7关于相对论中的质量和动量

7、相对论中的质量与动量基本相互作用统一物理世界图象的方向是爱因斯坦在创立相对论的过程中开辟的。他在解决牛顿力学和电动力学不协调矛盾中没有因循上述的归一思想，他不企图把力学现象和电磁学现象归结为其中任何之一，而是在一个新的时空构架中把两者统一起来。他的狭义相对论实现了在运动学水平上的两者统一。相对论质量公式的简单推导：推导的依据：质量守恒(其实质是能量守恒)、动量守恒、洛伦兹速度变换。设S系中有两个相同的球A、B，其中B静止，A以速度v与B发生完全非弹性碰撞。SS/碰前碰后S系：质量守恒：ommM动量守恒：)1.........()(mvVmmMVo所以有：)2..(..........VvmmmoS/系：质量守恒：ommM动量守恒：)3.........()(mvVmmMVo比较（1）、（3）得：)4(..........VV由洛伦兹速度变换：xss/oo/x/vABmABmovBAmmovMVMV/、2222211111cvvVcvVVvcVvvVVVcVvvVV将（2）代入上式：2211cvmmmmmmoo所以有：221cvmmo证毕。爱因斯坦狭义相对论，是建立在所谓的惯性系统中的时空理论。惯性是狭义相对论存在的基础，因为在惯性系统内，做匀速直线运动的物体的数学物理方程，才满足线性迭加规律。Lorentz在1904年已经推导出了电子的纵向质量与横向质量的公式[1]，它们分别是：mL=m/(1–v2/c2)3/2（1）以及mt=m/(1–v2/c2)1/2（2）爱因斯坦在他1905年的论文《论动体的电动力学》中也推导了电子的“纵”质量和“横”质量（原文中有引号）[2]。《论动体的电动力学》的第10节“（缓慢加速的）电子的动力学”中，Einstein讨论了这个问题。他从运动方程出发，经过洛伦兹—Einstein坐标变换，得出了一组结果：然后保持“质量×加速度=力”的方程形式，通过比较而导出了电子的纵质量和横质量式中mo为物体的静质量。Einstein所得到的纵质量mL随速度变化的关系与洛伦兹的结果相同，可是横向质量公式写成：mt=m/(1–v2/c2)（3）公式（3）与Lorentz的公式（2）不同。爱因斯坦在公式（3）下面有一段文字说明：“采用不同的力与加速度的定义，我们自然会得到其它的质量值。这告诉我们，在比较电子运动的各种理论时，必须十分谨慎地进行。”事实上，爱因斯坦在推导出电子的“纵”质量和“横”质量公式之前，已经明确写出了电子在电磁场中的运动方程式。他当时假定的作用在电子上的力，与Lorentz采用的力的定义是不同的。所以，爱因斯坦在1905年的论文中的“纵”质量公式（3）与Lorentz的公式（2）不同，在当时是允许的，也是可以理解的。二十世纪初期，人们对于电子运动的研究是个新兴学科。当时物理学家注意到作用在电子上的力不仅与加速度有关，还与速度有关，这就需要对牛顿的第二定律（F＝ma）的形式进行修改。在这种背景下，物理学家开始尝试性地提出“纵“质量和“横”质量的概念，然后，他们很快认识到这种提法不妥当，就着手从动量的新定义出发，对力的定义作出新的表述。普朗克在1906年著文指出，如果将力表达成动量随时间的变化率，即形式上与洛伦兹的横质量相同，Einstein在后来的论文中采用了这种对质量的新定义。1909年,有个叫Bucherer的德国物理学家证明了相对论质速关系的那个实验!爱因斯坦在1907年发表了长篇论文：“关于相对性原理和由此得出的结论”[3]，其中第三章是质点（电子）力学，他明确地写出了质点的动量表示式。如果采用现代的符号，质点的动量表示式为：p=mv/(1–v2/c2)1/2（4）爱因斯坦进而把质点动力学方程中的力定义为：F=dp/dt（5）相对论动量表示式（4）和力的定义公式（5）一直延用到今天。公式（5）是牛顿第二定律的推广形式。值得注意的是，爱因斯坦在1907年的论文中已经不再提及“纵”质量和“横”质量。在相对论力学中，动量表示式（4）是个非常重要的定义，它是牛顿力学的动量定义的发展。在公式（4）中，相对论动量比牛顿力学的动量多了一项因子，(1–v2/c2)-1/2，后来被称之为gamma因子。在公式（5）中，质点受到的力不仅与加速度有关，也与速度有关。从公式（5），当质点的速度与加速度的方向平行，以及垂直时，可以作为特例分别推导出质点的“纵”质量和“横”质量。所以，“纵”质量和“横”质量没有普遍性的意义。在相对论中，质点的总能量表示式为：E=mc2/(1–v2/c2)1/2（6）当质点的速度为零时，公式（6）退化成著名的质能公式：Eo=mc2，这里Eo代表静止质点的总能量。注意，爱因斯坦在公式中对质量采用的符号是m，等同于牛顿力学中的质量，他很少采用静止质量的提法，也几乎不用符号（m。）。结合公式（5）和（6），可以得到质点的能量和动量关系式(E/c)2–p2=m2c2(7)在公式（7）中，质量m是一个不变量，它在任何惯性系中都是相同的。现在教科书上，通常把m称为静止质量。在教科书和科普读物上，把相对论质量M（也称为动体质量）写成：M=m/(1–v2/c2)1/2（8）公式（8）常常被称之为质速公式，当质点的速度增加时，质量会随着增大；当质点的速度趋向光速时，质量会增大到无限大。通过公式（8），相对论动量公式（4）可以简写成p=Mv；相对论能量公式（6）可以简写成E=Mc2，这是引入公式（8）的优点。由（7）、（8），可以算出运动物体的动能：......8321)1/11(240202220202cvmvmcvcmcmmcT第一、四维洛伦兹变换和光速、以及光速不变紧密相连。它可以直接脱胎于电磁学，法国彭加勒是第一个给出该变换的人。该变换固有的适用范围就是四维性质的光电磁。光速不变——它的物理意义就是表述大范围的电磁空间是零曲率的空间。第二、四维洛伦兹变换不能适用于引力方程。洛伦兹变换几乎征服了物理学现有的每一个分支，就是偏偏征服不了引力学。20世纪30年代后随着非线性和分维物理学分支的迅速广泛崛起，洛伦兹变换均被挡在门外。进一步地研究也发现引力空间是最简单的非线性空间——即不等于0的负曲率的空间。这样才划定了洛伦兹变换的适用范围是所有零曲率的空间的物理学分支。在爱因斯坦之前，惯性质量，即物体对运动的惯性阻抗被认为是一个不可改变的量。这符合牛顿形而上学的机械自然观。１８９５年，奥斯瓦尔德在吕贝克自然科学家大会的报告中还提出质量不变的经典观点。时过不久，１９０１年实验物理学家在进行高速运动电子的实验时，发现电子的质量随着速度增加而变大。爱因斯坦在他的相对论中也论证了这一事实。只要是运动物体的速度远低于光速，由于运动所引起的质量增加就不明显。因为在经典力学中，物体很大而运动速度很小，质量的增加往往被忽视。相反，在相对力学中，质量的增加起着重要作用。在其后的时期中，原子物理学家们在大型实验设备上，加速了基本粒子。这些实践证明爱因斯坦的学说是正确的。（1）“质量的相对论变换”公式在1906年已明显地包含于MaxPlanck的论文（Verh.dtsch.phys.Gas.,1906,4:136）中，但未引起重视；（2）R.C.Tolman在1911年的论文（Phil.Mag.,1911,21:296）中详细地强调了此“质量的相对论变换”公式；R.C.Tolman后来在他的书《RelativityThermodynamicsandCosmology》(Oxford,London,1934,1946,1949,1950)中再次写出了此“质量的相对论变换”公式；（3）A.Einstein在1935年的论文“ElementaryDerivationofEquivalenceofMassandEnergy”(载Bull.Amer.Math.Soc.,1935,61(4):223-230)中肯定并用到了此“质量的相对论变换”公式。作为说明，W.Pauli在其名著《TheoryofRelativity》(PergamonPress,1950）中写道，“质量的相对论变换”公式“现在是看作为质量的。这一质量依赖于速度的表达式是由Lorentz基于电子也在运动过程中受到一Lorentz收缩这一假定，首先专门对电子的质量导出这个公式。……Lorentz关于质量改变的定律可以从相对论导出，而不必对电子的形状或电荷的分布作任何特殊的假定，这是一大进步。公式（215）对各种质量均适用，所以不必对质量的性质作任何假定。”W.Pauli在注释中特别提到了M.Planck和R.C.Tolman的工作。吴大猷先生在其《相对论》一书中也特别提到了“质量的相对论变换”公式（p90）。吴大猷先生的推导过程与R.C.Tolman和A.Einstein完全一样。“质量的相对论变换”公式是相对论中的一个重要公式，如果Einstein的文章中没有这个公式那倒是奇怪的。1911年至1934的25年间，Einstein正在从事广义相对论方面的工作，无暇在文章中提到这一公式也不奇怪。参考文献[1].LorentzHA.ElectromagneticPhenomenainasystemmovingwithanyvelocitylessthanthatoflight.Proc.Sec.Sci.,1904,6:809–831.中译：相对论原理[M]，科学出版社，赵志田，刘一贯译，1989，6-30。[2].EinsteinA.ZurElektrodynamikbewegterKorper,Ann.Phys.,1905,17:891-921。中译：论动体的电动力学[A],范岱年等译，爱因斯坦文集[M]北京：商务印书馆，1977，83-115。[3].EinsteinA.JahrbuchderRadioaltivitatundElektronik,1907,4:411-462。中译：关于相对性原理和由此得出的结论[A],范岱年等译，爱因斯坦文集[M]北京：商务印书馆，1977，150-209。