爱因斯坦的相对论早已家喻户晓。或许你不太能理解相对论,但你肯定听说过。
而相对论中有一个非常重要的思想:光速极限。也就是说,光速不可超越,是宇宙速度极限(信息传播速度极限)。
那么,为什么说光速是宇宙速度的极限?为什么光速不能被超越呢?
肯定有非常专业的书籍给予解释,但通常会涉及到晦涩难懂的公式。这里就尽量通俗地来解答一下。
通俗,意味着不可避免地会出现不太严谨的地方,请大家谅解。
简单来说,光速不可超越是实验发现的。
相对速度大家都能理解,上过小学都能明白。
最简单的,我俩同时以5米每秒的速度反向奔跑,相对速度就是10米每秒,地球人都知道。
而光速不可超越恰恰是通过相对速度发现的。
具体来讲是这样的。
我们都知道,地球在不停地自转。在日出时,实际上我们在朝着太阳的方向运动。相反,日落时地球在不断地远离太阳。
太阳一直在发光,如果我们把太阳光看做一颗颗子弹,很容易得出以下结论。
日出时,由于地球朝着太阳运动,太阳光“子弹”的速度会变快。反之,日落时地球远离太阳运动,太阳光的速度会变慢。
这样的结果非常符合我们的日常生活认知。
一百多年前的20世纪初,有科学家确实做了这个实验,但结果让人完全意想不到。
两次测量到的太阳光速度完全一样,而且这个速度就是光速!
这说明什么?把这样的测量结果放在现实生活中,还拿一开始我俩奔跑的例子来说,就等于说是这样的:
你我两人逆向奔跑,速度都是5米每秒。然后再以同样的速度同向奔跑,结果我们两人的两对速度都是一样的。
你会是什么感受?会不会说“数学是体育老师教的?”
但事实摆在那里,对于太阳光来说,确实如此,我们不得不承认,尽管测量结果的确让人匪夷所思。
当时的科学家对于这个结果也是坚决不承认(换作谁也都不会承认,毕竟根深蒂固的绝对时空观影响如此深远),他们认为一定是实验过程出了什么纰漏,但反复测量结果仍旧如此。
科学家们甚至最后提出一种“绝对参照系”来迎合离奇的实验结果,这个绝对参照系就是“以太”。
但后来发现以太的出现,不但没能解决实际问题,反而带来更多的麻烦。
这时候,一位名不见经传的瑞士专利局职员发表了一篇论文。
论文指出,既然你们已经发现了无论如何测量光速都是不变的,何不直接假设光速就是不变的,在任何参照系下,光速都是不变的。
这位职员就是爱因斯坦,他用“奥卡姆剃刀”一下把以太“咔擦”掉了,由此相对论开始横空出世。
光速不变,意味着很多,绝不仅仅是“光速在任何参照系中不变”那么简单。下面就举一个简单通俗的例子。
我打开手电筒,在我眼里手电筒的光线飞行速度是C。
在我打开手电筒的同时,假设你和光线(手电筒的光线)同时飞行,你的速度是1/2光速。
根据光速不变原理,你眼里的光线速度也是光速C。
如果我看到光线飞行了2公里,很容易算出你飞行了1千米。那么在我眼里,你看到的光子飞行了多远呢?
由于在我眼里,你和光线是同向飞行,相对速度是1/2,当然在我眼里你会看到光子飞行了1千米。(注意我多次强调的“在我眼里”)
根据光速不变原理,2公里除以我的时间=1公里除以你的时间,而且两者都等于光速。
很明显,上面的等式想要成立,我的时间必须要比你的时间更快。也就是说,你的时间相对我来说变慢了!
这就是钟慢效应的通俗解读。不需要复杂的公式推导,也不需要高等数学。(正如我刚开始所说,通俗的东西通常不太严谨。刚才我的推导过程却是不太严谨,至于为什么先留个悬念)
肯定会有人提出这样的疑问,刚才我举的例子中,为何要多次强调“在我眼里”,主要是明确一个参照系,不然的话,来回切换参照系,会变得非常复杂,而且容易出错,很多人不理解相对论,很大一部分原因就是不由自主地来回切换参照系,而他自己浑然不知。
还拿刚才我举的例子来说,“在我眼里”你会看到光子飞行了1千米,但是根据光速不变原理,“在你眼里”光线飞行了2千米,,两者并不矛盾,因为你和我是两个完全不同的参照系。
这里需要再强调一下,为什么叫“相对论”?就是因为没有所谓的“绝对参照系”,每个参照系都是等价的,也是平等的。而且在每个惯性参照系中,一切物理定律都成立,每个参照系测量到的光速都是一样的。
说白了,在任何参照系下(广义相对论的推广,把惯性参照系推广到一切参照系),任何物理定律和实验都能得到相同的结果。
正如刚才的例子,我是以“我”为参照系来分析的,当然你完全可以用“你”为参照系来分析,没有问题,但结果还是一样的,具体分析过程不再详述,有兴趣的朋友可以试试看。
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