深度解析 在光速飞船上奔跑,你比光速还快吗?

小夏 科学 更新 2024-01-31

说实话,只要看到光速和超光速飞行的问题,我就很“兴奋”,忍不住想在这个问题上科普一下。 当然,科普还是以陈词滥调的相对论为核心,没有办法,相对论100多年来被质疑无数次,但至今依然屹立不倒,这本身就说明相对论是可信的。

所以,即使真的有光速飞船,你也会在飞船上奔跑,无论你能看到什么参照系你们谁的旅行速度都不能超过光速。

当然,有的伙伴肯定会质疑:你干脆用相对论来否定超光速的可能性,这没什么意思,为什么不具体分析一下为什么没有超光速呢?

好吧,让我们详细分析一下。 首先,让我们从潜移默化地影响我们的绝对时间和空间观开始。

在牛顿力学中,我们如何计算两个运动物体的相对速度?说白了,是伽利略提出的相对论原理用通俗易懂的公式表示,就是v=v1+v2。

伽利略变换事实上,一个基本前提已经设定:时间是绝对的,宇宙中任何两个物体都有相同的时间流逝速度。

在爱因斯坦提出相对论之前,包括伽利略·牛顿在内的所有物理学大佬都认为时间是绝对的,时间就像一支发射的箭,它永远会向前移动,“时间之箭”的速度在每个人眼中都是一样的。

直到麦克斯韦建立了电磁学,物理学家才发现了一些不协调的东西。

我们都知道,麦克斯韦统一了电磁学,通过麦克斯韦方程组推导出了电磁波的传播速度,也就是光速,这是一个常数它只与真空的介电常数和磁导率有关,或者表示无论情况如何,真空中的光速都是恒定的。

显然,光的这种特性与人们对波的感知不同,在人们的固有印象中,波的传播需要介质,例如,水波的介质是水,声波的介质是空气,水和空气都不随着波的传播而移动。

光也是一种波,属于电磁波那么光传播的媒介是什么呢?

为了找到这个问题的答案,物理学家们投入了大量的精力来寻找光传播的介质,他们也坚信,真空中一定存在着某种尚未被发现的介质。

确定真空中是否存在介质并不是很困难。 我们假设真空中有某种介质,真空中的光速是光速c,地球的速度是v,地球一直绕着太阳转,这意味着它也在介质中运动,这相当于地球在介质中带光运动, 所以平行于地球轨道的光速当然不再是光速C,而是C+V或C-V,地球公转的方向是C+V,反之亦然。这很容易理解,其实就是应用伽利略变换,计算相对速度。

其实,很有名迈克尔逊·莫雷实验,也就是通过上述基本原理完成的实验,简单来说,在地球自转速度的方向上,在垂直于自转速度方向的方向上,发射出一束光,正如刚才所说,垂直方向的光不会受到地球公转的影响, 速度仍为c。 并且水平方向上的光速不再是c。

让两束光飞行相同的距离,既然两束光的速度不同,那么到达终点的时间点一定是不同的。

但迈克尔逊和莫雷发现,无论他们如何调整实验仪器,两束光都会同时到达终点。 这是什么意思?

这意味着在光速下没有相对论,光速与任何其他速度叠加时保持不变,这意味着光速是绝对的!

当然,由于当时牛顿力学体系占主导地位,迈克尔逊和莫雷根本不相信实验结果,当然也不可能假设光速不会改变人们宁愿相信出了什么问题,也不愿相信“以太”真的不存在。

原因很简单,如果“以太”真的不存在,那就意味着牛顿力学体系已经崩溃了,这几乎是包括他们两人在内的所有物理学家都无法接受的。

事实摆在他们面前,物理学家不能不相信。 在迈克尔逊的莫雷实验之后,许多物理学家陆续做了类似的实验,结果都是一样的。

但即便如此,物理学家们仍然相信“以太”的存在,并试图从其他方面“左转右转”,比如洛伦兹的提议以太在运动方向上收缩“,以解释光速的特殊性,并因此提出洛伦兹变换,但他们只是不同意光速的绝对性。

事实上,洛伦兹与狭义相对论是无限接近的,甚至可以说,狭义相对论的奥秘,只要把“以太”理解为时空本身,就可以揭开,但洛伦兹只是没有迈出这一步。

实际上有点跑题了一些科学家认为,洛伦兹创造了狭义相对论,也不是没有道理的。 因为“以太”也是一个假设的概念,物理学家并不知道“以太”是什么,而只是假设它是光传播的媒介。 从今天的角度来看,“以太”不就是时空本身吗?光在时空中传播,可以理解为作为光的传播介质的时空,这也是正常的。 而且,洛伦兹所谓的“以太会在运动方向上收缩”,时空也具有这种性质,时空也会在运动方向上收缩,这就是所谓的“收缩效应”。

另一方面,爱因斯坦更简单:由于没有证据证明以太的存在,他只是使用了奥卡姆剃刀。除非必要,否则不要添加实体“以太”的基本原理可以直接否定。 因为爱因斯坦提出了光速不变原理的假说,狭义相对论就是在此基础上诞生的。

爱因斯坦还使用洛伦兹变换作为狭义相对论的基本公式之一也可以看出洛伦兹当时与狭义相对论的接近程度。

洛伦兹变换实际上是伽利略变换的“升级版”,伽利略变换是高速世界中的相对速度计算。 说白了,伽利略变换只是低速世界中洛伦兹变换的近似和特例由于我们日常生活的速度相对于光速相对较小,因此伽利略变换足够精确,因此不需要更精确的洛伦兹变换。

从洛伦兹变换相对速度的计算公式可以看出,当物体的速度很低时,公式简化为伽利略变换。 但是当物体的速度达到亚光时,公式就不能简化了。 而且无论两个物体的速度有多快,即使是光速,洛伦兹变换计算出的相对速度也是光速,根本不能超过光速。

所以,如果你在光速飞船上奔跑,即使你以同样的光速奔跑,你也不可能比光速快,但仍然是光速本身。 所有这些都是基于光速的特殊性:光速是绝对的,当与任何其他速度叠加时,这仍然是光速!

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