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愛因史坦認為光速不可超越,若兩束光反向發射,不就2倍光速了?

2024-07-24科學

導語:

愛因史坦將「光速是宇宙速度極限」的觀念確立為現代物理的核心之一。

但這樣一個提問卻經常使人困惑:「如果兩束光相向而行,速度不就是光速的兩倍嗎?」如何解釋這一現象呢?

這一疑問直接挑戰了相對論的根基。如果這成立,宇宙的法則可能將不再穩定,引發全面的混亂和認知崩潰。

探討愛因史坦關於光速不可超越的理論。

隨著人類知識的積累,人們開始探究自然現象,發現許多原本的理解存在誤區,例如物質的存在本質。

古代哲學家認為我們能感覺到的物質是固定不變的,但現代研究揭示,這些物質實際上是不穩定的。

但是,人類探索中發現的物質性質仍然令人難以捉摸,因為這些物質雖無形,卻對人類世界產生了影響,例如光。

這個問題自古以來就困擾著人類。直到17世紀,包括伽利略和光學之父赫胥黎在內的學者都曾嘗試解釋這一現象,但他們的理論並不準確。

直到19世紀,科學家如莫耳斯和法拉第透過實驗證明了光是電磁波的一種,盡管他們未能完全描述光的本質。這一問題一直持續到20世紀,愛因史坦在狹義相對論的基礎上,經過長期探索,終於揭示了光的特殊電磁波內容。

然而,對愛因史坦而言,光作為一種特殊電磁波並非他的主要關註點;他更關註的是光所處的「時空」內容。經過不斷的研究,愛因史坦逐步揭示了解釋光與時空關系的方法。

在長時間的研究後,他認為只有徹底顛覆現有的世界觀,才能深入理解這一問題。

經過反復思考,他認為將光速固定為常數一(c)是解決問題的最佳方法,這不僅便於研究光在不同條件下是否能超越自身,也方便研究光的動態變化。

將光速定為一(c)的想法雖耗費愛因史坦巨大努力,但此一原理最終成為他理論中的核心。

這一原理不僅成為時空理論的基礎,還解答了人類長久以來對光速的疑惑。在愛因史坦的時代,光速被視為最快的速度。但愛因史坦在光速理論提出60年後,為何要強調「光速不可超越」?

光速不可超越。

在愛因史坦的理論中,他確立了兩個基本原理:在真空中,光速是一個恒定的常數c(約為3.00*10^8 m/s),不受任何外界因素影響。

他的第二個原理是:在真空中沒有絕對靜止的參照物,所有參照物的靜止與運動都是相對的。這意味著如果它們的速度為v,則它們的相對速度差也為v。

這兩個原理基於狹義相對論提出,其根本原因是在實驗中無法觀察到光的靜止現象,因此愛因史坦將人類認知的局限性轉化為基礎性公理。

這兩個原理為相對論提供了統一的理論框架。盡管如此,相對論還是設定了一些特例,例如兩束光相向而行可以超過光速。

這種特例並未列入基礎公理,而是作為相對論的一個補充出現。這引發了人們的好奇:為什麽相對論中會有這樣的特例?這個特例又如何影響相對論的整體理解?

愛因史坦在他的理論中已經清楚地闡述了這一點,但許多人仍難以理解,這是因為大家習慣了傳統的思維模式。

在傳統思維中,人們認為兩個相對運動的物體之間的速度差必須是相對的。愛因史坦的思維打破了這一模式,並透過多種實驗驗證了他的理論。

這種特例雖然在我們看來似乎違反了一些常規,但它已成為人們必須逐漸接受的新認知,這正是愛因史坦理論的偉大之處。

為什麽這個特例可以存在?

對許多人來說,這是一個非常迷惑的問題。正如人們經常問的:「如果兩束光相向而行,不就是光速的兩倍了嗎?」

兩束光速度各為c,相加後確實為2c,看似合理,但狹義相對論有其限制。

狹義相對論堅稱,真空中光速是一個不可超越的極限。然而從相對論中可以得知,如果兩束光不是同時發射,它們的速度永遠不會超過光速。

這兩束光的速度差也是c,但它們的加速並不直接疊加,因為光速是一個極限,而相對論本身也有其局限。

為驗證這一點,可以設想一個實驗:在一個電梯中安裝一個發射器。

在t=0時刻,一束光沿電梯y軸方向以c/2的速度向上發射,在世界座標中,這束光的速度是2c/3。

當這束光反彈回來時,在座標原點處可以看到這束光在t=1/3秒後到達原點。此時,在y軸方向發射的第二束光也在原點發射。

在世界座標系中,你會看到這兩束光在同一時間相遇,第一束光在t=1/3秒後到達原點,並在t=1/3秒後由後方的光束追上,在t=2/3秒後,第二束光追上前者,這證實了光速不可超越。

相對論也顯示,在t=1/3秒時,沿y軸的光被前方的光追上,因此一位美國科學家對此進行了計算驗證。

因此,我們可以看出,兩束光的加速不會直接疊加,光速不會超過c,這一現象雖然違反了一些常規,但已成為人們必須接受的新常態,這是愛因史坦的理論中的偉大發現。

結語:

從狹義相對論出發,愛因史坦透過多次實驗和觀察,提出並證實了這一結論,我們可以從中學到寶貴的經驗。