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光速为何不能被超越?给你最浅显易懂的回答!

光速不可超越,是爱因斯坦狭义相对论中的核心思想之一。

但我们需要注意的是,狭义相对论中的光速限制是有前提条件的,并不是说光速是绝对不能超越的。

具体来讲,在惯性系中,任何信息的传播速度都不可能超过光速,这里的信息包括任何物体的飞行速度,毕竟物体也属于信息的范畴。

注意,这里有两点:惯性系和信息传播速度。狭义相对论的 一个前提条件就是必须是惯性系。

何为惯性系?简单来讲,加速度为零的参照系,或者说如果你相对一个参照系静止或者匀速直线运动,那么这个参照系就是你的惯性系。

通常我们认为地球就是惯性系,虽然地球在做圆周运动,但我们仍可以把它视为惯性系。毕竟地球的圆周运动是在更大的尺度上进行的,对我们几乎没有影响。

也就是说,在惯性系中,任何信息的传播速度都无法超越光速。言外之意,在非惯性系中,速度是可超越光速的。

举个例子,科学家经常通过大型粒子对撞机来寻找更小的微观粒子,主要方法就是让两个微观粒子以非常接近光速的速度碰撞。

比如说,微观粒子的速度达到0.9倍光速,那么两者的相对速度就是1.8倍光速,这不是超过光速了吗?

确实超光速了,但并没有违反爱因斯坦的狭义相对论,因为1.8倍光速只是微观粒子的相对运动速度,并不是相对某个惯性系的速度。如果相对地球这个惯性系,微观粒子的速度无论如何是不可能超光速的。

再举个例子,假设一艘飞船以光速C飞行,先别管到底能不能达到光速,这里只是假设。你在飞船上以速度V奔跑。我静止在地面上。

那么在我眼里,你的速度是多少呢?是不是飞船速度加上你奔跑的速度,也就是C+V呢?

并不是,你的速度仍旧是光速,而不是光速+飞船的速度。

因为“我”就是一个惯性系,在这个惯性系下,不管任何两个速度如何叠加,最终的速度都不可能超过光速。这其实就是爱因斯坦狭义相对论关于“光速是速度极限”的直接体现。

狭义相对论的核心是什么?

光速不变原理和相对性原理!狭义相对论也正是以这两大基本公设为前提建立起来的,其中相对性原理强调的就是惯性系,很多人经常忽略这一点。除了惯性系,还有很重要的一点就是光速不变原理。

何为光速不变?

之前的科普文章说了很多了,这里就不再啰嗦了。简单讲就是光速是绝对的,光速不需要任何参照系,或者说在任何参照系下,光速都保持绝对不变。

用数学方式理解就是:光速与任何速度叠加之后仍旧是光速。光速的这种“霸道”行为意味着,无论你以多快的速度追赶一束光,这束光在你眼里的速度仍旧是光速。哪怕你的速度达到了99%光速,不要以为你很快就能与光并驾齐驱了,事实上光仍旧会以光速把你瞬间甩在身后。

下面举个例子来看看你是否真的明白了光速不变原理。

我打开一个手电筒,在手电筒发光的同时,你和发出的光同时飞行,你的飞行速度是光速的一半,也就是0.5倍光速。

假设我看到手电筒的光飞行了两公里,那么你飞行的距离就是一公里。由于光速是不变的,在你眼里,手电筒的光同样飞行了两公里。

那么,在我眼里,你看到的手电筒的光飞了多远呢?还是两公里吗?

并不是,因为参照系改变了。在我眼里,你和手电筒的光都有具体速度,你们的相对速度为0.5倍光速,所以你会看到手电筒的光飞行了公里,而不是两公里。

而由于光速是不变的,意味着在两公里除以我的时间,也就等于一公里除以你的时间,两者的结果都是光速。

能够看出,我的时间比你的时间变快了,你的时间变慢了,也就是时间膨胀了!

当然,上面举的例子只是通俗的解读,方便我们理解光速不变原理和时间膨胀原理,其实是不严谨的,但并不影响普通的科学理解认知。

不同的参照系就会得到不同的答案,这也是为什么叫“相对论”的主要原因,因为世界上根本就不存在绝对的参照系,一百多年前一度被认为绝对参照系的“以太”早就被否定了。

在狭义相对论体系下, 所有的惯性系都是等价的,当然也是平等的,所有的物理定律都适用。所以在分析问题时,我们只需要分析一个惯性系就可以了,没有必要把所有惯性系都分析出来。比如说著名的双生子佯谬,无论从哥哥还是弟弟的参照系分析,结果都是一样的。

还有刚才的例子,我一直用“我”这个参照系分析问题,当然你也可以用自己的参照系在分析一遍,但结果仍旧不会有什么不同,感兴趣的话可以自己尝试分析一下。

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