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質速神劍

為了能讓各位讀者更好地理解愛因斯坦這神奇的一招,請讓我們一起來回憶一個最基本的物理規律——動量守恆。還記得我們小時候打玻璃彈珠嗎?如果你用你的玻璃彈珠把對方的玻璃彈珠打飛至一定的距離,你就可以贏得那顆打飛的彈珠。每一個打玻璃彈珠的人都會有一個自然的體會,那就是自己的彈珠越重、打出的速度越快,則對方的彈珠就會飛得越遠。但這裡面還有些特別的技巧要掌握:首先,你要正面擊中對方的彈珠,如果打偏了效果就不好;其次,如果你能打出一個「旋轉彈」,則這個彈珠打到對方的彈珠後,會停在原地旋轉,而對方的彈珠則會滾得很遠。這裡面的道理就是動量守恆定律。在一個理想化的狀態下,如果你的彈珠質量是m1,彈珠出手的速度是v1,對方彈珠的質量是m2,對方彈珠被撞後的速度是v2。假設對方彈珠被撞擊後,你的彈珠停在原地不動,則符合下面的關係式:

m1v1=m2v2

這便是動量守恆定律。由這個最基本的動量守恆的公式,我們還能得出另外一個含義相同的公式。比如有一個物體的質量是m0,以速度v0運動,在運動途中由於某種原因(比如某個定時斷開的機關)突然一分為二,分成兩個質量為m1和m2的物體,分開後的速度分別為v1和v2,則它們之間也要符合動量守恆定律。如果用公式寫出來就是這樣:

m0v0=m1v1+m2v2

愛因斯坦把玩著這個公式,突然想到:根據用洛倫茲變換推導出的新的速度合成公式,兩個物體的合成速度不可能無限增大,而是會隨著接近光速而遞減,那麼為了滿足動量守恆,質量m的數值就必須增大。愛因斯坦想到了馬上就動手,他很快就利用洛倫茲變換和動量守恆定律得到了下面這樣一個公式:

我們又看到了熟悉的相對論因子,這個公式改寫一下就是:

這個公式正是愛因斯坦解決超光速問題的神奇一招——「質速神劍」,通常我們也把它叫作「質速關係式」,就是說明質量和速度的關係。這個公式中m0表示物體相對靜止時的質量,m表示物體以速度v運動後的質量。一看到m0旁邊有我們的老朋友γ,你一定能馬上反應過來,這就是說物體的運動速度越快,質量就越大。

牛頓如果地下有知,必定又會睜大驚恐的眼睛,暴怒道:「這個世界瘋了!」在牛頓力學中,所有的定律都隱含著這樣的一個前提,那就是物體的質量是不變的。我們用小球做實驗,不管這個小球是在岸上還是在船上,不論是在實驗室裡還是在山頂上,它的質量是多少就是多少,根本不需要我們去重複稱量。現在,愛因斯坦居然告訴我們,物體的質量並非是恆定不變的,質量也是相對的,就跟沒有什麼絕對的快慢,沒有什麼絕對的長短一樣,對不起,也沒有什麼絕對的質量大小。劉慈欣在他的科幻小說神作《三體》三部曲中,描寫了一個外星文明用一個玻璃彈珠大小的物體,擊毀了另一個外星文明的「太陽」,其中的理論正是這個質速關係式。當「玻璃彈」的速度接近光速的時候,其相對論質量就會變得無比巨大,足以擊毀一顆恆星(有興趣的讀者可以去讀一讀《三體》這部中國科幻界的扛鼎之作)。

我已經聽見了你的嘀咕聲:「喂,跑題了,你還沒講清楚為啥愛因斯坦用這個質速關係式殺死了那只數學怪獸,這個公式跟超光速到底有什麼關係嘛?」抱歉,我一想到《三體》就開始神遊宇宙。還記得牛頓第二定律嗎?物體的加速度和受到的力成正比,和質量成反比。通俗地講,就是你要把一個物體推得運動起來,物體質量越大你要用到的力就越大,想想看,質速公式告訴我們,物體的速度越快,則質量就越大,那麼要推動它加速的力就必須越大。當物體速度無限接近光速,質量也會逐漸變得無窮大,那麼顯然要推動它繼續加速的力也必須變得無窮大。對不起,無窮大的力是不存在的,誰也不可能創造無窮大的力,你就是把全宇宙的能量都集中起來,那也比無窮大要小。這就證明了沒有任何有質量的物體的運動速度能達到光速,達到都不能,更別說超過了。那光本身呢?因為光在靜止時沒有質量,所以它能達到光速。