03.08 如果未来人造出了光速飞船,那么在飞船上向前扔出一个苹果,那个苹果超越光速了吗?

我想你了远处的你


一百多年前,爱因斯坦还是是个16岁的少年时,就在思考如果一个人能和光速一起跑,会看到什么现象。

而现在的民科们还只能用经典物理的葫芦来画相对论的瓢,提出一些小学生脑筋急转弯,貌似很机灵的问题来反对相对论:

人类为什么不发射一艘宇宙飞船,使它在宇宙中的速度无限接近光速,以此来证明相对论。根据相对论,物体运动速度不能超越光速,如果两个飞船向相反的方向以光速飞行,那相互的速度是否超光速了呢?

以上这些问题,不但没有少年爱因斯坦有想象力,更是缺乏基本的科学常识。

狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的,它是建立光速不变原理和相对性原理之上的。

在任何惯性参考系中,真空的光速是不变的,光速是运动物体的极限速度。光速的问题最容易回答,光速与光源的速度无无关。

然而,爱因斯坦还指出,时间是会骗人的,在不同参考系,时间是相对的。这些在当时大部分科学家都无法理解的,当然后来,随着各种实验验证,相对论被证明是人类认识世界最杰出的成就之一。


量子实验室



先看一下上面的公式,并不难,它就是洛伦兹变换的数学公式,简单说,u和v是两个物体的速度,w是两物体的相对速度,c就是光速。洛伦兹变换是用来描述亚光速世界下的相对速度!

而在我们生活的低速世界,用不到如此精确的洛伦兹变换,只需要用伽利略变换就可以了,什么是伽利略变换?上过小学的都知道,就是上面公式的简化:w=u+v!

说白了,伽利略变换就是洛伦兹变换的特例,在低速世界的近似值!当速度达到亚光速,伽利略变换的误差就会非常大,不再适用!

而从洛伦兹变换的公式中可以清楚地看出,无论u和v怎么变化,最终的w都不可能超越光速,只能无限接近光速!所以问题中的苹果无论如何不能超越光速,所谓的超越只是我们用牛顿的绝对时空观思考问题的结果,殊不知我们所在的时空并不是绝对的,而是相对的!

速度和引力都会影响周围时空,光速不可超越,即使是相对速度也是如此,这也说明了时间和空间在变,所以会影响速度,因说明了,时间,空间,速度(还有引力)都是相互关联的,并不像我们低速世界感受的那样时间是绝对的,只是这种相对性太不明显了,完全可以忽略不计!


宇宙探索



即使你在光速飞船上扔个苹果,那个苹果也不会超光速,目前只有宇宙的膨胀速度超越了光速,还有一个就是量子纠缠。

现在的问题不是那个苹果有没有超光速,问题是你在光速飞船上怎么把苹果给扔出去。当你达到光速,即使给你几亿年的时间,几亿年这些时间也不够你把苹果扔出去。因为在一个人达到光速的同时,这个人的时间也就停止了。

我们没有办法将物体加速到光速的,这个效应在爱因斯坦的质能方程中提到过,即一个拥有静态质量的物质不可能超越光速,因为加速有静态质量的物质会使得该物质的质量变大,加速度越大则质量越大。

这意味着一个拥有静态质量的物质要想加速到光速就得需要无限大的能量。而光之所以可以达到光速,是因为光没有静态的质量,光生来就是光速,在宇宙中流荡,它是以一种能量的形式存在的。

那么在爱因斯坦的相对论中还提到过一个比较高深的效应,那就是相对时间。这个效应讲诉了在一个引力强大的地方,时间段会被拉长,进而使得时间变慢。


在引力越大的地方时间就会越慢,放到现实中,就比如说地球上的时间和外太空卫星上的时间是不一样的,卫星上的时间明天都会比地球上的时间要快38毫秒。因此地球和卫星两者的时间需要不断的校正。在宇宙中两个引力相隔较大的地方,真的会出现“天上一天,地上一年”的说法。

假设我们可以把飞船加速到光速,速度越快质量越大,那么在这个飞船加速达到光速的时候,质量就已经变得无限大了。质量越大引力越大,引力越大时间越慢。无限大的质量,无限大的引力。无限大的引力,无限慢的时间。
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由于狭义相对论的前提是真空光速不变,并且据此推论出真空中(以下所有讨论均为真空条件下)光速是物体运动的极限速度,所以总有人提出各种奇葩方法来企图超光速,也有企图找狭义相对论BUG的,比如这个问题。

然而狭义相对论早就对此给出明确的答案了,只是有些人没看明白。

按照狭义相对论,有质量物体不能通过加速达到光速,任何物质粒子它要么一本来就光速,要么永远达不到光速,后来又提出第三种可能,就是一开始就高于光速,但永远不可能降低到光速。

本来就是光速的物质粒子静止质量一定严格为0,只有这样,它才能达到光速,并且只能是光速。

存在静止质量的物质粒子必然低于光速,并且由于时间膨胀和质量膨胀的相对论效应,将永远不可能加速到光速。

一开始就是光速的物质粒子质量必然为虚数,只能高于光速运动,并且同样由于相对论效应,将永远无法减速到光速。



所以答案已经很明确,光速飞船是不可能的,因为飞船有质量。好吧,假设飞船没质量,人也没质量,苹果也没质量……都光速运动……根据狭义相对论,飞船上的时间停止了……时间停止了人就没法扔苹果了,因为你没时间扔……

狭义相对论是个逻辑自洽、数学自洽、通过实验验证的物理理论,是不可能通过简单的逻辑就找出毛病的,狭义相对论提出一百多年以来,科学地位稳如泰山,即使后面出现的诡异的量子力学都不能动摇它分毫,甚至它都成了量子力学的试金石,比如爱因斯坦等人提出的EPR佯谬就是通过违背狭义相对论的假象来挑战哥本哈根学派的量子力学。若果量子力学违反狭义相对论,它就可能是不正确的。事实上最终量子力学与狭义相对论相统一了,这是量子力学奠基人之一狄拉克完成的,也就是现在的量子力学里是包含了狭义相对论的,狭义相对论的江湖地位可见一斑。


星宇飘零2099


这个误区已经解释过很多次了,既然有这种误区的人还很多,就再简单说一下。

爱因斯坦狭义相对论的基础,就是建立在光速恒定基础上的,没有这一点,相对论就没有基础,就会倒塌。

现在网络上有很多这样的比喻,认为可以推翻相对论。比较典型的就是:两束光对射,岂不是光速的两倍?在汽车上射出的光,就因该在光速上加上汽车速度,也超过了光速;太空船上射出的光要加上太空船的速度,比光速就更快了;这个题目竟发明了光速飞船,还奇葩的在飞船上向前扔一个苹果,那个苹果就比光速快了。

这是这些设想里最没有想象力的差想了,不要说在光速飞船上,就是在高速行进的高铁上,你往前扔出的苹果不砸到你的脸才怪呢。

当然我这样说并不是否认低速状态下,速度不能叠加,但在高速状态下速度是不能叠加的,这是相对论的基本精神。

速度能够叠加是牛顿经典力学在低速状态下的近似值,因为时间和空间的相对论效应,在高速状态下如果还用绝对时空观的理论来套的话,就会出现较大的偏差。而相对论就是修正了这种偏差。

相对论认为光速是一个常数,就是在真空中传播速度为299792458m/s,这种速度无论在什么惯性参照系中观测都是恒定的,是绝对的,不是相对的,即使两束光速叠加也还是等于光速,不会等于光速的2倍。

计算低速状态下的速度可以叠加,适用于古典力学中的伽利略变换,表示为:C+C=2C;

由于高速状态下的相对论效应,如果再用伽利略变换就是错误的,而适用于洛伦兹变换,表示为:u=(u'+v)/[1+u'(v/c^2)]

说明:u’是物体1相对于参考系(就是观查者)的速度;v是物体2的速度(同上)那么u就是物体1相对于2的速度。

如果真的可以叠加,根本不需要做这种光速飞船的思维实验,在现实中光速叠加的现象比比皆是。

如距离我们250万光年的仙女座星系正在向我们高速奔来,时速达到百万公里以上,那我们看到的光不就是在光速上叠加秒速数百公里了吗,比你扔一个烂苹果要快多少?

如果能够叠加,那所有天体我们将无法测算,因为所有的天体都在运动。地球每秒公转线速度30公里,太阳每秒公转线速度250公里,银河系也在围绕着室女座超星系团核心运行,速度又比太阳公转线速度大多了,光速怎么测算?


光速不能超越,也不能叠加,但速度可以使光波受到压缩或者拉伸,表现出来的就是光谱红移或者蓝移。

如果光源高速向我们靠拢,我们就可以看到光谱超蓝色方向移动;反之,我们就可以看到光谱向红方移动。这就是蓝移或红移,根据蓝衣或红移量,科学家们就可以测算出这个天体离开或靠近我们的速度。

比如仙女座星系的光谱肯定就是蓝移,我们知道它正在向我们移动,并且时速达到百万公里。但它发出的光还是每秒30万公理。

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无法做超光速的实验,所有实验都是理论层面上的思想试验。

比如光速飞船上扔一个苹果:一不可能制造光速飞船。二光速飞船上无法投掷平果,甚至发射比光速低的子弹也不行。因为你发射的子弹未脱离枪口就被光速飞船追上,你在光速飞船发射的子弹一定要超光速才能发射得出去,但发射超光速的子弹需要无穷大的能量人类永远无法做到。有人说,在光速飞船发射亮光,那不是超光速了吗?也不行,因为飞船也是光速,你飞射的亮光只与飞船同速,发射的亮光只与飞船同步。

又有人说,由于宇宙膨胀超光速,有些星系之间会有以超光速分离,如果这两星系之中有一个星球上有一个人向分离方向扔一个苹果,是不是超了光速?如果这个星球上的人有能力把一个苹果扔出他所在的星系,那么还真超了光速。就比如由于宇宙膨胀关系,太阳系与某星系以超光速分离,任何人在地球上把苹果扔出太阳系就是超光速,但是,人类目前无法做到,甚至发射的激光也不能射出太阳系。

结论:光不可超越,不能叠加,只可以同步。


自由媒体



现在人确实制造不出光速飞船来 ,按现在的认识,未来也不会制造出来,所以这个“如果”也不能轻易使用,不过未来的事谁有能真知道呢?

按现在的理解,有静质量的物体是很难达到光速的,这是因为质量的相对论效应,物体随着接近光速,质量会变成无穷大,理论上需要无穷的能量才能推动物体达到光速。至于变成光速会啥样,相对论并没有解释,这倒不是超出相对论的适用范围,而是相对论的一个原理限制――光速不变原理。光速不变原理说的是光在真空中的传播速度对于任何参考系是不变的,与观察者和光源的运动状态都无关。光对任何参考系,哪怕是个光速飞船,它的速度也是不变的。就是说只要有无穷的能量(这可能吗?),你可以达到光速,但是光对于这个光速物体仍然是光速。

相对论是关于时空的理论,“非时空”不是相对论的范围。下面我们在时空范围应用相对论,而在“非时空”中应用别的理论分别回答这个问题。

相对论的回答――光速不变原理的永恒


在未来人不知用什么方法造出了光速飞船的前提下,在光速飞船这个参考系中,扔出苹果的速度并没有超光速,离着光速差的太远,而光对于这个苹果的速度仍然是光速。这个结果与飞船系统静止于地面时的实验结果是一样的。那苹果相对于静止的地面是多少速度呢?答案是光速,并没有超光速。在地面的观察者看来这个光速飞船和飞船上的苹果已经成为“光”了,这些光的时间停止了。从这个意义上讲,时间停止了,又怎么会发生扔苹果的事件?因此无论是飞船还是苹果、还是飞船发出的光,对于地面来说没有区别,在地面看到的只是几束光而已。




“非时空”推广理论的回答

而实际上在光速飞船达到光速的那一刻,宇宙时空对于这个飞船来说崩塌了(这么高的能量怎么能不塌?),飞船脱离时空,从这个宇宙消失了,这时哪里还有什么苹果?哪里还有“扔苹果”这一说法?哪里还有苹果超光速的问题?因为时间和空间都没有了。注意这里是时间和空间都不存在了,并不是静止。在这一点上,是对相对论模糊地方的明确。

最后的常规回答

上面的回答都是基于一个前提,就是未来人已经找到办法,解决了达到光速需要的能量问题。或者是已经用事实推翻了现有认识,创立了新的理论。也就是说是达到光速的回答。但这些都是未来的,都是没有任何根据和端倪而对未来的猜测,是凭空的臆想。而相比之下现有理论的正确被严格证明,光速难以达到,当然也制造不出光速飞船,并且理论上也认为制造不了,这是对未来非常确定的预测。因此不考虑这些不着边际的未来因素,实际上这个问题很好回答:不存在光速飞船,那在亚光速飞船上扔苹果在地面看来,质量巨大的苹果前方的时空极度弯曲,速度尽管比飞船快,但仍然达不到光速,且后继乏力,再也难以增速。


物原爱牛毛1


既然都要探讨高速的情况,为什么还要用宏观世界的速度叠加公式?

尺度是不一样

我们平时生活的世界是一个宏观低速的世界。而题主说的这个问题其实都涉及到了高速的世界,所以宏观低速的物理结论也就不再适用了,也就是说,不可以简单的速度叠加。而是要用适用于高速世界的相对论速度变换公式。

其中,v=c,u就是扔出苹果的速度,w就是苹果的速度。

带入一算,我们就知道,苹果的速度还是c,所以并没有超光速。

所以,我们在用到物理理论和相对应的公式时,要弄清楚这个理论的前提假设条件,并不是可以拿牛顿力学来解释所有的尺度。如果你拿牛顿力学理论去适配微观世界,同样还会发现很大的误差。

光速飞船

其次,这里要强调一下,实际上,按照相对论的说法,光速飞船是不可能存在的,因为要把飞船加速到光速需要的能量是无限大的,如果哪一天真的做到了,那相对论就可能会有问题了。


钟铭聊科学


当你达到光速的时候你不可能拿起一个苹果来扔,此时苹果的直接是接近于无穷大的,给你个起重机也不行


葛咯达


尽量简单:当速度达到接近光速的时候,计算速度值不是用加法的,而必须使用速度变换公式(特么的头条怎么打公式啊……)。

这个公式里,你扔出去的苹果也小于等于光速的。


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