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當一個物體超過光速了會發生什麼

圖文 更新时间:2025-06-14 20:05:37

  當一個物體超過光速了會發生什麼(如果有人在光速飛船上跑步)(1)

  如果有人在光速飛船上跑步,那他的速度會超過光速嗎?這是否打破了愛因斯坦所說的光速最快理論?

  類似這樣的問題還有很多,人們無非就是想找出超光速的反例,以此來推翻愛因斯坦的相對論。但事與願違,超光速反例都是無法成立的,愛因斯坦的相對論始終有效。對愛因斯坦的理論沒有理解愛因斯坦對于光速的描述。

  當一個物體超過光速了會發生什麼(如果有人在光速飛船上跑步)(2)

  首先,速度是一種相對的概念。相對于飛船而言,飛船上跑步者的速度肯定不會超光速,而隻是跑步的速度。但即便相對于地面而言,跑步者的速度也不會超光速,而是還為光速。那麼,為什麼跑步者的速度不受跑步速度加上光速呢?而是還會等于光速這樣奇怪的結果呢?

  事實上,我們在生活中所使用的速度疊加方法隻是相對論的近似,在速度遠低于光速的情況下可以使用,但無法在接近光速或者達到光速之時使用。在亞光速和光速的情況下,相對論給出的速度疊加公式如下:

  當一個物體超過光速了會發生什麼(如果有人在光速飛船上跑步)(3)

  可以看到,上述公式比我們所熟知的公式多出了一個1/(1 uv/c^2)因子。在速度遠低于光速之時,uv/c^2趨向于0,該因子趨向于1,所以速度疊加公式就變成了我們熟悉的形式:w≈u v。

  舉個例子,如果飛船相對于地面的速度為100米/秒,飛船上的人以10米/秒的速度奔跑,那麼,飛船上的人相對于地面的速度為110米/秒。用狹義相對論算出的結果約為109.999999999998776米/秒,這隻比近似值小了0.000000000001224%。即便在精度要求極高的航天領域,也可以忽略如此微小的誤差。

  當一個物體超過光速了會發生什麼(如果有人在光速飛船上跑步)(4)

  然而,如果涉及到亞光速和光速運動,就隻能利用相對論。假設飛船的速度為光速80%(0.8c),飛船上向前發射出速度為光速30%(0.3c)的石頭,那麼,石頭相對于地面的速度不是w=0.8c 0.3c=1.1cc,而是w=(0.8c 0.3c)/(1 0.8c·0.3c/c^2)≈0.887cc,所以石頭的速度并沒有超光速。

  而在光速的情況下,結果更為特别。如果飛船的速度u為光速c,無論跑步者的速度v為多少,那麼,跑步者相對于地面的速度為w=(c v)/(1 c·v/c^2)=c,也就是說,跑步者的速度還是保持光速(c),而不是超光速(c v)。

  另一方面,對于存在靜質量的物體,例如,宇宙飛船,或者人,都不可能以光速運動。關于這一點,可以從相對論的動能公式中推導出來:

  當一個物體超過光速了會發生什麼(如果有人在光速飛船上跑步)(5)

  一旦靜質量不為零的物體達到光速,動能就會變得無窮大,這顯然是沒有意義的,因為沒有無窮大的能量。

  為了更符合相對論原理,上述例子可以改成如下的形式:飛船以低于光速的速度相對于運動,并且飛船在前進的方向上發出一束光,那麼,這束光相對于地面的速度是多快?

  結果跟上面一緻,運動飛船發出的光不會以超光速運動,而是還會保持光速,無論飛船達到多快的速度都是如此,這就是當年愛因斯坦推導狹義相對論的立足原理之一:光速不變原理。

  當一個物體超過光速了會發生什麼(如果有人在光速飛船上跑步)(6)

  光速不變原理并非是愛因斯坦無端臆想出來的,而是有着理論(麥克斯韋電磁場方程組)和實驗(邁克爾遜-莫雷幹涉實驗、光行差效應)的有力支持。并且從狹義相對論中推導出的各種結論與實驗結果非常吻合,這足以證明該理論的有效性。

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