深度长文:光速为什么不能被超越?(近4000字,建议收藏)

百科   2024-11-10 19:33   辽宁  

简单回答:没有原因,就是这样的!

或者说,人类只知道光速确实不能被超越,但直到目前为止也不知道到底为什么不能被超越。

也就是说,对于光速不能被超越这个事实,人类还处于“只知其然不知其所以然”的阶段。科学家只是通过实验或者理论上分析出了“光速不可超越”这个结论,但并不知道更深层的原因。

你可能会说“光速不可超越”是爱因斯坦的相对论推导出来的结论,速度越快质量就越大,当物体的速度无限接近光速时,质量就会无穷大,显然这是不可能的,所以任何物体的速度都不可能超过光速。

在爱因斯坦的相对论体系下,光速的确是不可超越的,但我们需要明白,相对论本身就是建立在两大假设的基础上提出来的,这两大假设分别是:光速不变原理和相对性原理

相对性原理,这里不再详述了,非常符合我们的日常生活认知,简单讲就是:在惯性系下,所有的物理定律都表现为相同的形式。举个简单的例子,在一列匀速直线行驶的火车上,你的感受与静止在地面上的感受是完全相同的,如果闭上眼睛,不观看外面环境,你根本无法区分自己是在火车上还是静止在地面上。

这里重点讲一下光速不变原理,爱因斯坦的相对论体系下的所有公式,基本上都是在这个原理的基础上推导出来的,包括光速不可超越这个结论,同样是因为光速不变。

光速不变,具体什么意思呢?很简单,并不是说“光速在真空中的速度保持每秒30万公里不变”,而是说在任何参照系下测量到的光速都保持不变

也就是说,面对同样一束光,无论你是面向那束光运动,还是背向那束光运动,在你眼里,那束光的速度都不会有任何改变,都是每秒30万公里。

也就是说,无论你以多快的速度追赶那束光,你永远都追不上,因为那束光相对你来讲,永远都会保持每秒30万公里的速度。

光速不变违背了我们的日常生活认知,毕竟在我们的固有思维里,任何速度都是相对的,运动状态不同,测量到的速度就会有所不同。但光速竟然是绝对的,不管你在任何运动状态下,在任何参照系下,测量到的光速都是一样的

那么,光速为什么不变?其实也是没有原因的,科学家们只是发现了“光速不变”这个事实,然后通过实验反复验证得出来的结果。

具体过程当然是相当复杂的,也充满了各种坎坷,毕竟如果光速真的是不变的,意味着统治科学界几百年的牛顿经典力学就轰然倒塌了,因为牛顿经典力学的基础是绝对时空观,而光速不变意味着时空是相对的。

但是麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式表明,光速的确是一个常数,意味着光速就是不变的,是绝对的。而且之后的很多实验,比如说迈克尔逊莫雷实验,结果都表明“光速的参照系以太”是不存在的,其实也间接表明了光速不变。

既然理论和实践都指向了“光速不变”,科学家们没有理由不做出“光速不变”的结论。爱因斯坦就是假定了光速是不变的,在此基础上利用数学模型推导出了钟慢效应(时间膨胀效应),尺缩效应等相对论公式。

当然,不管是时间膨胀效应,还是尺缩效应,不仅仅体现在理论上,也通过了实验验证。比如说,我们平时开车经常用的卫星导航系统,都是经过时间膨胀效应校正之后,才实现的精准定位。

下面就尽量以通俗的方式理解“时间膨胀效应”,尽量不涉及任何数学公式。

这里假设有A和B两点,相距30万公里,也就是光速飞行一秒的距离。假设你从A运动到B的时间为1小时,也就是说,你的速度为光速的3600分之一。

再假设我在B点,那么,我会在一秒之后看到光,在一小时之后看到你。如果你口袋里随身带着一个时钟,时钟走过的时间也会是一小时。

到这里一切都很正常,但其实已经不正常了。其实你口袋里的时钟走过的时间并不是正好一小时,只不过由于你的速度还是太慢(相对光速),你根本感觉不到微小的差异

现在假如你的速度达到每秒30万公里,也就是光速,那么从A点到B点的过程,你的用时也会是一秒钟。

这样的结果看起来也很正常,但其实一点也不正常,很反常了。

当然,反常的并不是你以光速飞行,无论如何你都不可能达到光速,这里假设你无限接近光速,方便起见,就算作你以光速飞行。

但是你真的达到光速了吗?单纯从速度来讲,你确实以光速飞行了,这是毫无疑问的。但问题就在于,即便你以光速飞行,对于你来讲,光本身还是比你要快,光相对你的速度仍旧是每秒30万公里。

对于我来讲,一秒之后看到光,而在2秒之后才会看到你。说白了,即便你的速度达到了光速,你和光并不是同时到达我这里。

也就是说,对于我来讲,你的速度其实只有光速的一半。但是对于你自身来讲,你的速度确实是光速每秒30万公里,所以你口袋里的时钟显示的用时就是1秒。

反常的点就在这里:我口袋里的时钟显示你从A点到B点的用时为2秒,但你口袋里的时钟显示的用时为1秒,而且无论你的速度有多快,哪怕远超光速,结果都是如此。这说明什么?

说明你和我的相对时间一直在变化,随着你的速度的变化而变化,其实这就是所谓的“时间膨胀效应”或者“钟慢效应”,在我眼里,你的时间变慢了。

当然,1秒的时间太短暂,很难被直观地感受时间到底是如何变慢的。如果把A点和B点的距离不断扩大,比如说扩大到银河系和仙女座星系之间的距离,大约254万光年,就能很明显地感受到时间膨胀效应了。

现在,做一个这样的假设,某个超级发达的外星文明研制出了超光速飞行器,速度可以达到光速的254万倍,不要纠结超光速是否可行,也不要在意人家是如何研究出来如此高级的飞行器,记住:只是假设。而且254万倍光速也只是更方便分析。

那么,按照我们的思维理解,这个飞行器飞到我们的地球,正好需要1年时间,这只是简单的数学计算,距离是254万光年,速度是254万倍光速,所用时间正好是一年。

但事实果真如此吗?我们真的能在一年之后看到外星文明的飞船吗?

并不是,事实上不要说一年了,哪怕是254万年之后,我们仍不会看到外星飞船的到来

这是怎么回事呢?我们需要多久才能等到外星飞船到达地球呢?

真实的过程是这样的,我们需要先看到从仙女座星系发出的光到达地球,一年之后才能看到外星飞船的到来。

仙女座星系发出的光到达地球需要多长时间呢?254万年!也就是说,254万年之后再等一年才能看到外星飞船!但是对于外星人来讲,他们自身的时间的确只过去了一年。

这就表明一点:外星飞船里的一年,相当于地球上的254万年再加上一年。我们再用速度等于距离除以时间来计算外星飞船的速度,就会发现,这个速度并没有达到光速,只相当于光速的99.99996063%。

是不是很神奇:明明外星飞船的速度已经达到了光速的254万倍,最后计算出来的速度连光速都没有达到,为什么会这样?是不是前后矛盾了?

其实一点也不矛盾。结果只能说明一点:不管外星飞船的速度有多快,其实最终也只能以无限接近光速的速度飞行,越是接近光速,引发的时间膨胀效应就越明显

之所以一开始我们假设飞船的速度远超光速,只是为了更直观理解时间膨胀效应。而最终也只能说明一个结果:一开始我们假设的超光速,本质上只是时间膨胀效应引起的假象罢了,其实飞船本身并没有超光速。

再回过头来看看,实际上从仙女座星系到地球的假设,就相当于一个事实:当外星飞船的速度非常接近光速时,飞船上的一年就相当于地球上的254万年!

如果外星飞船的速度更快,快到在他们感觉只需要一秒就能到达地球,但是地球上的人类想要看到外星飞船,也需要等待254万年然后再加上一秒的时间!

也就是说,如果此时此刻有一个仙女座星系上的外星人与你同岁,假设都是20岁吧,外星人驾驶飞船以无限接近光速的速度飞向地球,在他看来只需要一秒时间。

你以为这个外星人到达地球之后就能与你握手示好了吗?恐怕只能与你的重重重重...孙子握手了。因为外星人经历的短短的一秒,地球时间已经过去了254万年!

而当外星人与人类握手之后,马上返回仙女座星系,又会发现外星人所在的星球时间已经过去了508万年了,他们的星球也已经沧海桑田了!

这就是时间膨胀效应,这个效应的前提就是光速不变。而正是因为时间膨胀效应,或者光速不变的存在,才会导致无论如何都不可能超越光速!

理解了时间膨胀效应,尺缩效应就很好理解了,其实两种效应是同时出现的,因为两者是等价的,时间和空间是有机的整体,不可能出现“只有时间膨胀效应而没有尺缩效应”的情况。

还拿刚才的例子来说明。外星飞船以254万倍光速飞行,其实并没有真正达到超光速的速度,刚才也讲了,是时间膨胀效应造成的假象,而时间膨胀与尺缩效应又是等价的,所以我们也可以说是“尺缩效应”造成的假象。

具体来讲就是,实际上外星飞船只能以无限接近光速的速度飞行,只不过由于飞船速度无限接近光速引发了明显的尺缩效应,说白了,在外星飞船以无限接近光速飞行的一瞬间,仙女座星系与地球之间的空间距离无限缩短,缩短为原来的254万倍,用距离除以飞船的速度,我们会发现,外星飞船到达地球仍旧需要一年时间。

而上面的例子恰恰再次说明了两点:

第一,时间和空间是相对的,不同参照系下时间和空间是不同的。

第二,时间和空间在任何时候都是有机的整体,不能单独存在,这也就是我们所谓的“四维时空”概念。时间和空间的变化是同步的,也是等价的,两者必须同时变化,最终的目的就是保证“光速不变”,实际上也就是限制任何物体以超光速飞行。

总结

不管是时间膨胀效应,尺缩效应,还是光速限制,根本原因就在于四个字:光速不变。

但,为什么光速是不变的呢?

送你三个字:不知道!

人们只是发现了光速确实是不变的,说白了,“光速不变”就是假设,也是公理。公理本身就不需要理由,只需要你认同,当然也可以不认同。

就像“两点之间线段最短”这个公理一样,如果你问“为什么”其实也是没有意义的,非得问的话同样只能送给你三个字:不知道!



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