楊全成
(遼寧省沈陽工業(yè)大學遼陽校區(qū))
在大學物理教學中,每每講到“狹義相對論”這一章,同學們普遍感覺不好理解。尤其對于動力學中“相對論性質(zhì)量”,更是撲朔迷離。本文從另一角度對此概念進行解讀,以期使學生易于接受。
愛因斯坦狹義相對論認為:物體質(zhì)量是隨物體運動速度的變化而變化的。相對論中“質(zhì)量”的概念和牛頓力學當中的“質(zhì)量”概念并不相同。這個由狹義相對論所提出的質(zhì)量概念就是“相對論性質(zhì)量”。其數(shù)學表達式為:m=γm0,式中m 即是物體的相對論性質(zhì)量,m0是其靜止質(zhì)量,γ 稱作洛倫茲因子,其值為γ=1/(1-v2/c2)-1/2。
相對論性質(zhì)量這個概念在使用當中容易引起理解上的混亂,因為質(zhì)量在傳統(tǒng)意義上的理解應(yīng)該是物體含有物質(zhì)的多少。按照愛因斯坦的理論,既然認為質(zhì)量是隨著物體運動速度的增加而增加的,那就應(yīng)理解成物體所含物質(zhì)增多了。一旦該物體從高速運動狀態(tài)回歸到靜止狀態(tài)時,其質(zhì)量應(yīng)該大于發(fā)生運動之前的質(zhì)量才對。而事實是,停止運動后,物體質(zhì)量又回到了原先靜止狀態(tài)的值。這就隱約說明:在物體運動過程當中,改變的物理量不應(yīng)是質(zhì)量,而應(yīng)是一個與物體運動相關(guān)的物理量。
“相對論性質(zhì)量”所體現(xiàn)的本質(zhì),很類似于“慣性”這個物理量。傳統(tǒng)意義上,我們經(jīng)常把“慣性”與“質(zhì)量”這兩個概念等同起來,但這種觀念是不正確的。物體作低速運動時,慣性與質(zhì)量固然可以采用同一個數(shù)值表示,但兩者卻有不同的物理意義。質(zhì)量上面提到,指的就是物體中物質(zhì)的含量,這是物體的基本屬性,物體在經(jīng)歷高速運動前后,其所含物質(zhì)多少,即“質(zhì)量”,這個物理量是不會發(fā)生變化的。而慣性則不同,它反映的是一個現(xiàn)象,該現(xiàn)象來自于針對質(zhì)量場和物體質(zhì)心之間的不對稱性進行改變的難易程度。容易改變表明慣性小,反之慣性大。物體的運動就是在質(zhì)量場與質(zhì)心處于不對稱的狀態(tài)下出現(xiàn)的。運動速度越快,質(zhì)量場與質(zhì)心之間越不對稱,慣性就越大;當物體的運動速度減小時,質(zhì)量場與質(zhì)心之間的不對稱隨之減小,慣性也在減小。
經(jīng)典力學中,談到物體運動一般都指的是低速運動,在數(shù)學計算上把慣性與質(zhì)量用同一個數(shù)值進行計算,得出的結(jié)果并不錯。但由于二者畢竟不是同一個物理量,當物體的運動速度達到光速量級的時候,再用同一個數(shù)值去計算它們就會不正確了。發(fā)生這個錯誤的根源就是由于使用了數(shù)學的計算結(jié)果來解釋物理現(xiàn)象,并沒有從物理本質(zhì)上進行解釋。