談論光速之前,我們先來說一下時間。
你可能會質疑,時間和光速之間有什么關系?為什么非要扯上時間呢?
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別著急,下面會分析到,光速不僅和時間有關系,而且關系非常密切。具體什么關系,之后會詳細解答,先來看看時間。
時間到底是什么?時間真的存在嗎?很多人都會有這樣的疑問,雖然我們總是感覺到時間與我們形影不離,但由于它看不見摸不著,總是感覺很虛幻也很抽象,所以至今人類都無法給時間一個準確的定義。
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日常經驗告訴我們,每個人的時間都是一樣的,時間是絕對的。比如說你的一秒與我的一秒完全相同,不會有任何區別。
真的這樣嗎?并不是,時間并不像我們傳統思維想象的那么簡單。
愛因斯坦的相對論告訴我們,時間和空間是有機的整體,兩者不可分割,時間和空間可以看做是一個東西。時間和空間都是相對的,每個人對時間和空間的感受都是不一樣的。
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時間和空間相互交織在一起,所以,時間發生了變化,那么空間一定也會隨之改變。比如說,如果時間發生了膨脹,也就是變慢或者變快,那么長度必然會出現收縮,變短或者變長!
為什么時間和空間擁有這種關系?為什么兩者總是一起變化?表面原因,兩者是一體的,必須同時變化。
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更深層的原因在于光速的絕對性,光速是絕對不變的。而光速與時間和空間有直接的關系,如果時間改變了而空間沒有變,勢必會違反光速的絕對性和光速限制。
好像有點枯燥,沒關系,咱們舉例來具體說明一下。
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我們都知道,光在真空中的速度是每秒30萬公里。假設我在地球上,你乘坐飛船以0.87倍光速的速度飛行,也就是每秒260000公里。
按照狹義相對論中的時間膨脹效應,你的時間就會變慢,你經歷的一秒與我經歷的一秒并不一樣。具體來講,你經歷的一秒等于我在地球上經歷的兩秒。
那么,在我眼里,你在兩秒鐘飛行的距離就是520000公里。但是在你眼里,你飛行的距離只有一半,260000公里。
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在我的兩秒鐘時間里,你飛行了520000公里,這個距離你的時間過去了一秒,是不是說明你的速度為每秒52萬公里呢?
顯然不是,因為你不可能超光速。上面每秒52萬公里的速度計算過程完全是錯誤的,因為它是以我眼里的距離除以你經歷的時間,你和我完全處于兩個不同的參照系,只有同一參照系下的距離和時間對比才有意義。
你在你經歷的一秒時間里飛行了26萬公里,而不是52萬公里,仍舊沒有超光速。
也就是說,不管在任何參照系下觀察,你的速度都不會改變,速度與參照系無關,與參照系有關的只是時間和空間,也就是距離。
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你以亞光速飛行,就會出現尺縮效應,遠處物體與你的空間距離就會縮短,也就是說離你更近了。比如說,你以0.87倍光速飛行離開地球,本來距離地球4.2光年的比鄰星,距離一下被拉近,只有2.1光年了。
但在我眼里,這段距離仍舊是4.2光年。
而之所以會出現這樣的結果,都是因為光速是絕對不變的,光速是不能被超越的。
所以,時間和空間為何會隨著速度的變化而做出相應改變?大自然為何對時間和空間有這種要求?
目的只有一個,保證光速的絕對不變,禁止我們超光速。
光速,就像一個“霸道總裁”那樣不可超越,絕對不變。在任何不同的參照系下觀察光的速度都會保持光速絕對不變。
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比如說,假設你開一輛小汽車,速度為V。我靜止在地面上觀察你。你打開車燈,在你眼里,車燈發出的光的速度是光速C。在我眼里車燈的光是速度是多少呢?
是汽車的速度加上光的速度嗎?是V+C嗎?并不是,而仍舊是光速,
這就是光的絕對性,光速不可超越。為什么不同運動狀態下的你和我觀察到的光的速度會是一樣的呢?
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因為你我兩人的時間和空間發生了變化,只有發生變化,才能保證我們觀察到的光的速度是相同的,不能超越光速!
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