相對論說物體接近光速時,質量會變得無窮大?

2020-12-06 小彭來給您解惑

最近一位網友提出一個問題,那就是根據狹義相對論,質量這個物理量會隨著參考系的變化而變化,也就是質量並非一成不變,當物體接近光速時,質量會變得無窮大,那麼豈不是這個運動物體就變成了一個黑洞,那麼萬物都被吸入黑洞,不就都毀滅了嗎?今天我就來談談這個問題。

首先狹義相對論為什麼叫「相對」?不知道大家還記得不?其實就是因為狹義相對論認為速度、時間、質量和長度這四個物理量,都是要選參考系才有意義,並且換了一個參考系看同樣的物體,這四個物理量的數值會發生變化,並且變化後的數值也是真實的,也就是大家從不同參考系看到的這四個物理量雖然數值不同,但是大家都是真實的,並非誰的數值是標準,誰又不是標準。這個都是以前專門強調的,相信你應該能理解。

所以這裡我們就要抓住一個關鍵,那就是「運動物體質量變大」這個結論是相對於誰成立的。假設剛開始有一個物體靜止於地面,你也靜止於地面,你測量這個物體的質量是1kg,那麼當這個物體以1000m/s的速度做勻速直線運動時,你再去測量這個物體的質量,會發現比1kg要大一點點。為什麼呢,因為當物體運動時,相當於是物體本身沒有運動,是你在運動,那麼就等於你換了一個運動的參考系,所以你看到的同一個物體的質量會比原來大一些。

有些人可能會說,換了一個參考系看同一個物體質量就變大,你這根本就是一個錯誤論斷,可惜我要告訴你的是,這個是由狹義相對論推導出來的結論,並且這個質量到底變大多少,都是可以量化計算出來了,而且這個質量變大效應,也是推導出E=m*c平方公式的關鍵。這個質速公式如下圖所展示。

可以看出來,v這個速度越接近光速,分母就越接近無窮小,那麼整個式子的右邊就是無窮大,所以算出來的m就是無窮大,所以得出結論:當一個運動的物體速度接近光速時,你會發現它的質量會變得無窮大。所以這個網友針對這個問題就提到,如果質量無窮大了,豈不是就變成黑洞了,那麼萬物都毀滅了?

其實之所以會這樣想,還是忘記了狹義相對論造成的效應本身也是相對的,之所以會覺得質量變得無限大,其實只是你覺得而已,別人以自己為參考系可不覺得這個物體質量是無限大。也就是說這個質量變大效應本身也是相對的,會因為參考系的變化而變化。比如最開始小明和小紅靜止於地面,有一個物體是1kg,此時小明假設突然加速到接近光速0.999999c速度,這裡暫時不考慮加速過程小明能否承受這種加速度,也不考慮現有技術是否能達到這種加速效果,那麼一旦小明進入勻速直線運動階段,小明眼中的這個物體質量就是接近無窮大,但是小紅眼中的這個物體依然是1kg不變。所以小明看到這個物體質量無限大了,那麼不會造成這個物體突然往地下面坍縮,因為這個物體質量增大了,地球上一切靜止的物體在小明眼中也會同比例增大,所以小明依然看到這個物體是靜止於地面的。

所以大家明白了吧,質量變大了,雖然有黑洞的能力,但是這種效應只是運動觀察者覺得,別人可未必覺得,而且在運動參考系中,不僅僅這個物體變大,其餘萬事萬物質量都同步變大。你說這個物體變成黑洞,但是大家都同步變為黑洞,這種同比例增大效應,是造成萬事萬物沒有被毀滅的基礎,也是造成這個系統能穩定的前提條件。更何況,這種質量增大效應是一種相對的效應,不是一種絕對的效應,相對效應造成的質量增大問題,能否形成真正的黑洞,其實也是有很大質疑的。我是小彭來給您解惑,如果喜歡文章可關注,如果對文章有異議可留言評論。

相關焦點

  • 為什麼物體接近於光速運動時,質量就接近於無窮大?
    對於牛頓力學而言,物體的質量是個不變量,不論物體身處怎樣的運動狀態(只要不解體之類的就行),質量都不會變化,但這一點在相對論中不成立。狹義相對論中有動質量一說,我們暫且認為這一概念是合理的(為什麼說這句話呢,實際上動質量只是相對論初期的提法,後來隨著相對論的發展,人們發現動質量的存在實屬多餘),而動質量與物體的速度相關聯,具體公式如下:其中c代表光速,v是物體速度,m0是物體的靜止質量,我們發現隨著物體速度的增加,動質量會變得越來越大(如果速度為零,則動質量就是靜止質量
  • 任何物體如達到光速,質量會變得無窮大,光子質量為什麼不是呢?
    一,首先因為絕大部分物體的靜質量不為0根據狹義相對論的質量效應公式:質量效應公式(其中m0為靜質量,Ⅴ為物體運動速度,C為光速)當V達到光速C時,m就會無窮大。而光子的靜質量為0,這樣質量公式就變成了0/0型,它的極限值就是所謂光子的動質量,數值非常小,但不是無窮小。其大小可以由mC=hν,即m=hν/C得出。其中h為普朗克常數,ν為光波的頻率,C為光速。由此可見只有靜質量為0的物質,達到光速時質量才有可能不變為無窮大。
  • 宇宙中的物質為什麼不能超光速?超光速質量為什麼會無窮大?
    一,宇宙裡的物質不能超越光速及其原因宇宙裡的物質不能超越光速,甚至連光速也達不到。因為達到光速時會使物質質量變得無窮大。相對論的質量效應公式表示的很清楚:也就是說任何靜質量不為0的物質是很難達到光速的,因為如果達到光速,它的質量會變得無窮大,需要無窮的能量來推動。如果宇宙是有限的,整個宇宙的能量都不夠,因而這是不可能的。反過來講,正是因為光沒有靜質量,才能達到最高速。二,那為什麼達到光速,質量會變得無窮大?上面是從狹義相對論的結論公式上分析的,從原理上分析的原因又是什麼呢?那是因為光速不變原理和時空相對性原理的結合。
  • 中微子的速度非常接近光速,為何質量沒有趨於無窮大?
    日常生活中,一個物體不論是靜止還是在運動,一般不會考慮其質量的變化。在牛頓力學中,物體的質量與物體的運動狀態沒有關係。1905年愛因斯坦給出狹義相對論後,人們才認識到物體的質量會隨速度的增大而增大,並且當速度趨近於光速時,物體的質量會趨於無窮大。
  • 是不是把一個原子加速到光速其質量就會變得無窮大?
    (1)光速極限是怎麼來的最早提出光速是運動極限的是愛因斯坦,他在狹義相對論裡首先提出了真空光速不變這一個特性,在狹義相對論中給出了質速變化的公式。從公式的表達我們可以看出,任何有質量的物體在速度接近光速之後,質量都會變成無窮大。原子當然也不例外,所以,原子的速度在理論上,只能無限接近真空光速,而永遠不能到達。
  • 一個質量點可以摧毀一顆恆星?當物體以光速運動,威力有多大?
    那麼如果假設一個有質量的物體達到了光速,那又會怎麼樣呢?那麼這個物體將會具有無與倫比的威力。在《三體》之中,一個小小的質量點之所以能夠摧毀一整個恆星系,奧秘就在於這個質量點是以光速運動的。為什麼有質量的物體在以光速運動的時候會產生如此巨大的威力呢?要解答這個問題,我們先要明白為什麼在現實世界中,有質量的物體無法達到光速。
  • 一個質量點可以摧毀一顆恆星?當物體以光速運動,威力有多大?
    當然是光速,光速是宇宙間最快的速度,是宇宙最基本的物理法則。任何有質量的物體無法達到光速,而如光子一般沒有質量的物體則只能以光速運行。那麼如果假設一個有質量的物體達到了光速,那又會怎麼樣呢?那麼這個物體將會具有無以倫比的威力。
  • 如果物體從足夠高的地方自由落體,它的速度會超過光速嗎?
    目前人類尚且沒有任何辦法,把物體的速度加速到光速,只能無限地逼近光速的99.99999……%,始終無法跨越最後一點鴻溝。光速也可以說是現代物理學一個可望而不可及的「天花板」。但是一定有人這樣想過:如果物體以恆定的加速度一直做勻加速運動,那麼這個物體的速度按理來說是一定會超過光速的啊?
  • 一個物體需具備什麼條件才能達到光速?
    在之前的文章中,我們詳細講解了狹義相對論的各種效應,其中有一個不經常提到的效應就是「質量變大效應」,具體內涵就是,當一個運動的物體速度增加,則該物體質量也會增加。質量增加多少能否定量計算呢?有了這個關係式,我們就可以得出一個結論,任何物體無法超光速,因為當v=c時(c是光速),根號下面會變得無窮小,使得m變得無窮大。也就是速度越接近光速,質量就會趨向於無窮大。而慣性衡量的一個標準就是質量,質量越大,慣性越大。
  • 運動的物體質量增加,從而使得物體無法達到光速?
    比如一根鋼管地面上靜止,你去測量發現質量是:1kg。當這根鋼管以1/2c速度遠離你時,你會發現,這根鋼管質量變成100kg了,這就是質量變大效應。但是當你把鋼管又靜止於地面,你會發現鋼管又變回1kg了,這就是效應消失,因為你選擇了與原來相同的參考系不過大家覺得參考系切換回原來,質量就恢復,還有沒有其他辦法使得質量也恢復。
  • 運動的物體質量增加,從而使得物體無法達到光速?
    比如一根鋼管地面上靜止,你去測量發現質量是:1kg。當這根鋼管以1/2c速度遠離你時,你會發現,這根鋼管質量變成100kg了,這就是質量變大效應。但是當你把鋼管又靜止於地面,你會發現鋼管又變回1kg了,這就是效應消失,因為你選擇了與原來相同的參考系。
  • 接近光速運動的棉花相對論質量無限大,可以形成黑洞嗎?
    棉花雖然輕,但是根據相對論質量公式,棉花如果以光速運動,其相對論質量(動質量)會變得無限大,那麼這種情況下,棉花會因為動質量無限大而形成黑洞嗎?估計很多人都覺得可以。不過,真正的答案是棉花即便能夠接近光速,相對論質量變得無限大,它也形成不了黑洞。
  • 物質不能達到光速不是因為質量達到無窮大
    《相對論》認為:速度越快,質量越大,當速度越來越接近光速,質量會達到無窮大,所以物質永遠不會達到光速。不錯,宇宙從來沒發現無窮大質量的物質,粒子加速器也只能把電子速度加速到0.999999999倍光速,一切都與《相對論》預言的一樣,真的是這樣嗎?電子加速的原理是依靠電磁效應來加速電子的,如果速度越來越接光速,電子產生的內部磁場越來越接近零,電子是不是同樣不能再被加速?
  • 光速下時間會停止,是不是坐在光速飛船裡的人就不會老了?
    那麼我們現在可以來回答當人以光速運動會不會長生不老的問題了,按照時間膨脹效應的推論,當運動速度趨近於光速,時間會變得越來越慢(時間間隔越來越大),推論下去當運動速度達到光速,時間就停止了,時間停止了不就長生不老了嗎?沒錯,在地球人看來,光速運動的人確實是長生不老了,因為時間定格了(時間間隔無窮大)。
  • 為什麼一個物體接近光速時,時間會變慢?
    讓我們先退一步,回顧一個事實:根據狹義相對論的假設,一個物體接近光速(或者任何速度)的時候,時間都不會變慢。一種專門設計用來量化時間的儀器在運動或相對於觀測者運動時(速度接近光速),時鐘會走得更慢(稍後會詳細介紹)。愛因斯坦所描述的鐘的類型是一個特定的性質和設計的一個「光子鍾」。在光子鍾內,光在鏡子之間反射。
  • 愛因斯坦相對論對光速和時間的定義,為何你無論如何達不到光速?
    ,那麼其他東西就要有變化,他得出結論就是,改變的正是時間,時間不是恆量,它會隨著你移動速度的變化而變化,你移動的越快,時間就越慢。但相對於地面接收者來說衛星速度太快,導致衛星的時間每天會慢7微妙(百萬分子一秒)。如果我們不利用愛因斯坦的理論考慮到這一點,我們GPS系統的精確性每天將偏差超過2公裡。不過愛因斯坦沒有止步於此,他推論不僅光速是恆定的,而且光速也是宇宙中最快的速度,沒有什麼比光速還快,那是因為質量和能量的關係。愛因斯坦說質量和能量是同一枚硬幣的兩面,這意味著如果一個物體的能量增加,質量也會增加。
  • 狹義相對論裡不可逾越光速極限是什麼?
    眾所周知,愛因斯坦的狹義相對論規定,真空中的光速是宇宙中一切物體運動速度的上限。根據狹義相對論公式,物體運動速度愈快,時間間隔愈大,空間間隔愈小,慣性質量愈大。假如物體運動達到光速,則運動物體時間將膨脹至無窮大,運動物體長度將收縮為零,運動物體慣性質量將達到無窮大。
  • 運動速度越快,時間越慢,那達到光速時會是怎樣的情況?
    理論上說,當運動速度越快,時間越慢,當運動速度趨近於光速,時間就趨近於靜止,但理論上並沒有說「達到光速」,時間會怎麼樣。在狹義相對論中,是已經禁止了任何有靜質量的物體達到光速的可能。一個靜質量為m0的物體,隨著它運動速度的加快,它的動質量M將會如此變化,看如下公式,當速度v逐漸增加,動質量M增加,當v趨近於光速c時,M趨近於無窮大,給一個具有無窮大質量的物體進行加速,理論上需要無窮大的能量,這是不可能的。所以,狹義相對論中規定,一切有靜質量的物體皆不可能達到光速。
  • 為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?
    在宇宙中,物體(能傳遞信息)最快的速度是光速,而且物體速度在光速的情況下,會發生很多神奇的事情,比如物體的速度達到光速,時間就會停止,按照狹義相對論的說法,任何有質量的物體都無法達到光速,只能逼近光速,更是不可能超光速。那麼速度的上限就是光速了嗎?
  • 以無限接近光速離開地球1小時返回,會經歷什麼?科學家給出答案
    愛因斯坦在他的相對論理論作出判斷:物體的時間會隨著速度的加快而變慢,讓物體的速度逐漸接近光速的時候,時間就趨向於停止,當速度等於光速時,時間就完全停止,如果有能力超越光速,時間就會倒流,因此也就可以回到過去了。這就是愛因斯坦的關於時間與速度的預言,那麼按照愛因斯坦的這個理論,假如人類製造一艘光速飛船,駕駛著這艘光速飛船離開地球1小時,會經歷什麼事情?