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爱因斯坦说光速最快,那我在一个以光速飞行的飞船上跑步,相对来说,我比光速快吗?

  这是个很容易想到的问题。狭义相对论早已给出了回答:不会,在地面看起来你的速度仍然是光速。
  要理解这个结论,首先要明白,为什么这会成为一个问题。你的直觉是什么?是"在地面看来,你的速度等于飞船相对于地面的速度加上你相对于飞船的速度",对不对?
  好,这是生活中的常识。但在相对论中,这个常识是错误的!
  让我们用数学把这个问题表述得简洁一些。有两个互相之间做匀速直线运动的参照系,在1号参照系看来2号参照系的速度是u,而一个物体在2号参照系中的速度是v,而且这两个速度在同一个方向上。我们把这个物体在1号参照系中的速度记作v"。那么,你的常识就是:
  v" = v + u 。
  这个式子叫做"伽利略变换 ",是意大利科学家伽利略(1564-1642)最先注意到的。
  在日常生活中,伽利略变换是正确的。比如说,你在一辆汽车上跑步,你相对于汽车的速度是5米每秒,汽车相对于地面的速度是15米每秒,那么你相对于地面的速度就是20米每秒。
  但是,相对论会告诉你,伽利略变换只是个近似公式,真正准确的公式是:
  v" = (v + u) / (1 + uv/c^2) 。
  其中c是光速,大约30万公里每秒,^2表示"平方"。这个公式叫做"洛伦兹变换 ",是由荷兰科学家洛伦兹(1853-1928)发现的(不是爱因斯坦哦,爱因斯坦提出了狭义相对论的理论体系,但洛伦兹变换在此之前就发现了)。它相当于在伽利略变换的基础上,加了一个1 + uv/c^2的修正因子。
  洛伦兹
  这个公式会告诉你什么呢?
  当u和v跟光速相比很小时,uv/c^2接近于0,分母1 + uv/c^2接近于1,这时v"基本上就是v + u,你就回到了伽利略变换。
  在上面那个u = 15米每秒,v = 5米每秒的例子中,情况就是如此。如果你把精确的式子代进去,会发现对结果的修正只有10的负16次方的量级,也就是说要到小数点后第16位才能显示出差别,这样小的效应甚至都超出了仪器的探测能力。
  但是,当u或者v跟光速可以相比时,情况就不同了,这时你就要严肃对待这个1 + uv/c^2的修正因子了。
  例如,u = v = c/2,你相对于汽车和汽车相对于地面都以光速的一半运动,这时会怎么样?你的直觉是v" = c,你相对于地面达到了光速。但正确结果是,v" = (1/2 + 1/2) / (1 + 1/4) c = 1 / (5/4) c = (4/5) c。在地面看来,你的速度是光速的80%,仍然低于光速!
  再来看,如果u = v = (3/4) c呢?这时你的直觉是v" = (3/2) c,你相对于地面超过光速(这是很多人设想的超过光速的办法)。但正确结果是,v" = (3/4 + 3/4) / (1 + 9/16) c = (3/2) / (25/16) c = (24/25) c。你离光速更近了,达到了光速的96%,但仍然低于光速!
  实际上,用一点初中级别的数学就可以证明,如果u和v都小于c,v"必然也小于c(你不妨来证明看看)。也就是说,希望通过运动叠加的方式达到光速,是不可能的 。
  最后来看题目中的情况。这时u = c,你的直觉是v" = v + c,但洛伦兹变换的结果是什么呢?
  是v" = (v + c) / (1 + v/c)。这个式子化简以后是什么?
  就是c啊!
  在地面看来,你的速度仍然是光速!
  你以为会是光速加上v,但v这部分刚好完全被洛伦兹变换相对于伽利略变换的修正吃掉了,剩下的仍然是光速。
  你很容易发现,如果u和v中有一个等于c,那么v"就等于c。如果u和v都等于c,v"还是等于c。
  经常有人问:"如果两束光相向而行,那么在一束光看来另一束光的速度是不是2c?"现在你知道了,答案仍然是c。
  总之,光速有这么一种特性,能击败一切的通过变换参照系对它进行修正的努力。无论你怎么换参照系,光速总是那么多,既不会更高,也不会更低。这正是相对论的基本原理之一,叫做"光速不变性 "。所以在《三体》中,用一个无论在什么距离看起来都同样高的王子来比喻光速。
  最后,有两点需要提醒一下。
  一,这个题目说得有点问题,因为根据相对论,飞船这种"静质量"不为零的物体是不可能达到光速的,只有光这种"静质量"为零的物体才会以光速运动。关于这一点,可以参见我的另一个回答"光是如何达到光速的?"(https://www.wukong.com/answer/6448603586589884685/)。所以原题目最好改成"在一个飞行的飞船上有一束光,在地面看来它比光速快吗"。也就是说,与其问u = c会发生什么,不如问v = c会发生什么。不过,这对于本文的内容并没有影响,因为你可以注意到,在洛伦兹变换中u和v的地位是完全等价的,把两者换一下得到的是同样的公式。
  二,洛伦兹变换明显违反日常生活的直觉,但科学界早就承认它是正确的。这不是因为科学家喜欢标新立异,而是因为它符合实验结果。如果你坚持伽利略变换,就会预测一些错误的实验结果。比如说,通过测量在地球运动的不同方向上光速的区别,就可以确定地球在宇宙中的绝对速度。这个实验叫做"迈克尔孙-莫雷实验 "。这个实验真的做了,结果却是测量不到在地球运动的不同方向上光速有任何区别!现在,你明白洛伦兹变换的威力了吧?
  这个问题在大学物理上就会讲的。
  假如说飞船接近了光速(爱因斯坦假设光是最快的,也就是说飞船是达不到c的),又假设飞船周围又很多恒星在发光,那么按照牛顿的世界观,是不是迎面射来的光和飞船相对速度是2c,而后面的光子和飞船相对速度是无限接近0呢,不是的!
  此时,你在飞船参照系上观察,你会发现,光的轨迹发生了变化,你后面的恒星发生了移动,逐渐向你前进的方向移动,飞船越接近c,你前方的恒星越密集,仿佛时空发生了扭曲,而且,你看到的光子的速度依然是c。
  这就是光行差效应!
  这是光源不动的现象,同理,还有光源动观察者不动的情况下会出现"前灯效应"。简单说一下,就是点光源(实际是不存在的)相对你静止时(比如你头上的台灯),光子以球状向外辐射,现在光源加速,这时,光源不再以球状向外辐射,而是以一个圆锥向前辐射光子圆锥的顶大小与光源的速度有关。
  这时你站在地面上看,光子速度依然是c哦。光行差效应和这个差不多,换个参考系,光反过来就行
  总之,相对论假设1光速是最快的,2光在任何参照系里都是c。为了满足这个假设,时空也会"扭曲"。
  怎么样,理解不了吧,哈哈哈我也理解不了,这就是相对论…
  如果一个弹簧被压缩到极限时,那么你肯定不能再进一步挤压已获得更大的势能,因为被挤压的物体会在强大的压强下解体。
  物体的运动无法超过光速,也是这个道理。在低速且宏观范围的情况下,物体的运动是自由的,不受物理背景的影响。因此,该物体的能量变化主要是其自身的动能增减。
  然而,当物体的运动速度接近于光速时,作为物理背景的空间效应就显现了出来,成为不可忽略的物理因素了。
  这就好比我们在公园 散步 时,并没有感觉到空气的存在。但是,当我们百米冲刺的时候,风的阻力却是非常大的。
  由于自然界是一个有机的系统,所以其本质就是不同层次的物理背景和物理对象的相互联系、相互作用和相互转化。
  所谓物理背景就是我们通常所说的物理空间,是由各种不同层次的粒子分别构成的。比如,水分子形成水,是鱼 的物理背景,气体分子构成空气是鸟儿 飞翔的载体。
  所谓物理对象就是物质,其本质是由运动的粒子形成的封闭体系,形象地说就是空间的聚集体。
  比如,原子的体积是由电子的高速运动形成的封闭体系,原子内部的空间是非常空旷的。如果我们把原子放大到地球 的尺寸,那么构成原子的各种基本粒子的体积之和不会超过高尔夫球的大小。
  在各种不同层次的空间中,粒子越小的空间越基本,其所影响的范围就越广泛。因此,最为本底的空间,就是由不可再分的最小粒子即由普朗克常数h定义的量子所构成的量子空间。
  所以,任何物体的运动都会引起空间量子的不对称碰撞 ,从而引起量子空间的对称性破缺。于是,物体的运动,会受到量子空间的影响与束缚。
  于是,量子空间就好比是一个无形的弹簧,物体的运动会产生两种不同形式的能量。其一是相对于自身的动能,其二是相对于量子空间的势能。
  低速时,物体的能量变化以动能为主;高速时,其能量的增减则主要是势能的变化。这就是为什么高速的物体具有速度不变性的原因,其能量的参变量由速度改为频率或其倒数弛豫时间。
  光子是受到激发的量子,正是由于光子是最小的粒子,所以光子在量子空间受到的束缚最小,需要最高的速度来维持其相对于量子空间的势能。
  反观宏观物质,一方面其受到量子空间的影响较大,在其达到光速之前就会产生极大的阻力;另一方面,物质是由量子构成的封闭体系,面对巨大的空间压强,物质会在其速度达到光速之前就逐层解体,直至还原为光子。这就是为什么,任何物体都无法达到光速的原因。
  综上所述,作为封闭体系的飞船是无法达到光速的,在飞船上的乘客更是不可能迈开双脚前进的。因为,即便是乘客在巨大的压力下还能存活,其双脚 也会被量子空间所束缚而动弹不得。
  因此,由于物体并非实体,由于量子空间的存在,任何物体包括飞船和乘客,都无法超过光速,会受到量子空间的影响与束缚。这就好比一个人跳水,低速时轻而易举,高速时则会粉身碎骨。
  如果有人在光速飞船上跑步,那他的速度会超过光速吗?这是否打破了爱因斯坦所说的光速最快理论?
  类似这样的问题还有很多,人们无非就是想找出超光速的反例,以此来推翻爱因斯坦的相对论。但事与愿违,超光速反例都是无法成立的,爱因斯坦的相对论始终有效。对爱因斯坦的理论没有理解爱因斯坦对于光速的描述。
  首先,速度是一种相对的概念。相对于飞船而言,飞船上跑步者的速度肯定不会超光速,而只是跑步的速度。但即便相对于地面而言,跑步者的速度也不会超光速,而是还为光速。那么,为什么跑步者的速度不受跑步速度加上光速呢?而是还会等于光速这样奇怪的结果呢?
  事实上,我们在生活中所使用的速度叠加方法只是相对论的近似,在速度远低于光速的情况下可以使用,但无法在接近光速或者达到光速之时使用。在亚光速和光速的情况下,相对论给出的速度叠加公式如下:
  可以看到,上述公式比我们所熟知的公式多出了一个1/(1+uv/c^2)因子。在速度远低于光速之时,uv/c^2趋向于0,该因子趋向于1,所以速度叠加公式就变成了我们熟悉的形式:w u+v。
  举个例子,如果飞船相对于地面的速度为100米/秒,飞船上的人以10米/秒的速度奔跑,那么,飞船上的人相对于地面的速度为110米/秒。用狭义相对论算出的结果约为109.999999999998776米/秒,这只比近似值小了0.000000000001224%。即便在精度要求极高的航天领域,也可以忽略如此微小的误差。
  然而,如果涉及到亚光速和光速运动,就只能利用相对论。假设飞船的速度为光速80%(0.8c),飞船上向前发射出速度为光速30%(0.3c)的石头,那么,石头相对于地面的速度不是w=0.8c+0.3c=1.1c>c,而是w=(0.8c+0.3c)/(1+0.8c·0.3c/c^2) 0.887c
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