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有点难懂的物理知识:速度是什么?

常驻编辑 科普中国 2022-05-28 引力场   速度   观察者   光速   难懂   引力   物体   宇宙   物质   物理   作用   质量   知识
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当引力场传播速度存在极限时,一个高速运动的物体发散的引力线会象磁力线一样出现弯曲,运动前方的引力线会更短更密集,运动后方的引力线会更长更稀疏。高速运动中的物体所产生的引力场并非是各向同性的,引力不是静态的,引力公式中还应该引入物体相对运动速度这一因素。只是宇宙中可观察到的星体的运动速度均大大低于光速,以静态宇宙来简化万有引力定律其精确度也是足够的,但用以描述高速运动的世界时会出现巨大的偏差。2bL拜客生活常识网


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由于物质是早已存在的,它所产生的引力场也已散布在可观察到它的宇宙范围之内,当一个物体在由其它物体散布的引力场的宇宙中运动时,它在一个位置受到的其它物体引力作用的消失会滞后于它离开这个位置的时间,即运动中的物体会拖带其它物体产生的引力场。由于引力场的方向不会被在其中运动的物质偏转,这种拖带作用不会影响物体的运动速度,即物体不会因此减速,但会影响到第三者观察到的它所受到的引力作用。随着运动速度增加,这种滞后效应也越来越大,周围的观测者会看到这个物体所受到的引力作用越来越大,当假定引力常数不变时就得出了质量增加的结论,而实际上更应该理解为引力常数改变了。2bL拜客生活常识网


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由此可以推算出当一个具有三维空间几何尺寸的物体在一个非均匀的引力场中运动时,由于不同点上受到的引力作用的不同,当物体运动速度接近于光速时,引力滞后效应增大到一定程度,会将该物体撕裂,而不是象黑洞那样坍缩成一个点(如果是质量增加,则会出现这种情况,小尺寸范围内足够大的质量会使物体坍缩)。具有几何尺寸的物体在不均匀引力场中的运动速度在达到光速之前会裂解并最终以不具有几何尺寸的能量辐射的形式发散。这一点可以通过检测粒子加速器中的粒子在接近光速时是否发生裂解来证实。当然,由于地球上的引力场过于均匀,在小尺寸范围内的不均匀性是极小的,粒子的速度必须非常接近于光速才有可能在引力滞后效应的作用下发生裂解。如能找到一个黑洞,则可利用黑洞周围引力场的明显不均匀性来检测引力滞后效应,此时无须将物体的速度加速到太大。2bL拜客生活常识网


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不幸的是宇宙中的引力场在任何尺寸范围内都是不均匀的,即使我们有一个无限大的宇宙。在这样的宇宙中运动速度接近光速会使物体裂解。过于激烈的运动是不利于健康的。2bL拜客生活常识网


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能量传递(引力、磁力、光子等等)也需要时间,当一个物体的运动速度接近光速时,周围物体向它传递的能量(包括引力能量)在该物体看来会发生红移(红移的意义在于当具有不同动能(速度)的两个物体之间进行能量交换时仍须遵守能量守恒定律,光波的速度不因观察者的速度的改变而改变,则光波的频率必须随接收者的速度的改变而改变,因此,高速运动的观察者会发现他所接收的所有的辐射都发生了红移),越来越弱,越来越难以被它接收,当它达到光速时,由于与能量传播速度相同,周围物体传播的能量将无法达到该物体。表现为一个物体越接近光速则越难以被加速,因为向它传递的能量的大部分并未被它接收或在光速时则完全不能接收,可以被理解成当物体以光速运动时,它周围的宇宙就处在绝对零度或它处在一个只有它自己的宇宙中。这也使周围的观察者以为物体在接近光速运动时质量变大了。但如果加速的动力来自物体自身(根据前述,这只能在均匀引力场或没有引力场的真空中实现),则惯性定律适用,它可一直加速下去。2bL拜客生活常识网


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当一个在均匀引力场中的物体的运动速度等于大于光速时,它所发散的光、磁力、引力的传播速度都等于或小于它自身的运动速度,则无法达到周围的观测者并被发现,该物体会从周围观察者的视界中消失。我们之所以能够观察到光、磁力、引力等以光速运动的能量(“物质”),不是观察到这些“物质”自身,而是观察到了这些“物质”与普通可见物质作用的结果。正如我在太阳附近背对太阳观察宇宙时会看到黑暗的宇宙,尽管除了你遮挡的那部分之外的空间里充满了太阳发出的光子。2bL拜客生活常识网


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宇宙中的暗物质,应该是由光子、电磁波、引力场等等以光速运动的“物质”构成,这些“物质”具有物质性、具有质量,但由于他们以光速运行,它们的物质性所应该产生的辐射(引力、电磁)不能脱离它们自身,观测者也无法感知,因此就以为它们没有质量。但大量的这种“不产生引力”的“物质”在宇宙中飘荡,终于使人类觉得宇宙受到了某种神秘力量的控制(暗物质)。其实这些暗物质并不暗,我们每个人每时每刻都在感受,只是他们作为物质应该具有的辐射(引力、电磁等)无法达到我们的视界而已。当我们用可观测到的引力、辐射等来推算宇宙的质量时,会漏算以光速运动的辐射的质量,使得推算结果出现明显的偏差,不得不提出暗物质的概念来弥补这一缺失。

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