如果把一团物质加速到光速,那么这团物质的温度会有怎样的变化呢?

是变热还是变冷还是保持不变呢?因为光速是速度的极限,在这种状态下,物质内部不可能有不规则运动的粒子,是不是甚至连电子都应该相对原子核静止呢

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23个答案
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LePtC物理学博士生

2014-08-09 10:44

首先请把问题改成加速到亚光速,并补充“静止参考系的观察者观察到的温度”
那么这个问题就变成了一个很好的问题,热力学温度是不是洛仑兹不变量至今还在争论中 ...

以下关于这个 topic 的历史搬运自stack

爱因斯坦本人在 1907 年的一篇 review 里 (Am. J. Phys.45, 512 (1977)),以及次年的普朗克,认为热力学第一第二定律满足洛仑兹协变性,推导出运动参考系的温度会降低 T'=T/γ

Ott 在 1963 年 (Z. Phys.175 no. 1 (1963) 70) 提出运动的物体相对更热 T'=γT

Landsberg 在 1966 年提出 (Nature213 (1966) 571),热力学变量,如温度、内能、熵等,是统计的结果,因此不应取决于质心整体的运动,温度始终不变 T'=T

2005年的一篇论文认为 Ott 是对的 (arXiv:physics/0506214)


我觉得温度应当被定义为洛仑兹不变比较好,比如飞船中有一杯常温的水,难道静止参考系会观察到水结冰或沸腾了?感觉不太可能发生 ...

进一步检索发现一篇支持我的观点的文章 (Relativistic Thermodynamics)

We thereby arrive at the conclusion that if equality of temperature is taken as the fundamental criterion of thermal equilibrium, then the temperature of any system must be taken as the rest frame temperature;temperature must be defined as a Lorentz invariant.


不知道有没有人做过实验?感觉应该不难做,把一个热辐射体放到高速离心机里,随离心机放一个辐射谱探测器,在离心机外面相切的方向也放一个,扣除多普勒效应,看看温度对不对得上

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有一艘飞船,里面充满氧气。
假设飞船极为接近光速,那么以地球上的观察者看来,飞船内空气分子的热运动速率将大大降低(洛伦兹变换导致的“钟慢”),如果以热运动速率来衡量其温度,则此时飞船内的氧气将无限逼近绝对零度。但地球上的观察者显然不会观察到飞船内的氧气凝结成固态而导致飞船里的人无法呼吸,否则飞船上的观察者与地球观察者的宇宙将会“分裂”——因为飞船上的观察者依然感觉舱内环境一切正常。

再简化一点,飞船与地球上各有一个利用飞轮惯性的蓄能系统。船相对地球静止时调整对两个飞轮的转速(角动能),使其与对方精确一致。当飞船达到高速并保持匀速直线之后,地面与飞船都将各自的飞轮放入充满等量的水的绝热容器。当双方的飞轮都相对于容器静止时,地面观察者可以说飞船上水箱内的内能比地面上那个更低么?

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拿兔子水文专业、音乐爱好

2014-08-11 22:19

1) 温度是一个静止物体的分子动能的一个统计量。如果讨论到运动物体乃至高速运动物体,必须要延伸温度的定义。

2) 在讨论热能的时候,你们也应考虑到分子的质量在高速运动时会增加。这也能简单解释为何地球观察者不会看到高速飞船内的空气结冰--它们的质量增加后,“相对其它分子的动量”增加,从而和其它分子聚在一起的难度也增加。

3) 1楼列出的答案,本质就是怎样把温度的定义延伸到高速运动中。如果采信温度会变低,那么高速运动的冰点和沸点都会相应降低,反之亦然。

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yangyanggoods私立樱才学园学生会入会积极分子

2014-08-08 14:25

速度是相对的→_→而且高速状态下速度不能直接相加
至少在这团物质自己看来(假如这团物质里有个人的话),它的温度没有发生变化

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有静质量的物质都不能达到光速。

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按理物质应该分解了,如果还能维持原物质团,应该释放能量,我支持变冷

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温度不变,粒子间的相对运动任然不变。另外你说光速是速度的极限,这个假设你确定么

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支持者: 月光低吟

套用第三定律。
瓦尔特·能斯特表述为:当温度趋向于绝对零度时,系统的熵趋向于一个固定的数值,而与其他性质如压力无关。热力学第三定律认为,所有完美结晶物质于绝对零度时(即摄氏-273.15度),熵皆为零。

可知,当以外部的观察者作为参考系时。这团物质内部的状态不变(相对于它本身当然)当这团物质的宏观速度相对于观察者的速度越大时(达到一个更大的尺度时,即体系的速度远大于体系内部基本粒子的相对运动的平均速度),可知的是,相对于观察者而言,这团物质体系的每个基本组分的速度的比例差值是越来越小且向1无限靠近,这也就意味着相对于观察者来说随着被观察物体的速度的增加,被观察物体体系内部的无序也就是熵一直在减小。那么对于观察者而言,被观察体系的温度也应当是降低的。

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支持者: leo的宝藏

我也写个答案,供大家批判:
首先,这个我提这个问题有一个假定就是,物体中的原子加速以后质量会增加。
其次,我想温度之所以成为一个可测量的量,必须有两个要素,第一,物体内部的粒子要有动能;第二,能够在一定条件下被外界感知,对于温度来讲,就是要有对外辐射能量的能力。(原子内部也有许多运动或者振动的粒子,但是因为通常不向外辐射能量,所以没有温度)
那么回到这个问题当中,我觉得对外辐射能量的能力对温度来讲是比较重要的,怎么辐射呢?就是要有一个约束力,不能让粒子完全自由运动,这个约束力会作用在粒子上产生加速度,如果物体被加速以后内部的粒子质量增加的话,是否意味着粒子的被加速能力的减小?这个约束力在具体的物质中肯定是有限的,在被加速到解体的过程中,约束力应该最终被完全消耗在整个物体运动方向上,因此在这个方向上运动的粒子最终会因为得不到足够的约束力而无法对外辐射能量,因此不管其他方向上粒子是否辐射能量,物体解体前总的温度应该是降低的,甚至可能会出现温度各向异性的状态。
另外,基于这个思路,我估计如果在物体为参考系的观察者看来,由于内部粒子质量增加,热运动的速度降低了,释放热量的过程就变慢了,本来觉得这个物体摸上去挺烫手的,但是现在摸上去似乎正在慢慢升温,也就是整体的辐射能力也降低了,这倒是一个比较奇异的现象。

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在那团物质的视界里,温度不变
在地球上看的话,温度应该会变低吧

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当物质到达某个速度,其内部的物质基本物质是守恒的,不会根据外部运行速度而改变,除非是你能改变内部基本物质的运行速度,给予基本物质超过光速的速度,话说回来,如果组成你身体的基本物质获得超光速,你还是你吗?物质还是那个围绕着质子核进行每秒30万千米的正负电子团嘛?根据物质守恒定律质变会引起量变,也就是说你在实验室要让一个原子的量变可行,但是你想让一个针尖大的东西量变,估计你要消耗一个太阳的能量!

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冰火梦幻信息与计算科学学士,算法控,AI爱好者

2014-08-13 08:14

在速度在某一维度的分量接近光速时,各维度的速度分量会显著放慢,否则就要超光速了……这个放慢是观察者看来的样子。
换言之,开头的一杯水在飞船内部的人看还是一杯水,只不过静止参考系的人看,从热力学意义上已经降到超低温。不过超低温也未必会显示出宏观上的结冰,因为飞船速度接近光速,在飞船外的人看过了100亿年甚至宇宙毁灭,飞船内的那杯水才过了1微秒……

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以地球为参考系内能会降低的,通过洛伦兹变换得出飞船上的一杯水分子运动速率会很慢。

楼上很多说不变的其实忽略了环境对物理特性的影响。

比如加压都能提高水的熔点沸点,为何亚光速不能让很低内能的物体保持常态呢?

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如果温度升高,它要对环境释放(更多的)能量。由此,宇宙中的天体会逐渐停止下来。
我的观点是倾向于温度不变。而且与观察参照系无关。

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这个要看怎样定义了,反正实验做起来很难,跟亚光速物体做热传递搞热平衡不容易实现。
至于热辐射就更麻烦了,因为多普勒效应,观察者和物体之间的辐射都红移了,然后两边都被对方冷却....
能量去哪里了?光压做功?

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速度和温度是没有直接关系的(除非物体在加速过程中注入了大量能量),就是说无论物体加速到光速的多少倍都不会变,还有一点就是物理上最快的速度不是光速,超光速是存在的,只是现在人类还没有能捕捉超光速粒子的设备,也许还有人说,如果物体加速到超光速,那不就可以穿越时空回到过去了?唉,其实我想说的是,速度和时间是没有直接关系的,而且讲速度的话,再快的速度也没有时间的流速度快,物体为什么会运动?就是因为有时间才会运动,如果只有空间没有时间,物体是静止不动的。

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理论上应该是恒温的,但我们的定律真的是对的么,越学越怀疑。。。

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套用第三定律。
瓦尔特·能斯特表述为:当温度趋向于绝对零度时,系统的熵趋向于一个固定的数值,而与其他性质如压力无关。热力学第三定律认为,所有完美结晶物质于绝对零度时(即摄氏-273.15度),熵皆为零。

可知,当以外部的观察者作为参考系时。这团物质内部的状态不变(相对于它本身当然)当这团物质的宏观速度相对于观察者的速度越大时(达到一个更大的尺度时,即体系的速度远大于体系内部基本粒子的相对运动的平均速度),可知的是,相对于观察者而言,这团物质体系的每个基本组分的速度的比例差值是越来越小且向1无限靠近,这也就意味着相对于观察者来说随着被观察物体的速度的增加,被观察物体体系内部的无序也就是熵一直在减小。那么对于观察者而言,被观察体系的温度也应当是降低的。

温度是宏观物质的微观粒子的平均动能统计值
因为有动能,所以牵涉到速度,进而牵涉到时间。
因为无限接近光速的物体的时间被无限放慢了。。。。。所以当一个光速物体出现的时候,时间对它就是分母上的零,也就没有速度,没有动能,没有温度。。。。。。。

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不知道我理解的对不对
(1)温度的确像各位所说,如果是静止的状态很难去评估,必须是一段时间内的
(2)温度可以简单的被现象观察出来,比如水的沸腾
(3)我们可以想象一些团水分子,从内部作为观察者来说,是不沸腾的
(4)但我们在外部加上一些没规律的运动是不是可以对外部的人来说看起来是沸腾的。

外行人浅显的理解。

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这里能不能用“运动是相对的”来解释?
相对于自己,那团物质被加速到了光速。但是相对于那团物质,自己也是光速。
这么看来,温度应该是不变的吧。

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忘了在哪看见的,电子表面速度要大于光速。

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scythe7三只脚的猫

2014-08-08 16:17
支持者: TellMee 蟹小鱼

温度是宏观物质的微观粒子的平均动能统计值
因为有动能,所以牵涉到速度,进而牵涉到时间。
因为无限接近光速的物体的时间被无限放慢了。。。。。所以当一个光速物体出现的时候,时间对它就是分母上的零,也就没有速度,没有动能,没有温度。。。。。。。

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支持者: lego-style

有摩擦力的啊,,,,会变热吧

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