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简单讲 , 我们在低速世界经常用到的速度叠加公式 , 在高速(光速和亚光速)世界就不再适用了 。
日常生活中 , 我们经常会用到速度叠加公式(其实就是伽利略变换) , 比如说很多超市都有像传送带那样的电梯 , 假设电梯的速度是每秒一米 , 一个人在电梯上行走 , 速度为每秒一米 , 那么在地面上静止不动的人看来 , 电梯上的人的速度就应该是每秒两米 。
这就是我们的日常生活认知 , 也非常符合我们的生活经验 。
但是一旦上升到了亚光速 , 这种简单的速度叠加公式就不适用了 , 为什么呢?
简单回答:因为光速不变 。 光速不变原理表明 , 光速是绝对的 , 不需要任何参照系 , 或者说在任何参照系下 , 光速都保持不变 。
比如说在一艘飞船上发射激光 , 在地球上看来 , 激光的速度并不是飞船速度+光速 , 而仍旧会是光速本身 。 如果是顺着飞船的方向发射激光 , 光的频率就会变化 , 频率变高 , 发生蓝移 。 如果是逆着飞船的方向 , 频率变低 , 出现红移 。
光速的这种绝对性 , 也表明了我们所在的时空并不是绝对的 , 而是相对的 , 时间和空间都会随着速度的变化而发生改变 , 只不过在低速世界 , 时空的变化实在太有限了 , 我们根本感觉不到 。
当速度达到亚光速 , 时间膨胀效应就非常明显了 , 同时也会出现尺缩效应 。 我们常用的速度叠加公式是基于牛顿的绝对时空观建立起来的 , 如果时间和空间都发生了改变 , 速度当然不能直接叠加 。
很简单 , 速度等于距离除以时间 , 距离就是空间 , 如果空间和时间会随着速度发生改变 , 直接叠加速度肯定就不严谨了 。
这个时候就需要用洛伦兹变换代替伽利略变换了 。
通俗来讲 , 伽利略变换公式可以表达为V=V1+V2 , 而洛伦兹变换可以表达为:
伽利略变换也成为相对论重要的公式之一 。
从公式中可以看出 , 当V1和V2相对光速很小的时候 , 公式中的分母就趋近于1 , 这时候的洛伦兹变换其实就演化成了伽利略变换 。
但是当V1和V2接近光速时 , 分母就不能等同于1了 , 这时候再用伽利略变换误差就非常大 。
说白了 , 伽利略变换其实就是洛伦兹变换的近似值 , 一种特例 , 低速环境中的特例 。 因为我们日常生活中经历的速度与光速相比差距太大了 , 伽利略变换已经足够用了 , 没有必要用更精确的洛伦兹变换 , 非要用的话 , 只能增添更多的麻烦!
【假如有一辆火车,里面再放火车,如此循环,里面的人超光速了吗?】所以 , 问题的答案也很明显 , 无论火车里套多少火车 , 火车上的人的速度都不可能超过光速 。
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