深度解析光速為何不變,為何不可超越

2020-12-03 科學探秘頻道

很多人都不服氣愛因斯坦,試圖通過各種手段創造或者設計超過光速的物體。

比如弄一個直徑一光年的筷子,然後一端一動,另外一端是不是就超光速了?還有設計一個巨大的圓盤,圓盤邊緣是不是也會超光速?還有坐在0.9999c速度的飛船上面,發射一個子彈會不會超光速?等等,這些設想的提出,目的就是為了超過光速。

光速

為什麼會有如此多的人總想通過各種辦法超光速呢?因為很多人根本就不理解光速,也不理解為何光速不可超越。當然了,當時愛因斯坦提出相對論,其中的一個重要假設就是光速不變原理,即不論我們在那種參考系中對光速進行測量,光速都是一個常數。之後,根據光速不變原理推出來了速度公式、時間公式、質量公式。不論哪個公式,都需要在速度小於光速時才有意義。愛因斯坦也給出了一個不能夠超過光速的理由,即物體的速度越高,質量越大,需要提速時需要的能量也越大。等快接近光速時,物體的速度就變大無窮大了,沒有那種能量可以使物體再加速了,故而光速無法超越。

相對論各種效應公式
相對論速度疊加公式

很多人對上面的解釋並不滿意,因為大多數人以生活常識來看,速度都是線性疊加的,怎麼到了相對論就成非線性疊加了?比如我的速度是3m/s,如果背著我跑的人速度是2m/s,則我們之間的相對速度就是5m/s,這點大家都很容易理解。到了相對論,就不是5m/s了?0.5c的速度加上0.6c的速度還不能夠大於c(光速)了?是的,相對論裡面就是這個樣子,根據相對論速度疊加公式就是無法超越光速。人們在低速時,速度低沒有感覺相對論效應,但是在高速時就會有明顯的效應了。要不怎麼說世界上只有10%的人才能夠理解並且以相對論的思維思考呢?

其實,人們對於光速或者說相對論的困惑的更本性來源於光速不變原理:光速為什麼是恆定的?不能夠再大點或者小點嗎?

光速不變原理是愛因斯坦直接作為一個假設或者說原理來用的。至於光速為什麼不變,愛因斯坦也沒能夠說明白。也正是由於光速不變,才會誕生出來稀奇古怪的各種違反常理的相對論效應。如果能夠理解清楚光速為什麼不變,我想很多人會自然而然地理解為什麼光速不能夠超越了。

光速是個常數

也許有人會說,麥克斯韋老先生早就知道了光速是常數,還計算出來了光速的具體數值。這個說法雖然沒錯,但是邏輯卻有問題。麥克斯韋方程組最先是描述電磁波的方程,計算之後發現原來電磁波的傳播速度是個常數,即30萬千米每秒,剛好和光速一樣,於是才有了大家懷疑光也是電磁波,最後才有了麥克斯韋得到光速一說。雖然可以通過計算得到光速值,但是哲學上並沒有一個光速不變的解釋。

麥克斯韋方程組

這裡我們不妨這樣想,我們的宇宙來自於一個奇點的爆炸。所以我們整個宇宙的各種常數,都是這個奇點的初始性質決定的。不同的奇點,爆炸產生的宇宙光速還不一樣。就像是我有一塊玻璃,這塊玻璃的量就夠做一個可以裝50ml的水玻璃杯,不多也不少。如果玻璃杯中有一條魚,這條魚肯定納悶這個杯子為什麼只能夠裝50ml的水呢?換位思考一下,我們可不就是宇宙中的那條「魚」嗎?奇點性質就決定了由它形成的宇宙,光速就是30萬千米每秒,不能夠多也不能夠少。而我們作為其中的生物,只知道結果卻很難理解原因。因為我們的維度太低,或許我們進入到高維,看到各種奇點誕生宇宙的過程,一切就都明白了。

宇宙大爆炸過程

相關焦點

  • 我們都知道光速不可超越,但其根本原因是什麼?
    我們都知道光速無法超越(準確地說任何有靜止質量的物體和信息的速度無法超越光速),但根本原因究竟是什麼呢?   很多人會說是因為愛因斯坦的相對論。狹義相對論表明,物體的速度越快質量就越大,如果想要達到光速就需要無窮多的能量,整個宇宙的能量都不夠,顯然這是做不到的!
  • 為什麼光速無法被超越?根本原因是光速不變原理哦!
    光速無法被超越的根本原因是光速不變原理,而至於為什麼光速會有不變性,目前還不清楚。麥克斯韋先是從電磁場方程組中推導出光速不隨參照系的變化而變化,此後麥可遜和莫雷所做的光幹涉實驗證實了這一現象,再後來愛因斯坦把這種現象總結為光速不變原理,並由此創立狹義相對論,最後推導出任何東西都無法超光速。但遺憾的是,我們現在還不知道光速不變原理背後隱藏著什麼深刻的原因。
  • 光速不變原理:既然光速恆定,為何在不同介質中,速度存在差異?
    光速不變原理:既然光速恆定,為何在不同介質中,速度存在差異?我們知道愛因斯坦相對論的一個重要理論基礎,那就是「光速不變原理」,所謂光速不變原理,也就是說對於宇宙當中的任何一個參考系,光速都是恆定不變的299792458米每秒。
  • 光速不變,為何在水中的傳播速度會變慢?引力又為何與光速相等?
    光的運動速度為每秒299792458米,且恆定不變。光速不變指的是光速不會因為參考系的不同而發生變化。舉例而言,如果我們坐在一列行駛的火車上打開手電筒,光的運動速度對於我們而言是每秒299792458米,而對於火車下一個旁觀者而言,光的運動速度依然是每秒299792458米,而並非光速加上列車的行駛速度。之所以會出現這種現象,是因為火車上的時間變慢了。我們說光速不變,可光在不同傳播介質之中的傳播速度卻又是不一樣的,通常所說的每秒299792458米只不過是光在真空中的傳播速度罷了。
  • 光速不變理論是如何被推導出來的?愛因斯坦說的都是對的嗎
    而在科學界,有一個著名的理論,叫做「光速不變」理論,這個理論是由愛因斯坦所提出的,那麼,他究竟是如何推導出來這個理論的呢?先讓我們看一下「光速不變」理論的概念,簡單來說,愛因斯坦的《狹義相對論》,就是在這個基礎上創立出來的,即沒有物體可以超越光速存在。
  • 【微視頻】光速不變原理
    光速不變原理
  • 關於光速不變的澄清
    首先,我們必須對光速不變有一個準確與全面的認識。什麼是光速不變?它包含兩層意思,一層意思是說:對於觀察者而言,無論觀測者的運動狀態為何?他測量到的光速是不變的。第二層意思是相對於光源而言:即無論光源的運動狀態為何?光的傳播速度不變。人的眼睛是無法識別光速的。所謂的觀察者,是指測量儀器而言。我們將上述陳述做一個簡單的拓展:對於觀測者而言,無論觀測者的運動狀態為何?
  • 光速理論上不可超越,那麼神秘的「快子」世界,又該如何理解?
    光速理論上不可超越,那麼神秘的「快子」世界,又該如何理解?相信大家都知道光速是目前人類已知世界裡面的最快速度,傳說中達到光速以後,我們能夠做到很多的事情,例如以一秒鐘的時間繞著地球轉圈圈,甚至在那遼闊的宇宙之中進行隨意的穿梭運作,還有一些科學理論認為,光速能夠讓我們長生不老或者實現時間和空間的永恆。
  • 光速並不是宇宙中最快的速度,光速不變原理的限定是什麼?
    現在人們都知道光速不變原理,都知道不管在任何情況下測定光速,它都是恆定不變的。但是在麥可遜-莫雷實驗之前卻並不是這樣認為的。那時的物理學家們普遍都認為光是在一種名為「以太」的介質中傳播的,還曾費盡心思地去尋找以太在宇宙中存在的證據,但是都無功而返了。
  • 不可超越的自然極限:宇宙時空、光速、絕對零度、普朗克長度
    為什麼自然界存在著這些不可超越的極限?這些極限又描繪了哪些關於這個世界的真實面貌?宇宙時空「宇宙有多大?」一直是個令人深思的問題,但是這個問題和「我們能看到的宇宙有多大」並不一樣,而且很不一樣。換句話說,即使現今的宇宙是無窮大,我們所能見到的範圍卻永遠是有限大。
  • 光速不可超越,為什麼宇宙膨脹和量子糾纏都比光速快?矛盾嗎?
    給運動中的物體輸入能量可以進行加速,但物體的移動速度並不會一直增加,而是有極限的,這個極限就是光速。光速為每秒299792.458千米,代表了宇宙間最快的速度,是不可超越的。光速不可超越源自於愛因斯坦的狹義相對論,狹義相對論認為,任何沒有靜止質量的物體都會以光速進行運動,光子就沒有靜止質量,所以它就以光速運動。而對於擁有靜止質量的物體而言,不論它的質量是多少,都只能無限接近於光速,而不可能達到光速。這是為什麼呢?
  • 為何光速恆定為30萬千米每秒?
    光速為定值,如果哪天測出了其他數值,代表著什麼呢?這道題的本質不是光速為何是30萬公裡每秒,而是光速不變原理,如果測出其他值,那就是代表光速不變原理錯了,最直接影響的就是相對論。光速為何是某個定值(30萬,只是我們人類自己規定的,但本質上光仍然有個恆定的速度),這個我們無法解釋,這是宇宙的法則吧。要知道光速不變原理,規定了光速在任意慣性系中保持相同的數值,其實更準確的來說,應該叫做光速不疊加原理。很好理解,如果我在一列高鐵上,沿著運動的方向,射出一束雷射,那麼請問在地面的觀察者,測出的光速是多少呢?
  • 相對論:光速不可超越,宇宙膨脹又可超光速,愛因斯坦自己打臉?
    愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》中提出了狹義相對論,而狹義相對論的前提就是兩條基本假設:光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效狹義相對論中所有推導出來的結果都是以這兩條最基本的假設為前提的,當然光速無法超越也是,因為狹義相對論中推導出來的質增效應會讓存在靜止質量的物體在接近光速時質量無限增加,進而讓速度在無法前進一步,因為推動物體前進的能量是有限的,它最終會停留在某個接近光速的位置。
  • 相對論:光速不可超越,宇宙膨脹又可超光速,愛因斯坦自己打臉?
    愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》中提出了狹義相對論,而狹義相對論的前提就是兩條基本假設:光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效狹義相對論中所有推導出來的結果都是以這兩條最基本的假設為前提的,當然光速無法超越也是,因為狹義相對論中推導出來的質增效應會讓存在靜止質量的物體在接近光速時質量無限增加,進而讓速度在無法前進一步,因為推動物體前進的能量是有限的,它最終會停留在某個接近光速的位置
  • 光速為何會被限制?一旦突破光速,文明將進入下一階段
    眾所周知,光速在真空中傳播速度大約時每秒30萬公裡,近代偉大科學家愛因斯坦認為,在我們的宇宙中,光速不可超越。
  • 不是說光速不可超越嗎?
    狹義相對論告訴我們,光速是這個宇宙中最快的速度,是只能接近,無法超越的速度。這個理論是人類認識宇宙的基礎,是科學家們最普遍贊同的一個理論。在這個宇宙中,任何存在質量的物體,都必須屈服於光速。但是,宇宙的膨脹卻是一個例外。
  • 光速不可超越,宇宙誕生138億年,為何直徑卻達到930億光年
    宇宙誕生138億年,為何直徑930億光年? 在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?
  • 光速不可超越,宇宙誕生138億年,為何直徑卻達到930億光年?
    宇宙誕生138億年,為何直徑930億光年?在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?那麼邊緣的擴大速度就會非常快,比光速還要快。假設邊緣處有一顆恆星,那麼這顆恆星發出來的光,永遠都到不了這個中心點。因為它遠離中心點到速度遠超光速。但是這並不是說這顆恆星自己的速度快,而是說恆星所在的空間,遠離的速度超光速。
  • 光速不可超越,宇宙誕生138億年,為何直徑卻達到930億光年
    宇宙誕生138億年,為何直徑930億光年?在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?只是現有物理學中不允許有速度超過光速。但宇宙顯然不僅僅是現有物理學能夠解釋的。所以超光速顯然是存在的,只是科學還沒有發展到能夠證明超光速而已。
  • 為何至今沒有任何飛行器超越光速?如果超越光速會怎麼樣?
    光速是宇宙中最快的速度,每當我們晚上拿起手電筒打開時射出的那道光就叫做光速,光的速度為299792458米/秒,這種速度是任何有質量的物體無法超越的。目前我們人類所能達到的最快速度頂多為音速,想超越光速人類的技術必須邁入一級文明才行,可惜的是人類現在的文明等級才為0.75。在物理學界物質運動的速度越快它的質量就越大,但不過如果是超越了光速任何有質量的物體都會瞬間被氣化,如果人類的飛行器想達到光速就必須克服超光速飛行中產生的巨大熱量,按照目前的技術是遠遠達不到的。