爱因斯坦的狭义相对论中明确提出了“光速限制”,任何具有静质量的物体都无法达到或者超过光速。不过不少人总是不相信狭义相对论,或者不愿意相信。于是就出现了很多假设,试图用某种“超光速”现象质疑相对论,甚至推翻相对论。
就比如题目中的问题,在网络上很常见。其实问题本身就凸显出了一个问题:很多人假设的超光速现象,核心问题在于:仍旧用牛顿的绝地时空观在思考问题。但殊不知狭义相对论的基本前提是相对时空观。
当思考问题的前提就出错的时候,结果肯定也是错的。
简单的解释就是:当速度上升到亚光速或者光速时,我们就不能用简单的“速度叠加”(伽利略变换)来解决问题了,而必须用到更精确的“洛伦兹变换”才可以。
平时我们计算相对速度时,很简单的公式就是V1+V2(或者V1-V2),比如说你在一列火车里奔跑,火车的速度为每秒50米,你行走的速度为每秒5米,我在地面上不动。
那么在我眼里,你的速度就是火车速度与你奔跑速度相加,也就是55米每秒,这就是速度叠加计算,用到的是伽利略变换。
这种速度叠加方式的背景就是牛顿的绝对时空观,认为时空是绝对不变的。而牛顿的理论也确实很厉害,直到今天仍旧统治着我们的日常生活。
但是后来另一位大名鼎鼎的物理学家横空出世,他就是麦克斯韦,他提出了伟大的麦克斯韦方程组,被认为是人类历史上最美的方程。
这个方程组不但预言了电磁波的存在,还认为光其实也是电磁波。更让当时的物理学界无法接受的是,麦克斯韦方程组方程组能推导出光速C的计算公式,这个公式表明光速C是固定值,与光源运动情况和参照系都没有关系。
也就是说,在任何参照系下看到的光速,都是一样的。这样的结论很疯狂,刚才所说的速度叠加公式就不适用了。
举个例子,你驾驶一辆小汽车,速度为每秒30米,我静止在地面上。按照牛顿绝对时空观下的速度叠加计算,车灯发出的光的速度在我眼里应该是汽车的速度加上光速才对,也就是光速+30米每秒。
但事实上并非如此,在我眼里看到的车灯发出的光的速度仍旧是光速。即便是小汽车以90%光速行驶,发出的光的速度仍旧是光速。
显然,麦克斯韦方程组与牛顿经典力学产生了矛盾,而麦克斯韦和牛顿都是物理学界大佬,都得罪不起,怎么办呢?
物理学界大佬为协调两者之间的矛盾开始“左右逢源”,说白了就是“和稀泥”,以太的概念也应用而生。
不过让人尴尬的是,以太仅仅是假设的概念,而是以太又被证明是不存在的(迈克尔逊莫雷实验证明的),这就越来越尴尬了,像是自己打自己脸。
不得不佩服爱因斯坦那颠覆性的思维方式:既然麦克斯韦方程组表明光速是绝对的,为何一定要寻找光速的参照系呢?“光速就是绝对的”难道不可以吗?
于是,爱因斯坦用“奥卡姆剃刀”一下把以太“咔嚓”掉了,在光速不变原理和相对性原理的基础上,提出了伟大的狭义相对论。按照狭义相对论诠释,低速世界下的伽利略变换在亚光速世界不再适用,必须用洛伦兹变换,具体公式是:
公式中可以看出,当u和v的速度很小时,分母趋近于1。洛伦兹变换就演化成了伽利略变换。而当u和v非常接近光速时,误差就很大了!