一根針引發的經典力學和相對論之間的尖銳矛盾！我們該信誰？

2020-10-18 星辰大海種花家

也許我們可以用幾種不同方式來討論這根針以光速擊中地球的後果有多嚴重，如果你是經典力學的擁戴者，那麼就請信了牛頓的邪，如果你是相對論的粉絲，那麼就請信了愛因斯坦的邪。

經典力學中的一根針以光速擊中地球的動能有多大？

動能公式大家可能張口就能說出來，但我們先假設一些數據，比如這根針的質量為0.2克，那麼根據動能公式：

動能公式

以光速299792458米/秒代入計算得動能為9×10^12焦耳，按一噸TNT約4184000000焦耳能量計算，大約為：2151.05噸TNT炸藥釋放的能量！

看起來這也是一個不小的數字了，畢竟是一根針而已，在光速下，用傳統的動能公式算出了2000多噸的能量，看來光速還是不可小覷！

按狹義相對論計算一根針的能量是多大呢？

在狹義相對論中必須要考慮質增效應的相對論動能，因此計算方式就不一樣了！我們先祭出相對論動能公式：

看起來花花綠綠一片，其實只看相對論動能公式即可，當速度趨向光速，EK值趨向於無窮大，無論m的質量是多大，只要靜止質量大於0即可，那麼計算出來的動能就是無窮大的。

在無窮大的能量轟擊下，受影響的就不只是地球了，也許太陽系附近的一片空間所有質量都將以能量的形式表現，繼而引發更大範圍的變化，我們不確定這個後果有多嚴重，至少《三體》中的光粒有部分描述，它能輕易摧毀一顆恆星，也許它還沒有達到光速，只是無限接近光速而已！

我們該相信哪個公式？

毫無疑問動能公式沒有錯，用了那麼多年都很好用，但種花家建議下關於動體的電動力學問題還是來看看這個時代背景！因為動能公式來自於經典力學，而在二十世紀初，經典力學的格局發生了翻天覆地的變化！

牛頓在1687年發表了《自然哲學的數學原理》，闡述了萬有引力和三大運動定律，奠定了此後三百年的天文學和力學發展基礎！

經典力學最輝煌的時代是拉普拉斯時代，他是法國著名的天文學家和數學家，對天體力學和統計學的貢獻舉足輕重！拉普拉斯用數學方式證明了行星的軌道只有周期性變化，這就是著名的拉普拉斯定理。拉普拉斯在1799年後出版了系列巨著《天體力學》，到1825年總共五卷論述了行星運動、形狀和潮汐的形成，以及木星衛星的運動和三體問題的特殊解！

拿破崙看到這部巨著後問問拉普拉斯為什麼在他的書中連一句上帝都沒有提到，拉普拉斯明確的回答道「陛下，我不需要那個假設」，如此豪言壯語也只有拉普拉斯敢在拿破崙面前提及！

而另一個頂峰則是勒維耶計算出海王星準確位置，和觀測發現只相差1°，因此當年的拉普拉斯才提出只要知道每一顆例子的位置與速度，他就可以計算出宇宙的過去和未來！

但隱憂潛伏，因為引力藉助於以太假說，而麥克斯韋計算出光速是一個常數，麥可遜莫雷實驗則驗證了以太飄移的零結果，洛侖茲試圖為此解釋而推出了洛侖茲變換公式，高速運動的物體長度會變短，但他卻沒有拋棄以太假說使得憾失狹義相對論的發現！但洛侖茲的解釋卻是正確的，愛因斯坦的狹義相對論繼承了洛侖茲變換的精髓，但拋棄了以太的絕對時空觀，推出了光速不變論，還有相對性原理兩個前提！

經典力學時代的洛侖茲的洛侖茲變換和狹義相對論中的洛侖茲變換，兩者就是同一個東西，可能各位了解的洛侖茲變換就是長度變換，但質增效應和鍾慢效應一樣可以從洛侖茲變換中推導出來，這我們就不得不面對一個結果，在經典力學和狹義相對論之間起著重要橋梁作用的洛侖茲變換所推導的結果是否可以信任的問題！

準確一點說，在進入二十世紀以來，物理學發生了翻天覆地的變化，以狹義相對論為起點，其後是廣義相對論，緊接著是量子力學，在這過程中我們不得不提一下在相對論中起到絕對推動作用的愛因斯坦，有人認為即使愛因斯坦在1925年後退休，那麼他也不會對科學界有任何影響，說的就是愛因斯坦無法接受不連續在量子力學中發生，這個案例表明無論多麼睿智的科學家，終歸有所局限，那麼作為圍觀群眾，又有何感想呢？

相關焦點

  • 量子力學是介於經典力學和相對論之間的理論
    糾纏的粒子有驚人的特性，所以它被量子力學拒之門外。這些特性無法被廣義上的量子力學描述，所以一般認為這些特性還不是量子力學的一部分。量子力學不主張非慣性系下的第二宇宙速度，很難用經典理論和量子理論解釋成薛丁格方程，超弦理論和弦論尚未形成其自洽體系量子力學本身有一些體系設定是與經典力學有衝突的。
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    在這次「眾星雲集」的聚會之上，威廉·湯姆遜（開爾文男爵）發表祝詞並進行演講：開爾文總結了物理學的發展，到目前為止大部分的力學現象都已經可以應用經典力學進行解釋，牛頓力學三定律深入人性應用廣泛；而在電磁領域麥克斯韋的電磁場理論也可以解釋分析基本的電磁現象；而熱力學和統計力學的發展，可以對自然界中的熱現象進行解釋說明。可以說經典力學、經典電磁學和經典力學已經逐漸地搭建起經典物理學大廈。
  • 相對論和量子力學的主要矛盾是什麼?
    相對論和量子力學相互矛盾這件事其實是還沒有定論，或者說，如果從純粹理論的角度上看，目前它們是有一部分融合了，有一部分科學家還在試圖用各種辦法把它們融合到一起，因此，現在就下定論說，兩者是相互矛盾的說法是不太合適的。那具體是咋回事呢？我們要先從兩個理論描述了什麼來進行入手。
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    這個問題困擾了無數的科學家很多年，直到一位可以稱之為天才的科學家出現了，這個偉大的科學家就是我們耳熟能詳的愛因斯坦。愛因斯坦的最大貢獻在於廣義相對論，不論你是否明白廣義相對論到底講的什麼，當相信你一定都聽過這個名詞。那麼廣義相對論到底講了什麼呢？接著上面的問題來說，廣義相對論完美的回答了「引力到底是什麼」這個問題。
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    然而通過恆星坍縮自然形成的奇點的質量很大，一般在三個太陽質量以上，所以實際上它的不確定性很小，也就是說奇點雖然屬於微觀，但似乎又不存在不確定性，因為它的位置和動量都非常容易確定，雖然它實際上是無法測量的，但是我們仍然可以通過測量黑洞來對其進行間接測量：根據黑洞的視界能確定黑洞的質量，而根據黑洞的質量能確定奇點的質量，又根據其移動速度確定其動量；通過視界能確定黑洞的邊界，而奇點就位於黑洞的中心點上
  • 經典力學和電動力學的調和者,狹義相對論的核心——洛倫茲變換
    麥克斯韋方程組構建了電動力學的基石，但卻和牛頓的經典力學產生了矛盾。麥克斯韋建立的電動力學，有一個結果就是光速在不同慣性系是不變的，這個結果和經典力學的伽利略變換是相矛盾的。伽利略變換是經典力學中用以在兩個只以均速相對移動的參考系之間變換的方法，屬於一種被動態變換。伽利略變換構建了經典力學的時空觀。
  • 量子糾纏和相對論真的是矛盾的嗎?
    愛因斯坦創立的相對論認為物體的運動速度不可能超過光速，光速是宇宙中一切運動的最高速度。但是，量子力學中的粒子糾纏現象具有超光速特點，似乎和相對論是矛盾的。科學史上最不可思議的就是量子力學理論預測的「量子糾纏」。量子糾纏是從量子力學的方程式中得出來的，然後經過試驗證實。
  • 將量子力學和相對論結合會發生什麼?黑洞中兩種理論巨大的矛盾!
    在牛頓建立的經典物理學大廈遭受到打擊之後，拔地而起兩座目前最讓人著迷的兩座新大廈，一個是廣義相對論，另一個是量子力學。這兩個領域基本瓜分了它們現世之後的物理學諾貝爾獎，它們一個用來研究超越一般大小的巨大天體，一個被用來十分微小的粒子。
  • 量子力學和相對論最大的矛盾:時空是不是連續的?誰才是正確的?
    現代科學最大的兩大支柱，一個是愛因斯坦的相對論，還有一個就是量子力學。相對論的提出，改變了人類對於宇宙和自然的認識，讓我們從另一個角度認識我們的宇宙，其中提到的全新的時空觀念，刷新了科學界對於宇宙的認識。
  • 經典力學的局限性和物理學的發展
    自從17世紀以來，以牛頓定律為基礎的經典力學不斷發展，取得了巨大的成就，經典力學在科學研究和生產技術中有了廣泛的應用，從而證明了牛頓運動定律的正確性。但是，經典力學也不是萬能的，向其它科學一樣，它也有一定的適用範圍，有自己的局限性。
  • 量子力學和經典力學到底誰更厲害？
    這種現象在我們宏觀世界非常不可思議，宏觀世界我們是用經典力學來解釋。那麼量子力學和經典力學到底誰更厲害呢？今天我就來談談這個問題。首先量子力學的適用範圍是微觀世界，而經典力學是宏觀世界，所以要比較誰更厲害其實很難，就好像一個「短跑選手」和一個「長跑選手」比賽誰更厲害，這是不科學的。不過我們其實量子力學更厲害，為什麼呢？
  • 比相對論和量子力學更深一層的弦理論是什麼
    現在物理學有一個問題沒能得到圓滿解決，那就是量子力學和廣義相對論之間的矛盾。它們之間的矛盾有是目前研究當中最困難的問題之一。廣義相對論適用於巨大的宇宙尺度。廣義相對論認為，在沒有物質的時候，空間都是平直的。
  • 被稱為「大一統」的超弦理論是憑什麼擊敗相對論和量子力學的?
    在過去的時間裡，我們已經能用量子力學和廣義相對論預言很多物理方面的事情。從微小的原子、分子領域到廣袤的星系、星系團，我們都能用這兩種理論工具言之一二，這也確實是很了不起的。雖然沒有辦法把廣義相對論和量子力學的概念結合起來，但聰明的科學家發現，狹義相對論卻對量子力學的框架至關重要，至少狹義相對論與量子力學一樣都在微觀世界下了不少功夫。為了能把狹義相對論與量子力學結合起來，科學家先把它們的力氣集中在電磁力與物質的相互作用上，最後他們建立了量子電動力學。
  • 相對論、量子力學等理論在未來會被推翻嗎?為什麼?
    小夥伴們，相對論、量子力學是物理學的發展的前沿理論。不過，很多人有一些錯誤的理解，什麼相對論推翻了萬有引力定律啦，量子理論不存在啦，等等。其實，這是對物理學無知的論調。有些人人云亦云，跟著起鬨。我們說，科學是嚴謹的，同時科學也是發展的。
  • 為什麼量子力學和相對論有矛盾?超弦理論或將統一物理學
    相對論和量子力學都可以說是人類智慧的結晶，它們都經過了最嚴格的實驗驗證，都是當前最成功的理論。 但是量子力學和相對論卻有著難以調和的矛盾，愛因斯坦晚年為了解決這個矛盾曾一度致力於勾畫大統一理論，然而事違人願，愛因斯坦直到去世都沒有解決這個問題。大家知道，牛頓力學在宏觀低速的世界裡很適用。
  • 量子力學和相對論的百年矛盾!超弦理論能否使其化幹戈為玉帛?
    直到伽利略時期，我們才真正用理性事實認知自然，這時候的方法論是實驗而不是臆測。伽利略用比薩斜塔實驗證明了自由落體的加速度和質量無關，用大量實驗否定了亞里斯多德的觀點。近代物理起源於克卜勒、伽利略等人，奠基於牛頓、胡克等人。牛頓之後，經典力學牢牢統治物理學直到20世紀初，神壇地位維持了兩百年之久。
  • 現代物理學的困境——量子力學和相對論之間的矛盾
    他們短暫地體驗了生活所能提供的所有快樂和自由，但當他們撞上一堵牆並被原子吸收時，他們的存在就消失了。所以，在狹義相對論中，物質和能量是可以相互轉換的，如果能量可以被創造或毀滅，那麼質量也可以被創造或毀滅。因此，我們可以同時創造光子和電子。你只需要一個空盒子，它們就會神奇地出現。當然，如果它們真的出現了，它們會馬上消失。
  • 現代物理學的困境——量子力學和相對論之間的矛盾
    他們短暫地體驗了生活所能提供的所有快樂和自由，但當他們撞上一堵牆並被原子吸收時，他們的存在就消失了。所以，在狹義相對論中，物質和能量是可以相互轉換的，如果能量可以被創造或毀滅，那麼質量也可以被創造或毀滅。因此，我們可以同時創造光子和電子。你只需要一個空盒子，它們就會神奇地出現。當然，如果它們真的出現了，它們會馬上消失。
  • 物理學的兩大真理:相對論與量子力學為何相互矛盾?根源在這個點
    大家好，歡迎收看量子科普第76期，我是常常，今天和大家聊一聊關於現代物理學的兩大支柱：愛因斯坦的相對論與量子理論為何不能相融的事情。愛因斯坦的相對論解釋的是宏觀世界，而量子力學是微觀量子領域的科學，按照常識來說，宏觀世界是由微觀量子世界組成的，而微觀量子世界被包含於宏觀世界，兩者應該是相輔相成、融會貫通的，但令人奇怪的，解釋宏觀世界的相對論卻無法解釋微觀量子世界，而微觀量子世界的很多現象在宏觀世界中根本就找不到類似現象，甚至連邏輯上都解釋不通，兩種理論根本無法融合，這究竟是怎麼回事呢？
  • 通俗理解狹義相對論的兩個基本原理
    創立狹義相對論的背景人們從傳統的時間、空間和運動的觀念出發，看到電磁現象是不服從伽利略相對性原理的（牛頓力學的核心雖然是絕對時空觀，但牛頓依然承認伽利略的相對性原理，因為牛頓認為絕對時空觀說的是空間本身，並不指個體的運動）。