直接告诉我们,你的速度的确超光速了,因为这就是简单的速度叠加,小学数学都学过。
但很多时候,直觉并不靠谱,因为我们的直觉是建立在日常生活经验基础上得出来的,是以绝对时空观为基础的。
何为绝对时空观?简单讲就是,时间和空间是绝对不变的,任何人对时间和空间的感觉都是一样的。比如说你的一秒与我的一秒没有什么不同,因为时间是绝对的。
但是,爱因斯坦告诉我们,绝对时空观是错误的,时空是相对的,这意味着时间和空间具有弹性,物质以及物质的运动都可以影响周围的时空,结果就是,每个人感受到的时间和空间其实都不一样。
只不过我们生活在一个低速和低引力世界,很难直观感受到时空的变化,所以我们会认为时空是绝对的。在亚光速以及强引力世界,时空的变化就比较明显了。
说了这么多,或许你应该明白了,你在光速飞船上奔跑,你相对地面的速度并不会超光速,而仍旧会是光速。
当然,飞船的速度也不可能达到光速,所以你相对地面的速度始终会比光速小。这说明了一点,任何试图通过速度叠加的方式实现「超光速」的想法都是不靠谱的,实际上这种想法本质上仍旧没有摆脱绝对时空观的束缚。
你可能会提出质疑:难道我们平时用到的速度叠加公式是错的吗?
没有错,但也错了!这样说并不矛盾,下面来具体讲一下。
平时我们用到的速度叠加公式,实际上就是伽利略变换,用公式表达出来就是V=V1+V2。伽利略变换是建立在绝对时空观基础上的,所以只适用于低速世界。
比如说,你乘坐一辆高铁,高铁的速度是每秒100米,你在高铁上奔跑,速度为每秒5米。那么你相对地面的速度就是每秒105米。这个结果很符合我们的日常生活认知。
但是,由于伽利略变换是以绝对时空观为基础的,所以它只是个近似值,只适用于低速世界。而一旦来到高速世界,伽利略变换就不再适用了,必须用到洛伦兹变换,爱因斯坦也把伽利略变换作为相对论的基本公式之一。
洛伦兹变换考虑到了时间的相对性,所以它不但适用于低速世界,在亚光速世界同样适用。
从公式中可以看出,当V1和V2很小时,公式中的分母就趋于1,于是公式就简化为V=V1+V2,就是伽利略变换。所以伽利略变换只是洛伦兹变换在低速世界的特例,也是近似值。
不过如果当V1和V2很大,接近光速时,公式就不能简化为伽利略变换了。而且,不管当V1和V2多大,哪怕两个速度都是光速,最终的叠加速度也不是光速的两倍,而仍旧会是光速。
而且,当V1和V2中只要有一个是光速,最终的叠加速度都会是光速。
如果非要较真的话,上面你在火车上奔跑的例子,你相对地面的速度并不是每秒105米,只不过误差非常非常小,我们根本感觉不到,也不会对我们日常生活有任何影响,即便是火箭发射的过程,也没有必要考虑时空的相对性,也是以绝对时空观为基础的。
那么,在相对时空观背景下,为什么速度不能直接叠加呢?
相对时空观的一个重要前提是光速不变,也就是光速不变原理,光速是绝对的,在任何参照系下都保持不变,为了保持光速的绝对性,时间和空间必须做出「妥协」,不然光速就是可变的。
因为速度就等于距离,也就是空间除以时间,既然在任何参照系下光速都恒定不变,那么空间和时间必须做出相应改变。
举个例子,你乘坐一艘飞船,速度为0.5倍光速。我静止在地面上,手里拿着手电筒,打开之后手电筒发出一束光,你乘坐飞船追赶这束光。
这束光在我们眼里的速度是光速,这很好理解。那么对于你来讲,你看到这束光的速度是多少呢?
你或许会认为,由于你以0.5倍光速追赶这束光,你会看到这束光的速度应该是0.5倍光。事实上并非如此,你相对这束光的速度仍旧是光速。
我们的运动状态不同,静止的我和亚光速飞行的你看到一束光的速度是一样的,那么必然有某些东西要改变, 不然 我们看到的光速不可能是一样的。
而速度只与时间和空间有关,所以改变的必然是时间或者空间。而爱因斯坦强调,时间和空间是一个整体,所以时间空间必然同时改变。
光速的这种绝对性,也就是光速不变原理明显违背了我们的直觉,但这个结果完全符合实验结果,科学家们进行了很多次实验,结果都表明光速确实是不变的。
这也是爱因斯坦之所以大胆假设「光速不变」的主要原因。没错,光速不变原理就是一个假设,也可以说是公理,与「两点之间,线段最短」一样都是公理。任何公理都无需证明,也没有办法完全证明。
当然,爱因斯坦并不是随便就提出「光速不变原理」的。理论上讲,既然光速不变是假设,你完全也可以提出自己的假设代替光速不变原理,然后在你的假设的基础上,创建一套自己的理论,这完全没有问题。
但前提是你的假设必须符合实验结果,并且保证你的理论是自洽的。还有一点,假设的东西必须尽可能少,因为任何假设就像一颗「定时炸弹」,随时可能会引爆。假设的东西越多,出错的概率就越高!