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一秒飛行一光年的宇宙飛船

圖文 更新时间:2024-07-06 22:56:43

  學生時代學數學時,我們經常會用到速度疊加公式:V=V1 V2(或者V1-V2)。比如說,你我兩人分别以5米每秒的速度反方向奔跑,我們的相對速度就是10米每秒,這很好理解,也很符合我們日常生活認知。

  一秒飛行一光年的宇宙飛船(你在上面奔跑是否超光速了)(1)

  如果按照上述速度疊加公式計算,在光速飛船(假設飛船可以光速飛行)上奔跑的你顯然是超光速了,你的速度等于光速 你奔跑的速度。

  超光速?但是愛因斯坦的狹義相對論早就告訴過我們,光速是不可超越的,光速是宇宙速度極限,難道相對論錯了嗎?

  當然不是,如果狹義相對論就這麼被推翻了,也肯定輪不到我們。難道在光速飛船上奔跑的你沒有超光速?

  一秒飛行一光年的宇宙飛船(你在上面奔跑是否超光速了)(2)

  當然沒有!

  之所以你會得出“超光速”的結論,這樣的結論有一個重要前提就是:時空是絕對的,也就是牛頓力學下的絕對時空觀。

  但是愛因斯坦告訴我們,時間和空間并不是絕對的,并不是一成不變的,而是相對的,每個人在不同的參照系下對時間和空間的感受都是不一樣的,說白了,時間和空間都是有彈性的,會随着物體運動(還有引力作用)而發生改變。

  物體的運動會影響周圍的時間和空間,既然時間和空間(也就是距離)會發生改變,我們在計算速度時就不能簡單地用距離除以時間來計算了,必須考慮到時間和空間的變化。

  一秒飛行一光年的宇宙飛船(你在上面奔跑是否超光速了)(3)

  說白了,我們經常用的速度疊加公式(實際上就是伽利略變換)在亞光速情況下就不再适用了,而必須用更精确的洛倫茲變換才可以,用公式表達就是:v = (v u) / (1 uv/c^2)。

  公式并不複雜,從公式中可以看出,當u和v很小時,分母區域1,公式就簡化為v = v u,也就是我們常見的速度疊加公式(伽利略變換)。

  但是當u和v很大,尤其是接近光速時,就不能簡化為伽利略變換了。舉個例子,火車以0.5C的速度行駛,你在火車上同樣以0.5C的速度奔跑(假設都可以做到),那麼在地面上的我看來,你的速度是多少呢?

  如果用傳統的速度疊加公式(伽利略變換)來計算,你的速度應該是0.5C 0.5C,也就是光速。但實際上并不是,亞光速世界必須用洛倫茲變換,結算出來就是v = (1/2 1/2) / (1 1/4) c,簡化之後速度等于4/5c,也就是0.8倍光速,你并沒有達到光速。

  一秒飛行一光年的宇宙飛船(你在上面奔跑是否超光速了)(4)

  而且,從洛倫茲變換公式中可以看出,無論v和u有多大,最終的速度v都不可能超過光速。

  特殊情況是,隻要v和u中有一個速度達到光速,最終的速度v就是光速!

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