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假设你加速到了光速或接近光速,你朝前开一枪,子弹会超光速吗?

每一个曾经沉思过这个断言的人最终都会堵在这个想法上,假如你把自己加速到光速,然后沿着你运动的方向发射出一颗子弹,那子弹就比光速跑得快了。

狭义相对论基于这样的假设,光在真空中总以相同的速度(299792458m/s)传播,而且没有任何物体可以运动得更快。每一个曾经沉思过这个断言的人最终都会堵在这个想法上,假如你把自己加速到光速,然后沿着你运动的方向发射出一颗子弹,那子弹就比光速跑得快了。这正确吗?没那么快。问题出在时间膨胀上。例如:现代粒子加速器里的粒子所经历的时间慢了1000倍吗?这是因为它们运动的速度非常接近于光速, 你以光速运动,时间就完全停止了,你永远不会开枪,因为你永远不会有扣动扳机的机会。

假设你加速到了光速或接近光速,你朝前开一枪,子弹会超光速吗?

速度接近光速,时间越慢

这听起来有点不可思议。你可以用比光速慢10m/s的速度奔跑。你的时间会非常非常慢,虽然慢但你有的是时间扣动扳机,子弹可以从你的手枪里射出。射出后,子弹再慢相对于你而言也比10m/s快多了,那它就肯定超过光速了。对吗?但速度不能这么相加。你运动得越快,时间就会趋于无穷大,超过你的速度就越困难。这不是因为有风向着你迎面吹来:比如我们可以假设是在外太空做这样一个实验。真正的原因是在狭义相对论中时间、长度和速度都以某种方式纠缠在一起了。是相对论整体以某种方式使得我们不可能以超光速运动。考虑到相对论在描述世界取得的种种成功,大多数物理学家倾向于接受这句话的字面意思:你就是不能比光走得快。

假设你加速到了光速或接近光速,你朝前开一枪,子弹会超光速吗?

时间,空间和速度的关系

现在来讨论相对论的另一个断言,光在真空中总是以相同的速度运动?这个断言可通过实验来检测,我们可用不同频率的光来做实验,这看起来都是正确的。这说明光子和其他粒子存在着鲜明的区别,比如电子和质子。电子和质子可以跑得快或慢。如果跑得快,它们就有很多能量。如果跑得慢,它们就有较少的能量。但电子本身永远不可能具有比它的静能量,E=mc²,更少的能量。类似地,质子本身的能量永远不可能比它的静能量少。光子的能量,E=hv,这里的频率v可大可小与光速无关。特别地对光子而言就不存在能量的下限了。这意味着光子的静能量是零。如果利用公式E=mc²,我们就得出结论光子的质量必须是零。这就是光子与其他大多数粒子的本质区别:光子没有质量。

假设你加速到了光速或接近光速,你朝前开一枪,子弹会超光速吗?

​但光速只是在真空里才有固定的速度。当光穿过物质时,光确实变慢了。光穿过透明介质,比如水和玻璃。当光穿过水时,光速将变慢1.33倍。当它穿过玻璃时,它变得更慢,但肯定达不到两倍。钻石可以使光变慢2.4倍。这个数字,再加上钻石的清澈,造就了它独特闪耀的光辉。

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