爱因斯坦相对论系列4：光速极限与质能方程

在前面的介绍中，我们已经知道了：在任何参考系中，光在真空中的传播速度恒定为常数C（约30万公里/秒），但是否存在速度能超过光速的物体呢？

一、光速极限

这里，我们要先从动量守恒定律开始说起。

(资料图片仅供参考)

百度百科是这么定义的：一个系统不受外力或所受外力之和为零，那么这个系统的总动量保持不变。由空间平移不变性推导出的动量守恒定律是自然界最普遍、最基本的规律之一，不仅适用于宏观物体的低速运动，也适用于微观物体的高速运动。小到微观粒子，大到宇宙天体，无论内力是什么性质的力，只要满足守恒条件，动量守恒定律总是适用的。

从动量守恒定律出发，我们知道如果有一个物体的质量是m0，以速度v0运动，在运动途中由于某种原因（具体什么原因这么不必深究）突然一分为二，分成两个质量为m1和m2的物体，分开后的速度分别为v1和v2，则它们之间也要符合动量守恒定律，公式如下：

m0v0＝m1v1＋m2v2

我们再利用洛伦兹变换以及光速恒定的假设，可以推导出（具体过程不是这里的重点，有兴趣的小伙伴可自行百度）：

又看到可爱的相对论因子，这个公式描述了质量和速度的关系。其中，m[gf]2080[/gf]表示物体相对于你静止时的质量，m表示以速度v运动后的质量。随着速度v的不断增大，相对论因子越来越小，则物体运动后的质量越来越大。

物体的质量居然不是不变的，会随自身运动速度的变化而变化，质量就跟时间空间一样也是相对的，没有什么绝对的质量大小。更为神奇的是，当速度v不断地趋近于光速c时，物体的质量趋于无穷大。

还记得我们的牛顿第二定律吗？物体的加速度和受到的力成正比，和质量成反比。我们需要给一个物体施加一个外力，才能改变物体运动状态，但物体质量越大时，需要用到的外力就越大。

但是，物体的速度越大，它的质量也会越大，那么要推动它加速的力就必须越大。当速度无限接近光速时，质量也会趋向无穷大，意味着给物体加速的力也必须变得无穷大。显然，无穷大并不存在，即使将全宇宙的能量都集中起来用于加速也不是无穷大。

既然无穷大不存在，那么任何有质量的运动速度肯定无法达到光速，超过就更加别想了。有聪明的小伙伴估计会问：那光呢？光为啥能以光速运行呢？那是因为光没有静止质量，所以它能达到光速。这也说明光必须以光速运动的形式存在，只要一停下来，光就不存在了。

至此，我们谨慎地得出一个结论：任何有静止质量的物体无法达到光速，或者说光速是存在静止质量的物体运动的极限。

我们对这个结论做一些说明：

1、超光速并不是不存在，我们说的是存在静止质量或者说存在能量和信息的传递速度无法超过光速。失去了能量和信息传递这个前提，超光速的东西很多。例如在一个晴朗的夜晚，你来个360度大旋转，那么整个宇宙都在你的眼中转了一圈，宇宙的转动速度妥妥地超过光速。当前在宏观世界中还没发现例外。

2、量子理论中，在亚原子尺度上，可能真的存在突破光速极限的情况。有小伙伴可能听说过EPR实验，实验结果表明：两个基本粒子确实可以在相隔很远的距离时，在光速都来不及跑完的时间内互相知道对方的旋转状态。实验结果说明，要不接受存在超光速的超距作用，要不否定客观实在论。

二、质能方程

按照百度百科的定义，动能具有瞬时性，是指力在一个过程中对物体所做的功等于在这个过程中动能的变化。动能定理表达了所有外力对物体做功，（也叫做合外力的功）等于物体的动能的变化，表达式为：

再加上前文提到的质速关系式：

经过推导，可以得到：E＝mc2

这便是无人不知、无人不晓的质能公式。其中，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速，它代表了质量和能量是可以相互转换的，解释了放射性物质能量之谜太阳能量之谜。

光速c2是个天文数字，具体为90,000,000,000,000,000（米／秒）2，就是说1克的物质如果全部转换为能量就可以产生90万亿焦耳的能量。

这个质能公式是如此的简洁而又不可思议，所谓大道至简，世界的底层逻辑是如此简单优美！！

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(责任编辑：黄俊飞)

爱因斯坦相对论系列4：光速极限与质能方程

时间：2023-07-29 09:13:56来源 : 椰子狗喵喵喵

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