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为什么爱因斯坦狭义相对论中的光速不能被超越?

时间:2009-04-28

那么速度的上限就是光速了吗?有人就想到了相对速度,假设有一个点,以这个点为起点,两个物体向相反的方向运动,以其中一个飞船作为参考系,根据牛顿力

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在宇宙中,物体(能传递信息)最快的速度是光速,而且物体速度在光速的情况下,会发生很多神奇的事情,比如物体的速度达到光速,时间就会停止,按照狭义相对论的说法,任何有质量的物体都无法达到光速,只能逼近光速,更是不可能超光速。那么速度的上限就是光速了吗?

有人就想到了相对速度,假设有一个点,以这个点为起点,两个物体向相反的方向运动,以其中一个飞船作为参考系,根据牛顿力学中的速度叠加公式另一个飞船相对于这个飞船的速度就是两倍飞船的速度,如果飞船的速度超过一半光速,那么他们的相对速度不就超过光速了吗?超过光速后,时间不久倒流了吗?

然而,这肯定是不可能。事实上,牛顿力学是这样认为,叫做速度叠加公式,而爱因斯坦的狭义相对论中也有速度叠加公式,它的速度叠加公式是符合光速不变的假设的。

牛顿力学的速度叠加公式

牛顿是一个非常伟大的科学家,他的伟大成就不仅仅是提出了微积分,而且提出了牛顿三大定理,以惯性系为基础,提出了宏观、低速的条件下力的运动规律。牛顿的理论大大地推动了科学的发展。

这里言归正传,回到速度叠加公式,其实这个公式最早是由伽利略提出了,只是,由于牛顿将力学统一以来,这个个公式也就归类到了了牛顿力学下。速度叠加首先要选取参照系,比如,在地面上的人看到一辆行驶的火车,火车的速度是a,在火车上有一个人行走,他的速度是b,火车和火车上的人运动的方向相同,如果以地面上的人作为参考系,那么在他看来,火车上的人的速度是a+b。而实际发生的速度也完全符合现实。

然而,但是成也牛顿力学,败也牛顿力学。牛顿力学的局限性在于它所描述的情况是低速的情况,在低速的情况下,是符合现实的,当速度很快的情况下,牛顿力学就无能为力了,这个时候就要借助于狭义相对论了。

狭义相对论中的速度叠加

在牛顿力学中,速度的叠加公式是v=v1+v2

在狭义相对论中,速度的叠加公式是v=(v1+v2)/(1+v1v2/c的平方)(c是光速)我们看这个公式,当v1和v2两个速度超过光速,越来越大的时候,这个公式的分母也越来越大,这就导致这个公式无法超过光速,这个公式的最大值是多少?当v1和v2等于光速的时候,这个时候的相对速度v就是光速,最大值就是光速。

回到文章开头的那个问题,假设两个相反方向飞行的物体速度是0.9倍的光速,将数值代入狭义相对论的速度叠加公式,我们发现,v=0.994c,也就是0.994倍的光速,也是小于光速的。

为什么无法到达光速

在牛顿力学中,有一个假设,那就是物体的质量是一个固定的数值,这是因为牛顿力学是低速的情况。当速度接近光速的时候,质量不再是一个常数,反而会发生一定的变化,当物体速度越大,质量也越大。

狭义相对论中的质量公式:

在这个公式中,我们可以看到,当物体的速度狠下的时候,v接近于0,分母就成为了1,这个时候就是牛顿力学下的质量,当物体的速度增大,假设速度为光速,带入公式,分母成为0,这种情况,在数学中,代表的是无穷大,也就是说这个时候,物体的质量是无穷大,这种肯定是不可能的。

而当物体的速度超过了光速,根号里面的值就变成了复数,分母中的结果会产生虚数,虚数顾名思义,就是不存在的数,数学中允许虚数的存在。所以,在这个意义上,并不允许物体超过光速。

所以,任何有静止质量的物体都无法达到光速,而光为什么能达到光速,因为光的静止质量是0。当然,科学家也尝试来验证狭义相对论的这个理论,将一些粒子进行加速(选择粒子而非个物体是因为粒子质量小,加速起来更加容易),在粒子加速器中,科学家将这些粒子加速99.99999%,但是始终无法达到光速,这个也算是从侧面验证狭义相对论的正确性。

所以,在现在人类已知的理论中,光速是物体速度的上限,光速依然不可能被超越,然而,人类千奇百怪的想象力依然没有挑战到相对论,依然没有挑战到爱因斯坦。爱因斯坦的伟大在于他的理论经过了这么多年的质疑,而且被严密的科学实验所证实。 很多人认为的,有些不过是一种诡辩,因为他们并没有真正理解了相对论,用相对论的角度来思考问题。

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