如果有人在光速飞船上跑步,那他的速度会超过光速吗?这是否打破了爱因斯坦所说的光速最快理论?
类似这样的问题还有很多,人们无非就是想找出超光速的反例,以此来推翻爱因斯坦的相对论。但事与愿违,超光速反例都是无法成立的,爱因斯坦的相对论始终有效。对爱因斯坦的理论没有理解爱因斯坦对于光速的描述。
首先,速度是一种相对的概念。相对于飞船而言,飞船上跑步者的速度肯定不会超光速,而只是跑步的速度。但即便相对于地面而言,跑步者的速度也不会超光速,而是还为光速。那么,为什么跑步者的速度不受跑步速度加上光速呢?而是还会等于光速这样奇怪的结果呢?
事实上,我们在生活中所使用的速度叠加方法只是相对论的近似,在速度远低于光速的情况下可以使用,但无法在接近光速或者达到光速之时使用。在亚光速和光速的情况下,相对论给出的速度叠加公式如下:
可以看到,上述公式比我们所熟知的公式多出了一个1/(1 uv/c^2)因子。在速度远低于光速之时,uv/c^2趋向于0,该因子趋向于1,所以速度叠加公式就变成了我们熟悉的形式:w≈u v。
举个例子,如果飞船相对于地面的速度为100米/秒,飞船上的人以10米/秒的速度奔跑,那么,飞船上的人相对于地面的速度为110米/秒。用狭义相对论算出的结果约为109.999999999998776米/秒,这只比近似值小了0.000000000001224%。即便在精度要求极高的航天领域,也可以忽略如此微小的误差。
然而,如果涉及到亚光速和光速运动,就只能利用相对论。假设飞船的速度为光速80%(0.8c),飞船上向前发射出速度为光速30%(0.3c)的石头,那么,石头相对于地面的速度不是w=0.8c 0.3c=1.1c>c,而是w=(0.8c 0.3c)/(1 0.8c·0.3c/c^2)≈0.887c<c,所以石头的速度并没有超光速。
而在光速的情况下,结果更为特别。如果飞船的速度u为光速c,无论跑步者的速度v为多少,那么,跑步者相对于地面的速度为w=(c v)/(1 c·v/c^2)=c,也就是说,跑步者的速度还是保持光速(c),而不是超光速(c v)。
另一方面,对于存在静质量的物体,例如,宇宙飞船,或者人,都不可能以光速运动。关于这一点,可以从相对论的动能公式中推导出来:
一旦静质量不为零的物体达到光速,动能就会变得无穷大,这显然是没有意义的,因为没有无穷大的能量。
为了更符合相对论原理,上述例子可以改成如下的形式:飞船以低于光速的速度相对于运动,并且飞船在前进的方向上发出一束光,那么,这束光相对于地面的速度是多快?
结果跟上面一致,运动飞船发出的光不会以超光速运动,而是还会保持光速,无论飞船达到多快的速度都是如此,这就是当年爱因斯坦推导狭义相对论的立足原理之一:光速不变原理。
光速不变原理并非是爱因斯坦无端臆想出来的,而是有着理论(麦克斯韦电磁场方程组)和实验(迈克尔逊-莫雷干涉实验、光行差效应)的有力支持。并且从狭义相对论中推导出的各种结论与实验结果非常吻合,这足以证明该理论的有效性。
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