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相对论:光速不可超越宇宙膨胀又可超光速爱因

发表时间: 2019-10-09

  爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》中提出了狭义相对论,而狭义相对论的前提就是两条基本假设:

  狭义相对论中所有推导出来的结果都是以这两条最基本的假设为前提的,当然光速无法超越也是,因为狭义相对论中推导出来的质增效应会让存在静止质量的物体在接近光速时质量无限增加,进而让速度在无法前进一步,因为推动物体前进的能量是有限的,它最终会停留在某个接近光速的位置。

  另一个可能则是速度叠加效应,无论两个如何相对运动,它们之间的最大速度就是光速,光速始终是一个屏障,它无法被超越。大家认识了爱因斯坦的相对论,才了解了光速不可超越,但光速不可超越,并不是爱因斯坦的首先认识到的。

  对于相对运动我们可简单粗暴的理解为速度1+速度2或者速度-速度2,这在我们日常中就是这么解决问题的,当然牛顿有些不太同意这个方式,但大致都继承了这一变换的精髓,现在我们也很清楚,牛顿经典力学很好用,在绝大部分的时候都可以完美的解决问题,甚至还指导了海王星和冥王星的发现。

  关于速度的体验,我们还不得不提一下詹姆斯-克拉克-麦克斯韦,不仅是因为现代社会建立在电磁的基础上,而是他应该是最早知道光速是一个常量的人。

  因为从麦克斯韦在1865年发表的一组四个方程中,最后一个变化的电场也能产生磁场,并且周期性交替产生,也就是电磁波的来历。当然我们今天并不是关心这个问题,而是在这个方程中可以推算出光速!

  真空介电常数和真空磁导率都是常数,所以光速C它就是一个常量,尽管麦克斯韦时代早有科学家测量出了光的速度,但从方程中推导出来,明显是第一次,而且是一个常量!而赫兹则在1890年证明了电磁波速度与波源速度无关。

  因为1881年和1887年的迈克尔逊-莫雷关于以太的实验测量不到地球相对于以太参照系的运动速度,1895年洛伦兹提出了运动时长度在运动方向上发生长度收缩来解释迈克尔逊-莫雷实验中的结果。并且与麦克斯韦电磁理论结合在相对以太运动的坐标系中时空变换的方程,也就是著名的洛伦兹变换公式

  通过洛仑兹变换公式可以推导出速度叠加计算公式,有兴趣的朋友可以去看看洛仑兹变换到速度叠加计算的推导过程。

  无论V1和V2速度有多大,它们最终叠加速度的上限为光速。有兴趣的朋友可以将你认为的最大速度代入计算看看最终速度是多大?

  法国数学家庞加莱在1900年就洛仑兹变换做出了划时代的物理意义解释,认为本地时是不同那个坐标系之间通过光速进行的时间同步,这也就是狭义相对论中时性的相对性概念,曾经洛仑兹和庞加莱都摸索到了狭义相对论的大门,但仍然受限于体系最终与此失之交臂,实在令人唏嘘。

  爱因斯坦总结了麦克斯韦与迈克尔逊-莫雷,以及洛伦兹与庞加莱的成就,1905年爱因斯坦的狭义相对论很空出世,这得益于爱因斯坦敢于打破一切的魄力以及不受传统约束的个性,当然我们今天不是来夸奖爱因斯坦的,而是狭义相对论关于光速的描述:

  将物质、能量与信息都归结为信息其实也没毛病,当然有朋友马上会提一个有趣的现象,比如我用一支足够亮度的激光束划过天际,请问这激光束的移动超过光速了吗?

  遥远的星系正在远离,这是埃德温·哈勃经过将近十年的观测得出的一个结论,而且哈勃的观测还得出了一个远离的速度/距离比值,这就是著名的哈勃常数的由来,尽管与现代精确测定的哈勃常数大相径庭,但它具有划时代的意义。

  2014年普朗克卫星测得最精确的哈勃常数为67.15千米/秒/百万秒差距(326万光年),假如按照这个速度计算,那么宇宙大约在145.613138亿光年外,天体远离速度超过光速。

  其实这个空间膨胀的速度有一个假设前提,即假设我们自己是不动的,所以在145.6亿光年外的天体超过光速原远离,假如在那么遥远的位置有一个文明在观察地球,三中三!他们也假定自己不运动,那么他们将看到我们正在以超过光的速度远离,但我们超光速了吗?

  我们相对于百万秒差距外的天体,远离速度还是67.15千米/秒,145.6亿光年外的天体,相对于它们145.6亿光年-326万光年的区域,速度也是67.15千米/秒。当然这是假定宇宙膨胀速率恒定不变的条件下的推论,而哈勃常数并不是一个恒定不变的数值,它会随时间而改变。

  我们跟145.6亿光年外的天体能信息传递吗?也不能!所以遥远的天体随宇宙膨胀超过光速跟有质量的物体不能超过光速有什么关系?返回搜狐,查看更多