先簡單地介紹一下狹義相對論(狹義相對論確實是可以很簡單地就介紹清楚的)。
先從伽利略變換說起。我在地面上花1秒鐘走了1米,在時空平面上,對應(yīng)(1,1)這個矢量,這是以地面做參照系。如果以我自己做參照系,剛才的物理過程是怎樣的呢?由于以自身做參照系速度為0,所以(1,1)這個矢量變成了(1,0)。如下圖所示:
幾點說明:
1、由于從地面參照系變換到我自身的參照系,時間不變,變化的只是空間,所以時空矢量變換時,是沿著直線變換的。
2、空間的相對性,可以用下式表示:1=0,同樣一個物理過程,對地面來說的1米長的空間,對于我來說是0米長的。容易知道,如果再換一個參照系,原先對地面來說1米的空間距離,還可以變?yōu)?1米,1=0=-1。
所以伽利略變換,基本可以用一句話來概述:“變換參照系時,時空矢量沿著直線變換。”
想明白這點,狹義相對論現(xiàn)在用一句話就能說清楚了:“變換參照系時,時空矢量沿著雙曲線變換?!?如圖:
幾點說明:
0、為什么是雙曲線?沒人知道,我也疑惑上帝當年設(shè)計宇宙時為什么不選擇簡單的直線,而是選擇了數(shù)學上更為復雜的雙曲線。愛因斯坦只是發(fā)現(xiàn)了這個結(jié)果而已,還沒人知道為什么是這樣一個結(jié)果。
1、相對論的內(nèi)核是簡單的,原因就在,從伽利略時空到相對論時空,只是直線變成了雙曲線而已,并沒有太多的不一樣。伽利略時空是容易理解的,所以相對論理解起來也是容易的。
2、相對論的問題在于市面上通常的相對論科普,諸如時間變慢,動尺縮短,質(zhì)量膨脹等概念,這些概念都沒有觸及相對論的簡單的核心,而是把一些細枝末節(jié)的東西給復雜化了,從而導致人們很難理解相對論。
3、原先在伽利略變換下,空間有如下性質(zhì):1=0=-1,現(xiàn)在相對論把時間變得跟空間一樣了,也有如下性質(zhì):1=0=-1,圖像參考第二張雙曲圖。物理含義是:對于你來說同時發(fā)生的2件事情(0),對另一個人來說可能是先后發(fā)生的(1),再換一個人,也可能是后先發(fā)生的(-1)??臻g的相對性,普通人是很容易理解的,現(xiàn)在無非是把時間變得跟空間一樣了而已,并沒有理解上的困難。
4、第一張雙曲圖,能明顯看出相對論時空跟當年牛頓時空的區(qū)別,由于是雙曲線,所以變換參照系時,時間也跟著變化了。以自身做參照系,速度為0時,明顯時間是最短的。
5、雙曲線有漸近線(圖中虛線),這個就是真空中光的路徑,變換參照系時,漸近線上的點依然在漸近線上,所以光速不變。
介紹完狹義相對論,最后回到正題:
1、從第一張雙曲圖能看出,如果你的速度最開始低于光速,那么做參照系變換時,由于是沿著雙曲線進行變換,所以速度永遠無法跨越雙曲線的漸近線,也就是無法超越光速。
2、從第二張雙曲圖也容易看出,如果你的速度最開始高于光速,那么做參照系變換時,由于是沿著雙曲線進行變換,所以速度也永遠無法跨越雙曲線的漸近線,也就是無法低于光速。
3、當然,如果不是變換參照系,而是通過給物體不停地增加能量,是否能超越光速呢?這個問題需要用到動量守恒定律,需要點數(shù)學。假設(shè)光速C=1,一個物體在時空中的動量矢量是(a,b),其中a大于b,運動速度=b/a,小于1,而光的動量是(c,c),用光給物體加速,假設(shè)全部吸收,加速后的動量是(a+c,b+c),容易知道,加速后的速度還是小于1的;但是基本粒子,c是不能全部吸收的,但不管c吸收多少,新的動量矢量(a',b')跟老的動量矢量(a,,b)在同一個雙曲線上(為什么?這個倒是可以說清楚的。因為基本粒子的質(zhì)量在運動中保持不變,而a跟b的平方差就是質(zhì)量的平方,正因此才會在同一條雙曲線上。忘記相對論中那個荒謬的動質(zhì)量跟荒唐的E = mc2吧。)所以運動速度自然也不會超越光速。
說了這么多,速度的極限是光速嗎?我個人觀點是否定的。因為并沒有合適的理由限制超光速粒子的存在。
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