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假如你在光速飞船上奔跑,是不是超光速了?

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答案依旧是无法超越光速,尽管答案显而易见,其中蕴含的原理却相当复杂,值得我们深入探讨。



爱因斯坦提出的狭义相对论向我们揭示了光速是宇宙的极速,任何物体的速度均无法超越它,我们称此为“光速限制”。

然而,除了速度限制外,光速还有一个更基本的性质:无论在何种情况下观测,光速始终如一。换句话说,光速具有绝对性,即便与别的速度相加,其本身的速率也不会改变。这一点,在由麦克斯韦方程组推导出的光速计算公式中同样得到了印证。



然而,光速的这一特性显然有悖于我们的日常体验。通常情况下,速度是相对的,需要有参照物才能有明确的意义。

比方说,当你驾驶汽车以极高速度行驶,对于地面上的行人而言,你的速度很快。而坐在你旁边的乘客看来,你的速度却为零,因为你们相对静止。



参照物的重要性不言而喻,没有指定参照物的速度是没有意义的。通常,我们会默认以地面为参照物,因此往往无需特别说明。

但对光速来说,情况就大不相同了。它似乎不需要参照物,或者说,不论在哪个参照系中进行测量,光速都保持不变。



例如,即便你以接近光速的速度追赶一束光,在你眼里,这束光的速度依旧是光速!

因此,我们需要明确区分低速世界与亚光速世界的区别。

在低速世界中,牛顿经典力学采用伽利略变换来计算速度的叠加,简单地说就是速度相加。比如两人以每秒5米的速度背道而驰,那么他们相对的速度就是每秒10米,这一点不难理解。



但一旦速度接近光速,亚光速世界的情况就完全不一样了。此时,速度对时空产生的影响不容忽视,时空的改变反过来也会影响速度,因为速度与时空紧密相关。

正因为亚光速世界中时空的显著变化,低速世界的伽利略变换不再适用,我们必须用更精确的洛伦兹变换来描述速度。



洛伦兹变换下的速度叠加公式要复杂得多,加入了光速这一参数,尽管复杂程度有限,初中数学知识足以理解。

洛伦兹变换公式表明,如果物体的速度远低于光速,公式中的分母会趋近于1,洛伦兹变换会退化为伽利略变换。



这也意味着,伽利略变换仅是一种近似,是洛伦兹变换在低速世界中的一种特例,在亚光速世界中误差较大。由于我们日常生活中的速度远低于光速,因此,伽利略变换已足够精确,无需洛伦兹变换。

但若严格来讲,两人以每秒5米速度背道而驰,其相对速度并非每秒10米,而是略小,但微乎其微,几乎可以忽略不计,也不会对我们的日常生活产生任何影响。

回到最初的问题,即便你的飞船能达到光速,你在其中行走,速度在别人看来依旧不可能超过光速,通过洛伦兹变换公式计算,速度仍是光速。



可见,宇宙中存在光速限制,但更本质的原因在于光速的不变性。所有的速度都是相对的,唯独光速是绝对的。这也挺好,否则若所有速度都是相对的,我们将无法准确描述物体的运动,没有是非之分。

幸运的是,光速是绝对的,它就像一把宇宙速度的标尺,供我们参考。即使世界万物都在变化,光速始终如一,给人一种稳定感,令人心安。



最后,我想再次强调一点,科普中我们经常提到。

光速限制只在惯性系中适用,惯性系是狭义相对论的前提。换言之,光速限制并非绝对的,仅在惯性系中光速无法被超越。

这意味着,在非惯性系中,超越光速是可能的。例如,宇宙膨胀的速度远超光速,因为宇宙膨胀是时空不断扩张的结果,时空本身并非惯性系,不受光速限制。

非惯性系是相对某惯性参考系进行非匀速直线运动的参考系,如加速转动、振动或任意加速运动的参考系,都属于非惯性系。



我们可将非惯性系理解为受到外部合力不为零或非静止匀速直线运动的参照系。根据爱因斯坦的广义相对论,非惯性系会扭曲周围的时空,时空不再平直。因此,观察到的速度会随之改变,狭义相对论不再适用,需要广义相对论来解释。

广义相对论实际上是狭义相对论的拓展,它将惯性系的概念推广到所有参照系,通过等效原理,将引力视作惯性力。

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