【如果把一个手电筒扔出去,手电筒的光超过光速了吗?】
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上学时我们都学过相对速度 , 用公式简单表示就是V=V1+V2(或V1-V2) , 实际上这就是伽利略变换 , 利用这个变换进行简单的速度叠加来计算相对速度 。
什么是伽利略变换?简单讲 , 就是以绝对时空观为基础的速度叠加方式 , 也就是:绝对速度等于相对速度加上牵引速度(实际上也是上面的公式) 。
举个简单的例子 , 你坐在火车上在车厢中行走 , 你相对地面的速度就是火车的速度加上(或减去)你行走的速度 。
按照伽利略变换的计算方式 , 扔出去的手电筒发出的光的速度肯定是超光速了(相对地面) 。
难道相对论错了吗?相对论强调没有任何物体的速度可以超越光速 。
非也 , 伽利略变换是建立在绝对时空观基础上得出的结论 , 而我们生活的时空是相对的 , 并非绝对的 。
伽利略变换只适用于低速世界 , 而一旦速度达到光速或者亚光速 , 就必须用更精确的洛伦兹变换才行 。
说白了 , 伽利略变换其实只是洛伦兹变换在低速情况下的特例 , 是近似值 。 而我们日常生活中体验到的速度与光速相比太微不足道了 , 完全可以忽略不计 , 所以伽利略变换仍旧适用 。
什么是洛伦兹变换?
洛伦兹变换是由洛伦兹在20世纪初提出来的 , 目的就是为了调和经典电动力学与牛顿力学之间的矛盾 , 后来被爱因斯坦用来作为狭义相对论的数学基础(实际上当时的洛伦兹已经无限接近狭义相对论了 , 只不过他不肯放弃牛顿的绝对时空观) 。
洛伦兹变换公式如下:
可以看出 , 如果V1和V2非常小(低速状态) , 公式中的分母就等同于1 , 那么公式就变成V=V1+V2 , 也就是伽利略变换 。
上面的公式中 , 无论V1和V2是多少 , 最终的结果V都不可能超过光速 。
由此看来 , 伽利略变换与洛伦兹变换并不矛盾 , 只是使用环境不一样 , 一个适用于低速世界 , 一个适用于高速世界 。
说得更直白点 , 牛顿经典力学其实就是爱因斯坦相对论的特例 , 近似值 。 只不过这个近似值在低速世界的误差非常小 , 大多数时候都可以忽略不计 。 一般速度不超过光速的十分之一 , 就没有必要考虑相对效应 。
这也是为什么在当今社会 , 同时我们日常生活的仍旧是牛顿经典力学 , 因为我们很难脱离低速世界 。 如果非要追求精确度 , 用爱因斯坦的相对论描述我们的日常生活 , 反而会非常麻烦 , 没有任何必要 。
就像在求解有关圆周率的方程时 , 通常情况下3.14已经足够精确了 , 非要再精确到3.14后面十位数 , 就没有必要了 , 那样做反而带来更多麻烦!
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