為什麼不能超光速?為什麼存在光速極限?


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為什麼不能超光速?為什麼存在光速極限?

上節課我們說了,當愛因斯坦得出時間膨脹公式和尺縮公式以後,發現在公式中只要是物體的運動速度達到光速,就會面臨無窮的問題,比如時間膨脹到無窮大,空間收縮到無窮小。

在物理學中不允許出現無窮大和無窮小,而且更為嚴重的是,當物體的運動速度超過光速以後,還會出現沒有現實意義的虛數。

因此,為了消除無窮和虛數這兩隻惡魔,愛因斯坦就必須將有質量物體的速度限制在光速以內,並且解釋為什麼質量物體的速度不能達到,更不能超過光速?

關於這個問題,也就是光速極限問題,也是大家比較感興趣的一個話題,而且自相對論誕生以來,無數的人想出了各種辦法想超光速,打破光速限制,以推翻相對論。

可到今天為止,光速極限依舊正確,所有想推翻光速極限的思想實驗或多或少都存在漏洞,要不就是用經典的速度疊加公式超光速,要不解釋以不傳遞任何能量(信息)的方式超光速。

今天我們這節課就聊下為什麼質量(能量)物體運動速度不能超光速?或者說,為什麼信息傳播的速度不能超過光速?

先來看相對論的解釋,上節課我們說了當我們考慮光速不變,以及高速運動的物體的時候,伽利略變換就不再適用了,而是要用到洛倫茲變換。

除了要對兩個參考系的時間,以及空間坐標變換的方式進行修正以外,還需要對經典的速度合成公式進行修正。

以前我們認為一輛車的速度為u,一輛車的速度為v,那麼這兩輛汽車按照相反的方向駛去,它們速度合成公式就是w=u+v。

這是經典的速度合成公式,如果按照洛倫茲變換修正以後,新的速度合成公式為:

一般情況下v和u相對於c?很小,所以這個公式就會退回到經典的速度合成公式。但是當v和u很大的時候,公式中的分母就不能忽略不計了。

隨著v和u的不斷增大,它們合成的速度會不斷地衰減,無限地逼近光速C,即使是兩束光以光速背道而馳,當你把光速C代入公式就會發現,兩束光疊加以後的速度也是C。

這就是為什麼依靠速度疊加並不能突破光速的原因,很多人一直想通過速度疊加突破光速,原因是,你一直在用經典的速度疊加公式。而這個公式並不正確。

新的速度疊加公式,只是愛因斯坦解決超光速難題的第一步,根據這個公式,以及動量守恆定律,愛因斯坦還推導出了質速公式:

其中m?代表了物體的靜止質量,也成為內禀質量,m為物體運動以後獲得的相對論質量,很明顯當物體運動的速度越快,它獲得的相對論質量越大。

當運動速度接近光速,相對論質量會趨於無窮大,導致物體的慣性質量也會趨於無窮大,當一個物體的慣性質量無窮大的時候,根據牛頓的力學方程,就需要無窮大的力,才能給物體繼續提供加速度。

很顯然沒有無窮大的力,因此,一個質量物體只能無限地接近光速,不能達到,更不能超過光速。

同樣的速度導致相對論質量的增加,只有接近光速的時候才會非常明顯,日常生活中的速度根本不會引起物體慣性發生變化,就算是一個物體的運動速度達到光速的0.6倍,那麼它的慣性質量才會增加1/4。

有人懷疑質速關係,到底是不是真實的效應,其實這個效應已經在很多的實驗中得到了證實,比如我們通過電磁偏轉實驗測量電子荷質比的時候,就發現電子在低速情況下,荷質比是個定值,但是高速運動電子的荷質比就開始發生變化,這就是因為相對論質量在搗鬼;

還有在量子論發展的過程中,當考慮電子高速運動帶來的相對論質量時,就可以解釋原子光譜的精細結構問題。

還有粒子加速器實驗,等等這些都驗證了狹義相對論的質速關係是正確的。這裡需要澄清的是,並不是物體的質量真正發生了變化,質量是物體的內禀屬性,不會發生變化,增加的只是相對論質量,它同樣會起到慣性的作用。

就這樣,愛因斯坦就用新的速度疊加公式,以及質速關係,直接否定了質量物體達到光速的可能,更不可能超光速。

但是這裡存在一個明顯的問題,速度疊加公式是根據光速不變推導出來的,兩個束光疊加肯定就是光速,然後又利用速度疊加原理,推導出質速關係,肯定也否定了超光速。

這是不是有點循環論證的問題。確實,這就是循環論證,但也叫邏輯自洽。這也是為什麼即使相對論誕生到現在已經百年的時間了,依然有人不相信光速極限原理和光速恆定原理。

因為這兩個原理,任何人都無法給出合理的證明,所以回答來回答去,都在繞著相對論回答,而相對論又是根據光速不變推導出來的,它本身就不允許超光速。

所以這個問題就卡在這了?無法解釋?有點這麼個意思,不過不要太過失望,其實還有一個更高層面的解釋,可以說明為什麼能量(信息)不能超光速?

那就是因果律。相對論本身就強調了現實的因果律,導致一個事件的原因總是發生在結果之前,如果出現超光速的可能,那麼結果就可能出現在原因之前,這和我們普遍的經典定律相違背。

比如一個子彈可以超光速,那麼當你還沒有看到任何人扣動扳機的時候,你已經死於超光速子彈之下,而在這之後,才有人掏出了手槍扣動了扳機。這種違反因果律的事情,會導致整個現實世界徹底混亂。

孩子先於媽媽出生,導彈先爆炸,然後才發射,等等,因此愛因斯坦才斷言,在物理學中不允許超光速的信號存在。

所以說,光速極限是因果律和狹義相對論共同的得出的結論。只要你承認現實的因果性,只要你接受狹義相對論,那麼光速極限就是正確的。

如果你兩者都不接受,那麼這個世界上沒有一個人可以為你解釋為什麼存在光速極限。

那這是不是就說明光速極限就一定正確?

其實跟光速恆定一樣,前面的文章在講到光速為什麼恆定的時候,已經說過,沒有絕對正確的理論,你完全可以證偽任何一個物理定律,只要你的證據足夠,完全可以推翻相對論。

如果你在沒有任何證據的情況下,就質疑現今人類建立起來的科學體系,那麼你的質疑將不被任何人理睬。

這時有人又開始質疑了,你說來說去,還是沒有解釋為什麼有光速極限。我說了是因為因果律的原因,那有人可能又會問:為什麼會有因果律?因果律就一定正確嗎?

一般這種問題,科學不予以回答。因為沒辦法回答。說白了,科學不允許你不斷地問為什麼。有些事情沒有為什麼,只能無條件地接受。

舉個簡單的例子,比如我們說宇宙誕生於大爆炸,所有的人都會問,大爆炸是怎麼來的?真空能量的暴漲,那麼真空能量是怎麼來的?沒人知道,如果我說是上帝創造的,還有人會問,上帝是怎麼來的?它媽生的,那它媽是怎麼來的? …..

這樣的質問已經超出了上帝所能回答的範疇,所以記住一點:不是所有的事情都有為什麼!科學更不能解答所有的為什麼。

好了,今天的內容就到這裡,下個內容,我們說雙生子效應,這是狹義相對論中最經典的一個問題,如果你搞懂了雙生子問題,作為科普,那就基本上理解了狹義相對論。