你在光速飞船上奔跑,速度超过光速了吗?
虽然答案很简单,但里面涉及到的东西很多,这里有必要进行详细分析。
爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,光速是宇宙最快的速度,任何物体的速度都不可能超过光速,这就是所谓的“光速限制”。
光是很特殊的东西,在任何情况下观察光速,都是一个常数。说白了光速是绝对的,与其他任何速度叠加之后仍旧保持光速不变。光速的这种特性,在麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中,也有体现。
光速的这种特性完全违背了我们的日常生活经验。平时我们所讲的速度都是相对的,都需要有参照系才有意义。
比如说,你驾驶一辆小汽车高速行驶,你朋友坐在副驾驶。你眼里所谓的“高速”只是相对地面而言,在地面上的人看来,你的速度很快。但对于在你朋友眼里,你的速度为零,你是静止的。
这就是参照系选择的重要性,如果不指定参照系,速度就没有任何意义。而平时我们都会默认地面为参照系,因此一般不会再强调这一点。
但是,光速就很特殊,它根本就不需要参照系,或者说在任何参照系下测量到的光速,都保持恒定不变。
举个例子,哪怕你以0.99倍的速度追赶一束光,在你眼里,这束光的速度仍旧是光速!
在低速世界里,牛顿经典力学对速度的叠加计算,采用的是伽利略变换,说白了就是V=V1+V2。比如说你我分别是每秒5米的速度反方向奔跑,那么外人眼里,我们两人的相对速度就是10米每秒,这很好理解。
不过,这只是在低速世界。如果速度足够快,来到亚光速世界,一切都大不一样了。在亚光速世界,速度对时间和空间的影响不可忽视,而时间和空间的变化当然会反过来影响速度,因为速度与时间和空间(距离)息息相关。
正因为亚光速世界里,时间和空间发生了明显改变,因此低速世界的伽利略变换不再适用了,必须用更精确的洛伦兹变换才行。
洛伦兹变换下的速度叠加公式,就不再是简单的V=V1+V2了,而会复杂一些,加入了光速这个参数,但其实也不是很复杂,初中数学就能理解了。
从洛伦兹变换公式可以看出,如果物体的速度远低于光速,那么公式中的分母就会无限趋于1,于是公式就会简化为伽利略变换了。
这也说明,伽利略变换只是一个近似值,是洛伦兹变换在低速世界的近似值或者特例,在亚光速世界误差会很大。而由于我们平时经历的速度与光速相比实在太低了,完全可以忽略不计,因此,平时生活中,伽利略变换已经足够用了,也足够精确了,没有必要用更精确的洛伦兹变换。
不过还是拿上面的例子来讲,你我分别是5米每秒的速度反向奔跑,严格来讲在静止的外人眼里我们两人的相对速度并不是10每秒,而是比10米每秒略小,但是差异微乎其微,完全可以忽略不计,现实中根本测量不出来,也不会对我们日常生活有任何影响。
再回到一开始的问题,且不说飞船的速度能不能达到光速,即便能达到光速,你在光速飞船上奔跑,在外人眼里,你的速度也不可能超过光速,利用洛伦兹变换公式来计算,你的速度仍旧是光速。
能够看出,宇宙中存在光速限制,但光速限制更根本的原因还是在于光速不变。世界上所有的速度都是相对的,唯独光速是绝对的。其实这样也挺好,毕竟如果任何速度都是相对的,我们也会很苦恼,就好像没有对错之分一样,无法准确描述物体的运动。
好在光速是绝对的,光速就像一把宇宙速度的“标尺”一样,可以供我们参考利用,任凭世界如何变化,唯独光速岿然不动,给人一种“万变不离其宗”的感觉,让人很“踏实”!
光速限制只适用于惯性系,而惯性系也是狭义相对论的前提。也就是说,所谓的光速限制并不是绝对的,只是在惯性系里,光速是无法超越的。
这就意味着,在非惯性系里,光速当然是可以超越的。比如说,宇宙膨胀的速度,就远超了光速,因为宇宙的膨胀过程其实就是时空的不断扩张,而时空本身并不属于惯性系,因为不受光速限制的制约。
非惯性系,是相对某惯性参考系作非等速直线运动的参考系,比如说,加速转动的参考系,,加速振动的参考系,一个随机任意加速运动的参考系等等,都属于非惯性系。
我们可以通俗把非惯性系理解为“受到外部合力不为零”的参照系,或者非静止匀速直线运动高的参照系。根据爱因斯坦的广义相对论,非惯性系一定会扭曲周围的时空,时空并不是平直的。既然时间和空间发生了改变,在惯性系中的观测者眼里,速度当然会发生相应改变,狭义相对论也不再适用了,需要用广义相对论去解释。
其实广义相对论就是狭义相对论的升级版,把惯性系推广到所有的参照系,利用等效原理,把引力等效为惯性力。
来自:宇宙怪谈
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