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为什么物体的速度无法超过光速?光又为什么能达到光速?

为什么物体的速度无法超过光速?光又为什么能达到光速?

作者: 长尾科技 | 来源:发表于2018-05-29 21:24 被阅读1次

    在上一篇文章

    《两艘飞船接近光速相对飞行,它们的相对速度会超过光速么?》

    里,我否定了试图通过相对速度绕过光速这个门槛的想法,你两个物体的运动速度再怎么快,再怎么无限毕竟光速,你们的相对运动速度还是无法超过光速。

     

    这个问题是搞清楚了,但是没想到有些读者对这个问题的假设产生了疑问:为什么我单个物体的运动速度永远无法达到光速?为什么偏偏光速是所有物体运动速度的上限呢?牛顿第二定律不是告诉我们:只要我们提供一个恒力,物体就能产生一个恒定的加速度么?我慢慢加速慢慢加速,按道理总有一个时候会超过光速的啊?

     

    还有些刚学完了高中物理的一些知识,得到了一些速度的公式。比如,老师说自由落体的速度公式是:V=gt。这个g是重力加速度,那么我假设物体从一个非常远的地方做自由落体运动,假设在太空里没有摩擦力,那么一定时间之后速度会不会就达到光速了呢?

     

    首先呢,肯这样去想问题肯定是值得鼓励的,不管你想的是对是错,还是有多荒谬。对问题感兴趣,肯动脑子就是好的。

     

    然后,我们在慢慢接触相对论的时候,一定要慢慢学着转换思维。在相对论里,很多事情都变得不再跟牛顿力学里面一样,或者说,当物体的速度慢慢接近光速的时候,这些差异将会迅速被放大到无法再被忽略

     

    回到问题

    我们先来看看上面的问题,那个试图用无限自由落体加速到光速的漏洞是比较大的。因为我们在高中之所以能用V=gt来算自由落体的速度,是因为我们的实验都在地球表面,或者说很低的地方,这样重力加速度g可以看做是一个不变的量。其实,物体做所谓的自由落体运动,本质上是在地球的引力下做加速运动,这个加速度完全是靠地球的引力提供的,而我们也知道地球引力会随着距离的增大而减小,你要让它从很高的地方落下来,搞不好都已经脱离地心引力了,加速度直接没了。

     

    那有人说我假设不在地球里,而是另外一个非常大的星球,那么它的引力应该可以提供非常大的范围吧?那高度足够了总可以吧?

     

    其实,个问题的本质就跟之前那个同学说根据牛顿第二定律F=ma,只要有外力就有加速度,那么我慢慢加速总能把物体的速度加速到光速一样。只不过自由落体运动的时候提供外力的是星球的引力,你不用搞得那么复杂,去弄很多条件让它自由落体,可以直接假设一直有一个恒力(引力也好,自己提供燃料动力也好)让物体加速,然后准备好西瓜板凳啤酒瓜子,坐等它的速度慢慢加到光速。

     

    可是,你真的能等到这一刻么?

     

    惯性质量的问题

    不知道大家对上一篇文章里的合速度公式还有没有印象:

    这次我么只稍微关注它分母的一个特点:它永远比1大,而且速度越大比的大的越多。

     

    这意味着什么呢?这意味这这个合速度的值永远比分子(直接叠加的速度)要小,这就是说在牛顿力学里,如果我给物体一个力F让物体的速度从V1加速到V1+V2,你以为加速到了这个值,但是实际上它加速到的速度比V1+V2要小。

     

    也就是说,改变这个物体的运动状态比想象的要难一些,改变物体运动状态的难易程度就叫惯性,衡量惯性的唯一量度就是它的质量,这个质量我们又把它称为惯性质量。现在,改变物体运动状态变难了一点,也就是说它的惯性质量变大了。

     

    也就是说:在相对论里,运动物体的惯性质量不是一成不变,而是会变大。(真正推理过程并不是如上面那样,上面那些写只是方便大家理解。另外,物体的质量有惯性质量和引力质量,在牛顿力学里他们只是巧合成正比,然后通过单位换算让他们相等,但是在广义相对论里,爱因斯坦认为惯性质量和引力质量是等效的,他们的相等不是巧合。)

    运动物体的质量

    在牛顿力学里,物体的质量是一个固定的值,是物体最基本的属性。但是在相对论里面物体的质量是会变化的,他会随着物体速度的增加而增加,这样当物体的速度越来越大的时候,物体的质量就也会越来越大,质量越大给物体加速所需要的力就越大

     

    相对论里运动物体的质量公式是这样的:

     

    其中 u 表示物体的速度, m0 表示物体的静止质量, c 代表光速。

     

    我们看到当物体的速度接近光速的时候,右边式子的分母会趋向于0,所以整个值会趋向于无穷大。也就是说当物体的速度逼近光速的时候,这个物体的质量会慢慢增加到无限大,这时候如果你还想给物体加速,所需要的力或者说能量将会变成无穷大,这显然是不可能的

     

    科学家们确实也证实了这些,他们在粒子加速器里可以把一些粒子的速度加速到光速的99.9999%(后面有多少个9我记不清了),反正就是无法达到光速。

     

    大家再看看这个公式,如果物体的速度真的大于光速,那么根号里面的数值将为负数,而整个分母会出现虚数。虚数在数学里允许存在,但是在我们现在物理里暂时是没有什么意义的(或许有一天我们会发现另外一个虚世界,这个世界里光速是它们的最低速度)。

     

    所以,任何有静止质量的物体它的速度都无法达到光速,只有像光这样静止质量为0的物体才能达到光速。所以,一开始的那些问题里,试图通过牛顿第二定律的F=ma来加速物体到光速的想法再次宣告破产,因为它成立的前提就是质量是永远不变的。而牛顿哪里又能想得到物体的质量居然会随着速度的增加而增加呢?

     

    连我们最熟悉的质量都在变,真不知道还有啥是不变的!是啊,这就是相对论,时间、长度、质量都是相对某个参考系来说的,不同的参考系里不一样是很正常的,唯一不变的居然是光速

     

    “相对论真是反常识!”你吐槽到!

    “放心,你绝不是一个人……”


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