您当前的位置: 首页 >  博客资讯

为什么不能超光速?为什么存在光速极限?

上节课我们说了,当爱因斯坦得出时间膨胀公式和尺缩公式以后,发现在公式中只要是物体的运动速度达到光速,就会面临无穷的问题,比如时间膨胀到无穷大,空间收缩到无穷小。

在物理学中不允许出现无穷大和无穷小,而且更为严重的是,当物体的运动速度超过光速以后,还会出现没有现实意义的虚数。

因此,为了消除无穷和虚数这两只恶魔,爱因斯坦就必须将有质量物体的速度限制在光速以内,并且解释为什么质量物体的速度不能达到,更不能超过光速?

关于这个问题,也就是光速极限问题,也是大家比较感兴趣的一个话题,而且自相对论诞生以来,无数的人想出了各种办法想超光速,打破光速限制,以推翻相对论。

可到今天为止,光速极限依旧正确,所有想推翻光速极限的思想实验或多或少都存在漏洞,要不就是用经典的速度叠加公式超光速,要不解释以不传递任何能量(信息)的方式超光速。

今天我们这节课就聊下为什么质量(能量)物体运动速度不能超光速?或者说,为什么信息传播的速度不能超过光速?

先来看相对论的解释,上节课我们说了当我们考虑光速不变,以及高速运动的物体的时候,伽利略变换就不再适用了,而是要用到洛伦兹变换。

除了要对两个参考系的时间,以及空间坐标变换的方式进行修正以外,还需要对经典的速度合成公式进行修正。

以前我们认为一辆车的速度为u,一辆车的速度为v,那么这两辆汽车按照相反的方向驶去,它们速度合成公式就是w=u+v。

这是经典的速度合成公式,如果按照洛伦兹变换修正以后,新的速度合成公式为:

一般情况下v和u相对于c?很小,所以这个公式就会退回到经典的速度合成公式。但是当v和u很大的时候,公式中的分母就不能忽略不计了。

随着v和u的不断增大,它们合成的速度会不断地衰减,无限地逼近光速C,即使是两束光以光速背道而驰,当你把光速C代入公式就会发现,两束光叠加以后的速度也是C。

这就是为什么依靠速度叠加并不能突破光速的原因,很多人一直想通过速度叠加突破光速,原因是,你一直在用经典的速度叠加公式。而这个公式并不正确。

新的速度叠加公式,只是爱因斯坦解决超光速难题的第一步,根据这个公式,以及动量守恒定律,爱因斯坦还推导出了质速公式:

其中m?代表了物体的静止质量,也成为内禀质量,m为物体运动以后获得的相对论质量,很明显当物体运动的速度越快,它获得的相对论质量越大。

当运动速度接近光速,相对论质量会趋于无穷大,导致物体的惯性质量也会趋于无穷大,当一个物体的惯性质量无穷大的时候,根据牛顿的力学方程,就需要无穷大的力,才能给物体继续提供加速度。

很显然没有无穷大的力,因此,一个质量物体只能无限地接近光速,不能达到,更不能超过光速。

同样的速度导致相对论质量的增加,只有接近光速的时候才会非常明显,日常生活中的速度根本不会引起物体惯性发生变化,就算是一个物体的运动速度达到光速的0.6倍,那么它的惯性质量才会增加1/4。

有人怀疑质速关系,到底是不是真实的效应,其实这个效应已经在很多的实验中得到了证实,比如我们通过电磁偏转实验测量电子荷质比的时候,就发现电子在低速情况下,荷质比是个定值,但是高速运动电子的荷质比就开始发生变化,这就是因为相对论质量在捣鬼;

还有在量子论发展的过程中,当考虑电子高速运动带来的相对论质量时,就可以解释原子光谱的精细结构问题。

还有粒子加速器实验,等等这些都验证了狭义相对论的质速关系是正确的。这里需要澄清的是,并不是物体的质量真正发生了变化,质量是物体的内禀属性,不会发生变化,增加的只是相对论质量,它同样会起到惯性的作用。

就这样,爱因斯坦就用新的速度叠加公式,以及质速关系,直接否定了质量物体达到光速的可能,更不可能超光速。

但是这里存在一个明显的问题,速度叠加公式是根据光速不变推导出来的,两个束光叠加肯定就是光速,然后又利用速度叠加原理,推导出质速关系,肯定也否定了超光速。

这是不是有点循环论证的问题。确实,这就是循环论证,但也叫逻辑自洽。这也是为什么即使相对论诞生到现在已经百年的时间了,依然有人不相信光速极限原理和光速恒定原理。

因为这两个原理,任何人都无法给出合理的证明,所以回答来回答去,都在绕着相对论回答,而相对论又是根据光速不变推导出来的,它本身就不允许超光速。

所以这个问题就卡在这了?无法解释?有点这么个意思,不过不要太过失望,其实还有一个更高层面的解释,可以说明为什么能量(信息)不能超光速?

那就是因果律。相对论本身就强调了现实的因果律,导致一个事件的原因总是发生在结果之前,如果出现超光速的可能,那么结果就可能出现在原因之前,这和我们普遍的经典定律相违背。

比如一个子弹可以超光速,那么当你还没有看到任何人扣动扳机的时候,你已经死于超光速子弹之下,而在这之后,才有人掏出了手枪扣动了扳机。这种违反因果律的事情,会导致整个现实世界彻底混乱。

孩子先于妈妈出生,导弹先爆炸,然后才发射,等等,因此爱因斯坦才断言,在物理学中不允许超光速的信号存在。

所以说,光速极限是因果律和狭义相对论共同的得出的结论。只要你承认现实的因果性,只要你接受狭义相对论,那么光速极限就是正确的。

如果你两者都不接受,那么这个世界上没有一个人可以为你解释为什么存在光速极限。

那这是不是就说明光速极限就一定正确?

其实跟光速恒定一样,前面的文章在讲到光速为什么恒定的时候,已经说过,没有绝对正确的理论,你完全可以证伪任何一个物理定律,只要你的证据足够,完全可以推翻相对论。

如果你在没有任何证据的情况下,就质疑现今人类建立起来的科学体系,那么你的质疑将不被任何人理睬。

这时有人又开始质疑了,你说来说去,还是没有解释为什么有光速极限。我说了是因为因果律的原因,那有人可能又会问:为什么会有因果律?因果律就一定正确吗?

一般这种问题,科学不予以回答。因为没办法回答。说白了,科学不允许你不断地问为什么。有些事情没有为什么,只能无条件地接受。

举个简单的例子,比如我们说宇宙诞生于大爆炸,所有的人都会问,大爆炸是怎么来的?真空能量的暴涨,那么真空能量是怎么来的?没人知道,如果我说是上帝创造的,还有人会问,上帝是怎么来的?它妈生的,那它妈是怎么来的?.....

这样的质问已经超出了上帝所能回答的范畴,所以记住一点:不是所有的事情都有为什么!科学更不能解答所有的为什么。

好了,今天的内容就到这里,下个内容,我们说双生子效应,这是狭义相对论中最经典的一个问题,如果你搞懂了双生子问题,作为科普,那就基本上理解了狭义相对论。