以光速反方向飞行的两个物体,相对速度是不是超光速了?

2022年11月30日21:20:07 科学 1643

传统思维告诉我们:肯定超光速了。甚至小学生都知道答案,就是简单的速度叠加算术题。

但是如果真的超光速了,意味着爱因斯坦的相对论就被推翻了。而且如果连小学生都知道的问题答案,爱因斯坦怎么可能不知道?

所以,最终的答案肯定是:没有超过光速。那么到底是怎么回事呢?

简单讲,一旦涉及亚光速飞行的问题,我们都不能用传统的思维去思考问题。上学时我们学的相对速度叠加公式其实就是伽利略变换,它是建立在牛顿绝对时空观基础上的。

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但相对论告诉我们,时空并不是绝对的,时空具有弹性。在高速运动的状态下,时间和空间会发生明显变化。

而速度就等于距离(也就是空间)除以时间,当时间和空间发生明显变化的时候,我们当然不能简单地用速度叠加来解决相对速度问题。

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也就是说,在亚光速领域,速度叠加是不可取的,伽利略变换不再适用,公式V=V1+V2不再适用。

说白了,伽利略变换只适用于低速世界,在低速世界里,我们可以近似认为时空是绝对的。在我们日常生活中,你的一秒与我感受到的一秒是没有区别的,因为我们都生活在低速世界,根本感受不到速度对时间流逝的影响。

但一旦你来到亚光速世界,就大为不同了,伽利略变换误差就比较大了,不再使用,必须使用更为精确的洛伦兹变换,因为亚光速世界会出现明显的时间膨胀效应和尺缩效应,速度越快,时间就越慢,距离就越短。

洛伦兹变换用公式表达就是w=(u+v)/(1+u·v/c^2)。

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从公式中可以看出,伽利略变换其实就是洛伦兹变换的特例,是低速世界的近似值。因为当u和v都很小时,公式中的分母无限趋近1,公式就简化为:w=u+v,也就是伽利略变换。

但是当u和v接近光速时,就不能忽略分母的影响。在一种特例下,也就是u和v都等于光速,最终的结果是多少呢?仍旧是光速,而不是两倍光速!

所以,即便两个物体的速度都达到光速,他们的相对速度仍旧不能超光速,而仍旧是光速。如果其中任何一个物体的速度达不到光速,两者的相对速度就比光速要小。

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而狭义相对论告诉我们,物体的速度不可能达到光速,所以,无论如何,两个物体的相对速度都会比光速小。哪怕两个物体都以99%的速度反方向飞行,他们的相对速度仍旧达不到光速!

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