為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?

2020-12-05 會思考的宇宙塵埃

在宇宙中,物體(能傳遞信息)最快的速度是光速,而且物體速度在光速的情況下,會發生很多神奇的事情,比如物體的速度達到光速,時間就會停止,按照狹義相對論的說法,任何有質量的物體都無法達到光速,只能逼近光速,更是不可能超光速。那麼速度的上限就是光速了嗎?

有人就想到了相對速度,假設有一個點,以這個點為起點,兩個物體向相反的方向運動,以其中一個飛船作為參考系,根據牛頓力學中的速度疊加公式另一個飛船相對於這個飛船的速度就是兩倍飛船的速度,如果飛船的速度超過一半光速,那麼他們的相對速度不就超過光速了嗎?超過光速後,時間不久倒流了嗎?

然而,這肯定是不可能。事實上,牛頓力學是這樣認為,叫做速度疊加公式,而愛因斯坦的狹義相對論中也有速度疊加公式,它的速度疊加公式是符合光速不變的假設的。

牛頓力學的速度疊加公式

牛頓是一個非常偉大的科學家,他的偉大成就不僅僅是提出了微積分,而且提出了牛頓三大定理,以慣性係為基礎,提出了宏觀、低速的條件下力的運動規律。牛頓的理論大大地推動了科學的發展。

這裡言歸正傳,回到速度疊加公式,其實這個公式最早是由伽利略提出了,只是,由於牛頓將力學統一以來,這個個公式也就歸類到了了牛頓力學下。速度疊加首先要選取參照系,比如,在地面上的人看到一輛行駛的火車,火車的速度是a,在火車上有一個人行走,他的速度是b,火車和火車上的人運動的方向相同,如果以地面上的人作為參考系,那麼在他看來,火車上的人的速度是a+b。而實際發生的速度也完全符合現實。

然而,但是成也牛頓力學,敗也牛頓力學。牛頓力學的局限性在於它所描述的情況是低速的情況,在低速的情況下,是符合現實的,當速度很快的情況下,牛頓力學就無能為力了,這個時候就要藉助於狹義相對論了。

狹義相對論中的速度疊加

在牛頓力學中,速度的疊加公式是v=v1+v2

在狹義相對論中,速度的疊加公式是v=(v1+v2)/(1+v1v2/c的平方)(c是光速)我們看這個公式,當v1和v2兩個速度超過光速,越來越大的時候,這個公式的分母也越來越大,這就導致這個公式無法超過光速,這個公式的最大值是多少?當v1和v2等於光速的時候,這個時候的相對速度v就是光速,最大值就是光速。

回到文章開頭的那個問題,假設兩個相反方向飛行的物體速度是0.9倍的光速,將數值代入狹義相對論的速度疊加公式,我們發現,v=0.994c,也就是0.994倍的光速,也是小於光速的。

為什麼無法到達光速

在牛頓力學中,有一個假設,那就是物體的質量是一個固定的數值,這是因為牛頓力學是低速的情況。當速度接近光速的時候,質量不再是一個常數,反而會發生一定的變化,當物體速度越大,質量也越大。

狹義相對論中的質量公式:

在這個公式中,我們可以看到,當物體的速度狠下的時候,v接近於0,分母就成為了1,這個時候就是牛頓力學下的質量,當物體的速度增大,假設速度為光速,帶入公式,分母成為0,這種情況,在數學中,代表的是無窮大,也就是說這個時候,物體的質量是無窮大,這種肯定是不可能的。

而當物體的速度超過了光速,根號裡面的值就變成了複數,分母中的結果會產生虛數,虛數顧名思義,就是不存在的數,數學中允許虛數的存在。所以,在這個意義上,並不允許物體超過光速。

所以,任何有靜止質量的物體都無法達到光速,而光為什麼能達到光速,因為光的靜止質量是0。當然,科學家也嘗試來驗證狹義相對論的這個理論,將一些粒子進行加速(選擇粒子而非個物體是因為粒子質量小,加速起來更加容易),在粒子加速器中,科學家將這些粒子加速99.99999%,但是始終無法達到光速,這個也算是從側面驗證狹義相對論的正確性。

所以,在現在人類已知的理論中,光速是物體速度的上限,光速依然不可能被超越,然而,人類千奇百怪的想像力依然沒有挑戰到相對論,依然沒有挑戰到愛因斯坦。愛因斯坦的偉大在於他的理論經過了這麼多年的質疑,而且被嚴密的科學實驗所證實。 很多人認為的,有些不過是一種詭辯,因為他們並沒有真正理解了相對論,用相對論的角度來思考問題。

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    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。
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    為什麼量子糾纏超越光速至少10000倍!但卻不違背相對論?愛因斯坦的狹義相對論指出,光速是不可超越的,也就是說,光速是宇宙中最快的速度,但是為什麼量子糾纏超光速至少10000倍但卻並不違背相對論呢?狹義相對論的速度極限僅指物質的運動。如果某種速度現象不是物質的運動,沒有相對論的約束,有可能超過光速嗎?答案是肯定的,只要不是物質運動的速度,相對論就不會產生約束。到目前為止,還沒有科學家得出量子糾纏超過光速的絕對結論,但它得到了許多權威人士的支持。瑞士科學家最近表示,他們已經在實驗中證明,糾纏亞原子粒子之間的信號傳輸速度遠遠快於光速,達到光速的一萬倍。
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  • 光速為什麼無法被超越?
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    看懂了這點,我們才能明白愛因斯坦的那些神來之筆,那些似乎是從天而降的天才想法是怎麼來的。才能明白為什麼愛因斯坦跟其他物理學家的思路不一樣,為什麼他會捷足先登創立狹義相對論。這應該也是愛因斯坦創立狹義相對論過程中最重要的一個實驗,其地位遠遠超過光行差、斐索流水、麥可遜-莫雷之類的實驗。
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    相對論學說,可以分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論被理解起來比較簡單一些,據說即使沒有愛因斯坦的存在,再過二三十年,狹義相對論也會出現。但如果沒有愛因斯坦,廣義相對論將不會在幾個世紀內出現。也就是說,僅憑愛因斯坦一個人,他就提前把原本幾個世紀以後才有的科學理論帶到了人間。可見愛因斯坦的天才程度。
  • 超越光速就能返回過去?
    然後想要真正了解相對論,並不是宣傳上的三言兩語就能清楚的,因此出現了許多關於相對論的謠言(一些不正確的認知),其中最為著名的一條可能就是——「相對論承認穿越時空的可能,但只有超越光速才能回到過去」關於這條謠言,小編本人我就有親身體會,因為我在上初中時就深深的相信這句話,一直認為超越光速就能回到過去