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假如兩個物體以光速反方向飛行,兩者的相對速度超光速了嗎?

2024-10-18科學

關於超光速旅行的疑問層出不窮,不斷有人試圖突破愛因史坦的限制,比如透過疊加速度來達到超光速。然而,我們心知肚明,若真能如此,那相對論怕是早已成為歷史。就拿小學生都懂的速度疊加公式來說,連他們都明白,像愛因史坦那樣的天才自然也了然於胸。

因此,關於借由速度疊加突破光速的假設,顯然站不住腳。可為什麽總有人沈溺於這種設想呢?盡管明知其不可為,為何還是如此糾結?

實際上,這種糾結在一定程度上是合情合理的。在我們學生時代,至少在高中以前,伽利略變換是我們計算相對速度的唯一工具,它的數學表示為V=V1+V2。

然而,伽利略變換僅僅適用於我們日常所處的低速環境,它背後蘊含的是絕對時空觀——即我們所生活的時空是絕對不變的。例如,我們眼中的一段距離和別人眼中的同一段距離是相同的,無論我們處於何種運動狀態。同樣,我們所感知的時間也是如此,每個人的一秒都是一樣的。

絕對時空觀與我們的日常生活經驗完美契合,因此,我們總是不自覺地陷入這種觀念的框架中,哪怕是在思考亞光速運動時也一樣。但實際上,如果我們真的進入亞光速世界,時間和空間的性質將變得模糊和不確定,每個人對它們的感知也將大相徑庭。

這背後的原因在於,我們生活的世界並非絕對時空,而是相對時空。只不過在我們的低速世界裏,時間和空間的相對性並不顯著。但如果速度足夠快,比如衛星導航系統,即使時間的相對性微乎其微,我們也必須將其考慮在內。

在亞光速領域,我們更需考量時間膨脹和尺縮效應,此時要用勞侖茲變換來計算相對速度。簡單來說,伽利略變換只是勞侖茲變換的一個特例,一種近似值。在速度極小時,勞侖茲變換的結果與伽利略變換相近。但當速度為光速時,勞侖茲變換得出的相對速度仍為光速,而非兩倍光速。

有些人不理解這一概念,主要是因為他們在思考時依舊預設使用牛頓的絕對時空觀,甚至可能未曾意識到這一點。還有一個常見錯誤是混淆參照系,導致邏輯混亂。

回到問題本身,有人可能會質疑:假設不考慮兩個以光速反向飛行物體間的相對速度,如果它們各自飛行一年,那它們相隔多遠呢?這裏的「一年」涉及到參照系的選擇。以人類的視角來看,答案是兩光年。但對於兩個物體來說,它們之間的距離並非兩光年,而是一光年。

當然,所有這些都建立在理論假設之上,因為現實中物體無法達到光速,我們只能模擬接近光速的情況。但重要的是,我們要理解絕對時空觀與相對時空觀的區別,以及參照系選擇對結果的影響。

簡言之,低速領域適用伽利略變換,高速領域則用勞侖茲變換。從牛頓到愛因史坦,對時空觀的認知經歷了漫長轉變,涉及到馬克士威方程式組、勞侖茲變換、以太的概念等諸多內容。若要探討為何速度會影響時間和空間,則需更多篇幅來解釋,此處不再贅述。