如果你在光速飞船上行走，速度是否超光速了？

发布者：鹰眼银狐 2023-4-15 02:37

关于相对论中的“相对速度”问题，其实就是牛顿绝对时空观与爱因斯坦相对时空观之间的区别，只不过由于我们生活在低速世界，感受到的肯定是绝对时空观，而实际上时空并不是绝对的，而是相对论。

所以我们不能简单用低速世界的“速度叠加方式”（伽利略变换）来思考亚光速世界，那么亚光速世界的相对速度该如何计算呢？

这要从伽利略说起，伽利略曾经提出过一个叫做“伽利略变换”的理论，试想一下，如果你坐在一艘封闭的船里面，而且船开得很平稳，其实你在船里是感受不到的船是不是在动的。比较常见的场景就是在高铁上，如果你旁边有一辆高铁，你在另一辆高铁上，有一辆高铁动了，你能感觉到到底是谁动了么？其实你不太能，这其实就是“运动的相对性”造成的。而牛顿其实把“伽利略变换”纳入到了自己的理论体系当中。所以，我们在使用牛顿理论时，常常会这么用。

假设，有一辆汽车，你在汽车里面走，汽车的速度是10米每秒，你在汽车上行走的速度是5米每秒。如果在车子上看你的运动，那就是5m/s。但如果是站在地面上的观察者，你的速度就是10+5=15m/s，看上去好像没啥太大问题对不对？

而且牛顿的理论特别厉害，还能预测行星的位置。可是，过了大概150年，有个叫做麦克斯韦的科学家，提出了麦克斯韦方程。

看不懂，不要紧。你只需要知道一点，那就是麦克斯韦方程预言了电磁波的存在，并且光是一种电磁波，这后来还被赫兹所证明。不过，最让人无奈是，麦克斯韦方程导出的光速c是一个固定值。具体来说，就是光速竟然在任何参考系下速度都是一致的。还回到刚才的例子，如果车里不是你在运动，而是你拿着手电筒射出一道光，你和地面上的观察其实看到的都是光速c。但是在牛顿的理论中，地面观测者看到的速度应该是v=c+5。

这就使得牛顿理论和麦克斯韦的电磁理论矛盾，可问题是，牛顿理论十分坚实，而麦克斯韦方程也解决了电磁理论中的问题，科学家不觉得他们当中有任何一个错了。

那怎么呢？科学家开始左右逢源，提出了一个叫做“以太”的东西，他们认为光是在以太中传播的，而以太是跟着地球在运动的。所以，我们无论咋看，光速都是c。其实也不能怪科学家想到这个，因为在那个时代，光被认为是一种波。水波也是一种波，水传递需要介质，而光传播应该也需要介质，所以他们就认为是“以太”。后来，科学家们开始找“以太”，可是，万万没想到，几个大型试验下来，其中就包括迈克尔孙莫雷实验，都证明了“以太”是不存在的。这就让科学家们很尴尬了。

那接下来改办呢？26岁的爱因斯坦横空出世，开始和稀泥。

具体咋玩的呢？他把“洛仑兹变换”（不同于伽利略变换，详见文末专栏）和“光速在任何惯性系下速度不变”作为自己理论的基本假设，提出了著名的狭义相对论。这是1905年提出来的，这一年被叫做爱因斯坦奇迹，他还提出了好几个开创性的理论。

那爱因斯坦的狭义相对论和牛顿的理论不同之处在哪呢？还拿刚才那个小车来举例子。

从地面观测者的角度来看，车子上的人的速度就是10+5=15m/s

但是在爱因斯坦的体系中，速度并不是纯粹的叠加，而是下面这样：

如果你仔细带进去算一算，会发现，速度约等于15m/s，只是在小数点15位会有个微小的差异。所以，其实在宏观低速下，牛顿的理论是爱因斯坦狭义相对论的近似解。这也就是为什么我们现在还要学牛顿理论的原因，因为它在宏观低速下还是十分精确的。

那我们在来思考一下，如果车上的人就是你，而这时候车子以光速在运动（这里补充一点，实际上车子是有静止质量的，所以车子是不可能达到光速的，或者说如果要让车子达到光速，那所需要能量将是无穷大。）

那结果会是什么呢？

其实牛顿的理论，地面观察者看到的你的速度就是c+5

而爱因斯坦的理论，地面观测者看到的你的速度其实还是：c，也就是说地面观测者看到的其实还是光速。刚才也说到了，麦克斯韦方程给出的光速在任意惯性系下都是光速，而且实验也证明了“以太”不存在，其次爱因斯坦的狭义相对论其实后来在得到了证明，比如：μ子实验，和原子钟实验。因此，爱因斯坦的理论成为了目前的主流理论。

所以，我们看到的你的速度仍是光速，而不是超光速。

阿尔伯特·爱因斯坦伽利略·伽利莱相对论 2019未来科学大奖地球万万没想到

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