假如你在一艘光速飞船上奔跑,是不是意味着你超光速了?
直觉告诉我们:你确实超光速了!但理性告诉我们:你没有超光速,因为如果你的速度超光速了,就打破了光速限制,意味着爱因斯坦的狭义相对论就被推翻了。
如果这么容易就被推翻了,狭义相对论也不可能经历一百多年屹立不倒,再者说了,也完全轮不到我们去推翻,前人早就推翻了。
这说明什么呢?说明很多时候我们的直觉和日常生活经验是错误的,其实错觉的直觉在我们日常生活中屡见不鲜,主要原因还在于我们很难突破某些限制,比如说身体结构的限制,生活在狭小空间里的限制等等。
就拿统治人类上千年的地心说或者说“地球是平的”这两种观点来讲,就是错误的直觉最直接的体现。日常生活中,每天我们都能看到漫天繁星围绕在地球周围,当然有理由相信地球是宇宙的中心。
同时,每天我们也能看到地平面一直延伸到眼睛无法看到的地方,当然会选择相信地球是平的。从科学的本质来看,“地心说”也属于科学范畴,因为科学的本质就是假设,是建立在人们长期观察总结出来的假设,然后不断验证总结出来的理论。
说的有点多了,重回正题。
相对速度的计算问题我们上小学时就学过,简单说就是速度叠加,比如说你我分别是每秒5米的速度反向奔跑,那么在其他人眼里,我们的相对速度就是10米每秒,用物理学术语描述,其实这就是伽利略变换。
伽利略变换在低速世界非常适用,简单易懂。不过,伽利略变换是建立在绝对时空观基础上的,也就是说,时间和空间是绝对不变的,只有这样,伽利略变换才成立。
但是我们所在的四维时空是绝对的吗,是一成不变的吗?
并不是,四维时空是相对的,具有弹性的,速度和引力等因素都会影响到时间和空间,时空是一体的。时间和空间的这种相对性意味着什么呢?
意味着你经历的一秒,与我经历的一秒严格来讲并不一样长短。只不过对于生活在低速和低引力世界的我们来讲,时间的差异实在太小了,我们根本感觉不到,也不会对我们的日常生活造成任何影响。
不过一旦来到亚光速世界,速度对时间和空间的影响就比较明显了,当然也就不能忽略不计了。你在飞船上奔跑的例子就是如此。
也就是说,在亚光速世界,伽利略变换不再适用了,而需要用到更精确的洛伦兹变换才行。简单讲,伽利略变换就是洛伦兹变换在低速世界的近似值,是一个特例罢了。
而爱因斯坦也把洛伦兹变换公式作为狭义相对论的基本公式之一,其实这也表明了当时的洛伦兹其实已经无限接近狭义相对论了,只不过洛伦兹不肯放弃绝对时空观,最后与狭义相对论失之交臂!
从洛伦兹变换公式中可以看出,当速度V1和V2都非常小时,公式中的分母就会无限趋于1,于是洛伦兹变换就会简化成伽利略变换。但是如果两个速度都很大,尤其是非常接近光速时,就不能做出这样的简化了,这恰恰说明了伽利略变换是洛伦兹变换的近似值和特例。
所以,你应该明白,无论你在光速飞船上如何奔跑,都不可能超光速了吧?退一万步讲,光速飞船也是伪命题,飞船的速度只能尽可能接近光速,不可能达到或者超过光速的。
其实,爱因斯坦的狭义相对论的核心就是光速不变原理,光速是绝对的,在任何参照系下都保持绝对不变。
而由于速度与时间和空间也就是距离有直接关系,而通常情况下速度都是相对的,必须有参照系才有意义,但光速就是这么霸道,它是绝对的。
光速的这种绝对性意味着时间和空间必须做出相应的“妥协”,只有这样才能保证光速的绝对性。而“妥协”的结果就是时间和空间的相对性,具体来讲就是会出现钟慢效应,也叫时间膨胀效应,还有就是尺缩效应。
总之就是,我们不能用低速世界的惯性思维去衡量亚光速世界的运动规律,即便不少人很难接受爱因斯坦相对论提出的时间和空间的相对性,但现实情况就是如此,爱因斯坦的相对论已经被无数次证明是对的。
其实,很多人不愿意接受相对论也很正常,能够理解。毕竟我们对于这个世界的认知,基本上都是建立在日常生活经验基础上而来的,日常生活经验对我们的感受影响如此强烈,以至于任何违反我们日常生活经验的规律,都会被我们本能排斥!
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