但凡对爱因斯坦的相对论有所了解的话,都知道答案:肯定没有超光速。但是并不是所有人都心甘情愿接受这样的答案,为什么?

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一是因为并不是所有人对狭义相对论都了解得够深,二是因为,对于大部分吃瓜群众来讲,也没有机会深入了解狭义相对论,再加上狭义相对论完全违背了我们的日常生活经验,所以虽然知道问题的答案,但很多人内心深处其实是不接受的。

我们对周围世界的认知,基本上都是建立在日常生活经验基础上。但是,由于我们只是生活在低速世界,生活在地球这个狭小的空间内,也注定了我们的日常生活经验一定具有明显的局限性,我们的认识很容易被地球这个狭小的空间束缚,从而很难直观感受到世界的本质。

对于生活在地球上的我们来讲,时间和空间都是绝对的,一成不变的。什么意思呢?简单讲就是“你的一秒与我的一秒”不会有任何区别。但这个结论只适用于低速世界,在亚光速世界,就不再适用了,因为时间和空间是相对的,只是这种相对性在亚光速世界才会明显体现出来。

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该如何理解时空的相对性呢?

首先我们来看看绝对的时空观到底是什么样子的,从伽利略变换说起。何为伽利略变换?其实就是我们平时用到的速度叠加。

举个例子,你乘坐一艘船在大海里航行,这艘船是完全封闭的,意味着你不能感知到船外面的世界。假设这艘船行驶的很平稳,闭上眼睛,你会有什么感觉呢?

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结果很明显,你会感觉到自己一动不动,与静止在地面上没有任何区别。因为你相对船是静止的。

其实这种速度相对性的例子经常出现在我们日常生活中。比如说在乘坐火车时,当你乘坐的火车到站临时停车,旁边的火车启动之后,如果你没有刻意留意周围的环境,只是观看旁边的火车,你并不会觉得旁边的火车启动了,而会觉得你乘坐的火车启动了。而当你注意到这种情况下,甚至会有些不舒服,强迫自己通过其他物体为参照物确定是旁边的火车启动了。

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这就是速度的相对性造成的,而牛顿就是把“伽利略变换”纳入到自己的理论中来,才有了牛顿定律的诞生。

在做数学题时,我们也常常用到伽利略变化,也就是速度叠加。举个简单的例子,你乘坐一辆火车,火车的速度为每秒30米,你在火车上奔跑,速度为每秒5米,奔跑方向与火车同向。我静止在地面上,对于我来讲,你的速度是多少呢?

答案简单明了,就是火车速度加上你奔跑的速度,也就是每秒35米。大家都很能接受这个答案,就是因为这个答案非常符合我们的日常生活经验。

但是我们的日常生活经验只是建立在低速世界基础上的,一旦来到亚光速世界,这种生活经验的局限性就变得非常突出了。

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这一切都是因为那个“霸道”的光速存在。

按照牛顿定律的诠释,任何速度都是相对的,都需要有参照系才有意义。这样的结论同样与我们的日常生活经验非常相符,我们会根深蒂固地认为速度就是相对的,没有参照系的速度是不可能存在的。

然后,光速出现了!麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中,得到的结果竟然是一个常数,而且没有任何参照系,只与真空的介电常数和磁导率有关。

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这意味着什么呢?

意味着光速在任何参照系下都保持不变,光速是绝对的。还拿刚才你在火车上奔跑的例子来解释,假设你不是“你”,而是一束光,那么在我眼里,这束光的速度是多少呢?

按照牛顿定律体系下的速度叠加计算,这束光的速度应该等于光速加上火车的速度,结果就是超光速了。

但其实并非如此,结果仍旧是光速,而且不管火车行驶的速度有多快,那么无限接近光速行驶,在我眼里,那束光的速度仍旧保持光速不变。

这就是麦克斯韦方程组与牛顿力学的矛盾所在。矛盾出现了,就得解决。但如何解决,成为了物理学界的难题。

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因为当时的物理学界大佬谁也不敢得罪:一个是统治了物理学界几百年的牛顿定律,早已被当时的物理学界视为神明。而另一个是统一了电磁理论的麦克斯韦方程组,堪称人类历史上最美的方程组。

怎么办呢?物理学家们只能“左右逢源”,想尽各种办法试图协调两者之间的矛盾,而“以太”的概念就是在这种背景下诞生的,它被认为是绝对参照系,也是光速的参照系。

但后来的很多实验都证明以太其实是不存在的,物理学家们又陷入了苦恼。后来还是伟大的爱因斯坦站了出来,他凭借聪慧的大脑,尤其是颠覆性的思维,秉承着奥卡姆剃刀原理中的“如无必要勿增实体”,直接把“以太”的概念“咔嚓”掉了。

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爱因斯坦认为,以太的概念本来就是假设的,其实假设的本来没什么问题,因为任何科学理论都是建立在假设基础上推导出来的。但假设并不意味着随意拍脑门的假设,首先假设本身必须是自洽的,同时必须与实验结果相符。

而以太的概念两者都不具备。于是,爱因斯坦果断抛弃了“以太”这个假设概念,取而代之的是“光速不变原理”。

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没错,光速不变原理也是以一个假设,只不过是比“以太”更高级更符合实验结果的假设,经过一百多年的不断验证,科学界早已接受了光速不变原理这个假设。而狭义相对论就是在光速不变原理还有狭义相对性原理基础上建立起来的,科学界自然也会接受狭义相对论。

在狭义相对论体系下,由于光速是绝对的,意味着时间和空间就不能是绝对的,于是时空突然变得很有弹性,在这种情况下,低速世界下适用的“伽利略变换”,到了亚光速世界就不适用了,必须用洛伦兹变换,而这个变换后来也被爱因斯坦纳入了相对论的基本公式里,来计算亚光速世界的相对速度。

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按照这个公式计算,无论你在光速飞船上奔跑的速度有多快,在我眼里你的速度都不会超过光速。

同时,从狭义相对论的诞生过程能够看出,其实我们完全没有必要质疑相对论,因为它就是建立在两个假设基础上的,要质疑也只能质疑那两个假设,只要假设本身没有错,相对论就不会有错。

但是假设的东西本来也无所谓对错,因为假设就相当于是公理,只需要你接受或者不接受,没有对错的概念!