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【科學】為什麼超光速不是兩倍光速?狹義相對論成立的兩個重要前提

先說答案:不是。仍舊會是光速,而不是兩倍光速。

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最簡單的解釋方式:如此簡單的“超光速”現象,我們能想到,科學家們肯定早就想到了。科學家們不可一百年來都視而不見,他們巴不得找到超光速現象“推翻”

相對論

但我知道這肯定不是你想要的答案,你想知道為什麼不是兩倍光速。下面就從幾個方面來分析一下。

很多人會從狹義相對論本身解答這種問題,也不能說有錯,但忽略了狹義相對論的成立的兩個重要前提。

狹義相對論是基於兩個重要前提提出來的:1。光速不變原理。2。狹義相對論性原理。

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什麼是前提?說白了就是假設。也就是說上面兩個前提其實都是假設,當然絕不是憑空拍腦門想象出來的假設,首先必須自洽,然後必須有一定的根據,不管是數學上的還是物理現實的根據。

接下來分別說說這兩個前提。

光速不變原理,很好理解,就是“光速不變”。但是並不是說光速30萬公里每秒不變,而是說在任何參照系下任何運動形式下,光速都是不變的(真空中)。

舉個例子,你以5米每秒的速度奔跑,靜止的我看到你身上發出的光的速度仍舊是光速,而不是光速+5米每秒。即使你以能以99%倍光速奔跑,你身上發出的光的速度仍舊是光速!

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這就是光速不變原理。

狹義相對論原理,指的是在所有慣性系中,取相同的物理定律。也可以理解為:所有慣性系都是等價的。這種等價性就可以突破牛頓的絕對時空觀,把牛頓體系下的“慣性系”應用在狹義相對論中。

何為慣性系?它是基於牛頓運動定律的參照系,作勻速直線運動或靜止的參照系被稱為慣性參照系。

而光不能當做“慣性參照系”。牛頓慣性定律只適用於宏觀世界物體,而光具有波粒二象性,沒有什麼慣性,當然更不可能作為慣性參照系。

低速世界的相對速度計算,直接可以套用伽利略變換,也就是我們上學時學的V=V1+V2。但是一旦上升到亞光速世界,伽利略變換就不再適用,必須用洛倫茲變換(其實伽利略變換隻是洛倫茲變換在低速世界的近似值):

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用上面的公式計算可以得出,兩條反方向飛行的光束的相對速度仍舊是光速C。

有人肯定會質疑:既然光速不變原理只是一種假設,那就沒什麼可說的了:都已經假設無論如何光速都不變,兩束反方向飛行的光束的相對速度肯定不是兩倍光速,不然與假設矛盾了。

彆著急,

愛因斯坦

做出光速不變的假設不但是合理的,而且還是很偉大的,奠定了狹義相對論的基礎!下面簡單說說愛因斯坦為什麼會做出這樣的假設。

根據牛頓經典力學,速度都需要有參照系的,而且不同參照系下速度也會不同。比如一輛時速300公里的高鐵,你感覺很快。但相對高鐵裡面的人來說,高鐵是“靜止”的。萬事萬物的速度都具有這種相對速度。

那麼如此一來,光速也應當如此。當時牛頓力學已經“上天入地”,統治力非常強大,物理學家們對此深信不疑!

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但是偉大的物理學家麥克

斯韋

提出的麥克斯韋方程給出了一個例外。麥克斯韋的理論中有個東西相當奇怪,那就是光速C,C=1/ε0μ0,其中ε0是真空介電常數,μ0是真空磁導率,兩個都是常數。

言外之意,光速不需要任何參照系,就是光速本身。或者說光速相對於任何參照系都是光速。

這下物理學界徹底亂套了,開始想盡辦法讓牛頓經典力學和麥克斯韋理論融合起來,雖然牛頓經典力學足夠偉大,但麥克斯韋方程也是如此的優雅。

在這種背景下,以太的概念應運而生。以太,簡單理解就是絕對參照系,光速的參照系。

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但自從以太的概念提出來之後,不但沒有解決問題,反而讓很多問題變得複雜起來。而以太的概念本身就是假設出來的。

愛因斯坦的天才思維終於發揮作用,他直接用“奧卡姆剃刀”把“以太”咔嚓掉了,“如無必要,勿增實體”,取而代之的是“光速不變原理”,還有他的相對時空觀!而邁克爾遜莫雷實驗,也表明了以太確實不存在。

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在光速不變原理和狹義相對性原理的前提下,愛因斯坦提出了偉大的狹義相對論!

光速不變原理是假設,也可以認為是公理,公理的東西就不需要證明。就像“兩點之間直線最短”就是公理,不需要證明。

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當然,既然是假設,你完全可以提出自己的假設來取代光速不變原理,這沒問題。但是你的假設首先必須是自洽的,不能自相矛盾,然後最重要的是,你的假設必須比愛因斯坦的假設更能詮釋大自然規律,不然別人憑什麼相信你的假設呢?

每一個假設都像一個“定時炸彈”,假設越多出錯的機率就越高。而愛因斯坦僅僅用兩個假設就提出了狹義相對論!而相對論經過百年屹立不倒,也足以證明愛因斯坦的偉大天才構思!

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