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將手電筒打開並扔出去,手電筒里的光會超越光速了嗎?


花花帶你看科學關於相對論,一般人誤區最大的就是拿牛頓的世界觀來套用。什麼意思呢?我們可以先來看看,牛頓對於運動問題的解決方案。這其實來源於伽...

- 2019年7月27日04時34分
- 科學文摘 / 花花帶你看科學

花花帶你看科學

關於相對論,一般人誤區最大的就是拿牛頓的世界觀來套用。什麼意思呢?

我們可以先來看看,牛頓對於運動問題的解決方案。這其實來源於伽利略的相對性原理。具體的操作其實就是速度疊加。我們來舉個例子,假設一個人在一輛小車上,這小車從右往左運動,每秒是10米,而人在車上運動,每秒是5米。那這個時候如果要求地面觀測者看到車上的人的速度,那應該是多少呢?

科學是注重過程的,對於這個問題,牛頓世界觀下的解決方案,其實就是把兩個速度進行疊加,也就是說,地面觀測者的速度是車速+人的速度,也就是10+5=15米/秒。


所以,如果一個手電筒打開並扔出去,如果用牛頓的世界觀,地面觀測者看到的光的速度就應該是光速c+手電筒的速度,所以一定會大於光速c。

可問題的關鍵是,牛頓和愛因斯坦的世界觀是不同的,具體來說,在愛因斯坦的理論框架內,速度不是單純的疊加。還是車子和小人的例子,如果用愛因斯坦的理論來計算,其實是下面這個計算公式。這個計算式其實是通過光速不原理和相對性原理,推導而來的,想了解的可以自己簡單推一下,其實就是一個初中數學的難度,數學上並不難,難的其實是物理學的思想。

如果把剛才的速度帶入計算,你就會發現,結果約等於15m/s,只是在小數點後15位有個極其微笑的差異。實際上,牛頓力學其實是相對論在宏觀低速下的近似值,這也是為什麼,我們牛頓力學其實會讓我們感覺到特別準確的原因。我們生活在宏觀低速下,所以牛頓力學和我們的直覺特別匹配,但一旦速度快起來,其實牛頓力學的誤差就會體現出來,這時候其實就需要用到相對論。

還是扔手電筒的那個問題,實際上,如果你假設手電筒有個速度,再帶入進去算,你會發現,最後的結果其實還是光速c,並不是牛頓力學計算出來的超光速。所以,其實在相對論當中,光速其實和光源是沒什麼關係,無論光源到底在不在運動。不僅如此,其實一開始相對論被稱為相對論,愛因斯坦是有點不願意的,因為這個理論更像是絕對論。這裡的絕對,其實就是光速,光速在任何慣性參考系下都是光速。

相對論和牛頓力學的本質區別?


那你可以能要問為什麼相對論和牛頓力學會有所區別呢?

這其實是愛因斯坦和牛頓對於時空的看法不同造成的。牛頓認為「時間」和「空間」是彼此獨立的,而且對於任何參考系(觀測者)來說,時間和空間是一樣的。意思就是,對於任何人來說,一秒就是一秒,一米就是一米,在大家眼裡一秒和一米都是一樣的,和他們的運動狀態沒有關係。

而愛因斯坦則認為,「時間」和「空間」並不是分立的物理量,而是可以被統一的,他管著叫做「時空」。具體來說就是,由於運動狀態的不同,時間和空間也會發生變法。

比如說:高速運動的物體,就會發生時間膨脹效應和尺縮效應。

具體點來說,就是如果剛才的例子變成一艘飛船,飛船從高空快速掠過。在對於地面觀測者來說,飛船上的時間就會發生膨脹。具體的膨脹是這樣的,如果飛船上的人在做廣播體操,那地面上看到的情況就是慢動作的廣播體操,具體膨脹效應其實也可以通過相對論的推導公式來求解。


這裡補充一點,其實飛船里的人感受到的時間還是在很正常的,所以他做的廣播體操還是正常速度。還有,如果地面觀測者也在做廣播體操,那對於飛船上的人來說,他看到的其實也是慢動作廣播體操。這裡其實就是相對性原理在起作用,畢竟運動是相對的,飛船上的人相對於地面觀察者是告訴運動,同理,我們也可以看到是地面觀測者相對於飛船上的人在高速運動。

而尺縮效應的情況也是和時間膨脹是類似的,在這裡就不贅述。

雖然,相對論得出的結果特別反直覺,但是科學上的事請其實要靠實驗來證明。愛因斯坦狹義相對論這些年也確實被不少的時間所證明,首先就是μ子實驗,其次還有銫原子鐘實驗等等。這些在網上都可以搜到,想了解的可以自行搜一下。

這些實驗都非常強有力的證明了愛因斯坦的觀點。而那個讓人無法理解的光速不變原理,說白了就是時空的一種特殊屬性,是描述任意兩個事件之間的時空距離。

最後,我們來總結一下,牛頓世界觀和愛因斯坦的世界觀對於「時空」的認識有本質的區別,正因為如此,在計算運動速度時,牛頓世界觀下,常常是通過簡單的速度疊加來完成的。而實際上,愛因斯坦的理論也有相關的速度合成公式,在解決高速問題時,其實應該用的是愛因斯坦的狹義相對論而不是牛頓力學,如果從狹義相對論來求解,那一定不存在超光速的事件。所以,扔出去的手電筒中射出光並沒有超光速。


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