深层解读:速度超越光速就能回到过去?( 三 )


现在 , 似乎终于有充分的理由可以做出假设:速度超过光速 , 时间将会倒流 。 如果单个物体的运动速度超过光速 , 那么在某些观察者看来 , 它的运动确实有可能是逆向于时间的 。 或者说 , 有人会看到 , 物体的一切速度的方向 , 都彻底地反转了过来 。 而且在理论上 , 运动者自己也有可能会看到反射自较早时候的光 , 甚至是自己开始超光速运动之前的光 。
这就是“速度超过光速能回到过去”这种说法的来历 。
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然而 , 这个说法存在一个根本的问题:物体的速度可以超过光速吗?
*下面的内容可能需要初中数学知识 。
“洛伦兹变换”(Lorentz transformation)是一个物理学术语 , 它描述了时空因物体的运动 , 而在不同的观察者眼中显现出来的变化的关系 。 这种变化的系数 , 被称作“洛伦兹因子”(Lorentz factor) , 与物体的速度有关 。 上面是它的图像 。
* 下面是它的方程:
γ(伽马)是“洛伦兹因子” , 表示为图上蓝色的曲线 。 v是物体在惯性参考系(匀速运动)中的相对速度 。 c是真空中的光速 。
作为参考 , 以下是洛伦兹因子的简易推导过程及其物理意义:
火车的行驶速度是 v , 光源与镜子之间的距离是 W , 大方框代表车厢
假设行驶中的火车车厢里有一面镜子和一个光源 , 车厢内有一个观察者 , 车外的站台上也有一个观察者 。 在车厢内的观察者开启光源的同时 , 两个观察者开始计时 。 光射向镜子后又被反射回来 , 当光重返光源处时 , 两个观察者停止计时;由于光速 c 不变 , 站台上的观察者看到光沿其轨迹传播的速度也应该是 c , 而且由于车在运动 , 所以从车外看 , 光的传播轨迹是斜线;设火车的速度是 v , 利用勾股定理 , 三角形的第二条直角边 , 也就是火车外的观察者所见的光向镜子的传播速度是: √(c^2-v^2);光源与镜子之间的距离是 W , 如此 , 在站台上的观察者看来 , 车内的光在光源与镜子之间走一个来回用的时间 Tm 就是:2W/√(c^2-v^2);设飞船内的人所见的光走一个来回所花时间是 Ts , 可以得出:2W=c*Ts;如果用 c*Ts 替换 2W , 再代入到 Tm 的公式中 , 便能够得到:Tm=(c*Ts)/√(c^2-v^2) , 整理 c 后即:Tm=Ts/√(1-(v/c)^2) 。 洛伦兹 γ 也就是:1/√(1-(v/c)^2) 。
可以看到 , 在速度(横轴)达到90%的光速c时 , 因子(纵轴)为约2.294 。 它的实际意义在于:当物体达到90%的光速的速度的时候 , 1. 它的长度比不动时缩短了2.294倍 。 2. 它的1年时间相当于静止的观察者的2.294年 。 3. 它的质量变成了原来的2.294倍 , 再继续加速的难度陡然增加 。
请注意图像的特点 , 当速度快要接近光速c的时候(大概在超过90%的光速时) , 因子(加速的难度)突然大幅度上升 , 趋近于无穷大 , 但速度却永远也达不到光速 。 如果把一个大于或等于光速的速度代入公式 , 计算出来的因子要么不是一个实数(根号内的数字为负数) , 要么无法被定义(分母为零) 。 这意味着:要把一个有质量的物体加速到光速 , 需要无穷大的能量(来带动它逐渐趋于无穷大的质量) , 然而“无穷大的能量”是不存在的 , 所以我们无法将一个有质量的物体以任何方式加速到光速 。 换句话说:速度无法超过光速 , 甚至无法达到光速 , 只能无限趋近 。
由于在理论上 , 物体的速度没有办法超过光速 , 所以“速度超过光速 , 时间将会倒流(回到过去)”这种说法的前提不能达成 , 无法再继续讨论结论的对错了 。
很多人不太理解一个问题 , 如果两个观察者都以0.51倍的光速逆向而行的话 , 那么其中任意一个观察者是否将看到另一观察者的速度超过了光速? 答案一定是否定的 。 日常生活中的速度都很小 , 所以一般使用经典力学下的速度公式来计算 , 求出来的结果仅仅是一个近似值 。 然而如果速度很大的话 , 一旦考虑进了狭义相对论 , 不同参考系下的观察者所见的速度 , 则是用“速度加成式”来计算的:x=(v+u)/(1+vu/c^2) , v是观察者的速度 , u是物体的速度 , x是观察者眼中的物体的速度 。 代入任何一个小于光速的速度 , 结果都永远不会大于光速 。
目前 , 欧洲核子研究组织(CERN)在瑞士日内瓦总部建设的“大型强子对撞机”(LHC)可以用高能把粒子加速到99.999994%光速的速度 。 这差不多是我们加速的极限了 , 距离100%光速虽然只差一点儿 , 但是仍然遥不可及 。

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