導語
宇宙中的光速是一個極為神奇的速度,它在我們宇宙的星辰大海中扮演著不可替代的角色。
在牛頓的物理理論中,光速被視為速度的終極極限,這一設定鮮少受到挑戰。
但是,隨著愛因史坦相對論的誕生,對光速的認識發生了根本性的改變。愛因史坦認定光速是宇宙中的最高速度限制,這是一個不可逾越的極限。
這一理論得到了廣泛的接受,因為愛因史坦不僅提出了理論,還進行了證明。
從19世紀末到20世紀初,物理學界經歷了一場深刻的變革。
這種變革不僅重新定義了物理學家眼中的物理學,也在宗教信徒中引起了巨大的關註。
許多人將牛頓的物理學視為絕對真理,甚至有些人認為牛頓超越了上帝。
但牛頓的物理學是建立在絕對時間和絕對空間之上的,他還引入了伽利略變換,這種變換處理了不相關物體間的相對速度的加法,這並不違背牛頓物理的原理。
然而,愛因史坦的現代物理學觀點則是將光速看作是宇宙中所有物體相對速度的上限。
光速成為了現代物理學的核心原則之一,任何物體都無法超過它。
當牛頓的物理學被推翻後,愛因史坦的相對論也遭到了許多質疑,因為光速不變與我們的日常生活息息相關。
為什麽光速不能被超越,成為了相對論中的一個關鍵問題。
如果深入探討光速不變的原理,我們不得不提到伽利略變換和勞侖茲變換之間的區別。
伽利略變換處理的是我們熟知的相對作用,它允許直接疊加相對速度,反映出絕對速度,並不破壞物質世界的本質。
而勞侖茲變換不僅改變了我們對相對速度的計算,還明確了光速的恒定性。
伽利略變換和勞侖茲變換在處理速度的方法上有何不同呢?
以一個宇宙飛船的例子來說明,設想飛船內有兩個人,一個在前,一個在後,飛船前後兩端各自發出的光,將會在飛船某一點上相遇。
基於這一設定,科學家們進行了伽利略變換。
設A為飛船前端,B為後端,它們之間的距離為S。
假設光以速度v發出,從A傳到B需要經過一段距離t,所需時間為t=2S/C。
但問題在於,當光從A傳到B時,難道飛船就靜止不動嗎? 或者說沒有采取任何特殊措施,飛船就能以其絕對速度v0,達到B位置嗎?
顯然,你只是以某種速度移動到新的位置,這種絕對速度顯然會影響到光速,而愛因史坦相對論中的勞侖茲變換提供了更精確的解釋。
勞侖茲變換還揭示了與光速密切相關的事實,即光速在任何位置都是恒定的。當你在A位置發出光,到達B位置時,光速保持不變,因此可以得出一個結論,光到達B的時間與B到C的時間相同,因此C等於B,且t=C+S/C與t=2S/C有相同的關系。
但如果假設宇宙飛船以某一速度v0行駛,v0的增加會導致t的增加,這是自然而然的。
但如果v0增至一定程度,甚至超過光速,會產生不符合現實的負值結果。
因此,光速可被視為物質世界的速度上限。
光速不變的作用何在呢?
當兩艘宇宙飛船以等速相對行駛時,它們之間的絕對速度保持不變。
如果它們的絕對速度保持不變,那麽後面飛船的觀測也會受到影響。
當他們以等速相對行駛時,光波從後面飛船經過前面飛船的時間計算為t=C+S/C。
這個公式也同樣適用於前面飛船,它發出的光波到達後面飛船的時間也是t=C+S/C,因此得出的結果是相同的。
這一結果也說明了光速的恒定性,無論在什麽情況下,光速都是固定不變的。
質增效應。
光速不變的理論可以解釋一切,甚至包括時間。
但愛因史坦關於光速不變的理論自然也不免遭到質疑。
愛因史坦的質增效應模型解釋了他為何提出光速不變的理論。
愛因史坦提出的質增效應說明了物體速度越高,其品質也將隨之增加。
當速度接近光速時,物體的品質將達到無限大,這意味著物體無法超越光速,這顯然與現實相符。
但是,誰最早提出了質增效應這一概念?
實際上,這一模型並非由愛因史坦最先提出。
在愛因史坦之前,牛頓和伽利略的物理學也對此有所描述,而牛頓物理學中有一個眾所周知的公式,即F=ma。
這個公式表明,力F與加速度a是與品質m成正比的。
在牛頓物理學中,一個物體的速度越大,其產生的力也越大。
然而,在伽利略的物理學中,這種說法並不適用。
伽利略認為,絕對速度只是描述時間的一種方式。
這是牛頓與伽利略之間分歧的又一例證。
在此基礎上,愛因史坦建立了質增效應的模型。
質增效應不僅解釋了光速的不變性,還解釋了時間的膨脹和相對性。
光速的不變性也證實了無人能夠超越光速的事實。
愛因史坦的相對論將光速確立為宇宙中的速度極限,這改變了我們的生活和工作方式。
因果律。
在【解釋與經驗】一書中,愛因史坦明確指出:「如果事件A在事件B之前發生,那麽A必然是B的原因,B則是A的結果。」
這表明,事件之間不是孤立的,而是透過交互作用和聯系相連,這種聯系是事件之間的因果關系。
愛因史坦的一個著名思想實驗稱為「艾伯特與艾伯特」。
在一個特定的空間中,存在兩個同時進行活動的艾伯特(a和b),一個在觀察,另一個從某個位置發送訊號後立即回收訊號。
在觀察過程中,你會發現A和B的結果會有所不同。如果你看到A接收到了訊號而B沒有,那麽表明艾伯特A的位置受到了訊號的影響。
相反,如果你看到B接收到訊號而A沒有,那麽就證明艾伯特B的位置受到了訊號的影響。
但如果你發現A和B都接收到了訊號,卻沒有人受到影響,這表明艾伯特A和B之間是相互影響的。
同時,A和B之間存在的矛盾也表明訊號傳遞的速度是變化的,但具體的速度是無法確定的。
這就是愛因史坦所指的「因果律」的問題。
如果訊號的速度能夠改變,那麽A和B之間的關系必然受到影響,這種關系的變化又會影響未來事件的發展。
愛因史坦的「艾伯特與艾伯特」思想實驗進一步闡釋了因果關系,表明一旦事件發生,就不能回溯到之前的時間,這是絕對的。
一旦事件發生,時間便會推移至下一階段。
愛因史坦認為,當人們進入下一階段時,不僅會影響時間的流動,還會導致當前時間的結束。
時間的流動是無法控制的,無論進入哪個階段,時間都將不斷前進。
只有當事件發生時,時間才會推移到下一個階段。
時間是線性的,不會形成迴圈。
如果一個事件導致了當前時間的結束,那麽在下一階段就無法再回到之前的時間,這就是時間的不可逆性。
因此,愛因史坦認為超光速現象會導致時間倒流。
如果存在可以超越光速的粒子,它將會在一個特定時間點影響所有後續的事件。
在我們的宇宙中,任何事件都是線性發生的。
如果存在超光速粒子,那麽它將破壞宇宙中的所有規律。
結語
愛因史坦嚴格定義了事件發生的時間順序,並規定我們不能違反因果律,因為這會導致時間的倒流。
愛因史坦的相對論引入了新的時間觀念,超光速現象意味著時間可以倒流,這影響了宇宙的一切。
愛因史坦的理論不僅改變了科學界的面貌,也促使人們深入思考時間和因果關系。
時間是生命流逝的軌跡,是我們無法改變的規律,也是我們必須遵守的法則。