牛顿运动定律作为经典物理学的基础定律,为世人所熟知。其中,第一定律说明了力的含义:力是改变物体运动状态的原因;第二定律指出了力的作用效果:力使物体获得加速度;第三定律揭示出力的本质:力是物体间的相互作用。
爱因斯坦创立的狭义相对论,以及在狭义相对论中导出的著名的质能方程同样脍炙人口,为世人熟知。
那么,力与能量,我们耳熟能详的这两个概念,它们之间有何区别,有何联系呢?
现在我们都知道,狭义相对论(Special Relativity)是比牛顿运动定律(下文简称牛顿理论)更一般的理论,相对论并没有否定牛顿理论,只是牛顿理论并非一般性的理论,它只在特定条件下才适用,也即牛顿理论是相对论在某特定条件下的子集。这个特定条件是指物体的运动速度远小于光速时。
根据狭义相对论,牛顿理论通过相对系数γ(也称为相对程度)与相对论建立联系,达至统一。爱因斯坦在狭义相对论中给出的相对系数γ的公式如下:
其中为v物体的运动速度,c为光速。
显然,当vc时,γ≈1,牛顿运动定律就是假设γ=1时适用的定律,而当运动速度v越来越高,越接近光速时,γ→∞,牛顿理论将不适用,相对效应就会越来越明显,此时的相对质量(MASS)就不再是牛顿理论里的质量了。如果把牛顿理论里的质量设为M_0,则有普遍适用的相对质量:
M0又称为内禀质量,是指一个系统内物质在系统静止状态下所拥有的质量。而MASS则为相对质量。显然,当物质的运动速度越大,越接近光速,相对程度趋向于无穷大,相对质量也将趋向于无穷大。而根据牛顿第二运动定律:
当m趋向于无穷大时,即使施加再大的力,加速度也将趋向于0。这也是狭义相对论认为物质运动速度不可能超过光速的原因。但为什么是光速?而不是比光速更大或更小的值呢?爱因斯坦没有解释,物理学界也没有解释,认为那属于哲学的问题。
上述即为狭义相对论里载明,相对论与牛顿运动定律的关系,显然,牛顿理论是狭义相对论在特殊情况下的子集,狭义相对论是包含牛顿运动定律的更一般性,更普适性的理论。
进一步地,在爱因斯坦的狭义相对论中,通过相对系数γ公式,可以推导出著名的质能方程E=〖mc〗^2,在开始推导前,先计算一下地球的相对论程度。
我们知道,地球绕太阳公转的运动速度为v=3×10^4 米/秒,根据相对系数公式,可以计算出地球的相对程度:
可以看出是一个非常接近于1的值,也即是适用牛顿理论。
回到质能方向的推导,过程如下:
首先,根据柯西准则,对于级数(1+ε)^n,当ε是很小很小(接近零)的值时,(1+ε)^n≈1+nε,其中的1在物理学中又称为牛顿项,nε称为牛顿近似或牛顿项修正。
又知道相对系数:
已知M0为内禀质量,E/C^2 为动能质量,即E=mc^2,即质量与能量是可以互换的。这就是著名的质能方程的推导过程。
W为牛顿理论中的功。
上式的物理意义可以理解为某质量m,以光速C的加速度所形成的力,运动了一个光速单位的距离(30万公里)所做的功,即为E。也就是"能量是质量的力态,质量是能量的物质态"。或者说能量既有力的形式,又有质量的表现形式。这即是“牛顿力”F与“爱因斯坦能”E的关系。