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假如两个物体以光速相对运动，两者的相对速度是否超光速了？

发布者：无名布衣 2023-4-20 11:47

网络上经常有类似这样的问题，提出各种假设，最终的目的就是为了实现“超光速”，打破爱因斯坦狭义相对论中的光速限制。

对于这类问题，很多人会直接用爱因斯坦的狭义相对论直接“一棒子打死”，认为无论如何假设都不可能超光速，其实这是不负责任的表现，也不是科普应有的态度。

这类问题看似简单，其实也没那么简单。

回到问题中来，两个光速运动的物体的相对速度是否超过光速了呢？

严格来讲，这种问题本身就是不严谨的，这里的“不严谨”并不是说“物体不能以光速运动”，假设物体能以光速运动，问题也是不严谨的。不严谨在什么地方呢？

问题并没有严格说清楚“相对速度”是否有合适的参照系。如何理解这句话？

直接说吧，如果仅仅指两个物体之间的相对运动速度，结果当然是超光速了，而且是两倍光速，远超光速。

有人肯定会不屑：你这么牛？就这样把爱因斯坦的狭义相对论推翻了？

如果你有这样的质疑，说明你根本没有理解狭义相对论中的“光速限制”到底是什么意思。爱因斯坦从来没有说“光速是宇宙中的速度上限”，因为宇宙从来没有限制过光速。

狭义相对论中所谓的“光速限制”是有前提的，那就是“惯性系”。在惯性系中，局域的速度是不能超过光速的，这意味着在非惯性系中可以随意超越光速。

比如说宇宙膨胀的速度就远超光速。还有在很多大型粒子对撞机里，会让两个微观粒子以非常接近光速的速度碰撞，通过研究碰撞产生的碎片做进一步分析。

这两个粒子的相对运动速度其实就是超光速，也就相当于一个粒子不动，另一个粒子以超光速与其发生碰撞，这样碰撞瞬间就会产生更强的能量。

但是，上面的“超光速”并不违反爱因斯坦的狭义相对论，因为粒子的相对运动速度并不是惯性系的运动速度。

地球就可以看做是一个惯性系，所以在静止不动的观察者来看，两个粒子的速度相对静止观察者无论如何都不可能超越光速。

还有一个网络上经常会假设的例子。比如说你在一艘光速飞船上奔跑，奔跑速度为V，我静止在地面上，那么，在我眼里你的速度是否超越了光速了呢？

这种情况就适用于狭义相对论，不可能超越光速，因为我就属于惯性系，在我眼里你的速度永远不可能超过光速。

这与我们平时所用的速度叠加公式有很大不同，按照速度叠加公式来计算，你的速度应该是光速加上你奔跑的速度，也就是C+V，这不是超光速了吗？

但我们平时所使用的速度叠加公式实际上就是伽利略变换，是建立在绝对时空观基础上的，只适用于低速世界，一旦上升到亚光速，伽利略变换就不再适用了，必须用洛伦兹变换来计算。

从公式中可以看出，无论u和v有多快，叠加之后的速度w都不可能超过光速。而如果u和v都很小，公式就简化为伽利略变换，也就是我们平时用到的速度叠加公式。

而在现实生活中，我们经历的速度都很低，尤其与光速相比，几乎可以忽略不计，所以一般情况下直接用伽利略变换把两个速度直接进行叠加就可以了。

不过一旦速度上升到亚光速，伽利略变换的误差就很大了，就需要用到更精确的洛伦兹变换了。

说白了，伽利略变换就是洛伦兹变换的近似值，低速世界的一个特例。伽利略变换是以绝对时空观为背景的，而洛伦兹变换被爱因斯坦应用在狭义相对论公式中之后，是以相对时空观为背景的，两者的背景截然不同，体现出来的东西当然会有很大不同。

爱因斯坦的狭义相对论正是以相对时空观为背景的，他完全颠覆了我们对时空的传统认知。正因为时间和空间是相对的，所以在高速环境下，就不能利用伽利略变换对两个速度进行直接叠加，必须考虑到时间和空间的变化，否则就会得到错误的答案。

虽然时间和空间是相对的，速度可以影响周围的时空，只不过只有速度达到亚光速，对周围的时空影响才比较明显，而对于早就习惯于低速世界的我们来讲，根本感受不到时空的变化。

这也是为什么从骨子里很多人总是会不经意间排斥爱因斯坦的相对论，这很正常，因为狭义相对论并不符合我们的日常生活经验，而大部分科学理论都是建立在日常生活经验基础上提出来的。

目前的人类科技，很难让我们去体现亚光速世界的奇妙，或许未来某天人类科技足够发达了，我们就能亲身感受到亚光速世界的生活！

阿尔伯特·爱因斯坦伽利略·伽利莱体育宇宙相对论

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