義大利物理學家伽利略.伽利雷最早提出,速度與速度可以相加或者相減,就是說在乘坐在一輛運動中的馬車裡,向前進方向投出的球,與向馬車後方投出的球的速度,是要減去或者加上馬車的運行速度後,才是靜止觀測者所觀測到的球的本身運動速度。
這個定理,被稱為:「伽利略速度相加定理」。
之後,物理學家艾薩克.牛頓在總結物理學運動的規律的基礎上,引進了「伽利略速度相加定理」,創建了「牛頓力學」。
時間進入十九世紀後,英國物理學家詹姆斯.麥克斯韋,成功的將電磁學定律用一組數學方程式表達出來,建立了「麥克斯韋方程組」,並根據該方程組推論出電磁波在真空中的傳播速度,為每秒三十萬公裡,就是說光在真空中的傳播速度為每秒三十萬公裡。
不過,麥克斯韋方程組並沒有說明,光的每秒三十萬公裡的速度是以什麼為基準(參照物)的。
之後,阿爾伯特.愛因斯坦提出:「電磁波原本就沒有速度基準,無論用什麼基準來看(對以任何速度運動的人觀測光得運動來說),光速都是相同的。」,這種觀點被稱為「光速不變原理」。
愛因斯坦發現,自己的「光速不變原理」,與伽利略的「速度相加定理」有著巨大的矛盾,無法同時成立。
為了解決這一矛盾,愛因斯坦以光速不變原理為基礎原理,提出時間的流逝速度、物體與空間的長度(距離),會隨著觀測者所處的位置不同而變化。
也就是說:時間與空間並不是絕對的,而是相對的,因觀測者所處的位置而不同,根據這個觀點,愛因斯坦推導出:「物體的運動速度越接近光速,空間收縮的效應應越明顯,時間流逝的越慢。」~這就是「狹義相對論」。
狹義相對論認為,時間與空間不是各自獨立伸縮的,而是同時伸縮,自從狹義相對論出現後,時間與空間就因聯動而被認為是一體的,開始被統稱為「時空」,因此可以說,我們的世界是由三維的空間與一維的時間作組成的「四維時空」。
在愛因斯坦提出狹義相對論之前,物理學界一直認為,如果給球持續注入能量,球可以永無止境的加速運動下去。
而狹義相對論認為,即使持續給物體注入能量(物體被不斷加速),其運動速度都不可能超過光速~「光速」是自然界中最大的速度。
無法超過光速,也就是說,物體的運動速度越接近光速,越難加速,就算不斷注入多少能量也都是不行,那麼,注入進去被加速物體中的能量去了哪裡?
答案是,這些能量變成了「質量」,所以往接近光速運動的物體裡注入能量越多,這個物體的質量就越大,無論注入多少能量,這個物體永遠達不到光的速度。
基於這一觀點,愛因斯坦推導出著名的質量與能量的轉換公式:E=mc2(2是指平方),其中E代表能量,m代表質量,c代表光速,之前物理學界,一直認為質量與能量是兩個毫不相干的要素,在質能公式中,藉助於常數c,質量與能量被聯繫到了一起。
狹義相對論完美的解釋出太陽發光的原理,太陽的中心主要由氫構成,核心溫度1500萬攝氏度,壓力相當於2500億大氣壓,是個超高溫、超高壓的環境,在這種環境中,四個氫原子核發生猛烈撞擊,合併為一個氦4原子核,這一反應被稱為「核聚變反應」。
四個氫原子核聚變為一個氦4原子核後,質量減少大約百分之0.7,根據質能轉換公式,減少的質量轉換成能量,這就是太陽能在幾十億年持續不斷的燃燒、釋放巨大能量的原因。
組成我們宇宙和我們的是原子,原子由電子、質子、中子組成,質子和中子由夸克組成,分為上夸克和下夸克。
電子、上夸克、下夸克都是基本粒子,不可再分割。
上夸克的質量大約為電子的五倍,下夸克的質量大約為電子的十倍,質子有兩個上夸克和一個下夸克組成,那麼質子的質量應該是電子的二十倍(5+5+10),而實際上,質子的質量是電子質量的1850倍。
就在說,一個質子內夸克的質量僅佔質子質子的大約百分之一,那麼質子其實百分之九十九的質子來自哪裡?
質子其餘百分之九十九的質量來自誇克在質子內運行的能量,作用在質子內部的力,叫做「強相互力」,簡稱「強力」,質子內的三個夸克以接近光速的速度運動,作用於質子內部的「強力」牢牢的把三個「夸克」束縛在質子尺度內,三個高速運動的夸克無法彼此分開,於是以「質子」的形式存在。
夸克被強力束縛在一起的同時,也在高速運動,因此,質子中不僅有來自強力的能量,還有高速運動的夸克自身的動能,根據狹義相對論的質能轉換公式,這些被束縛在質子中的能量,的外在表現為質子的質量而被測量到,百分之九十九的質子的質量都是由這些能量轉化而來。
2012年,歐洲大型強子對撞機(LHC)發現了一種新的基本粒子,就是被稱為上帝粒子的「希格斯粒子」,這一發現,在2013年獲得諾貝爾物理學獎。
而歐洲大型強子對撞機的運行原理,就是把「能量」轉化為「質量」,用能量創造出新的基本粒子。
把1克質量的物體加速到光速的百分之99時,這1克的物質被觀測到的質量大約為7.1克,當歐洲大型強子對撞機把1克物質加速到光速的百分之99.9999991時,這1克的物質的表觀質量為74500克。
當被加速到如此高速的物質在對撞機內撞擊時,撞擊時的能量將生成質子中原本沒有的基本粒子,並使其四處飛散,被探測器捕捉到其飛行軌跡、物理表現,加以計算、分析,對照預測的各種基本粒子的物理表現,判斷出製造出了什麼新的基本粒子。
狹義相對論為我們人類探索我們的宇宙最終極的秘密,提供了理論方法。
「狹義相對論」與「廣義相對論」,統稱為~「相對論」。
「相對論」與「量子力學」並稱為現代物理學的兩大基石。
說到這裡,謝謝大家。
(物理科普系列,還會繼續,讓我們一起了解宇宙的終極秘密。)