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一百多年前,爱因斯坦根据光速不变原理出发,创立了改变物理学的狭义相对论。这个理论非常成功,质能方程(E=mc^2)是其中一个推论,这在核裂变与核聚变反应中早已得到证实。
根据狭义相对论,可以推导出另一个重要结论——光速是宇宙中最快的速度,任何物体或者信息的传播速度都不能比光速更快。有些人可能不信这样的结论,因为超光速很容易啊,例如,打开手电筒,然后我们拿着手电筒向前走,手电筒发出的光的速度就是光速+步行速度,这不就超光速了吗?
其实不然。狭义相对论表明,光速与步行速度或者其他任意速度合成之后,最终的结果还是光速,相对论的速度合成法则如下:
根据上式,把u或者v替换成光速c,最终算出的合速度还是光速c,这就是光速不变原理。运动的手电筒发出的光不会超光速,无论相对于步行者,还是相对于地面上相对静止的观测者,这束光的速度始终是恒定的光速。
值得一提的是,当u和v足够小于光速时,也就是我们在日常生活中遇到的速度情况,上式就会退化成我们在中学物理所学的速度合成公式。也就是说,我们平时算出的合速度其实是一个近似值,只是速度够慢时,精度足够高了,用不着复杂的相对论。
由于光速需要保持不变,势必会造成时间和空间不再保持绝对,而是成为了相对概念。根据狭义相对论,运动参照系的时间会变慢,空间会压缩,这种钟慢和尺缩效应会随着速度接近光速而愈发显著,具体公式如下:
一旦速度到达光速,时间会停止流逝,空间收缩为零。既然如此,当一个人以光速运动时,时间静止,他是不是就能永生了?他去往宇宙中的任意地方都是一瞬间到达吗?
事实上,上述公式隐含着一个条件,因为分母不为零,物体的运动速度是不能达到光速的,除了没有静质量的光子、胶子之外。当然,只要速度足够趋于光速,时间流逝速率也会足够趋于零。
如果有一艘宇宙飞船以接近光速的速度相对于地球运动,那么,飞船上的时间将会变得非常慢。但需要注意的是,这种时间变慢只是相对于地球参照系来说,时间差异只有在不同参照系进行比较时才会有意义。
对于飞船上的人来说,他们还是会感受到时间在1秒1秒照常流逝。只是当飞船上过1秒时,地球上的时间会过去很久,可以是上千年,上万年。地球上的人用望远镜观测飞船,会看到上面发生的事情都在非常缓慢地进行,就像看慢放镜头一样。
如果飞船在宇宙中飞行一段时间后回来,会发现地球上早已沧海桑田。由于飞船上的人还会感受到时间正常流逝,所以他们是不会永生的,寿命还是几十上百年。只是对于地球上的人来说,飞船上的人可以活得非常久。
由于尺缩效应,飞船可以用很短的时间去往遥远的宇宙。虽然宇宙有光速限制,但相对论效应确实可以让我们实现星际乃至星系际飞越。只有对于以光速运动的光子来说,它们无论去往宇宙的哪里,都是一瞬间到达。
来源:火星科普
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