以光速反方向飛行的兩個物體,相對速度是不是超光速了?

2022年11月30日21:20:07 科學 1643

傳統思維告訴我們:肯定超光速了。甚至小學生都知道答案,就是簡單的速度疊加算術題。

但是如果真的超光速了,意味著愛因斯坦的相對論就被推翻了。而且如果連小學生都知道的問題答案,愛因斯坦怎麼可能不知道?

所以,最終的答案肯定是:沒有超過光速。那麼到底是怎麼回事呢?

簡單講,一旦涉及亞光速飛行的問題,我們都不能用傳統的思維去思考問題。上學時我們學的相對速度疊加公式其實就是伽利略變換,它是建立在牛頓絕對時空觀基礎上的。

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但相對論告訴我們,時空並不是絕對的,時空具有彈性。在高速運動的狀態下,時間和空間會發生明顯變化。

而速度就等於距離(也就是空間)除以時間,當時間和空間發生明顯變化的時候,我們當然不能簡單地用速度疊加來解決相對速度問題。

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也就是說,在亞光速領域,速度疊加是不可取的,伽利略變換不再適用,公式V=V1+V2不再適用。

說白了,伽利略變換隻適用於低速世界,在低速世界裡,我們可以近似認為時空是絕對的。在我們日常生活中,你的一秒與我感受到的一秒是沒有區別的,因為我們都生活在低速世界,根本感受不到速度對時間流逝的影響。

但一旦你來到亞光速世界,就大為不同了,伽利略變換誤差就比較大了,不再使用,必須使用更為精確的洛倫茲變換,因為亞光速世界會出現明顯的時間膨脹效應和尺縮效應,速度越快,時間就越慢,距離就越短。

洛倫茲變換用公式表達就是w=(u+v)/(1+u·v/c^2)。

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從公式中可以看出,伽利略變換其實就是洛倫茲變換的特例,是低速世界的近似值。因為當u和v都很小時,公式中的分母無限趨近1,公式就簡化為:w=u+v,也就是伽利略變換。

但是當u和v接近光速時,就不能忽略分母的影響。在一種特例下,也就是u和v都等於光速,最終的結果是多少呢?仍舊是光速,而不是兩倍光速!

所以,即便兩個物體的速度都達到光速,他們的相對速度仍舊不能超光速,而仍舊是光速。如果其中任何一個物體的速度達不到光速,兩者的相對速度就比光速要小。

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狹義相對論告訴我們,物體的速度不可能達到光速,所以,無論如何,兩個物體的相對速度都會比光速小。哪怕兩個物體都以99%的速度反方向飛行,他們的相對速度仍舊達不到光速!

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