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为什么光比任何东西都快?

11月15日 风雨峰投稿
  我们常说光是物体运动速度的上限,也就是说任何物体的运动速度都不可能超越光速,这实际上是狭义相对论的一项结论:
  在数学层面上,物体运动速度不能超过光速,否则数学式将没有意义。
  在物理层面上,物体的质量随运动速度的变化而变化,速度越快,质量越大,而更大的质量就需要更多的能量作进一步加速,当接近光速时,耗能无限逼近无穷,因此达到光速成为了不可能。
  究其本质原因,则是两条原理:光速不变原理和狭义相对性原理
  光速不变原理告诉我们,在任意惯性系下,真空光速始终为一个固定的值(约为30万公里每秒)。这句话换种说法就是光速不可叠加,比方说我站在地面观察一辆速度为1万公里每秒的汽车(假设),而汽车的大灯向前射出强烈的灯光,试问此时的灯光速度为多少呢?
  按照我们常规理解来讲,灯光的速度应该是光速叠加上汽车的行驶速度,也就是约为每秒31万公里,然而事实却并非如此,因为光速不变原理的存在,我们站在地面上观测所得到的结论,仍旧是30万公里每秒(车内观测的结果也是如此)。
  不过光速不变原理并没有直接说明光速是物体运动速度的上限,想要证明这点,我们还需要狭义相对性原理的帮助。
  简单来说,狭义相对性原理是力学相对性原理的升级版,后者认为力学规律在任意惯性系下都保持一致,而狭义相对性原理则直接将力学规律改为自然规律,认为客观世界的一些物理规律在任意惯性系下都保持不变。
  洛伦兹变换式
  在这样的基础上,结合光速不变原理,通过数学推演,我们可以得到一个关于时间空间的变换式(被称为洛伦兹变换式),这个变换式是整个狭义相对论的核心,有了这个,才有了后来的钟慢尺缩、质增效应、质能方程等一系列被我们津津乐道的物理结论。
  而光速之所以被认为是所有物体运动速度的上限,正是由这个变换式得到的,为了更好的理解,我们可以从质增效应出发,所谓质增效应就是指物体的运动速度越接近光速,则其质量就越趋向于无穷(这里涉及动质量,虽然这个概念现在已经不用了,但在相对论发展早期,还是被广泛使用的)。
  而我们知道,一个物体的速度是逐渐变化的,也就是要一次一次的加速才能够是速度上升,而质增效应则为这个过程设置了一个不可逾越的壁垒,因为在接近光速时,物体质量的增加导致加速变得尤为困难,所需要的耗能接近于无穷,因此光速就成了物体运动速度的上限。期待您的点评和关注哦!
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