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多少次科普狹義相對論,沒學過的聽者的最後結果大多還是不明白,希望這次不一樣。

首先,想象這個世界,速度是否可以無限大?我們知道,無限大在數學上都是一個BUG級存在,在客觀世界裡,應該是不可能,現代物理給我們歸納了,世界上存在四大作用力,只有電磁力和萬有引力是長程力,

我們現實生活中接觸到的力絕大部分都是電磁力, 電磁力的傳播依靠電磁場,電磁場,電磁波,光子,差不多就是同一種東西,電子在原子軌道上躍遷就能發出光子,電子還是那個電子,損失的只是一點能量,所以光子就是一份能量,容易想象,光子在真空中的速度或許就是宇宙中最快的速度。我們眼裡的世界要成為世界,依靠電磁力,任何實體的速度就不可能超過傳遞電磁力的速度即光子的速度。

光在真空中的速度大約30萬公里每秒,這個速度就是我們實體的天花板,永遠可望不可及。

然後,我們又知道,速度是相對的,還可以疊加,比如你的步行速度是5米每秒,那麼你在高速火車上步行,在地面上的人看來,步行人的速度是火車速度和人步行速度的疊加,假如同向,火車速度100米每秒,容易知道,在地面上的觀察者看來,你的速度是105米每秒。

然後問題來了,如果在火車上的人向車頭方向發出一束光,他測量該束光的速度是30萬公里每秒,那麼在地面的人看來,這束光的速度是否還是像前面那樣疊加?變成(30萬公里+100米)每秒?

如果是, 那麼前面說的“光在真空中的速度大約30萬公里每秒,這個速度就是我們實體的天花板,永遠可望不可及”又是什麼,這麼快就自己打自己的臉?

所以,在地面上的人看來,該束光的速度必須也是30萬公里每秒,好了,這就是光速不變假設,也就是光速與參照系無關,在地面參照系和火車參照系上看來,光速是一樣的。

容易想到,速度直接疊加的公式肯定有問題,也就是前面的105米每秒,只能是近似成立。

我們只需要這樣考慮,假如火車速度是0.5c,火車上發出一束光,其速度是1c,在地面觀察者看來,這個0.5c和1c的速度疊加,按公式計算,結果必須還是1c

再多設想幾個場景,火車上發射一個0.5c的子彈,在火車上測量子彈的速度是0.5c,那麼在地面上測量,該子彈的速度是多少?可不要再說是0.5c+0.5c=1c,子彈有靜止質量,是達不到光速的,只有光子這種靜止質量為0的粒子才能達到光速。容易想象,這個速度疊加公式是一個非線性函式,0.5c疊加0.5c的結果會是一個接近光速的數值。(0.8c)

粗略概括,這個速度疊加,大概就是,在低速端,近似等於二者直接相加,但肯定是小於二者相加,也就是前面例子的105是不對的,實際結果是104.9999之類

在高速端,二者速度無論怎麼疊加都只會更靠近光速。比如0.9c疊加0.9c結果是0.99c之類

(嚴謹起見,實際計算了一下這兩個例子的結果,分別是104.9999999999994,0.9945c)

光速恆定,那麼時間就是相對的

這一步的推導相對簡單,只要用愛因斯坦的那個光子鍾概念,網路上很容易搜尋到相關資料。

相對論最搞亂普通人思維的地方在於,我相對你運動,你覺得我的時鐘慢了,我覺得你的時鐘慢了,其實,站在上帝視角,答案始終只有一個,並且可能和你我的答案都不同。

簡而言之,你覺得我的時鐘慢了,前提條件是以你為參照系,即假設你是靜止的。

我覺得你的時鐘慢了,前提條件是以我為參照系,即假設我是靜止的。

真實的場景,大機率,你我都不是靜止的

飛機攜帶原子鐘的測試結果,無論向東還是向西飛,飛回原地的對鍾結果,都不是簡單的以地球為靜止就能得到答案。

愛因斯坦

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