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為什么信息與能量不能超越光速?愛因斯坦:超不了,會(huì)因果顛倒

 天高云淡書客 2020-09-12

如果我扣動(dòng)扳機(jī),一顆子彈沒有任何延遲,瞬間以兩倍光速飛向你,那么你會(huì)先中彈,還是先看見我扣動(dòng)扳機(jī)呢?答案:會(huì)先中彈后才看到我扣動(dòng)扳機(jī)。

眼睛對(duì)外界接收信息需要依靠光,晚上燈一關(guān),光沒了,伸手不見五指,沒有信息來源。判斷先看到什么,就是在判斷到底哪個(gè)信息先傳到你的眼中。這個(gè)問題中信息A:我扣動(dòng)扳機(jī),信息B:子彈擊中你。

正常情況下,子彈無法達(dá)到光速,因此A比B快,當(dāng)A和B同時(shí)出發(fā),A會(huì)先到達(dá)你眼中,也就是你看到我開槍了,然后你看到自己中彈了,這完全符合因果邏輯。

假如子彈速度為兩倍光速時(shí),子彈(B)會(huì)先到達(dá),此刻我扣動(dòng)扳機(jī)的信息(A)正好在傳播的路程的中央,于是你會(huì)先看到子彈打中了你(B),隨后看到我動(dòng)扳機(jī)(A),你不覺得這很詭異嗎?

子彈會(huì)飛出槍膛是因?yàn)槲铱蹌?dòng)了扳機(jī),因此我們說A是因,B是果,然而當(dāng)子彈的速度高于光速,AB顛倒了。

這樣的問題可以套用到生活中的任意一件事上,例如:你還沒有看到我出拳,先感覺到自己要飛出去了,博爾特還沒起跑,發(fā)令槍沒響,終點(diǎn)線的飄帶動(dòng)了,等等。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象,因?yàn)槲覀兊难劬κ芟抻诠鈫??如果我們閉上眼睛,事情發(fā)生的順序是一樣的,與我們看與不看無關(guān)。

現(xiàn)實(shí)生活種無論如何都不會(huì)出現(xiàn)因果顛倒的問題,因?yàn)閻垡蛩固拐J(rèn)為光速是宇宙中信息、能量傳輸?shù)淖羁焖俣?,任何有質(zhì)量得物體運(yùn)動(dòng)速度永遠(yuǎn)無法達(dá)到光速。

19世紀(jì),麥克斯韋發(fā)表了《論電和磁》統(tǒng)一了電和磁,這是繼牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之后的物理界神作,使他站上了物理學(xué)的巔峰。被納入其中的“麥克斯韋方程組”描述了變化的電場(chǎng)會(huì)自發(fā)地形成磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)會(huì)自發(fā)地形成電場(chǎng),電與磁相輔相成,只要電或磁出現(xiàn),它們就會(huì)生生不息的一直傳播下去。

在麥克斯韋方程中,電磁波波速與兩個(gè)常數(shù)的乘積相關(guān),即波速也是常數(shù),約等于每秒30萬公里,光是一種電磁波,因此引出來了光速恒定不變,而它又讓愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了更深層次的問題,于是發(fā)表《狹義相對(duì)論》,質(zhì)能方程,《廣義相對(duì)論》。

實(shí)際上,《狹義相對(duì)論》中的大部分公式的推導(dǎo) 最早來自于荷蘭物理學(xué)家洛倫茲,而愛因斯坦只是那個(gè)打破舊框架的人。

在研究電磁學(xué)時(shí),洛倫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的速度與伽利略變換存在沖突。簡(jiǎn)單來說,小明以10m/s在馬路上向東走,小美站在馬路邊靜止不動(dòng),一束光由西射向東。正常情況下相較于小美,光在小明眼里應(yīng)該慢一點(diǎn),因?yàn)樗c光同向行駛,然而光速不變?cè)淼慕Y(jié)論是光相對(duì)于小美與小明速度是一樣的,因?yàn)樗乃俣仁浅?shù)。

當(dāng)時(shí)洛倫茲認(rèn)為麥克斯韋不可能錯(cuò),從牛頓時(shí)代開始,主流物理學(xué)家就試圖通過假設(shè)存在一種介質(zhì)(以太)來解釋光得現(xiàn)象,即光在以太中傳播,空間各處充斥著以太。

洛倫茲也是以太論的追隨者,然而理論的沖突讓他寢食難安,于是他基于光速不變性用微積分推導(dǎo)出了一套新的變換,試圖擬合電磁理論、以太論、伽利略變換。

洛倫茲變換描述了質(zhì)量與速度的關(guān)系(質(zhì)增效應(yīng));高速運(yùn)動(dòng)的火車尺寸會(huì)比靜止時(shí)短(尺縮效應(yīng));在靜止的人看來,高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘,會(huì)比自己的時(shí)鐘走的慢(時(shí)間膨脹效應(yīng))。論文剛一發(fā)表,臺(tái)下的人全懵了。洛倫茲回答,他自己推導(dǎo)出來時(shí)也懵,他也不知道本質(zhì)是什么,但是邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)本以尋找以太為宗旨,最后反而發(fā)現(xiàn)“光不會(huì)順勢(shì)而增加,也不會(huì)逆勢(shì)而減少”,而它的變換就是基于光的這個(gè)特性。

最終愛因斯坦捅破了這層從牛頓經(jīng)典物理開始禁錮了200多年的窗戶紙,直接說:光速是恒定的,光可以在真空中傳播不需要依靠任何介質(zhì),結(jié)果就是洛倫茲變換得到的結(jié)論。

根據(jù)《狹義相對(duì)論》中的質(zhì)速方程,我們可以得到以下速度曲線圖,從中可以發(fā)現(xiàn)靜止質(zhì)量不為零的物體可以無限接近于光速,但永遠(yuǎn)不能達(dá)到光速。

由此我們知道,光速是宇宙中物質(zhì)、能量、信息傳播的最高速度,子彈的速度不可能超過光速。

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