根据相对论,物体运动速度不能超越光速,如果两个飞船向相反的方向以光速飞行,那相互的速度是否超光速了呢?

答:当然不是,如果那么容易就实现了超光速,那么光速不变原理还有和意义?


相对于地面参考系,两个光速飞行的物体相反飞行,它们之间的速度还是光速,这是洛伦兹变换的直接推论。

在1887年,物理学家迈克尔逊和莫雷两个人,做了一个震惊物理学的实验,称为迈克尔逊-莫雷实验:

根据经典力学对光的解释,光相对于一种名叫“以太”的东西恒速运动,以太参考系就是绝对参考系;地球本身存在自转,还绕着太阳公转,然后太阳又绕着银河系旋转。

按照这个思路,在地球上不同方向的光线,必定相对于地球参考系存在不同的速度,迈克尔逊-莫雷实验就是要精确测定不同方向的速度差,可实验结果却震惊了整个物理学。


因为该实验结果显示,无论在白天夜晚,还是春夏秋冬,向不同方向射出的光线,传播速度是完全一致的;该实验动摇了以太学说,光速不变的现象在很长一段时间内未得到合理解释。

其中荷兰物理学家洛伦兹,在1904年提出了洛伦兹变换,试图解释光速不变现象,但是他的解释没有脱离经典力学,所以没有揭示光速不变的本质。


直到1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,以光速不变为理论前提之一,解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果,也彻底推翻了以太学说。

狭义相对论的推论之一就是洛伦兹变换,洛伦兹变换描述的是不同参考系之间的速度叠加法则,与伽利略变换不同。


在伽利略变换中,两个0.6倍光速的物体相反运行,其相对速度就是0.6c+0.6c=1.2c;但是在洛伦兹变换中就变成了:

v=(0.6c+0.6c)/(1+0.6^2*c^2/c^2)≈0.88c;

对于两个相反方向,以光速飞行的物体,其相对速度变成:

v=(c+c)/(1+c^2/c^2)=c;

还是光速!与光速不变原理是相容的,毕竟洛伦兹变换就是狭义相对论的推论之一,题设问题也就得到了回答。


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1+1等于2,这是谁都知道的事情。如果光速不变也是这么个道理,那爱因斯坦就是个普通老百姓而不是科学家了。

狭义相对论之所有伟大,其中之一就是发现了光速不变、光速恒定的特性。这里要谈到两个公式,一个是伽利略变换,一个是洛伦兹变换。而光速理论适用的是洛伦兹变换。

前面所说的1+1等于2,就是伽利略变换,这个变换只适用于牛顿理论,也就是低速状态下的经典力学。

这个公式就是v=v1+v2。这里的v是叠加速度,v1是物体1的运行速度,v2是物体2的运行速度。我们在日常生活中和小学数学中经常要运用到这些常识,比如你女朋友从某城市开车向你老家来,每小时速度为100公里;你去接他每小时也是100公里,这样你两个人叠加速度就是200公里,如果总里程有1000公里,那么5个小时候你们就能在途中见面了。

但在高速惯性系中就不能这样算了,就必须采用洛伦兹变换公式,就是v=(v1+v2)/(1+v1v2/c^2)。

这个高速系就是接近光速运行。这个公式的前提是光速极限和光速不变。意思就是:这个宇宙中光速是最快的,任何有静止质量的物体都无法达到光速;在任何参照系和惯性系观测,光速都是不变的。

这样无论你的速度有多快,怎么叠加,都不可能达到光速,更不可能超过光速。现在网络上常有一些人不懂相对论,还硬要用生活中简单的常识和逻辑去反对相对论,认为只要坐在火车上往前面射手电筒,光速就超越了;或者2束手电光对射,相加就超过光速了。这就是使用了伽利略变换公式,是不适用的。

你要问为什么伽利略变换就不适用呢?为什么就非得用洛伦兹变换呢?这就是科学。

洛伦兹变换结合动量定理和质量守恒定律,可以得出狭义相对论的所有结论。 这是经过无数科学家100多年观测和精密实验得出的论证,根本没必要去怀疑。

但科学是允许并欢迎质疑和推翻的,如果你一定要怀疑或者不相信,就自己去做实验或者观察发现,拿出真正的数据证据来。否则就是异想天开胡说八道,就是民科或者反智反科学的愚昧之徒,愚昧了自己还想要蒙昧别人,实在可怜可悲。

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不用那么费劲,你就一直加速就能超过光速,真的!不要老拿相对论来说事,相对论就是错误的。它其中最重要的一条假设,“光速不变”就是错误的。光速不变是当时物理学著名的“两朵乌云”之一,这个结论是有迈克尔逊实验得出来的。迈克尔逊实验不是直接测量的光速,而是设计了一个光的干涉路径,用来测量以太是否存在的。由于地球绕着太阳以每秒30公里的速度运动,当时认为太阳是不动的,如果以太的绝对静止的,那地球相对于以太就有每秒30公里的速度,在地球上就会有每秒30公里的以太风。按照迈克尔逊实验的设计,就会观测到0.4个干涉条纹,而结果没有观测到光的干涉条纹。当时认为,这个结果只有两种情况:要么以太完全被地球所带动;要么光速不变。而爱因斯坦认为没有以太,光就在什么也没有的“真空”里传播,所以光速不变,并由此建立了狭义相对论。

但是后来,科学上已经发现了真空不是空的,真空是能量海的能量最低状态,也就是说真空就是物质。既然真空是物质,那光速不变也不可能成立了,相对论也就不成立了。

光速是物体运动的极限,是相对论的一个推论,也就没有成立的条件了。物体运动的速度是可以超光速的,何况两个相反的以光速运动的飞船呢?

相对论是错误的,爱因斯坦赋予电磁波的特殊属性是无效的,电磁波属于机械波。

机械波的传播速度跟介质的温度密度等内在物理状态有关,不会受到介质的运动速度影响。迈克尔逊莫雷实验结果证明,光在地球上传播速度不受地球的运动速度影响,完全符合机械波的传播特点,证明了光是机械波,证明了爱因斯坦的光速不变原理、电磁波传播不需要介质、相对论都是画蛇添足的谬论。

两个相反光速的飞船绝对不会超过光速的。

首先大家搞错了一个关键性问题,那就是飞船只能无限逼近光速,而不能达到光速,目前人类只发现光子这种物质可以达到光速,其他物质不可能达到光速,包括中微子在内,它只是速度更近接近光速。

要达到光速,那么这个粒子得静止质量必须为0,目前看来也只有光子可以达到这样的要求。

其实大家还有一个误解,总认为是爱因斯坦的相对论规定了光速是物质运动的极限速度。其实我在这里要给爱因斯坦澄清一下。

早在爱因斯坦之前几十年,麦克斯韦的电磁理论就预言了光速不变,之后还有迈克尔逊莫雷实验验证了光速不变。

也就是说,在狭义相对论之前,光速不变的问题已经是物理学上空的乌云了。只不过那时候科学家还没有人下定决心把光速不变作为公设而已。

在低速世界,也就是速度低于光速的10%(约为30000km/s)的时候属于牛顿力学的管辖范围,这时候物理学规律和中学课本学的没有较大冲突。

如果速度在三万公里每秒以上,那么物理学规律将更倾向遵守相对论。那么飞船的运动速度越快,其质量就越大,维持加速的能量就越大,只能无限逼近光速,而不能达到光速。

如果两个飞船反向而行,它们各自的速度为0.9c,那么其中一个飞船的相对速度就是1.8c(1.8倍光速)吗?

答案当然是不可能了,这种速度叠加原理是伽利略变换,如果速度在0.1c之上,那么就应该改用洛伦兹变换。

其中时间变换为t=t0/(1-v2/c2)?

所以这个时候一个飞船观察另一个飞船,其发现它的时间就变慢了。而时间就是度量速度的一个重要物理量,时间的变慢就确保观察者观察到另一个飞船的速度就不会突破光速了。


光速不变是狭义相对论的基本思想,而且相对论还指出了速度越快质量越大这一事实,拥有静止质量的宇宙飞船会在加速的过程中不断增加质量,最后也只能无限接近光速而不能达到光速。

很多人都想过如果两艘飞船以光速或者0.99倍光速面对面擦肩而过,那么它们的相对速度就会超过光速,乍一看这种想法似乎很有道理,因为日常生活中的叠加速度就是v1+v2,但是日常生活中的物体是在低速宏观状态下运动的,相对论着重解决的就是高速运动下的物体运动,因此在计算两束光或者两艘宇宙飞船的相对速度时就需要用到洛伦兹变换,而不是日常生活中的伽利略变换。

上个世纪初物理学家们就意识到了牛顿力学的局限性,在接近光速和强引力场下牛顿力学是没有用武之地的,这才有了后来相对论的诞生于发展,相对论诞生百年以来物理学家们已经对其进行了严谨的实验与观测。

狭义相对论的基本原则就是光速不变,而迈克尔逊莫雷实验也证明了光速不变,但是很多人都思想仍然是经典物理学的思想,这是因为经典物理学和人类的直觉相吻合,人们可以从日常生活中直观的感受到,但是相对论的光速却是人类从来没有体验过的,所以说相对论其实是反直觉的,这也是民科抨击相对论的重要原因。

科学发展到一定程度一定会呈现反直觉的模样相对论和量子力学都反直觉,但是它们都是正确的。

问题不严谨,有静止质量的物体不可能达到光速。我们只能假设这两艘飞船以近光速,比如0.99倍光速向相反方向行进,相互的速度是不是超过光速了呢?

这要看从谁的位置来看。如果你是局外人,不在这两艘飞船上,那么从你的位置来看,这两艘飞船互相远离的速度确实超过了光速。这和宇宙膨胀,遥远星系之间互相远离的速度已经超过光速是差不多的道理。

然而,如果你在这两艘飞船的任意一艘上,那么你和另外一艘飞船之间的速度就不可能超过光速。因为你以近光速运动,你的时间将会膨胀变慢,在你们以近光速远离后,以相互之间的距离除以你的时间,仍然只是一个接近光速的数值。如果你们都是以0.99倍光速向着相反方向互相离开,我们甚至可以算出你们之间速度的精确数值V=(V1+V2)/(1+V1*V2/c^2),等于0.99995倍光速。

当然,如果你的飞船真的已达到了光速,那就已经突破这个宇宙的规律限制了,我们真没办法说是怎么回事。但假如按没有静止质量的光子的情况来看,你仍然不可能超过光速,只是等于光速。不过你自己是感觉不到的,因为你的时间已经停止,你已处于永恒状态,不再有速度的概念。在光子自己的世界里,没有时间和速度的概念,如果它从宇宙这一端跑到宇宙那一端,那也是它同时出现在了那两个地方,或者说是所有的地方。

所以你要是也达到了光速,你的情况也和光子一样,可以同时出现在宇宙中任何地方,但在我们看来,你还是在以30万公里/秒的速度吭哧吭哧地赶路。只是我们没有时间看到你赶到宇宙那一端了,毕竟一个人最多也就活几十年,只能看到你光速飞行几十年,仍然只在我们肉眼可见的最近的恒星范围内,甚至连银河系的千分之一也不到,然后就只能你自己保重了。你在永恒之中,我们在有限之中,永不再相见——除非你幡然悔悟,在我们的几十年内飞回来。你仍然不会感觉到任何时间过程,但你可能会大叫一声:靠!怎么眨个眼,你们都鹤发鸡皮了,我是不是遇到鬼了?嗯,不是你遇到鬼,是我们遇到神了。

根据相对论,对于具有静质量的物体,比如宇宙飞船,它们的运动速度不但不能超越光速(c),而且就连光速都达不到,只能无限趋于光速。正因为如此,任何小于光速的速度进行叠加之后,还是会小于光速。另一方面,任何速度与光速叠加之后也不会超越光速,而还是光速。

通常情况下,我们会把相同方向或者相反方向的两个速度直接相加或者相减得到合速度,这种被称为平行四边形法则的叠加方法基于伽利略变换。然而,根据狭义相对论,平行四边形法则只适用于低速运动的情况,而无法适用于接近光速的高速运动情况。为此,需要用到基于洛伦兹变换的相对论速度叠加法则:

如果两艘以相反方向运动的飞船相对于地球的运动速度都是光速的60%(即0.6c),那么,它们的相对速度并不是超光速的1.2倍光速。根据上式可以计算出,两艘飞船的相对速度为光速的88%(即0.88c),所以并没有超光速。即便都是0.99…c,叠加的结果还是小于光速。

再来考虑一下另一种情况,假设一艘宇宙飞船以0.6c的速度相对于地球飞行,然后,该飞船向前发射出一束光,那么,这束光相对于地球的运动速度会超光速吗?

同样地,还是根据上述的相对论公式,结果可得,合速度为:w=(0.6c+c)/(1+0.6c·c/c^2)=c。可以看到,这束光相对于地球的速度仍然保持光速,而非达到1.6倍光速。事实上,无论把另一个速度换成多快的速度,结果算出来都是c,这就意味着光相对于任何参照系的运动速度都是光速,这就是狭义相对论的最重要基础之一:光速不变原理。

相对论不是干巴巴的一句「物体的运动速度不能超过光速」,相对论的背后,是一套完备的数学体系,在这个体系下,题主设想的情况并不会影响相对论「(有质量的)物体运动速度不能超过光速」这个结论。

相对论的一个基本假设——光速不变,起源于电磁学。电磁学中的麦克斯韦方程组可以推出电磁波的方程。在这个方程中,电磁波有一个恒定的速度,这个速度就是光速。然而方程并没有说明这个速度是相对于哪个参考系的。当时的科学家认为可能存在一个绝对的参考系——以太。但后来的实验都证明,以太是不存在的。

这个时候,洛伦兹提出了洛伦兹变换,旨在通过速度变换(注意不是时空变换)解决这个问题。

爱因斯坦使用了洛伦兹变换的数学框架,但他天才的将之用时空的角度重新解读。

通过洛伦兹变换,我们可以得到狭义相对论下的速度叠加公式:

比如两个飞船都相对于地球有0.9c的速度,那么代入ux=0.9c, v = -0.9c,就可以得到从一个飞船上看,另一个飞船的速度是:1.8 c / (1 + 0.81) = 0.994c。仍然是小于光速的。

实际上,我们可以严格证明,上述变换可以保证相对速度小于光速。

很多人之所以不理解相对论,原因主要有一个,那就是在思考相对速度时,思考方式仍旧局限在牛顿的绝对时空观里,虽然他们自己不认为是绝对时空观的思考方式,但其实在不知不觉中就陷进去了!

问题就是一种典型的用绝对时空观去思考相对速度!牛顿的经典力学(绝对时空观)是相对论模型在低速宏观世界的完美近似值,而高速运动状态下不能把两个速度简单相加!

在低速世界(或者弱引力场)中伽利略变换(就是平我们上学时学的相对速度相加)是近似成立的,而在高速世界(强引力场)中必须用洛伦兹变换。

相对论表明,任何携带能量和信息的物体速度都不可能超过光速,即使是光速与光速叠加在一起(比如说问题中的描述)仍旧会是光速,而不是两倍光速!

洛伦兹变换的公式为:v=(v1+v2)/(1+v1v2/c^2),而伽利略变换的公式我们都知道v=v1+v2。

两个公式都不难理解,而洛伦兹变换的本质是“光速不变原理”。举个直白点的例子,静止的我(相对地球)看以光速飞行(假设)的你身上发出的光的速度仍旧会是光速,而不是两倍光速!

而如果你认为是两倍光速,只能说明一点,你还没有从绝对时空观中转变过来!

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