爱因斯坦也喜欢“偷懒” ?!| 王木头讲科学

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假如你是一位赛车手，想要超过对手，就需要狠踩油门，让汽车加速。可是一旦松开油门，速度就会因为空气阻力与机械零件、轮胎和地面等等各种摩擦力变慢下来。其实在这个过程中发生着这么几件事。

汽油是具有能量的，它在发动机里面燃烧就是在释放能量。其中释放出来的能量就有一部分变成了汽车的能量。汽车的速度越快所具有的能量就越大，所以狠狠踩下油门的时候汽车才会变的更快，因为有更多的汽油燃烧，更多的能量转化成汽车运动的能量，也就是动能。

最后不踩油门汽车又会变的慢下来，这是因为各种阻力把汽车的动能变成了热能。摩擦生热的道理大家应该都是知道的，就是因为摩擦生热，空气的阻力，机械零件之间，轮胎和地面之间，都会产生热量，并且这些热量的来源就是汽车运动所具有的能量。

接下来就需要大家想想看，汽车停下来是因为各种的摩擦力，那么我们假设一下，假如没有这些摩擦力了，又会如何呢？没有摩擦力了，运动的能量——动能，它就不会转化成热能了，那么是不是说汽车就永远不会停下来呢？没有错，就是这样。大家可以看看我们天空中的太阳，我们都知道太阳会东升西落，其实是地球在绕着太阳旋转，而且还是绕了几十亿年，现在仍然在转，就是因为宇宙中没有这样那样的阻力，所以地球的动能依旧是动能，它的速度也还是那么快。

前面你已经听了那么多有关相对论的内容了，那么对速度一定是非常敏感的，这次我们又从能量的角度提到了速度，那相对论会不会在能量方面又带来什么颠覆性的观点呢？

我们先来看这样一个情况。在未来，经过了几百年的科技发展，人类发明出来了一种特殊的宇宙飞船，可以利用宇宙中的宇宙尘埃来产生能量，换句话说就是这艘宇宙飞船有可以有无限多的能量，只要需要就可以一直踩下“油门”给宇宙飞船提供动力，就像是一个永不熄灭的火箭。我们假设这个飞船从地球发射，它就一直用最大的动力向前前进。那么最后发生呢？

宇宙空间中是没有阻力的，也就是说已经变成飞船动能的能量是不会变成热量被消散掉的。那样的话，通过消耗宇宙尘埃产生的能量就可以一直给飞船提供动能，让飞船越来越快。没错，就是越来越快。你是不是对这个词会非常非常地敏感呢？真的可以越来越快吗？甚至可以超过光速？

当然不行，在相对论中，是不可能超过光速的。那就出现问题了。我们都知道，消耗一公斤燃料带来的能量，就应该给飞船带来相应的一公斤燃料的动能。飞船的速度会一直变快，假如真的达到光速了，问题也就出现了。这个是时候继续提供燃料，继续给飞船提供动能，根据相对论，飞船仍然无法变快，否则就超过光速了。那么，这部分燃料消耗后的能量那里去了呢？凭空消失了吗？

我们都应该知道一个非常非常基本的规律，那就是能量守恒，全宇宙的能量就这么多，不能增加也不能减少，只能是从一种能量变成另外一种能量。就像我们人，可以运动可以思考，这些能量来自于食物，食物的能量呢？归根结底是来自于植物，植物的能量呢来自于太阳，太阳的能量呢，来自于宇宙诞生之初。再往前宇宙诞生的能量来自于哪里，科学家们也不知道了。不过，可以确定的是，能量从前一种状态变成后一种状态，总量是不会发生任何变化的，一点不多，一点不少。这也就是能量守恒定律了。

到现在，相对论和能量守恒定律看起来发生了矛盾，那相对论会不会就像是颠覆时间不变这个基本物理规律一样，一下颠覆另一个基本规律，也就是颠覆能量守恒定律呢？貌似真的是这样子的。不过还不用着急下结论，因为决定运动能量的不只是速度，还有另外一个物理量。会不会燃料燃烧消耗的能量的确全部转化成了动能，只不过不是体现在速度上，而是体现在了另一个物理量上了。这个和动能息息相关的另一个物理量，就是我们已经很熟悉的质量了。

这一点很好理解，你去推一个小车，如果是空的，就很容易推动，可是里面如果装满了东西，就很难推动。汽车也是这样子，如果是空的，那么踩下油门，速度就会很短时间就变得很快，可是如果汽车装满了东西，很重，那么踩下油门，消耗同样多的汽油，汽车的速度也不会很快。这其实就可以看出，同样的动能，也就是汽车消耗了同样多的汽油，那么质量越大速度越慢，质量越小速度越快，但是两种情况的动能都是相同的，都等于那么多汽油消耗完之后转化成为的动能。

这样子看来，我们刚才想到的相对论和能量守恒的矛盾还有缓和的余地，或许真的有可能速度不增加但是动能还可以继续增加，如果那样的话就是宇宙飞船的质量增加了。可是，质量可以随便就发生变化吗？我们前面讲过，质量是代表了一个东西所包含的物质的多少，难道一个东西的运动状态不同所包含的物质多少就会发生变化吗？静止的汽车比起运动的汽车难道就需要使用更少的材料？这好像说不通啊。而且，几百年来人们各种各样的实验也都证明质量是守恒的。

相对论带来这样一个麻烦的问题，如果它真的是正确的话，那么要么是能量守恒出现了问题，要么是质量守恒出现了问题。这两个定律还都是经过几百年来的实践验证过的，都可以非常有效地帮人们解决身边的各种问题。到底选择放弃哪一个，的确是一个比较纠结的问题。

爱因斯坦的选择是继续保留能量守恒，放弃质量守恒。爱因斯坦为什么这么选呢？这个还需要从科学的一个基本原则开始说起了，那就是奥卡姆剃刀原理。这是由14世纪一位在英国奥卡姆这个地方的哲学家最先提出了的，用最简单的语音表述的话，就是“如无必要勿增实体”。什么意思呢？就像是你做一道数学题，解题思路有很多，有的思路解起题来很简单，有的就很复杂。如果只是冲着最后答案来说，不同的思路结果都是一样的，因为最后的答案都是一样的。但是根据奥卡姆剃刀原理，就认为更简单的思路更好，因而保留更简单的思路。

看起来这是一个很简单的道理，没有必要这样大张旗鼓地来讲，而且还要为这个简单道理起一个听起来很唬人的名字——奥卡姆剃刀，也就是专门把那些复杂的思路给剃掉的原理。道理是简单的、，但是真的在现实中就没有那么容易了。最经典的一个例子就是地心说和日心说，它们谁是对的，谁是错的呢？如果只是从答案本身来说，都没有问题，因为运动是相对的，地球绕着太阳转，同样也可以说太阳绕着地球转。关键问题是，如果把太阳当做是中心，金星啊，火星啊，这些行星也会很好描述，它们的轨道和地球一样是以太阳为中心的椭圆。可是反过来呢？要是地球为中心的话，这些行星的轨道可就复杂很多了，大家可以看一下下面这个图，就是地心说中这些行星的轨道，是不是非常的复杂呢。所以，根据奥卡姆剃刀原理，日心说就是对的，地心说就不对了。

摆在爱因斯坦面前的也是类似的选择，如果相对论是对的话，是选择放弃能量守恒更简单呢？还是放弃质量守恒更简单呢？爱因斯坦选择的是放弃了质量守恒，现在来看相对论的确是对的，他这样的选择也没有错，的确是放弃质量守恒更简单一些。

我们前面讲过，科学研究中只是简单地有一个想法很容易，就像是玩魔方，难的是你为了将一边的颜色拼成一样的，转动了一下，可是却又把另外一边已经拼好的部分全部打乱了。相对论提出来了，可以解释为什么迈克尔逊莫雷实验中光速不变。这算是把魔方的一面拼出来了，但是会有连锁反应啊，魔方的另一面却可能会被打破，能量守恒和质量守恒必须放弃一个。放弃哪一个呢？我们可以大胆地猜想，或许放弃任何一个都可以发展处一套自圆其说的理论。不过现在来看放弃质量守恒会更容易一些，所以根据奥卡姆剃刀原理，放弃质量守恒会更正确，对现有的相关科学体系改动最小。

所以，如果相对论是正确的，并且能量守恒也是正确的，那么质量就不再守恒了。质量会随着速度的增加而发生改变。用同一个大小不变的力气向前去推一个东西，这个东西的速度就会变得越来越快，速度变快的同时，质量也会增加。而且这些变化还不是均匀的，随着速度越来越快，越来越接近光速，速度变快的速度就会减慢了，而质量的增加也会变得更快。只要这个东西，最开始的时候有质量，那么当它增加到了光速的时候，质量都会变成无穷大。无穷大的质量是不可能存在的，所以任何一个静止时有质量的物体，都不可能被加速到完全等于光速，只能无限接近。而光线之所以能以光速运行，是因为光子静止时是没有质量的，而它也永远也不会停下来，或是变慢一些。

于是，通过相对论就可以得出这样一个简单的公式。我们还是用飞船来举例，并且假设没有额外的能量流失，飞船上消耗燃料的能量=飞船动能的改变，飞船动能的改变=速度改变带来的能量变化+质量改变带来的能量变化。所以，很自然的就会有这样的结论了——质量改变是会带来能量改变的。那么，具体来看一下，质量每增加1g会带来多少能量的改变呢？通过相对论的公式进行计算之后就会发现，每增加1g的质量带来的能量改变是：1g的质量乘以光速的平方，也就是1g乘以30万公里每秒，再乘以一个30万公里每秒，就是对应的能量改变的大小了。如果用M代表质量，C代表光速，E代表能量，这个公式写出来就是E=MC²，伟大的质能方式就诞生了。质是质量的质，能是能量的能。

既然这样的方程已经出现了，那么我们很容易就会去想，如果不是增加1g的质量，而是减少1g的质量会发生什么呢？是不是就会释放出对应那么多的能量呢？可以带来质量改变的只能是动能吗？其他形式的能量，比如化学能，热能等等，是不是也会带来质量的改变呢？我们下次再来一起讨论吧。

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