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?