为什么人在光速飞船上跑,也无法超光速?

原问题是为什么在光速飞船上跑步能否超光速?由于把飞船放在称上称重,它的质量不可能为零,而静止质量不为零的物体并无法达到光速,因此飞船不能以光速飞行,我们暂且把它设定为与光速相差0.01m/s,下面我们来聊聊。

观点

先说观点:在飞船上跑步,即使跑得很快也无法超越光速,因为速度是相对的,如果在别人眼里你不快,即使你跑得再快,飞船再快,也是不快。

举个最简单的例子,在地球上跑,你能说的速度超过地球公转的速度吗?你在高铁上跑,你能说我的速度是(350+10)m/s吗?

这个问题要先考参考系,在太空中的外星人看来你的相对速度或许超越了地球公转的速度,在站台上的人看来你的速度或许达到了360m/s,但是这并不准确。

绝对时间观如何潜移默化地影响着你

大家目前所熟知的相对性原理是17世纪的伽利略的大成之作。如果依照这个较早的版本,那么这个问题计算起来很简单,人在飞船上以10m/s的速度奔跑,在飞船之外的人看来,他的确超了光速,超了10-0.01=9.99m/s。

我们想要知道人相对于我们的速度需要做两件事,测量人的空间位移与位移时作用的时间,相除之后得出速度。你会发现我们在使用伽利略相对论进行速度叠加计算时,潜移默化的设定了一个前提条件:时间是绝对的,飞船与观察者的时间是同步的。如果它们之间的时间不是同步的就意味着伽利略相对论错了。

光速不变原理

何为时间同步,就是咱俩在操场上,12点整我看见有人投进了一个球,你也看到了,这事件是对于咱俩来说是同一时刻发生的。

原本地球人与牛顿、伽利略一样,都认为时间就像是一支一去不回头的箭,箭划过我们每个人的速度都是一样的,直到19世纪电磁学的出现,科学家发现原来的认识解释不了电磁学。

麦克斯韦统一了电磁学,并推导出了电磁波传播的速度,也就是光速是一个常数,代表着光在真空中只会与恒定的速度运行。

波在我们的认识中都会与介质挂钩,例如水波在水中传播,波动水不动,声音在空气中传播,声波动,空气不会随着声波而向着传播方向而动。

光波的介质是什么?电磁学中,变化的电场产生了磁场,变化的磁场又会产生电场,根据麦克斯韦方程波速只和空间中的介电常数、磁导常数相关,这两个常数只涉及到空间,并未体现出光波所属的介质与对应的惯性系,如果光速时只相对于绝对空间,那么光速就是绝对的。这个可能性实在是太抽象,颠覆了经典物理学,于是大量科学家投入了寻找光速介质的浪潮中,他们坚信空间中必然存在某种介质。

寻找介质的证据其实并不难。你可以把光比作一辆车速度恒定为C的汽车,介质比作马路。如果介质的确存在,那么车C就相对于马路运动,但是马路在地球上,地球有公转速度也在介质中运动,等于是地球带着马路,马路又带着汽车一起在介质中运动,因此与地球轨道平行的光(车C)相对于介质的速度就不是C了,如果和地球公转同向为(C+V),V为地球公转速度,反向则为(C-V),知道了这点就好办了。

我们在地球公转速度方向与垂直于公转速度方向各发射出一束光,水平方向上的光会受到地球公转的“带动”,从而在水平方向上发生“变速”不再恒定为C,而垂直于公转速度方向上的光,在垂直方向上并不会受到地球公转影响。

图:实验仪器原理

迈克尔逊与莫雷为了寻找介质,通过以上原理设计了一个实验仪器,使两束光行走相同的距离,结果发现无论如何调整实验仪器,做多少次实验发现光都是同时到达终点,这意味着光速根本不存在相对性,无论是与和光源静止,还是无限接近于光速运动的人来说,他们看到的光在真空中传播速度都是C,不相对,不叠加,即绝对速度。

绝对时间的概念被打破

绝对速度的出现,意味着绝对时间将失效。一辆公交车正中央有个灯,当灯打开以绝对速度射向车头与车尾时,在车上的人看来因为光速并不会相对车与自己运动,因此光同时到达车头车尾。

对于马路边的你来说,同样因为光速不会与车速叠加,车却正相对于你在动,于是你会看到光先到车尾后到车头。

由于你和车存在相对运动,同时性被打破了,因此时间不同步了,你和乘客的时间是相对的。

速度时间膨胀

回到问题本身,你和高速飞船的时间是相对的,行驶相同的距离,飞船里的宇航员度过1小时,对于你来你的时间已经过去了一天,由于你测量的时间慢,所以飞船上的人无论跑再快,也会因为你所测的时间太慢而拉低速度,这个速度的结果为做狭义相对论中的相对速度。

一切都源于爱因斯坦基于光速不变性得到推论,即动钟变慢,速度时间膨胀,有兴趣的可以给自己出几道疑似超光速的应用题,代入下面狭义相对论的公式中计算一下,你会发现即使人在飞船上比光速慢0.01m/s奔跑,相对速度也超不了光速。