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假設你在一艘光速飛船上奔跑,你的速度超光速了嗎?

2024-06-26科學
其實這個問題的本質還是牛頓的絕對時空觀與愛因史坦的相對時時空觀之間的較量。日常生活經驗告訴我們,時空是絕對不變的,但有時候經驗可能是錯覺,或者說僅憑經驗並不能感受到更本質的東西。

愛因史坦提出的相對論讓我們明白,時空並不是絕對的,而是相對的。只不過你我都生活在低速世界,很難直觀感受到速度對時空的影響,所以很多時候我們仍會強迫自己接受「時空是絕對的」這種觀點。

其實持有這種觀點對於生活在低速世界的我們來講,沒什麽不好,甚至大多數時候我們都需要按照「絕對時空觀」去解決問題。比如說火箭把各種探測器,衛星等發射升空,根本就不會考慮時空的相對性,都是以建立在絕對時空觀基礎上的牛頓力學為指導進行火箭發射的。

那是因為我們生活在低速世界,平時經歷的速度與光速相比實在太小了,完全可以忽略不計。

這也是為什麽我們在計算相對速度時,通常都會采取直接疊加的方式來計算,這種方式其實就是「伽利略變換」。

舉個例子,你乘坐一輛高鐵旅行,高鐵的速度為每秒100公尺。我靜止在地面上觀察你。你閑來無事,在高鐵車廂裏順著高鐵的方向奔跑,奔跑速度為每秒5公尺。

那麽,在我眼裏,你的速度是多少呢?

估計小學生都能脫口而出,每秒105公尺。事實上這也是牛頓的答案,牛頓就是在這種思想體系下成功預測了太陽系行星的位置,你說厲不厲害?

牛頓去世一百多年之後,另一位物理學大佬橫空出世,他就是馬克士威,他提出的馬克士威方程式組堪稱人類歷史上最美的方程式組。

這個方程式組看起來很復雜,不過你也不需要詳細了解每個符號的含義,只需要知道這個方程式組預言了電磁波的存在,而且光也是一種電磁波。

還有一點讓當時的物理學界大佬很頭疼,馬克士威方程式組推匯出了光速的計算公式,這本來沒有什麽大不了的,但它推匯出來的光速是是一個絕對固定值,而且沒有任何參照系,只與真空的磁導率和介電常數有關。

這讓當時的物理學家們很不理解:光速怎麽可能是絕對不變的呢?不可能,絕對不可能。舉個例子就明白當時的物理學家為什麽不理解了。你拿著手電筒以每秒5公尺的速度奔跑,在我眼裏,手電筒發出的光的速度是多少呢?

按照剛才的速度疊加計算,答案應該是C+5,也就是光速加上你奔跑的速度。但如今馬克士威方程式組告訴你答案仍舊是光速C,而不是C+5。

但不理解歸不來理解,馬克士威方程式組和牛頓經典力學出現矛盾了,總得解決吧?

從物理學大佬的解決方案來看,他們還是更願意相信牛頓經典力學,於是開始左右逢源,努力為光速尋找合適的參照系。

這也很正常,畢竟當時牛頓力學統治物理學界三百多年了,早就被物理學界奉為神明,上天入地無所不能,物理學家們怎麽可能輕易推倒好不容易快要建立起來的物理學大廈呢?

但也不能得罪「馬克士威方程式組」,畢竟它統一了電和磁。於是,物理學家們假設了一種名叫「以太」的東西,認為光的傳播介質是以太,而以太也被認為是一種絕對靜止參照系,也是光的參照系。

但是,以太的出現,不但沒能很好地協調馬克士威方程式組和牛頓力學,反而帶來越來越多的麻煩。越來越多的證據表明以太是不存在的。但物理學大佬沒有輕易放棄,提出了更多的假設,目的就是保證以太能夠存在。

但更多的假設就像更多的定時炸彈一樣,隨時可能會被引爆。這就像為了圓一個謊言,就需要更多的謊言,每一個謊言就像一個定時炸彈,一不小心就會引爆。

具有天才思維的愛因史坦激發出了自己的靈感:既然以太的概念本來就是假設的,要想讓這個假設成立,還需要更多的假設來維持,為何不從根上解決問題?

於是,愛因史坦果斷地用「奧卡姆剃刀」一下子把「以太」給「哢嚓」掉了,把「光速不變原理」作為基本假設之一,提出了偉大的狹義相對論。

在狹義相對論體系下,慣性系中的兩個速度並不能簡單純粹地疊加,更精確的表達方式應該是這樣的。

這種速度疊加公式其實也是勞侖茲變換,它的 適用範圍 更廣。而伽利略變換只適用於低速世界,說白了,伽利略變換其實只是勞侖茲變換在低速世界的一個特例罷了。

從公式中可以看出,無論如何兩個速度有多快,最終在慣性系中的疊加速度都不可能超過光速。而當兩個速度很小時,分母就無限趨於1,公式也就簡化為伽利略變換!