沒有靜止品質的物質以光速執行,比如光子,又比如電磁波。
光速就是宇宙中最快的速度。而擁有靜止品質的物質,不論品質大小,都無法達到光速。只要通過質能方程進行簡單的計算就可以切身領略其中的緣由。有品質的物體隨著運動速度的增加,慣性品質會隨之提升,而慣性品質就等效於引力品質,品質增大了,繼續加速所需要的能量也就隨之增大,而隨著速度接近於光速,物體的品質會趨近於無窮大,而繼續加速所需要的能量也就趨近於無窮大。
在宇宙間無法獲得無窮大的能量,所以自然也就不可能把一個具有靜止品質的物體加速到光速。光速不可超越,可如果我們能夠製造兩艘0.6倍光速的飛船,讓它們相對飛行,它們的相對速度是否能夠超越光速呢?
一道數學題有兩艘0.6倍光速的飛船相對飛行,它們的相對速度是多少?這似乎是一道非常簡單的數學題,0.6+0.6=1.2,答案就是1.2倍光速。這個計算方法似乎沒有錯,但是得出的結果卻是令人驚訝的,眾所周知光速不可超越,為什麼會得出一個1.2倍光速的答案呢?其實問題還是出在計算上。
如果是在巨集觀低速環境之下,兩輛單車或者汽車的相對行駛,的確可以使用這種簡單的加法來進行計算,但如果速度達到了0.6倍光速,問題就截然不同了。0.6倍光速飛行的飛船並不屬於巨集觀低速環境,所以不能使用經典物理對於速度的認知來進行計算,本質上這是一個相對論問題,而當我們將這個問題帶入到相對論公式之中,便能夠得出截然不同的計算結果。
首先,給出計算相關問題的相對論公式:V’=V-U/1-VU/C∧2。
在這個公式之中,等號左邊的V’代表的是兩艘飛船的相對速度,也就是我們所要求的答案。在等號的右邊,V代表了第一艘飛船相對於地球的速率,而U代表了第二艘飛船相對於地球的速率,C是恆定不變的光速,顯然,按照這個公式最終求得的資料並沒有超越光速。
而且有趣的是,不論我們將兩艘飛船的速度如何更改,所得的結果都不會超越光速,比如我們將兩艘飛船的速度提高到0.8倍光速,那麼所得的結果也不過是0.98倍光速,甚至於我們將兩艘飛船的速度都提高到0.99倍光速,所得的結果仍然不足1倍光速,我們知道,相對論公式所得出的結果是正確的,光速不可超越。
恆定不變的光速
為什麼兩艘速度為0.6倍光速的飛船相對飛行,它們的相對速度卻沒有超過光速呢?這還要從光速恆定不變說起。光速恆定不變是一個已經被實驗證實的事實,而證實光速恆定不變的實驗就是著名的邁克爾遜莫雷實驗。光速在任何一個方向上都是恆定的,而且光速相對於任何參考系而言都是恆定不變的。
舉例,我們在一輛行駛的列車上向行駛的方向開啟手電筒,此時手電筒中發出的光相對於列車而言,速度是每秒299792458米。還是這個手電筒中所照射出的光,相對於鐵道旁一個靜止的觀察者而言,它的速度依然是每秒299792458米,而並不是299792458加上列車的行駛速度。為什麼會這樣呢?因為列車在高速運動中,列車上的時間流逝速度變慢了。
列車上的時間流逝速度雖然變慢了,但由於列車本身的行駛速度太慢,所以時間流逝速度的變化不易察覺。
如果我們能夠乘上一艘十分之一光速的飛船,那麼便能夠清晰地感覺到飛船內時間與飛船外時間流逝速度的差距。現在我們雖然無法制造十分之一光速的宇宙飛船,但是利用高速運動的輕子所進行的鐘慢效應實驗已經充分證明了這一點。
現在,我們可以回到剛才的問題上來了,兩艘飛船的速度的確都是0.6倍光速,表面上看起來似乎相對速度的確應該是1.2倍光速,但相對論公式計算所得出的結果卻並沒有超過一倍光速,原因就在於飛船上的時間流逝速度變慢了,而飛船的飛行速度越快,其時間流逝速度就越慢,所以即使兩艘飛船都達到了0.99倍光速,相對速度仍然無法達到1倍光速。