如果有人在光速飛船上跑步,那他的速度會超過光速嗎?


如果有人在光速飛船上跑步,那他的速度會超過光速嗎?

如果有人在光速飛船上跑步,那他的速度會超過光速嗎?這是否打破了愛因斯坦所說的光速最快理論?

類似這樣的問題還有很多,人們無非就是想找出超光速的反例,以此來推翻愛因斯坦的相對論。但事與願違,超光速反例都是無法成立的,愛因斯坦的相對論始終有效。對愛因斯坦的理論沒有理解愛因斯坦對於光速的描述。

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首先,速度是一種相對的概念。相對於飛船而言,飛船上跑步者的速度肯定不會超光速,而只是跑步的速度。但即便相對於地面而言,跑步者的速度也不會超光速,而是還為光速。那麼,為什麼跑步者的速度不受跑步速度加上光速呢?而是還會等於光速這樣奇怪的結果呢?

事實上,我們在生活中所使用的速度疊加方法只是相對論的近似,在速度遠低於光速的情況下可以使用,但無法在接近光速或者達到光速之時使用。在亞光速和光速的情況下,相對論給出的速度疊加公式如下:

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可以看到,上述公式比我們所熟知的公式多出了一個1/(1+uv/c^2)因子。在速度遠低於光速之時,uv/c^2趨向於0,該因子趨向於1,所以速度疊加公式就變成了我們熟悉的形式:w≈u+v。

舉個例子,如果飛船相對於地面的速度為100米/秒,飛船上的人以10米/秒的速度奔跑,那麼,飛船上的人相對於地面的速度為110米/秒。用狹義相對論算出的結果約為109.999999999998776米/秒,這隻比近似值小了0.000000000001224%。即便在精度要求極高的航天領域,也可以忽略如此微小的誤差。

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然而,如果涉及到亞光速和光速運動,就只能利用相對論。假設飛船的速度為光速80%(0.8c),飛船上向前發射出速度為光速30%(0.3c)的石頭,那麼,石頭相對於地面的速度不是w=0.8c+0.3c=1.1c>c,而是w=(0.8c+0.3c)/(1+0.8c·0.3c/c^2)≈0.887c<c,所以石頭的速度並沒有超光速。

而在光速的情況下,結果更為特別。如果飛船的速度u為光速c,無論跑步者的速度v為多少,那麼,跑步者相對於地面的速度為w=(c+v)/(1+c·v/c^2)=c,也就是說,跑步者的速度還是保持光速(c),而不是超光速(c+v)。

另一方面,對於存在靜質量的物體,例如,宇宙飛船,或者人,都不可能以光速運動。關於這一點,可以從相對論的動能公式中推導出來:

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一旦靜質量不為零的物體達到光速,動能就會變得無窮大,這顯然是沒有意義的,因為沒有無窮大的能量。

為了更符合相對論原理,上述例子可以改成如下的形式:飛船以低於光速的速度相對於運動,並且飛船在前進的方向上發出一束光,那麼,這束光相對於地面的速度是多快?

結果跟上面一致,運動飛船發出的光不會以超光速運動,而是還會保持光速,無論飛船達到多快的速度都是如此,這就是當年愛因斯坦推導狹義相對論的立足原理之一:光速不變原理。

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光速不變原理並非是愛因斯坦無端臆想出來的,而是有著理論(麥克斯韋電磁場方程組)和實驗(邁克爾遜-莫雷干涉實驗、光行差效應)的有力支持。並且從狹義相對論中推導出的各種結論與實驗結果非常吻合,這足以證明該理論的有效性。

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