深度解析 在光速飛船上奔跑,你比光速還快嗎?

Mondo 科學 更新 2024-01-31

說實話,只要看到光速和超光速飛行的問題,我就很“興奮”,忍不住想在這個問題上科普一下。 當然,科普還是以陳詞濫調的相對論為核心,沒有辦法,相對論100多年來被質疑無數次,但至今依然屹立不倒,這本身就說明相對論是可信的。

所以,即使真的有光速飛船,你也會在飛船上奔跑,無論你能看到什麼參照系你們誰的旅行速度都不能超過光速。

當然,有的夥伴肯定會質疑:你乾脆用相對論來否定超光速的可能性,這沒什麼意思,為什麼不具體分析一下為什麼沒有超光速呢?

好吧,讓我們詳細分析一下。 首先,讓我們從潛移默化地影響我們的絕對時間和空間觀開始。

在牛頓力學中,我們如何計算兩個運動物體的相對速度?說白了,是伽利略提出的相對論原理用通俗易懂的公式表示,就是v=v1+v2。

伽利略變換事實上,乙個基本前提已經設定:時間是絕對的,宇宙中任何兩個物體都有相同的時間流逝速度。

在愛因斯坦提出相對論之前,包括伽利略·牛頓在內的所有物理學大佬都認為時間是絕對的,時間就像一支發射的箭,它永遠會向前移動,“時間之箭”的速度在每個人眼中都是一樣的。

直到麥克斯韋建立了電磁學,物理學家才發現了一些不協調的東西。

我們都知道,麥克斯韋統一了電磁學,通過麥克斯韋方程組推導出了電磁波的傳播速度,也就是光速,這是乙個常數它只與真空的介電常數和磁導率有關,或者表示無論情況如何,真空中的光速都是恆定的。

顯然,光的這種特性與人們對波的感知不同,在人們的固有印象中,波的傳播需要介質,例如,水波的介質是水,聲波的介質是空氣,水和空氣都不隨著波的傳播而移動。

光也是一種波,屬於電磁波那麼光傳播的媒介是什麼呢?

為了找到這個問題的答案,物理學家們投入了大量的精力來尋找光傳播的介質,他們也堅信,真空中一定存在著某種尚未被發現的介質。

確定真空中是否存在介質並不是很困難。 我們假設真空中有某種介質,真空中的光速是光速c,地球的速度是v,地球一直繞著太陽轉,這意味著它也在介質中運動,這相當於地球在介質中帶光運動, 所以平行於地球軌道的光速當然不再是光速C,而是C+V或C-V,地球公轉的方向是C+V,反之亦然。這很容易理解,其實就是應用伽利略變換,計算相對速度。

其實,很有名麥可遜·莫雷實驗,也就是通過上述基本原理完成的實驗,簡單來說,在地球自轉速度的方向上,在垂直於自轉速度方向的方向上,發射出一束光,正如剛才所說,垂直方向的光不會受到地球公轉的影響, 速度仍為c。 並且水平方向上的光速不再是c。

讓兩束光飛行相同的距離,既然兩束光的速度不同,那麼到達終點的時間點一定是不同的。

但麥可遜和莫雷發現,無論他們如何調整實驗儀器,兩束光都會同時到達終點。 這是什麼意思?

這意味著在光速下沒有相對論,光速與任何其他速度疊加時保持不變,這意味著光速是絕對的!

當然,由於當時牛頓力學體系佔主導地位,麥可遜和莫雷根本不相信實驗結果,當然也不可能假設光速不會改變人們寧願相信出了什麼問題,也不願相信“以太”真的不存在。

原因很簡單,如果“以太”真的不存在,那就意味著牛頓力學體系已經崩潰了,這幾乎是包括他們兩人在內的所有物理學家都無法接受的。

事實擺在他們面前,物理學家不能不相信。 在麥可遜的莫雷實驗之後,許多物理學家陸續做了類似的實驗,結果都是一樣的。

但即便如此,物理學家們仍然相信“以太”的存在,並試圖從其他方面“左轉右轉”,比如洛倫茲的提議以太在運動方向上收縮“,以解釋光速的特殊性,並因此提出洛倫茲變換,但他們只是不同意光速的絕對性。

事實上,洛倫茲與狹義相對論是無限接近的,甚至可以說,狹義相對論的奧秘,只要把“以太”理解為時空本身,就可以揭開,但洛倫茲只是沒有邁出這一步。

實際上有點跑題了一些科學家認為,洛倫茲創造了狹義相對論,也不是沒有道理的。 因為“以太”也是乙個假設的概念,物理學家並不知道“以太”是什麼,而只是假設它是光傳播的媒介。 從今天的角度來看,“以太”不就是時空本身嗎?光在時空中傳播,可以理解為作為光的傳播介質的時空,這也是正常的。 而且,洛倫茲所謂的“以太會在運動方向上收縮”,時空也具有這種性質,時空也會在運動方向上收縮,這就是所謂的“收縮效應”。

另一方面,愛因斯坦更簡單:由於沒有證據證明以太的存在,他只是使用了奧卡姆剃刀。除非必要,否則不要新增實體“以太”的基本原理可以直接否定。 因為愛因斯坦提出了光速不變原理的假說,狹義相對論就是在此基礎上誕生的。

愛因斯坦還使用洛倫茲變換作為狹義相對論的基本公式之一也可以看出洛倫茲當時與狹義相對論的接近程度。

洛倫茲變換實際上是伽利略變換的“公升級版”,伽利略變換是高速世界中的相對速度計算。 說白了,伽利略變換只是低速世界中洛倫茲變換的近似和特例由於我們日常生活的速度相對於光速相對較小,因此伽利略變換足夠精確,因此不需要更精確的洛倫茲變換。

從洛倫茲變換相對速度的計算公式可以看出,當物體的速度很低時,公式簡化為伽利略變換。 但是當物體的速度達到亞光時,公式就不能簡化了。 而且無論兩個物體的速度有多快,即使是光速,洛倫茲變換計算出的相對速度也是光速,根本不能超過光速。

所以,如果你在光速飛船上奔跑,即使你以同樣的光速奔跑,你也不可能比光速快,但仍然是光速本身。 所有這些都是基於光速的特殊性:光速是絕對的,當與任何其他速度疊加時,這仍然是光速!

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