意大利物理学家伽利略.伽利雷最早提出,速度与速度可以相加或者相减,就是说在乘坐在一辆运动中的马车里,向前进方向投出的球,与向马车后方投出的球的速度,是要减去或者加上马车的运行速度后,才是静止观测者所观测到的球的本身运动速度。
这个定理,被称为:“伽利略速度相加定理”。
之后,物理学家艾萨克.牛顿在总结物理学运动的规律的基础上,引进了“伽利略速度相加定理”,创建了“牛顿力学”。
时间进入十九世纪后,英国物理学家詹姆斯.麦克斯韦,成功的将电磁学定律用一组数学方程式表达出来,建立了“麦克斯韦方程组”,并根据该方程组推论出电磁波在真空中的传播速度,为每秒三十万公里,就是说光在真空中的传播速度为每秒三十万公里。
不过,麦克斯韦方程组并没有说明,光的每秒三十万公里的速度是以什么为基准(参照物)的。
之后,阿尔伯特.爱因斯坦提出:“电磁波原本就没有速度基准,无论用什么基准来看(对以任何速度运动的人观测光得运动来说),光速都是相同的。”,这种观点被称为“光速不变原理”。
爱因斯坦发现,自己的“光速不变原理”,与伽利略的“速度相加定理”有着巨大的矛盾,无法同时成立。
为了解决这一矛盾,爱因斯坦以光速不变原理为基础原理,提出时间的流逝速度、物体与空间的长度(距离),会随着观测者所处的位置不同而变化。
也就是说:时间与空间并不是绝对的,而是相对的,因观测者所处的位置而不同,根据这个观点,爱因斯坦推导出:“物体的运动速度越接近光速,空间收缩的效应应越明显,时间流逝的越慢。”~这就是“狭义相对论”。
狭义相对论认为,时间与空间不是各自独立伸缩的,而是同时伸缩,自从狭义相对论出现后,时间与空间就因联动而被认为是一体的,开始被统称为“时空”,因此可以说,我们的世界是由三维的空间与一维的时间作组成的“四维时空”。
在爱因斯坦提出狭义相对论之前,物理学界一直认为,如果给球持续注入能量,球可以永无止境的加速运动下去。
而狭义相对论认为,即使持续给物体注入能量(物体被不断加速),其运动速度都不可能超过光速~“光速”是自然界中最大的速度。
无法超过光速,也就是说,物体的运动速度越接近光速,越难加速,就算不断注入多少能量也都是不行,那么,注入进去被加速物体中的能量去了哪里?
答案是,这些能量变成了“质量”,所以往接近光速运动的物体里注入能量越多,这个物体的质量就越大,无论注入多少能量,这个物体永远达不到光的速度。
基于这一观点,爱因斯坦推导出著名的质量与能量的转换公式:E=mc2(2是指平方),其中E代表能量,m代表质量,c代表光速,之前物理学界,一直认为质量与能量是两个毫不相干的要素,在质能公式中,借助于常数c,质量与能量被联系到了一起。
狭义相对论完美的解释出太阳发光的原理,太阳的中心主要由氢构成,核心温度1500万摄氏度,压力相当于2500亿大气压,是个超高温、超高压的环境,在这种环境中,四个氢原子核发生猛烈撞击,合并为一个氦4原子核,这一反应被称为“核聚变反应”。
四个氢原子核聚变为一个氦4原子核后,质量减少大约百分之0.7,根据质能转换公式,减少的质量转换成能量,这就是太阳能在几十亿年持续不断的燃烧、释放巨大能量的原因。
组成我们宇宙和我们的是原子,原子由电子、质子、中子组成,质子和中子由夸克组成,分为上夸克和下夸克。
电子、上夸克、下夸克都是基本粒子,不可再分割。
上夸克的质量大约为电子的五倍,下夸克的质量大约为电子的十倍,质子有两个上夸克和一个下夸克组成,那么质子的质量应该是电子的二十倍(5+5+10),而实际上,质子的质量是电子质量的1850倍。
就在说,一个质子内夸克的质量仅占质子质子的大约百分之一,那么质子其实百分之九十九的质子来自哪里?
质子其余百分之九十九的质量来自夸克在质子内运行的能量,作用在质子内部的力,叫做“强相互力”,简称“强力”,质子内的三个夸克以接近光速的速度运动,作用于质子内部的“强力”牢牢的把三个“夸克”束缚在质子尺度内,三个高速运动的夸克无法彼此分开,于是以“质子”的形式存在。
夸克被强力束缚在一起的同时,也在高速运动,因此,质子中不仅有来自强力的能量,还有高速运动的夸克自身的动能,根据狭义相对论的质能转换公式,这些被束缚在质子中的能量,的外在表现为质子的质量而被测量到,百分之九十九的质子的质量都是由这些能量转化而来。
2012年,欧洲大型强子对撞机(LHC)发现了一种新的基本粒子,就是被称为上帝粒子的“希格斯粒子”,这一发现,在2013年获得诺贝尔物理学奖。
而欧洲大型强子对撞机的运行原理,就是把“能量”转化为“质量”,用能量创造出新的基本粒子。
把1克质量的物体加速到光速的百分之99时,这1克的物质被观测到的质量大约为7.1克,当欧洲大型强子对撞机把1克物质加速到光速的百分之99.9999991时,这1克的物质的表观质量为74500克。
当被加速到如此高速的物质在对撞机内撞击时,撞击时的能量将生成质子中原本没有的基本粒子,并使其四处飞散,被探测器捕捉到其飞行轨迹、物理表现,加以计算、分析,对照预测的各种基本粒子的物理表现,判断出制造出了什么新的基本粒子。
狭义相对论为我们人类探索我们的宇宙最终极的秘密,提供了理论方法。
“狭义相对论”与“广义相对论”,统称为~“相对论”。
“相对论”与“量子力学”并称为现代物理学的两大基石。
说到这里,谢谢大家。
(物理科普系列,还会继续,让我们一起了解宇宙的终极秘密。)