第三场报告

理论物理学家、中国科学院院士贺贤土

五、贺贤土院士答问

提问:
  在四维的空间里,能量和质量应该是可以相互转换的,我们是不是可以说能量守恒定律和质量守恒定律在高速运动的物理中是不是能成立?和或者总和是不是不变的?动质量的问题,我自己的想法是这个观点提出来以后,是不是说明除了光以外,没有任何一个物体可以继续达到光速,质量变得越来越大,给它加速的话需要更大的能量,当质量趋近于无限大的时候,没有无限大的能量加速?

回答:
  在伽利略变换下,牛顿力学是三个守恒量,一个是质量,一个是能量,动量是守恒的。但是在狭义相对论下,质能的关系,守恒量只有一个,质量、能量、动量已经不是独立的了,三者之间有一个关系。狭义相对论中三个只有一个守恒量,有相互关系,质量跟能量相互关联,质能转换是这么来的。光速不光是光子,中微子也有光速,没有质量。是不是会有一个物质,除了光子跟中微子一样,可以达到光速,我可以说,很多的物体可以接近于光速,比如0.99999光速都完全可能,基本粒子里很多都是这样的,接近光速,有质量的质能逼近。

提问:
  四维变换的时候有一个i。

回答:
  K理解成火车,站在火车里看,火车的长度是L0,光来回地跑,L0,光跑的之间间隔乘以2。从地球上看到火车是跑的,光走的距离,还必须考虑跟时间有关,必须考虑火车往前跑的V乘以y。

提问:
  不同的惯性系计算火车的长度。

回答:
  变长了,火车本身有一个距离是L,长度是L,从地球上看火车是L,它在运动。另外火车跑了Vyt,所以时间是由这两个长度加起来组成光速。

提问:
  是不是认为光从发出去到反射回来的接收,这段时间乘上以光速,就等于火车长度的二倍?

回答:
  第一个是单程,发射出去看,单程走过来,测量时间的变化距离,火车在前面跑,再加上光在里面的时间。第二是返回来的,火车是迎着光跑的,光经过的距离,从地球上看少了一个vt1。

提问:
  四维变换中ict。

回答:
  为什么加i呢?有一个光锥,宇宙大爆炸以后,随着时间的变化,光不是无限的,有一定的光速,经过t以后,光只能跑这个距离,到t2的时候是这个距离,ict保证长度,保证c2T2减掉(X2+Y2+Z2)。

  我本来尽量想用物理直观,物理直观反映不出爱因斯坦相对论最本质的东西,保证在洛伦兹变换下惯性系的参考系,物理定律是不变的,如果不涉及这些东西就没有相对论的味道。

提问:
  光速和光速的和速度还是光的速度?

回答:
  爱因斯坦延缓,最基本的是无论光怎么跑,无论在哪个系统跑,最基本的一条,光的传播速度是不变的,无论在K系统或者运动系统中看,最基本的光速不变。现在看看物理的例子,一个是地球,宇宙飞船速度可以很大很大,如果访问哪个星球的话,回来的时候感觉到长了几岁,但是回到地球上,你们的亲属早已经不在人间了。火车在运动,地球是K系,火车是K'系。看火车上的光往上打,大家站到车厢里看光往上打,然后有一个镜子反射回来,光来回的路程速度是光速,来回两个距离知道了以后,传播的速度是光速,时间就知道了。车厢的距离是b,所以来回一乘,两倍b,乘上c,站在车厢里看,从光发出来到接收到的时间是t。现在站在地球上,车往前跑,看到光发出来的是斜着走的,因为是侧着跑,看到的光是斜过去的,回来的时候光反射回来,不是反射到原来的点,仍然是看到光是斜的,原因是火车也在往前跑,相对来说是地球的距离,不是车厢的距离,看到的是斜的三角形。现在我们的问题是光从这儿出发到那儿,返回来的路程,光速是不变的,速度是一样的,距离知道,车厢还是b,高度还是b,这一段距离为什么会拉开距离?因为车在地球上运动,速度也是运动的,运动的距离是vt,t是两倍l除上光速,L怎么求?直角三角形的关系,斜变、直角变,二分之一vt,l的平方应该等于这条距离的平方加上这条距离的平方,这是直角三角形的距离,b的平方加上二分之一vt的平方,这样一来t等于2l除c,两个平方合在一起,出来两倍的b除以c,y因子是这样出来的。t=rt',是在火车上看的,地球上看到的火车上的时间短了,因为乘上大于1的数,从火车上的时间变慢了,一个是在地球上看,看火车里的钟可能是12点,但是用运动的车厢为坐标来看,可能只有6点,时间比12点早的多。

主持人:
  西方作家曾经写过一本科幻小说,一个游客来到了光速相对非常慢的城市,跑一下步可能就很接近光速了,在这个城市会看到什么现象呢?比如我站在人行道上有人骑自行车从我跟前走过去,他看到的是一个人被挤扁了,像照片一样。实际上这里所谓的看到是类似第六感、第七感的看到,并不是依赖于光发射过来进入到我们的眼睛中,我们没有把光发出来再到我们眼睛中的过程加进去,可以理解为超反应力,那个地方发生什么事情我同时就知道了。实际上如果真的光从那点发出把到进入我们眼睛的加进去,画一下图就可以知道,看到的这个人刺过来一定的角度,背冲着我们往前走。比如称作宇宙飞船这个人会变年轻,会有一个悖论,就是著名的双生子悖论,双胞胎兄弟坐飞船走了,过了几年回来,他看起来比较年轻,我也是相对运动的,我也会比他年轻,我们俩到底谁年轻,就产生了一个悖论,这个问题到底是相对论错呢,还是我们忽略了一些什么问题,都是非常值得大家思考的。

回答:
  实际上相对运动,k'系看起来年轻,时间短,地球上的人老早就死掉了。但是实际上从地球看这样的,倒过来从飞船上看地球的人,同样一样,寿命就短了,原因是什么?惯性系的关系,我们假定了惯性系,等价了。但是的确客观上有这个存在,如果飞船是加速度的,就是广义相对论,那个时候不对称,不是你看我跟我看你完全是等价的,加速度的确会发生这种情况,特别当加速度y因子达到一百或者一千,一百的时候相当于0.99995的光速,可以看出来由于加速度的关系,很可能本来李家是20岁,坐宇宙飞船,游了一圈回来,你的夫人、父母全都去世了,可能看到的或许是你的孙子或者孙孙子,这是实际情况。

主持人:
  如果飞船不从地球起飞,也不从地球降落,只是从地球旁边匀速的降落,确实是我看我兄弟,还是我兄弟看我,都觉得自己比对方活的短。实际上飞船从地球起飞、降落,肯定有加速的过程,加速度一旦被加进去之后就不是惯性系,惯性系是说参照物做匀速直接运动或者静止,才能叫惯性系。一旦涉及到非惯性系,加速度,就需要广义相对论的内容。广义相对论不像狭义相对论在高中学习的,是非常困难的。但是如果做纯物理研究,一定要涉及这方面的东西。