為什麼說物質是凝聚的能量?因為增加了這一個維度

2020-12-04 天文同好樂園

在愛因斯坦的年代,物理學界對統一自然定律的討論還是相當抽象、毫無頭緒的。在很長一個時間段內,這些討論一直維持著這樣的一種情況,直到愛因斯坦提出狹義相對論之後。愛因斯坦意識到,如果空間和時間可以統一成一個單一的實體,稱為「空間-時間」或者「時空」,那麼,在三維空間中那些看似沒有聯繫的物理概念,如物質和能量,也許就能被辯證地統一統一起來。

當大家在討論狹義相對論的時候,一定要認識到這個理論背後的本質——增加了時間作為第四個維度,空間和時間被狹義相對論辯證地連接在一起。牛頓曾說時間和空間是兩個不同的量,它們之間毫無關聯,而且時間在宇宙中的任何地方都以同樣的節拍在跳動。但狹義相對論告訴我們,時間和空間可以通過「旋轉」進行轉換,時空可以被扭曲,空間可以被縮短,時間可以以不同的速率跳動,時間的快慢取決於物體移動速度的快慢。

愛因斯坦意識到,如果空間和時間都可以改變,那麼尺子就可以收縮、時鐘可以變慢,用尺子和時鐘測量的每一種東西也必將發生改變。然而,無論是在物理學家的實驗室還是在普通學校的實驗室裡,幾乎所有的東西都要通過尺子和時鐘進行測量,這也就意味著,物理學家和物理老師們不得不重新標定所有的曾經被認為是恆定的物理量。

特別是能量,它是一個依賴於我們測量的長度與時間間隔的物理量。比如一輛做碰撞試驗的汽車,當它猛然撞上牆壁的時候,顯然它具有很大的能量。然而,如果這輛汽車的速度無限接近光速,它的性質就改變了,它會像手風琴一樣收縮,汽車裡的時鐘也走得越來越慢。更重要的是,汽車的質量隨著汽車速度的提高而增大,但這多出來的質量從何而來呢?愛因斯坦給出了結論:它來自能量。

在愛因斯坦的理論中,19世紀物理學的兩個偉大發現——質量守恆定律和能量守恆定律不再是兩個獨立的定律,而是被連接在一起形成了一個新的守恆定律——質量和能量相加的總和保持不變。物質不會突然消失,能量也不會憑空產生,物質的消失以釋放大量的能量為代價,反之亦然。

在愛因斯坦26歲時,他就精確計算出了質量和能量的變化關係,並寫下了關係式:E=MC^2(質能方程)。由於光速的平方(C^2)是一個巨大的天文數字,因此少量的物質在一定條件下也可以釋放出巨大的能量,封閉在最小的物質粒子中的能量釋放超過了一次化學物質爆炸所釋放出的能量的100萬倍。通過這個原理,產生了最直接的成果——氫彈。

我們都知道,氫彈是20世紀科學歷史上最強大的創作。它的產生正是因為愛因斯坦引入時間作為第四個維度,原本在三維世界中那些看似沒有聯繫的物理概念——物質和能量,在高維時空中被統一起來。從那時起,物質和能量的概念被當做一個整體:物質-能量,簡稱「質能」。從這個意義上來看,物質可以被看做是一個幾乎消耗不盡的能量庫。正如文章標題所說——物質就是凝聚的能量。

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