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从1905年到1907年,一个小结

2021年10月1日 字数:1881 来源:表象与本质 作者:[美]侯世达;[法]桑德尔 提供人:zhaotou97......

从1905年到1907年,一个小结

下面对爱因斯坦关于能量和质量的思想大合唱作了一个总结。这些思想最终促成了1907年的突破,产生了相比于他在“奇迹之年”写下的公式的含义深刻得多的理解。

从过去时代继承的思想:

◎存在能量的两种基本变体:动态能量,由物体的运动和波的摆动产生;静态(或潜在)能量,由物体的相对位置产生。

◎能量的两种变体可以相互转换。

◎在特定系统中,所有物理过程保持总能量守恒;该系统内的总质量亦守恒。

爱因斯坦在1905年产生的想法:

◎每当物体发出一束光,它不但会失去一定量的能量E,而且会失去微量的质量。这一过程可以用公式表示为:m=E/c2。通过类比,如果一束光被某物体吸收,该物体不但会获得一些能量,而且会获得一些质量。这个过程可以用同一个公式表示。

◎携带一定能量E的光束必须同时携带一定质量m,这也可以用上面同一个公式表示。

◎通过类比猜测:不仅是电磁波拥有质量,任何形式的动态能量都拥有质量。因此,在任何时候,当物体获得(或失去)一定量的动态能量E时,该物体获得(或失去)微量的质量m。这也可以用上面同一个公式表示。

◎通过类比猜测:这条规律对于动态能量和静态能量都适用。

◎物体的质量由两种基本变体组成:正常质量,由构成该物体的物质组成;反常质量,由该物体所包含的能量组成。

◎因为构成物体的基本粒子在能量释放或吸收的过程中不发生变化,该物体的正常质量永远不变。

◎物体内的所有能量都拥有反常质量,反之,任何反常质量都包含能量,其准确数量可以由公式E=mc2推出。与此对比,物体的正常质量在质量-能量关系中不起作用。因此,公式E=mc2仅适用于反常质量。

质量-能量类比开始形成:

◎质量和能量相似,因为二者均在所有物理过程中守恒。此外,公式E=mc2以简单而自然的方式将特定量的能量与相对应的质量联系在了一起。质量和能量因此成为类比实体。事实上,它们紧密相连。

◎静态能量和正常质量之间存在着醒目的相似性,因为二者均与运动无关。同样,动态能量和反常质量之间存在着醒目的相似性,因为二者均与运动有关。这两个相似性构成新的质量-能量类比的心脏。

同时,因缺乏对称而产生内心冲突:

◎能量因为不是粒子构成的而拥有反常质量,但是能量没有正常质量。反之亦成立:任何物体的反常质量都有不可见能量,安静地处于存储中等待被释放。但是这种状况不适用于同一物体的正常质量,即正常质量不拥有能量。

◎因此,在质量的概念内部存在“内部分隔”,把正常质量和反常质量分开了。由于这一分隔,这两种质量不能相互转化。然而,质量概念的内部分隔把其中的两个变体永远分开,这在能量中没有对应。这个质量-能量的不相称对新产生的连接这两个概念的类比是一个严重打击。

由于一个能够修复“宇宙统一”的假设,内心冲突解除:

◎既然没有屏障将不同种类的能量分隔开来,既然有一个很有希望的类比可以把能量和质量联系在一起,那么如果我们真正相信这个类比,质量,就像能量,或许也没有内部屏障将它分开,它的两个变体,也就是正常和反常的质量,或许可以相互转化。

◎这个想法,如果是真实的,将意味着正常质量,不亚于反常质量,也构成了一个能量库,而且在某种未知的特殊条件下可以转化为反常质量,反之亦然。这将意味着一个物体可以在特殊条件下消弭于无形,只要它的正常质量被立即转化为等量的反常质量。

◎一个拥有质量m的物体与它“消弭于无形”相关的能量(或者更准确地说,从正常质量到反常质量的转换)可以用公式E=mc2表达。因此,这个能量会大得令人震惊,即使该物体本身可能极其轻微。

显然,这是一个非常微妙的故事。为了把这个故事的众多阶段生动地讲述出来,我们花了很大气力。最具挑战的是找到一对理想的相互对立的英文形容词,用来表述两类质量之间的关键区分。我们尝试过许多可能性,包括,“微粒子的/振动的”“永久的/非永久的”“不可用的/可用的”“固态的/液态的”“具体的/抽象的”“可触的/不可触的”“经典的/爱因斯坦的”“硬的/软的”“有形的/朦胧的”,甚至“块状的/摆动的”。我们也考虑过爱因斯坦本人用过的词“真实质量”和“表观质量”,但是,他只用过一次的这对词并不典型。所以,最终我们决定用“正常质量”和“反常质量”。这是一个困难的决定,因为上面试过的每一对词都有其优缺点。每一对都表现了(或来自)一个不同的类比,因而突出了这个谜一般的区分的某些微妙之处,这是其他对立词所不能表现的。

这类难以捉摸的味道可以引导物理学家们凭直觉去探索新的假设。在这个特殊情况下,爱因斯坦被各种各样的类比向不同方向推搡着。这些类比许多都是不可言状的,很可能大部分是无意识的。最终,两年之后,爱因斯坦才把在1905年未能想通的问题理顺。回到简的故事,简在重压下,思维突然冲破藩篱,认识到从原则上讲她磐石般的豪宅就像她的银行账户一样,其中的每一小块都可以成为可塑的流动资金。这个故事是一个有力的漫画式类比。它帮助我们用具体生动的文字表达了爱因斯坦1905年到1907年充满美学的思考过程中的心路历程。

总而言之,存在着不同种类的、可以相互转化的质量,正如存在着不同种类的、可以相互转化的能量。我们因此认识到,质量和能量一样,都是多种多样的,都是永远处于变化状态之中的。质量和能量之间的这个联系是一个令人震惊的类比。它就隐藏在这个最著名的公式的五个符号中。

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