“相對論性質(zhì)量”的理解初探

楊全成

在大學(xué)物理教學(xué)中，每每講到“狹義相對論”這一章，同學(xué)們普遍感覺不好理解。尤其對于動力學(xué)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(jìn)行解讀，以期使學(xué)生易于接受。

一、概念的由來

愛因斯坦狹義相對論認(rèn)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(xué)當(dāng)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(xué)表達(dá)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。

二、難理解之處

相對論性質(zhì)量這個概念在使用當(dāng)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(rèn)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?fàn)顟B(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?fàn)顟B(tài)的值。這就隱約說明：在物體運動過程當(dāng)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。

三、另一種理解方式

“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(jìn)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(dāng)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(xué)中，談到物體運動一般都指的是低速運動，在數(shù)學(xué)計算上把慣性與質(zhì)量用同一個數(shù)值進(jìn)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(dāng)物體的運動速度達(dá)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(xué)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(jìn)行解釋。

編輯 楊兆東