為什麼説靜止質量和運動質量的説法是錯的兼論相對論4-矢量形式表述_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-08-13 10:57
撰文 | 曹則賢**（**中國科學院物理研究所）
狹義相對論的核心是洛倫茲變換
1 引 子
筆者自己在中國科技大學上學時所學的相對論，是《電動力學》課本後面不知所云的一章。1987年筆者讀研時當助教，首開記錄的輔導課竟然是84級科大少年班的電動力學。同學們是神童，但那課本莫名其妙，主講教師對相對論也茫然無知。各位看官，你可以想象我這個助教上相對論習題課時得有多麼煎熬**！**這段經歷給我幼小的心靈留下了難以癒合的創傷（我身高至今不足1米8），我那時也是黃口才退、乳臭剛乾啊。那些心靈的創傷時常在夜深人靜時猖狂作痛，讓我在接下來的30年裏雖然不得不為謀生四處奔波，但總不忘偶爾去讀讀相對論的原始文獻。Galileo, de Pretto, Lorentz, Poincaré, Einstein, Planck, Laue, Pauli, Eddington, Hilbert, Levi-Civita，Dirac (to name just a few)等人的文章連蒙帶猜地看了一點，後來的Penrose, Weinberg, Wilczek (to name just a few) 等諾獎得主的書也粗略翻過幾頁——為此我甚至把自己弄成了愛因斯坦粉絲，連愛因斯坦1924年幫玻色翻譯文章從而有了玻色-愛因斯坦統計和玻色-愛因斯坦凝聚（玻色的那個推導引入了化學勢的概念且能讓人明白為什麼光子氣的化學勢為零）這種小事我都知道呢。我發現，因為相對論太fancy了，太fantastic了，吸引了太多人的關注（據説瑪麗蓮·夢露同志都和愛因斯坦談相對論），所以產生了海量的、非常糟糕的介紹文章，也有意無意地帶來了大量的誤解與訛錯。這為人們學習相對論帶來了很多麻煩。欲學習相對論，第一要務是防止被外行的文藝化表述給帶到溝裏。閲讀那些相對論創造者的原文，堅持遵循嚴格的數學表述，或許才是輕鬆的捷徑。
圖1. 瑪麗蓮·夢露與愛因斯坦在討論相對論
2 關於狹義相對論質能關係的一個誤理
現在，請允許我補充一些相對論力學的內容。這些內容會利用粒子質量是標量、是洛倫茲變換不變量的事實。粒子質量是不變量是相對論動力學的基石。
3 相對論動力學的4-矢量表述
ct’=ct coshθ-x sinhθ
x’=ct sinhθ+x coshθ
y’=y
z’=z
其中 tanhθ=u/c。這個變換和空間中的轉動很相似，閔可夫斯基稱之為贗轉動（pseudorotation）。
洛倫茲變換是狹義相對論的核心，相對性原理就體現在物理規律的洛倫茲變換不變性上。狹義相對論語境下的物理學應該使用時空中的標量、矢量、高階張量來構造獨立於慣性參照框架的不變量。談及狹義相對論的動力學，應嚴格使用洛倫茲變換來理解相應的內容。太多的誤解、錯誤以及困惑都是由於不堅持原則和不使用嚴格數學造成的。撇開洛倫茲變換討論狹義相對論，徒增誤解而已。
説了這麼多，意思就一個，討論相對論動力學時，請使用嚴格的4-矢量形式加洛倫茲變換來討論。既然有意學物理，那就請養成好的習慣：“圖像要清晰，數學要嚴格！”
4 結 語
根據
和
就編出靜止質量、運動質量的故事，是執一點而任意發揮帶來的誤解，也是對理論發展過程中出現的不正確理解的執着。只要再看看相對論其它部分的內容，就知道質量始終是作為一個不變量出現的——它是個基本物理量，不是運動狀態的函數。其實，消除誤解，只需往前多跨一步就行。物理學是一個宏大的知識體系，類似電荷、質量這種基礎概念，應該放到整個背景上去獲得一個一致的、自洽的理解。
本文摘自曹則賢著《相對論-少年版》（科學出版社），預計2019年11月出版
特 別 提 示
1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。
2. 『返樸』開通了按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。
版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。
相關閲讀