為什麼人在光速飛船上跑,也無法超光速?愛因斯坦:他膨脹了

2021-01-15 科學美少男

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原問題是為什麼在光速飛船上跑步能否超光速?由於把飛船放在稱上稱重,它的質量不可能為零,而靜止質量不為零的物體並無法達到光速,因此飛船不能以光速飛行,我們暫且把它設定為與光速相差0.01m/s,下面我們來聊聊。

觀點

先說觀點:在飛船上跑步,即使跑得很快也無法超越光速,因為速度是相對的,如果在別人眼裡你不快,即使你跑得再快,飛船再快,也是不快。

舉個最簡單的例子,在地球上跑,你能說的速度超過地球公轉的速度嗎?你在高鐵上跑,你能說我的速度是(350+10)m/s嗎?

這個問題要先考參考系,在太空中的外星人看來你的相對速度或許超越了地球公轉的速度,在站臺上的人看來你的速度或許達到了360m/s,但是這並不準確。

絕對時間觀如何潛移默化地影響著你

大家目前所熟知的相對性原理是17世紀的伽利略的大成之作。如果依照這個較早的版本,那麼這個問題計算起來很簡單,人在飛船上以10m/s的速度奔跑,在飛船之外的人看來,他的確超了光速,超了10-0.01=9.99m/s。

我們想要知道人相對於我們的速度需要做兩件事,測量人的空間位移與位移時作用的時間,相除之後得出速度。你會發現我們在使用伽利略相對論進行速度疊加計算時,潛移默化的設定了一個前提條件:時間是絕對的,飛船與觀察者的時間是同步的。如果它們之間的時間不是同步的就意味著伽利略相對論錯了。

光速不變原理

何為時間同步,就是咱倆在操場上,12點整我看見有人投進了一個球,你也看到了,這事件是對於咱倆來說是同一時刻發生的。

原本地球人與牛頓、伽利略一樣,都認為時間就像是一支一去不回頭的箭,箭划過我們每個人的速度都是一樣的,直到19世紀電磁學的出現,科學家發現原來的認識解釋不了電磁學。

麥克斯韋統一了電磁學,並推導出了電磁波傳播的速度,也就是光速是一個常數,代表著光在真空中只會與恆定的速度運行。

波在我們的認識中都會與介質掛鈎,例如水波在水中傳播,波動水不動,聲音在空氣中傳播,聲波動,空氣不會隨著聲波而向著傳播方向而動。

光波的介質是什麼?電磁學中,變化的電場產生了磁場,變化的磁場又會產生電場,根據麥克斯韋方程波速只和空間中的介電常數、磁導常數相關,這兩個常數隻涉及到空間,並未體現出光波所屬的介質與對應的慣性系,如果光速時只相對於絕對空間,那麼光速就是絕對的。這個可能性實在是太抽象,顛覆了經典物理學,於是大量科學家投入了尋找光速介質的浪潮中,他們堅信空間中必然存在某種介質。

尋找介質的證據其實並不難。你可以把光比作一輛車速度恆定為C的汽車,介質比作馬路。如果介質的確存在,那麼車C就相對於馬路運動,但是馬路在地球上,地球有公轉速度也在介質中運動,等於是地球帶著馬路,馬路又帶著汽車一起在介質中運動,因此與地球軌道平行的光(車C)相對於介質的速度就不是C了,如果和地球公轉同向為(C+V),V為地球公轉速度,反向則為(C-V),知道了這點就好辦了。

我們在地球公轉速度方向與垂直於公轉速度方向各發射出一束光,水平方向上的光會受到地球公轉的「帶動」,從而在水平方向上發生「變速」不再恆定為C,而垂直於公轉速度方向上的光,在垂直方向上並不會受到地球公轉影響。

圖:實驗儀器原理

麥可遜與莫雷為了尋找介質,通過以上原理設計了一個實驗儀器,使兩束光行走相同的距離,結果發現無論如何調整實驗儀器,做多少次實驗發現光都是同時到達終點,這意味著光速根本不存在相對性,無論是與和光源靜止,還是無限接近於光速運動的人來說,他們看到的光在真空中傳播速度都是C,不相對,不疊加,即絕對速度。

絕對時間的概念被打破

絕對速度的出現,意味著絕對時間將失效。一輛公交車正中央有個燈,當燈打開以絕對速度射向車頭與車尾時,在車上的人看來因為光速並不會相對車與自己運動,因此光同時到達車頭車尾。

對於馬路邊的你來說,同樣因為光速不會與車速疊加,車卻正相對於你在動,於是你會看到光先到車尾後到車頭。

由於你和車存在相對運動,同時性被打破了,因此時間不同步了,你和乘客的時間是相對的。

速度時間膨脹

回到問題本身,你和高速飛船的時間是相對的,行駛相同的距離,飛船裡的太空人度過1小時,對於你來你的時間已經過去了一天,由於你測量的時間慢,所以飛船上的人無論跑再快,也會因為你所測的時間太慢而拉低速度,這個速度的結果為做狹義相對論中的相對速度。

一切都源於愛因斯坦基於光速不變性得到推論,即動鍾變慢,速度時間膨脹,有興趣的可以給自己出幾道疑似超光速的應用題,代入下面狹義相對論的公式中計算一下,你會發現即使人在飛船上比光速慢0.01m/s奔跑,相對速度也超不了光速。

相關焦點

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  • 愛因斯坦說光速最快,若有人在光速飛船中跑步,他是否超越了光速
    筆者-小文光速是宇宙中的最快速度,為每秒30萬千米,而光速也是被認為是最為渴望達到的速度,因為一旦達到光速,人類不僅可以縮短飛行所用的時間,而且還有機會星際旅行。而根據愛因斯坦提出的相對論,一個物體一旦達到光速,它的時間就會變慢,就外界看來,這樣物體的時間就如同靜止了一般,這就意味著人類有可能實現穿越,回到過去或者未來。雖然,人類距離光速飛行還有很長遠的一段路要走,但科學家發現,除了光速本身以外,還有一種名為時空曲率引擎的物質將在未來取代光速。
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    小孩在光速的列車上跑,並不能超越光速,就像我在地球上跑,在你看來也沒有超越地球的速度。而光速問題屬於高速運動,涉及到愛因斯坦《狹義相對論》或者說被光速不變原理所制約,可以說我們的常識是錯誤的。觀察者關於速度問題,我們一定要明確觀察者是誰,同樣的事情在不同人眼裡變化是不一樣的。
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    我們都知道,從理論上而言,速度貌似是無限的。但其實不是這樣的,愛因斯坦曾經說過,一個有質量的物體,它的速度是有限的。物體進行運動,是可以無限地接近光速,但是卻永遠都無法達到光速。科學家表示,由於受到了限制,在宇宙當中,目前最快的速度就是光速。
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    可是愛因斯坦相對論給物質的速度又上了一道枷鎖。根據愛因斯坦相對論,任何有靜止質量的物體其速度只能無限接近光速,而無法到達。也就是說光速是物體速度的極限,只有像光子這種沒有靜止質量的物質才能夠達到光速,這也僅僅是達到光速,想要超越光速基本不可能。
  • 光速為什麼無法被超越?
    狹義相對論,認為以太不存在,光速不變並且無法被超越。其中關於不能超光速準確的描述如下:有靜止質量的物體永遠達不到光速,理論上只能無限接近於光速,光子由於沒有靜止質量可以為光速;例如現代的各種通信極限就是光速。我們知道光速約為30萬公裡每秒,為什麼我們無法超越這個速度呢,光速真的無法被超越嗎?
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    常有人幻想著,有一天人類坐上光速運行的飛船,是怎樣的感覺。但這註定只能是痴心妄想,因為:第一,這個世界上永遠不會出現光速飛船,因此有此奢望者不但自己無法,就是子子孫孫永遠也坐不上光速飛船。電子質量數量級為9.109x10^-31kg,根據這個公式計算,當一個電子速度達到光速的99.99%後面再拖上100個9時,這個電子的質量就達到了6.43x10^21kg,相當月球的1/10質量了;如果在此基礎上再快66個9,這個電子就超過可觀測宇宙的10^54kg質量了。因此一個電子達到光速也將導致宇宙完蛋,何況一艘飛船?很多人不信,硬要認為可能存在超越光速的物質。
  • 光速無法超越,為什麼光出現就能達到光速?
    更快的速度,一直都是人類追求的目標,從馬車到汽車再到動車飛機火箭,人類不斷在追求速度的極限,也正是因為追求速度,某種程度上也加快了人類技術的進步,當人類接觸到宇宙的時候,發現宇宙之大,按照目前人類的技術根本無法實現星際航行。
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    我們都知道,宇宙自誕生開始就在不斷膨脹當中,而且膨脹的速度越來越快。這意味著如果人類的速度不能超過宇宙膨脹的速度,那麼我們將永遠不知道宇宙有多大,更不會知道宇宙外面到底有什麼。按道理來說,宇宙是真空的,物體在沒有阻力的真空中飛行速度會越來越快,加速到光速,最後無限加速到超過光速。但事實上,人類發射的太空飛船在沒有空氣摩擦的宇宙中卻根本無法達到光速,甚至連光速的20%都達不到,這是為什麼呢?
  • 如果飛船無限接近光速,那飛船內的時間是靜止的嗎?為什麼?
    如果飛船無限接近光速,那飛船內的時間是靜止的嗎?為什麼?其實關於相對論的各種誤解還是蠻多的。「如果飛船無限接近光速,那飛船內的時間是靜止的嗎?為什麼?」其實就是極為典型的誤區之一。那具體哪有問題呢?相對論確實有時間膨脹效應,可問題是,這個膨脹不是運動的物體自己的時間膨脹了,而是別人看他的時間膨脹,無論是誰,其實感受到的時間都是一樣的,原本你在家裡躺著看書,半天看一本,現在你在接近光速的飛船上,你還是半天看一本。為了理解這個,我們可以來仔細講述一下這個案例:講述案例之前,我們要來搞明白一個問題,時間到底是什麼?
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    眾所周知,宇宙中最快的速度是光速,這一點在愛因斯坦的相對論中有所提及。
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    ,但理想是美好的,現實是殘酷的,雖然人類知道掌握光速的好處,但光速幾乎是不可能的,為什麼?光速飛船根據著名的質能方程 e=mc2 (e為能量, m為質量, c為光速),愛因斯坦曾解釋過物體無法達到光速的原因,可以看出速度與質量之間存在著不可調和的矛盾,簡單地說,物體的速度越快,其質量也就越大,質量越大,所需的能量就越大,因為需要巨大的能量才能使物體提速,當物體的速度達到光速時,其質量也變得無限大
  • 光速下時間會停止,是不是坐在光速飛船裡的人就不會老了?
    對於一個靜止的參考系上的觀察者(比如地球上的人)而言,一個高速運動的物體(比如高速飛船)所在的參考系的時間間隔會變長,空間長度會縮短。我們現在稱這種效應為鍾慢效應(或稱時間膨脹效應)和尺縮效應(或稱空間收縮效應)。
  • 愛因斯坦說:物質傳播最快速度是光速,為什麼還存在超光速現象?
    超光速實際上是可以的,宇宙中存在著許多超光速的現象。那為什麼還會有個光速限定,又有什麼是超光速的呢?今天,我們就來聊一聊這個話題。狹義相對論實際上,光速針對信息、能量、物質傳遞而言的。這是上個世紀初才建立起來的觀念。在在此之前,科學家並不這麼認為。這些其實需要從高中物理中的「參考系」說起。
  • 如果人類造出光速飛船,以光速飛行時,撞上障礙物怎麼辦?
    引言:宇宙飛船能夠達到光速嗎?愛因斯坦認為宇宙飛船是不可能達到光速的。但是其實宇宙飛船想要達到光速也不是不能實現的,藉助「曲速引擎」技術就能夠實現。當宇宙飛船達到了光速,那麼宇宙飛船會不會因為速度太快而撞上宇宙中的障礙物呢?答案是不會,機率小到可以忽略不計。
  • 宇宙膨脹速率可以比光速快很多,為什麼愛因斯坦還說光速不可超越
    在膨脹期間,宇宙以指數形式膨脹,短短一秒內將一個極小的空間區域的結構拉伸得非常遠,遠遠大於今天可見的宇宙。任何兩個粒子看到對方後退的速度都會比光速快得多,這就形成了一個悖論:如果沒有什麼東西比光速還快,那麼宇宙膨脹是如何發生的呢?答案將會改變你對宇宙的看法。愛因斯坦的狹義相對論是20世紀最重要的進步之一。
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    引力作用下的宇宙速度克卜勒通過他的老師第谷留下的大量資料總結出了行星三大定律,但當時他並不知道這是為什麼,因為一直要到牛頓發現萬有引力定律才能知道天體為什麼要這樣運行,因此克卜勒三大定律降格為了定理這得1916年愛因斯坦的廣義相對論出世後才得以解決,在廣相推出以前的1905年,愛因斯坦就在前人的基礎上以狹義相對性原理和光速不變原理推出了狹義相對論,大獲成功後使得愛因斯坦名聲大噪,但推出的廣相卻讓科學界有些措手不及
  • 為什麼光速是宇宙最快速度?超光速會有什麼後果?
    光速不但非常快,而且還被認為是宇宙的速度上限。那麼,為什麼說光速是宇宙中最快的速度呢?這一切都要從光速不變原理說起。麥克斯韋發現了一個很特殊的光速公式:上述公式右側的兩個參數都是恆定的常數,這意味著光速也是恆定的大小。
  • 相對論說有質量物體不能達到光速,宇宙膨脹超光速是否違反相對論
    因此愛因斯坦在根據光速不變推出了兩個洛倫茲變換公式,即時間膨脹和空間收縮公式後,根據光速上限推出了第三個洛倫茲變換公式——質量膨脹公式。 而愛因斯坦正是用這個質量膨脹公式解釋了物體在持續加速過程中能量的去向問題,並且那條物理學上最簡潔公式