為什麼我們永遠追不上光?愛因斯坦告訴你答案

前面我寫了很多文章來介紹狹義相對論,其中有一個核心的思想就是:光速在真空中恆定不變。很多人把“光速不變”理解成為一個推導出來的理論,其實誠如我之前所說,光速不變不是理論推導出來的,而是無數科學家團隊做實驗發現的。

有不少人說光速不變是因為光速太快,導致測量的儀器精度不夠,也就是把“光速不變”這種現象解釋成為實驗的失誤造成,其實我要告訴大家的是,做這個測量光速實驗的是不同的團隊,不同的人,用不同的方法和原理測量出來的,你如果非要說是實驗儀器導致的誤差,那麼怎麼可能所有團隊都產生了一個相同的誤差,而且大家測量的光速不是大於c,不是小於c,而是恰好等於c,這足以說明光速永遠是c是這個世界的內在屬性,這個屬性不以人的意志為轉移。

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理解了這一點之後就帶來一個問題,如果我在一列光速運動的火車裡面,去看一束與火車有相同運動方向的光,會看到這個光與我靜止嗎?也就是我能否追上光從而看到光與我處於相同靜止的狀態?

這個問題如果按照常規思維分析,肯定會得出結論:我們能看到光處於靜止狀態,因為根據牛頓的時空觀,只要兩個參考系以相同方向相同速度運動,這兩個參考系就是處於相同靜止狀態。

但是我要告訴你的是,以上的分析是錯誤的,因為你沒有考慮到“時間的相對性”。

什麼是“時間的相對性”?我前面已經講過無數遍了,如果沒看往期文章我再簡單講述下,就是說“時間”這個物理量和“速度”是一樣的,我們知道談速度前需要指明參考系,並且換了參考系看相同的物體其速度會有變化,那麼“時間”也是這樣的。

為什麼我們永遠追不上光?愛因斯坦告訴你答案

愛因斯坦認為談時間之前也必須指明參考系,並且換了參考系看同一個物體的運動,得出的時間也是會變化的,比如你靜止於地面往上扔一個小球,小球落地整個過程,如果你把計時器放地面靜止去計時,假設花費了2秒,這個2秒只針對地面這個參考系才有效,如果換成其它參考系,這個2秒會變的,比如你如果把計時器放到一個接近光速運動的火車裡面,讓計時器去計時相同的過程,你會發現這個計時器顯示的時間也許是20年!具體2秒是如何換算成20年,就是看這個火車的速度到底有多接近光速,也就是用愛因斯坦的“時間膨脹公式”來計算,如下圖所示。△t是以地面為參考系的計時,△t'是以火車為參考系的計時,v是火車的速度,c是光速。

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當你掌握了以上知識我們就可以接著分析,當你在火車裡面越接近光速,其實你的時間流逝的越慢,所以當火車速度等於光速了(由於你坐著火車裡,所以你的速度也等於光速),表面上看你似乎追上光了,但是請注意你“追上光”的這個行為,只有在地面為參考系才會看到,也就是隻有“地面人”會看到你和光的確是同步在運動,你自己以“火車”為參考系,你看不到這個同步運動,你只會看到這束光依然是以速度C從你的火車窗前一晃而過。

這就神奇了,為什麼相同的物理過程,地面人去看發現你和光是同步在走,而你自己在火車裡去看光卻發現光依然是在你旁邊呼嘯而過?答案很簡單,因為時間具有相對性。當你速度等於光速,實際上以地面為參考系會發現車裡的一切已經靜止不動了,這裡的靜止不動是指整個火車裡面時間已經不走了,如果車裡有個手錶,你會發現手錶壓根沒走了,不僅僅手錶沒走,車裡的人生理變化等一切的一切都不動了,但是由於你是坐著火車裡面,火車本身有一個速度c,所以實際車裡的一切事物其實還是在運動的,只不過車裡的事物無法再產生額外的“空間移動”。整個車裡的場景就像是一副“靜態”的照片。

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但是要注意,時間是相對的,剛剛的場景是以地面為參考系看到的時間,如果視角切換到火車,火車裡的人一點都不覺得時間靜止了,相反他覺得時間再正常不過了,並且也會發現旁邊的這束光以速度c呼嘯而過,這個世界的一切都是非常非常的正常。

這裡假設車裡的人計時0.000000001秒,假設他看到光跑了一定的距離X,(這裡假設時間很短是因為光速度太快,光一秒可以跑299792458米,時間弄短點至少可以確保車裡的人看到光不至於一下子跑太遠),車裡的人如果用先進儀器記錄“光跑的過程”會發現0.000000001秒內光跑了2.99792458米。

但是請注意這個0.000000001秒是以火車為參考系計時的,利用剛剛的時間膨脹公式,我們現在已知

△t'=0.000000001秒,v=c,帶入可以算出△t等於無窮大。也就是說車裡的人感覺時間只過了一點點,地面人已經經歷了無窮大的時間了,這已經不能用滄海桑田來形容時間之長了。所以地面人是看不到“光從火車裡面的人旁邊呼嘯而過”的場景的,但是火車裡面的人卻可以看到。

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所以大家明白了吧,地面人為什麼和火車裡面的人看到了不一樣的場景,其實大家看到的還是相同的場景,只不過地面人無法擁有無窮大的時間去看到“光從車裡人旁邊呼嘯而過”而已,也就是說地面人表示“時間傷不起”我們等不了那麼久。一個看似矛盾的結論,其實是因為大家經歷的時間具有不同的狀態而已,實際並不矛盾。

為什麼我們無法追上光?因為當你速度等於c時,地面人可以看見你和光的確在一起走,但是你自己卻發現光還是比你快,而且光比你快多少呢?不大不小就是c,光永遠比你快c這個速度,你永遠追不上光。

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