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如果我扣動扳機,一顆子彈沒有任何延遲,瞬間以兩倍光速飛向你,那麼你會先中彈,還是先看見我扣動扳機呢?答案:會先中彈後才看到我扣動扳機。
因果順序
眼睛對外界接收信息需要依靠光,晚上燈一關,光沒了,伸手不見五指,沒有信息來源。判斷先看到什麼,就是在判斷到底哪個信息先傳到你的眼中。這個問題中信息A:我扣動扳機,信息B:子彈擊中你。
正常情況下,子彈無法達到光速,因此A比B快,當A和B同時出發,A會先到達你眼中,也就是你看到我開槍了,然後你看到自己中彈了,這完全符合因果邏輯。
假如子彈速度為兩倍光速時,子彈(B)會先到達,此刻我扣動扳機的信息(A)正好在傳播的路程的中央,於是你會先看到子彈打中了你(B),隨後看到我動扳機(A),你不覺得這很詭異嗎?
子彈會飛出槍膛是因為我扣動了扳機,因此我們說A是因,B是果,然而當子彈的速度高於光速,AB顛倒了。
這樣的問題可以套用到生活中的任意一件事上,例如:你還沒有看到我出拳,先感覺到自己要飛出去了,博爾特還沒起跑,發令槍沒響,終點線的飄帶動了,等等。
為什麼會出現這樣的現象,因為我們的眼睛受限於光嗎?如果我們閉上眼睛,事情發生的順序是一樣的,與我們看與不看無關。
現實生活中無論如何都不會出現因果顛倒的問題,因為愛因斯坦認為光速是宇宙中信息、能量傳輸的最快速度,任何有質量的物體運動速度永遠無法達到光速。
光速不變
19世紀,麥克斯韋發表了《論電和磁》統一了電和磁,這是繼牛頓《自然哲學的數學原理》之後的物理界神作,使他站上了物理學的巔峰。被納入其中的「麥克斯韋方程組」描述了變化的電場會自發地形成磁場,變化的磁場會自發地形成電場,電與磁相輔相成,只要電或磁出現,它們就會生生不息的一直傳播下去。
在麥克斯韋方程中,電磁波波速與兩個常數的乘積相關,即波速也是常數,約等於每秒30萬公裡,光是一種電磁波,因此引出來了光速恆定不變,而它又讓愛因斯坦發現了更深層次的問題,於是發表《狹義相對論》,質能方程,《廣義相對論》。
狹義相對論
實際上,《狹義相對論》中的大部分公式的推導 最早來自於荷蘭物理學家洛倫茲,而愛因斯坦只是那個打破舊框架的人。
在研究電磁學時,洛倫茲發現電磁波的速度與伽利略變換存在衝突。簡單來說,小明以10m/s在馬路上向東走,小美站在馬路邊靜止不動,一束光由西射向東。正常情況下相較於小美,光在小明眼裡應該慢一點,因為他與光同向行駛,然而光速不變原理的結論是光相對於小美與小明速度是一樣的,因為它的速度是常數。
當時洛倫茲認為麥克斯韋不可能錯,從牛頓時代開始,主流物理學家就試圖通過假設存在一種介質(以太)來解釋光的現象,即光在以太中傳播,空間各處充斥著以太。
洛倫茲也是以太論的追隨者,然而理論的衝突讓他寢食難安,於是他基於光速不變性用微積分推導出了一套新的變換,試圖擬合電磁理論、以太論、伽利略變換。
洛倫茲變換描述了質量與速度的關係(質增效應);高速運動的貨車尺寸會比靜止時短(尺縮效應);在靜止的人看來,高速運動的時鐘,會比自己的時鐘走得慢(時間膨脹效應)。論文剛一發表,臺下的人全懵了。洛倫茲回答,他自己推導出來時也懵,他也不知道本質是什麼,但是麥可遜莫雷實驗本以尋找以太為宗旨,最後反而發現「光不會順勢而增加,也不會逆勢而減少」,而它的變換就是基於光的這個特性。
最終愛因斯坦捅破了這層從牛頓經典物理開始禁錮了200多年的窗戶紙,直接說:光速是恆定的,光可以在真空中傳播不需要依靠任何介質,結果就是洛倫茲變換得到的結論。
質增效應
根據《狹義相對論》中的質速方程,我們可以得到以下速度曲線圖,從中可以發現靜止質量不為零的物體可以無限接近於光速,但永遠不能達到光速。
由此我們知道,光速是宇宙中物質、能量、信息傳播的最高速度,子彈的速度不可能超過光速。