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假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

作者:宇宙怪談

直接告訴我們,你的速度的确超光速了,因為這就是簡單的速度疊加,國小數學都學過。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

但很多時候,直覺并不靠譜,因為我們的直覺是建立在日常生活經驗基礎上得出來的,是以絕對時空觀為基礎的。

何為絕對時空觀?簡單講就是,時間和空間是絕對不變的,任何人對時間和空間的感覺都是一樣的。比如說你的一秒與我的一秒沒有什麼不同,因為時間是絕對的。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

但是,愛因斯坦告訴我們,絕對時空觀是錯誤的,時空是相對的,這意味着時間和空間具有彈性,物質以及物質的運動都可以影響周圍的時空,結果就是,每個人感受到的時間和空間其實都不一樣。

隻不過我們生活在一個低速和低引力世界,很難直覺感受到時空的變化,是以我們會認為時空是絕對的。在亞光速以及強引力世界,時空的變化就比較明顯了。

說了這麼多,或許你應該明白了,你在光速飛船上奔跑,你相對地面的速度并不會超光速,而仍舊會是光速。

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當然,飛船的速度也不可能達到光速,是以你相對地面的速度始終會比光速小。這說明了一點,任何試圖通過速度疊加的方式實作“超光速”的想法都是不靠譜的,實際上這種想法本質上仍舊沒有擺脫絕對時空觀的束縛。

你可能會提出質疑:難道我們平時用到的速度疊加公式是錯的嗎?

沒有錯,但也錯了!這樣說并不沖突,下面來具體講一下。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

平時我們用到的速度疊加公式,實際上就是伽利略變換,用公式表達出來就是V=V1+V2。伽利略變換是建立在絕對時空觀基礎上的,是以隻适用于低速世界。

比如說,你乘坐一輛高鐵,高鐵的速度是每秒100米,你在高鐵上奔跑,速度為每秒5米。那麼你相對地面的速度就是每秒105米。這個結果很符合我們的日常生活認知。

但是,由于伽利略變換是以絕對時空觀為基礎的,是以它隻是個近似值,隻适用于低速世界。而一旦來到高速世界,伽利略變換就不再适用了,必須用到洛倫茲變換,愛因斯坦也把伽利略變換作為相對論的基本公式之一。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

洛倫茲變換考慮到了時間的相對性,是以它不但适用于低速世界,在亞光速世界同樣适用。

從公式中可以看出,當V1和V2很小時,公式中的分母就趨于1,于是公式就簡化為V=V1+V2,就是伽利略變換。是以伽利略變換隻是洛倫茲變換在低速世界的特例,也是近似值。

不過如果當V1和V2很大,接近光速時,公式就不能簡化為伽利略變換了。而且,不管當V1和V2多大,哪怕兩個速度都是光速,最終的疊加速度也不是光速的兩倍,而仍舊會是光速。

而且,當V1和V2中隻要有一個是光速,最終的疊加速度都會是光速。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

如果非要較真的話,上面你在火車上奔跑的例子,你相對地面的速度并不是每秒105米,隻不過誤差非常非常小,我們根本感覺不到,也不會對我們日常生活有任何影響,即便是火箭發射的過程,也沒有必要考慮時空的相對性,也是以絕對時空觀為基礎的。

那麼,在相對時空觀背景下,為什麼速度不能直接疊加呢?

相對時空觀的一個重要前提是光速不變,也就是光速不變原理,光速是絕對的,在任何參照系下都保持不變,為了保持光速的絕對性,時間和空間必須做出“妥協”,不然光速就是可變的。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

因為速度就等于距離,也就是空間除以時間,既然在任何參照系下光速都恒定不變,那麼空間和時間必須做出相應改變。

舉個例子,你乘坐一艘飛船,速度為0.5倍光速。我靜止在地面上,手裡拿着手電筒,打開之後手電筒發出一束光,你乘坐飛船追趕這束光。

這束光在我們眼裡的速度是光速,這很好了解。那麼對于你來講,你看到這束光的速度是多少呢?

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

你或許會認為,由于你以0.5倍光速追趕這束光,你會看到這束光的速度應該是0.5倍光。事實上并非如此,你相對這束光的速度仍舊是光速。

我們的運動狀态不同,靜止的我和亞光速飛行的你看到一束光的速度是一樣的,那麼必然有某些東西要改變,不然我們看到的光速不可能是一樣的。

而速度隻與時間和空間有關,是以改變的必然是時間或者空間。而愛因斯坦強調,時間和空間是一個整體,是以時間空間必然同時改變。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

光速的這種絕對性,也就是光速不變原理明顯違背了我們的直覺,但這個結果完全符合實驗結果,科學家們進行了很多次實驗,結果都表明光速确實是不變的。

這也是愛因斯坦之是以大膽假設“光速不變”的主要原因。沒錯,光速不變原理就是一個假設,也可以說是公理,與“兩點之間,線段最短”一樣都是公理。任何公理都無需證明,也沒有辦法完全證明。

假如你在一艘光速飛船上奔跑,速度是不是超光速了?

當然,愛因斯坦并不是随便就提出“光速不變原理”的。理論上講,既然光速不變是假設,你完全也可以提出自己的假設代替光速不變原理,然後在你的假設的基礎上,建立一套自己的理論,這完全沒有問題。

但前提是你的假設必須符合實驗結果,并且保證你的理論是自洽的。還有一點,假設的東西必須盡可能少,因為任何假設就像一顆“定時炸彈”,随時可能會引爆。假設的東西越多,出錯的機率就越高!