03.08 如果未來人造出了光速飛船,那麼在飛船上向前扔出一個蘋果,那個蘋果超越光速了嗎?

我想你了遠處的你


一百多年前,愛因斯坦還是是個16歲的少年時,就在思考如果一個人能和光速一起跑,會看到什麼現象。

而現在的民科們還只能用經典物理的葫蘆來畫相對論的瓢,提出一些小學生腦筋急轉彎,貌似很機靈的問題來反對相對論:

人類為什麼不發射一艘宇宙飛船,使它在宇宙中的速度無限接近光速,以此來證明相對論。根據相對論,物體運動速度不能超越光速,如果兩個飛船向相反的方向以光速飛行,那相互的速度是否超光速了呢?

以上這些問題,不但沒有少年愛因斯坦有想象力,更是缺乏基本的科學常識。

狹義相對論是愛因斯坦在1905年提出的,它是建立光速不變原理和相對性原理之上的。

在任何慣性參考系中,真空的光速是不變的,光速是運動物體的極限速度。光速的問題最容易回答,光速與光源的速度無無關。

然而,愛因斯坦還指出,時間是會騙人的,在不同參考系,時間是相對的。這些在當時大部分科學家都無法理解的,當然後來,隨著各種實驗驗證,相對論被證明是人類認識世界最傑出的成就之一。


量子實驗室



先看一下上面的公式,並不難,它就是洛倫茲變換的數學公式,簡單說,u和v是兩個物體的速度,w是兩物體的相對速度,c就是光速。洛倫茲變換是用來描述亞光速世界下的相對速度!

而在我們生活的低速世界,用不到如此精確的洛倫茲變換,只需要用伽利略變換就可以了,什麼是伽利略變換?上過小學的都知道,就是上面公式的簡化:w=u+v!

說白了,伽利略變換就是洛倫茲變換的特例,在低速世界的近似值!當速度達到亞光速,伽利略變換的誤差就會非常大,不再適用!

而從洛倫茲變換的公式中可以清楚地看出,無論u和v怎麼變化,最終的w都不可能超越光速,只能無限接近光速!所以問題中的蘋果無論如何不能超越光速,所謂的超越只是我們用牛頓的絕對時空觀思考問題的結果,殊不知我們所在的時空並不是絕對的,而是相對的!

速度和引力都會影響周圍時空,光速不可超越,即使是相對速度也是如此,這也說明了時間和空間在變,所以會影響速度,因說明了,時間,空間,速度(還有引力)都是相互關聯的,並不像我們低速世界感受的那樣時間是絕對的,只是這種相對性太不明顯了,完全可以忽略不計!


宇宙探索



即使你在光速飛船上扔個蘋果,那個蘋果也不會超光速,目前只有宇宙的膨脹速度超越了光速,還有一個就是量子糾纏。

現在的問題不是那個蘋果有沒有超光速,問題是你在光速飛船上怎麼把蘋果給扔出去。當你達到光速,即使給你幾億年的時間,幾億年這些時間也不夠你把蘋果扔出去。因為在一個人達到光速的同時,這個人的時間也就停止了。

我們沒有辦法將物體加速到光速的,這個效應在愛因斯坦的質能方程中提到過,即一個擁有靜態質量的物質不可能超越光速,因為加速有靜態質量的物質會使得該物質的質量變大,加速度越大則質量越大。

這意味著一個擁有靜態質量的物質要想加速到光速就得需要無限大的能量。而光之所以可以達到光速,是因為光沒有靜態的質量,光生來就是光速,在宇宙中流蕩,它是以一種能量的形式存在的。

那麼在愛因斯坦的相對論中還提到過一個比較高深的效應,那就是相對時間。這個效應講訴了在一個引力強大的地方,時間段會被拉長,進而使得時間變慢。


在引力越大的地方時間就會越慢,放到現實中,就比如說地球上的時間和外太空衛星上的時間是不一樣的,衛星上的時間明天都會比地球上的時間要快38毫秒。因此地球和衛星兩者的時間需要不斷的校正。在宇宙中兩個引力相隔較大的地方,真的會出現“天上一天,地上一年”的說法。

假設我們可以把飛船加速到光速,速度越快質量越大,那麼在這個飛船加速達到光速的時候,質量就已經變得無限大了。質量越大引力越大,引力越大時間越慢。無限大的質量,無限大的引力。無限大的引力,無限慢的時間。
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時間史


由於狹義相對論的前提是真空光速不變,並且據此推論出真空中(以下所有討論均為真空條件下)光速是物體運動的極限速度,所以總有人提出各種奇葩方法來企圖超光速,也有企圖找狹義相對論BUG的,比如這個問題。

然而狹義相對論早就對此給出明確的答案了,只是有些人沒看明白。

按照狹義相對論,有質量物體不能通過加速達到光速,任何物質粒子它要麼一本來就光速,要麼永遠達不到光速,後來又提出第三種可能,就是一開始就高於光速,但永遠不可能降低到光速。

本來就是光速的物質粒子靜止質量一定嚴格為0,只有這樣,它才能達到光速,並且只能是光速。

存在靜止質量的物質粒子必然低於光速,並且由於時間膨脹和質量膨脹的相對論效應,將永遠不可能加速到光速。

一開始就是光速的物質粒子質量必然為虛數,只能高於光速運動,並且同樣由於相對論效應,將永遠無法減速到光速。



所以答案已經很明確,光速飛船是不可能的,因為飛船有質量。好吧,假設飛船沒質量,人也沒質量,蘋果也沒質量……都光速運動……根據狹義相對論,飛船上的時間停止了……時間停止了人就沒法扔蘋果了,因為你沒時間扔……

狹義相對論是個邏輯自洽、數學自洽、通過實驗驗證的物理理論,是不可能通過簡單的邏輯就找出毛病的,狹義相對論提出一百多年以來,科學地位穩如泰山,即使後面出現的詭異的量子力學都不能動搖它分毫,甚至它都成了量子力學的試金石,比如愛因斯坦等人提出的EPR佯謬就是通過違背狹義相對論的假象來挑戰哥本哈根學派的量子力學。若果量子力學違反狹義相對論,它就可能是不正確的。事實上最終量子力學與狹義相對論相統一了,這是量子力學奠基人之一狄拉克完成的,也就是現在的量子力學裡是包含了狹義相對論的,狹義相對論的江湖地位可見一斑。


星宇飄零2099


這個誤區已經解釋過很多次了,既然有這種誤區的人還很多,就再簡單說一下。

愛因斯坦狹義相對論的基礎,就是建立在光速恆定基礎上的,沒有這一點,相對論就沒有基礎,就會倒塌。

現在網絡上有很多這樣的比喻,認為可以推翻相對論。比較典型的就是:兩束光對射,豈不是光速的兩倍?在汽車上射出的光,就因該在光速上加上汽車速度,也超過了光速;太空船上射出的光要加上太空船的速度,比光速就更快了;這個題目竟發明了光速飛船,還奇葩的在飛船上向前扔一個蘋果,那個蘋果就比光速快了。

這是這些設想裡最沒有想象力的差想了,不要說在光速飛船上,就是在高速行進的高鐵上,你往前扔出的蘋果不砸到你的臉才怪呢。

當然我這樣說並不是否認低速狀態下,速度不能疊加,但在高速狀態下速度是不能疊加的,這是相對論的基本精神。

速度能夠疊加是牛頓經典力學在低速狀態下的近似值,因為時間和空間的相對論效應,在高速狀態下如果還用絕對時空觀的理論來套的話,就會出現較大的偏差。而相對論就是修正了這種偏差。

相對論認為光速是一個常數,就是在真空中傳播速度為299792458m/s,這種速度無論在什麼慣性參照系中觀測都是恆定的,是絕對的,不是相對的,即使兩束光速疊加也還是等於光速,不會等於光速的2倍。

計算低速狀態下的速度可以疊加,適用於古典力學中的伽利略變換,表示為:C+C=2C;

由於高速狀態下的相對論效應,如果再用伽利略變換就是錯誤的,而適用於洛倫茲變換,表示為:u=(u'+v)/[1+u'(v/c^2)]

說明:u’是物體1相對於參考系(就是觀查者)的速度;v是物體2的速度(同上)那麼u就是物體1相對於2的速度。

如果真的可以疊加,根本不需要做這種光速飛船的思維實驗,在現實中光速疊加的現象比比皆是。

如距離我們250萬光年的仙女座星系正在向我們高速奔來,時速達到百萬公里以上,那我們看到的光不就是在光速上疊加秒速數百公里了嗎,比你扔一個爛蘋果要快多少?

如果能夠疊加,那所有天體我們將無法測算,因為所有的天體都在運動。地球每秒公轉線速度30公里,太陽每秒公轉線速度250公里,銀河系也在圍繞著室女座超星系團核心運行,速度又比太陽公轉線速度大多了,光速怎麼測算?


光速不能超越,也不能疊加,但速度可以使光波受到壓縮或者拉伸,表現出來的就是光譜紅移或者藍移。

如果光源高速向我們靠攏,我們就可以看到光譜超藍色方向移動;反之,我們就可以看到光譜向紅方移動。這就是藍移或紅移,根據藍衣或紅移量,科學家們就可以測算出這個天體離開或靠近我們的速度。

比如仙女座星系的光譜肯定就是藍移,我們知道它正在向我們移動,並且時速達到百萬公里。但它發出的光還是每秒30萬公理。

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無法做超光速的實驗,所有實驗都是理論層面上的思想試驗。

比如光速飛船上扔一個蘋果:一不可能製造光速飛船。二光速飛船上無法投擲平果,甚至發射比光速低的子彈也不行。因為你發射的子彈未脫離槍口就被光速飛船追上,你在光速飛船發射的子彈一定要超光速才能發射得出去,但發射超光速的子彈需要無窮大的能量人類永遠無法做到。有人說,在光速飛船發射亮光,那不是超光速了嗎?也不行,因為飛船也是光速,你飛射的亮光只與飛船同速,發射的亮光只與飛船同步。

又有人說,由於宇宙膨脹超光速,有些星系之間會有以超光速分離,如果這兩星系之中有一個星球上有一個人向分離方向扔一個蘋果,是不是超了光速?如果這個星球上的人有能力把一個蘋果扔出他所在的星系,那麼還真超了光速。就比如由於宇宙膨脹關係,太陽系與某星系以超光速分離,任何人在地球上把蘋果扔出太陽系就是超光速,但是,人類目前無法做到,甚至發射的激光也不能射出太陽系。

結論:光不可超越,不能疊加,只可以同步。


自由媒體



現在人確實製造不出光速飛船來 ,按現在的認識,未來也不會製造出來,所以這個“如果”也不能輕易使用,不過未來的事誰有能真知道呢?

按現在的理解,有靜質量的物體是很難達到光速的,這是因為質量的相對論效應,物體隨著接近光速,質量會變成無窮大,理論上需要無窮的能量才能推動物體達到光速。至於變成光速會啥樣,相對論並沒有解釋,這倒不是超出相對論的適用範圍,而是相對論的一個原理限制――光速不變原理。光速不變原理說的是光在真空中的傳播速度對於任何參考系是不變的,與觀察者和光源的運動狀態都無關。光對任何參考系,哪怕是個光速飛船,它的速度也是不變的。就是說只要有無窮的能量(這可能嗎?),你可以達到光速,但是光對於這個光速物體仍然是光速。

相對論是關於時空的理論,“非時空”不是相對論的範圍。下面我們在時空範圍應用相對論,而在“非時空”中應用別的理論分別回答這個問題。

相對論的回答――光速不變原理的永恆


在未來人不知用什麼方法造出了光速飛船的前提下,在光速飛船這個參考系中,扔出蘋果的速度並沒有超光速,離著光速差的太遠,而光對於這個蘋果的速度仍然是光速。這個結果與飛船系統靜止於地面時的實驗結果是一樣的。那蘋果相對於靜止的地面是多少速度呢?答案是光速,並沒有超光速。在地面的觀察者看來這個光速飛船和飛船上的蘋果已經成為“光”了,這些光的時間停止了。從這個意義上講,時間停止了,又怎麼會發生扔蘋果的事件?因此無論是飛船還是蘋果、還是飛船發出的光,對於地面來說沒有區別,在地面看到的只是幾束光而已。




“非時空”推廣理論的回答

而實際上在光速飛船達到光速的那一刻,宇宙時空對於這個飛船來說崩塌了(這麼高的能量怎麼能不塌?),飛船脫離時空,從這個宇宙消失了,這時哪裡還有什麼蘋果?哪裡還有“扔蘋果”這一說法?哪裡還有蘋果超光速的問題?因為時間和空間都沒有了。注意這裡是時間和空間都不存在了,並不是靜止。在這一點上,是對相對論模糊地方的明確。

最後的常規回答

上面的回答都是基於一個前提,就是未來人已經找到辦法,解決了達到光速需要的能量問題。或者是已經用事實推翻了現有認識,創立了新的理論。也就是說是達到光速的回答。但這些都是未來的,都是沒有任何根據和端倪而對未來的猜測,是憑空的臆想。而相比之下現有理論的正確被嚴格證明,光速難以達到,當然也製造不出光速飛船,並且理論上也認為製造不了,這是對未來非常確定的預測。因此不考慮這些不著邊際的未來因素,實際上這個問題很好回答:不存在光速飛船,那在亞光速飛船上扔蘋果在地面看來,質量巨大的蘋果前方的時空極度彎曲,速度儘管比飛船快,但仍然達不到光速,且後繼乏力,再也難以增速。


物原愛牛毛1


既然都要探討高速的情況,為什麼還要用宏觀世界的速度疊加公式?

尺度是不一樣

我們平時生活的世界是一個宏觀低速的世界。而題主說的這個問題其實都涉及到了高速的世界,所以宏觀低速的物理結論也就不再適用了,也就是說,不可以簡單的速度疊加。而是要用適用於高速世界的相對論速度變換公式。

其中,v=c,u就是扔出蘋果的速度,w就是蘋果的速度。

帶入一算,我們就知道,蘋果的速度還是c,所以並沒有超光速。

所以,我們在用到物理理論和相對應的公式時,要弄清楚這個理論的前提假設條件,並不是可以拿牛頓力學來解釋所有的尺度。如果你拿牛頓力學理論去適配微觀世界,同樣還會發現很大的誤差。

光速飛船

其次,這裡要強調一下,實際上,按照相對論的說法,光速飛船是不可能存在的,因為要把飛船加速到光速需要的能量是無限大的,如果哪一天真的做到了,那相對論就可能會有問題了。


鍾銘聊科學


當你達到光速的時候你不可能拿起一個蘋果來扔,此時蘋果的直接是接近於無窮大的,給你個起重機也不行


葛咯達


儘量簡單:當速度達到接近光速的時候,計算速度值不是用加法的,而必須使用速度變換公式(特麼的頭條怎麼打公式啊……)。

這個公式裡,你扔出去的蘋果也小於等於光速的。


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