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物体质量随运动速度增加而增大是相对论一个非常重要的推论,但它确实是完全相对运动的结果吗?如果承认这一点,我们就会得出许多不能理解甚至是相矛盾的结果,请先看下面的问题。 假设相隔极远处有一静止质子及静止电子,在静电引力下开始运动并相互靠近,随着距离的不断靠近,它们的速度也越来越大,因为质子,电子都产生了运动,按照相对论,它们的质量也都应该增大,因此会使整个系统的质量发生膨胀,这显然违背质量及能量守恒定律并与事实不符,实际上,该系统质量不仅不会自发膨胀,如果电子在加速运动过程中辐射出电磁波的话,该系统质量还会减小,出现质量亏损。 我们该如何理解这个现象呢?从电动力学我们知道,电磁场本身是具有能量的,按照质能关系式,他们也会具有相应的质量,因此我们对这个过程可以这样理解,质子,电子在加速运动过程中,它们的距离不断减小,电势能也不断减小,消耗了电场的能量与质量,而转化成了质子,电子的动能,并使它们的质量增加,损耗电场能量等于质子,电子动能之和,损耗电场质量等于质子,电子质量变化量之和,在整个过程中该系统总质量不变。 在这个过程中,质子电子都发生了运动,我们该如何计算它们各自的质量变化量呢?我们先考虑能量较低时的情况,由于质子,电子受到对方的作用力总是大小相等的,由W = Fs可知,当F一定时,它们的能量变化量与它们移动相同的距离成正比。由s = 1/2 at2, a = F/m, s = Ft2/2m W = F2t2/2m 当经过一段时间t后,质子,电子的能量变化量分别为 Wp = F2t2/2mp We = F2t2/2me 由于mp >> me , 所以Wp << We 我们设该系统是完全封闭的,显然,电子的能量变化只能完全由质子提供,而质子的能量变化只能完全由电子提供,因此它们能量的变化只能是完全消耗对方能量所致,我们在计算时还应该考虑到这个机制的影响,除了由于运动使自身增加的能量外,还要分别减去对方从自身吸收的能量,最后的结果应该是 Ep = Wp - W e Ee = We - Wp 由质能关系式,相应的质量变化量为 ⊿mp = (Wp - We)/c2 = (F2t2/2mp – F2t2/2me)/c2 ⊿me = (We - Wp)/c2 = (F2t2/2me – F2t2/2mp)/c2 因为Wp << We ,所以对电子来说,增加能量远大于损失能量,从而主要表现为质量增大,而对质子来说,增加能量远小于损失能量,则表现为质量减小,但对整个系统来说,在这个过程中能量,质量均守恒。 当然我们上面的计算仅是低能条件下得到的一种近似关系,但是从这个定性分析我们已经看出在一个封闭系统中,无论如何变化,总质量都是守恒的,而不会出现质量无限增大的现象。 许多实验事实都支持我们的以上设想,比如正负电子的湮没,如果我们沿用传统方法,简单的计算就可以知道,当正负电子无限靠近时,它们将会产生无穷大的能量和质量,可是事实上这种情况并没有发生,电子湮没的结果是产生2mec2 的能量。与我们按上面新思路得到的结果完全相同。 我们可以把上面的观念进一步推广到引力系统中,在星体塌缩过程中,一方面,星体某成分随着不断向r = 0接近,它的动能要不断增大,但是另一方面,我们也要考虑到,星体是由很多成分组成的,其他成分也要塌缩,其他成分的塌缩将会从该成分吸收能量,从而使该成分能量,质量都不会无限增大。塌缩的最终结果是使星体各部分总动能趋向极限值mc2,m为星体总质量。当然如果星体塌缩过程中还要辐射出电磁波,引力波等能量的话,星体塌缩的总能量还要减小,但这也会增加其内部粒子向外逃逸的困难。 .利用这个技术,我们可以轻易摆脱黑洞理论中的奇点困难,并对天体演化产生将会有新的认识。 |