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?

2021-01-18 星辰大海路上的種花家

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。

另一個可能則是速度疊加效應,無論兩個如何相對運動,它們之間的最大速度就是光速,光速始終是一個屏障,它無法被超越。大家認識了愛因斯坦的相對論,才了解了光速不可超越,但光速不可超越,並不是愛因斯坦的首先認識到的。

經典力學時代的伽利略變換

對於相對運動我們可簡單粗暴的理解為速度1+速度2或者速度-速度2,這在我們日常中就是這麼解決問題的,當然牛頓有些不太同意這個方式,但大致都繼承了這一變換的精髓,現在我們也很清楚,牛頓經典力學很好用,在絕大部分的時候都可以完美的解決問題,甚至還指導了海王星和冥王星的發現。

麥克斯韋計算出光速

關於速度的體驗,我們還不得不提一下詹姆斯-克拉克-麥克斯韋,不僅是因為現代社會建立在電磁的基礎上,而是他應該是最早知道光速是一個常量的人。

因為從麥克斯韋在1865年發表的一組四個方程中,最後一個變化的電場也能產生磁場,並且周期性交替產生,也就是電磁波的來歷。當然我們今天並不是關心這個問題,而是在這個方程中可以推算出光速!

真空介電常數和真空磁導率都是常數,所以光速C它就是一個常量,儘管麥克斯韋時代早有科學家測量出了光的速度,但從方程中推導出來,明顯是第一次,而且是一個常量!而赫茲則在1890年證明了電磁波速度與波源速度無關。

洛倫茲變換

因為1881年和1887年的麥可遜-莫雷關於以太的實驗測量不到地球相對於以太參照系的運動速度,1895年洛倫茲提出了運動時長度在運動方向上發生長度收縮來解釋麥可遜-莫雷實驗中的結果。並且與麥克斯韋電磁理論結合在相對以太運動的坐標系中時空變換的方程,也就是著名的洛倫茲變換公式

通過洛侖茲變換公式可以推導出速度疊加計算公式,有興趣的朋友可以去看看洛侖茲變換到速度疊加計算的推導過程。

無論V1和V2速度有多大,它們最終疊加速度的上限為光速。有興趣的朋友可以將你認為的最大速度代入計算看看最終速度是多大?

法國數學家龐加萊在1900年就洛侖茲變換做出了劃時代的物理意義解釋,認為本地時是不同那個坐標系之間通過光速進行的時間同步,這也就是狹義相對論中時性的相對性概念,曾經洛侖茲和龐加萊都摸索到了狹義相對論的大門,但仍然受限於體系最終與此失之交臂,實在令人唏噓。

宇宙膨脹超光速

愛因斯坦總結了麥克斯韋與麥可遜-莫雷,以及洛倫茲與龐加萊的成就,1905年愛因斯坦的狹義相對論很空出世,這得益於愛因斯坦敢於打破一切的魄力以及不受傳統約束的個性,當然我們今天不是來誇獎愛因斯坦的,而是狹義相對論關於光速的描述:

信息傳遞不能超過光速

將物質、能量與信息都歸結為信息其實也沒毛病,當然有朋友馬上會提一個有趣的現象,比如我用一支足夠亮度的雷射束划過天際,請問這雷射束的移動超過光速了嗎?

答案是肯定的!

但它傳遞信息了嗎?沒有,它不具任何意義!

遙遠的星系正在遠離,這是埃德溫·哈勃經過將近十年的觀測得出的一個結論,而且哈勃的觀測還得出了一個遠離的速度/距離比值,這就是著名的哈勃常數的由來,儘管與現代精確測定的哈勃常數大相逕庭,但它具有劃時代的意義。

2014年普朗克衛星測得最精確的哈勃常數為67.15千米/秒/百萬秒差距(326萬光年),假如按照這個速度計算,那麼宇宙大約在145.613138億光年外,天體遠離速度超過光速。

其實這個空間膨脹的速度有一個假設前提,即假設我們自己是不動的,所以在145.6億光年外的天體超過光速原遠離,假如在那麼遙遠的位置有一個文明在觀察地球,他們也假定自己不運動,那麼他們將看到我們正在以超過光的速度遠離,但我們超光速了嗎?

答案是沒有!

我們相對於百萬秒差距外的天體,遠離速度還是67.15千米/秒,145.6億光年外的天體,相對於它們145.6億光年-326萬光年的區域,速度也是67.15千米/秒。當然這是假定宇宙膨脹速率恆定不變的條件下的推論,而哈勃常數並不是一個恆定不變的數值,它會隨時間而改變。

但各位有一個概念不能理解錯了,膨脹的永遠是空間,而不是天體的運動。

我們跟145.6億光年外的天體能信息傳遞嗎?也不能!所以遙遠的天體隨宇宙膨脹超過光速跟有質量的物體不能超過光速有什麼關係?

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  • 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。大家認識了愛因斯坦的相對論,才了解了光速不可超越,但光速不可超越,並不是愛因斯坦的首先認識到的。
  • 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?
    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?
  • 愛因斯坦的「光速不可超」論被推翻, 還有比光速快上萬倍!
    根據愛因斯坦的相對論,他提出,目前自然界中物體運動速度最快的便是光速,而且人類永遠無法超越光速而存在,只能不斷的接近光速。
  • 光速無法超越的宇宙鐵律是真的嗎?在它面前,光速慢如蝸牛
    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。雖然我們目前還沒有在宇宙中發現能夠進行超光速的物質,但是超光速現象存在的,這個現象就是宇宙膨脹的速度。現代科學認為宇宙起源於138億年前的奇點大爆炸,大爆炸之後宇宙也開始快速膨脹,這個膨脹速度是驚人的,超越了了光速。
  • 量子糾纏超光速,為什麼沒有違反愛因斯坦的相對論?
    愛因斯坦的狹義相對論認為:光速不可超越,任何物體的運動速度都不能超過真空中的光速。截止目前,沒有發現任何違反相對論的物理現象。處於糾纏狀態的兩個粒子之間的感應速度比光速快,但這並沒有違反相對論。這是怎麼回事,讓我們來詳細了解一下。什麼是量子糾纏?
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  • 愛因斯坦錯了嗎?十大超光速現象真實存在,推翻愛因斯坦的相對論
    愛因斯坦在1905年首次提出相對論時,幾乎所有同一領域的科學家們都對其冷嘲熱諷並持以反對,稱愛因斯坦為瘋子。因為當沒有人能夠理解愛因斯坦的相對論,不過很多新理論新觀點剛開始都沒辦法讓人理解和接受,最後都會被證明是正確的。
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  • 光速被大大超越,愛因斯坦的理論是錯的?學者:此言差矣
    眾所周知,根據愛因斯坦提出的理論,光的速度是宇宙中最快的而且是不會變化的。並且光的速度也是不可超越的,任何物質的速度都只能無限接近於光速而無法到達光速更不能實現超越。所以我們通常會用光年這種單位來形容各星球之間的距離,意指光行駛一年所行走的路程。
  • 宇宙中超光速的困惑:宇宙膨脹與退行速度!
    哈勃定律中的退行速度與距離成正比,如果宇宙是無限的,當距離大到一定的時候,速度必定要超過光速。事實上,並不需要假設宇宙無限,在現今可觀測的距離範圍,退行速度已經超過光速。光速不變和光速不可超越,是狹義相對論的假設條件。其中涉及的距離及時間概念都需要在平坦的閔可夫斯基時空中來理解。
  • 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。
  • 宇宙膨脹速度可以超光速?狹義相對論受到前所未有的挑戰?
    我們都知道愛因斯坦認為任何物體不能超光速,這個是狹義相對論的基礎,狹義相對論有兩個前提:1物理規律在所有慣性系下保持一致,比如選A這個慣性系發現牛頓第二定律是F=ma,換成B這個慣性系牛頓第二定律依然是F=ma不變,所以物理規律不會因為慣性系變化而跟著改變,這個很好理解。
  • 宇宙以3.3倍光速膨脹,人類註定永遠無法離開可觀測宇宙嗎?
    通過計算可知,當年的最後散射面因為空間膨脹已經退行到了465億光年之外,這就是我們所能觀測到的宇宙極限。在過去的138億年裡,可觀測宇宙從很小的尺度膨脹為半徑465億光年的範圍,顯然,空間的膨脹速度遠超光速,可達3.3倍光速。既然如此,人類是否註定永遠無法離開可觀測宇宙?
  • 愛因斯坦提出光速是物質運動最高速,那還有比光速更快的速度嗎?
    愛因斯坦相對論中的確把光速的大小確定為物體運動不可超越的速度。下面來詳細談談。一,光速不變原理光速不可超越指的是靜止質量不為0的物體運動速度,或者說是傳遞有效信息或能量的速度不能超越光速。這個結論不光來自於大量的實踐觀測,也來自於一個叫做「光速不變」的原理,這是狹義相對論的基本原理之一。
  • 光速真的不可超越嗎?科學家在超光速現象中發現了奇妙的藍光!
    如果有人和你說:「光速是不可超越的,光速是最快的速度,沒有任何物質的速度比光速快」,諸如此類的話術,那麼他一定對科學了解的不夠全面。實際上超光速的現象非常多,愛因斯坦在狹義相對論中所說的是「真空環境下,不可能有物體的移動速度超過光速」。而在非真空環境下是可以發生超光速現象的,並不違背任何科學理論。
  • 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?
  • 宇宙年齡138億年,直徑930億光年,宇宙膨脹超光速了嗎?
    但一直以來科學家都認為宇宙是穩態不變並且是無限的,即使愛因斯坦也沒有跳出這樣的思想怪圈。在1916年愛因斯坦把引力加入到自己的理論框架中,從而提出廣義相對論,愛因斯坦應用用廣義相對論場方程,對宇宙演化的問題進行研究驗證。
  • 如果速度超過光速會有什麼後果?會和相對論衝突嗎?
    光速不可超越似乎是我們這個宇宙的初始設定時的一項重要參數,因為到現在為止關於速度的一切發現,光速都是天花板,宏觀物體我們沒有能力加速到光速,但對於微觀粒子,可以加速到99.999999%的光速,但始終距離光速有一步之遙!
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  • 宇宙膨脹超過光速,相對論無法解釋,愛因斯坦遇到了什麼困惑
    我們知道,根據狹義相對論,真空中的光速C是任何物體運動的極限值。但是事實上,廣義相對論中,光速也是任何物體運動的極限值。那麼既然如此,廣義相對論中的「廣」字體現在哪裡呢?廣義相對論在推導過程中使用了「等效原理」。