宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?

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物质或许根本不存在,能量的相互作用构成宇宙中的一切存在!

人类是困惑的,强烈的自我意识不断把客观世界的存在指向人类自身。

  正如问题所言,对于物体的速率,在牛顿力学中速率是没有上限的,只要一个物体能维持一个稳固的加速率,那么速率就会无限制的上升,速率上升的快慢仅仅取决于加速率的巨细。
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?
  但这样的结论在相对论中是不确立的   领会过相对论的同伙,可能在最最先接触狭义相对论时,知道的第一个结论就是物体的速率永远不能超过光速(特指真空中的光速,一样平常取值30万公里每秒,正确值为299792458…米每秒)。现实上,准确来讲是指具备静止质量的物体,其速率值无法到达或逾越光速,而没有静止质量的物体则以光速运动,好比光子,或者是卖力强相互作用的胶子。
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?   对牛顿力学和狭义相对论之间冲突,虽然科学界早有定论(支持相对论),但对于通俗民众来说,由于所接触的宏观世界中物体的速率都很慢(相比于光速而言),似乎很多人都不能明白为什么会这样。
  下面我将以两个例子来说明:
  第一个例子   之前小编在回覆悟空问答时曾遇到这样一个有趣的问题:问
若是有一个小物体,与地球之间的距离是无限远,而且宇宙空间内的物质只有地球和这个小物体,那么小物体从无限远处向地球坠落,最终速率是否是无限大?或者是否能逾越光速?
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?   这个问题貌似涉及了“加速距离无限远”,直观感受好像是最终速率会到达一个极高的速率值,现实上这个问题的解答,根本不涉及相对论,在牛顿力学框架下就能解决,而且
最终速率就是第二宇宙速率(每秒11.2公里)   严酷来讲,无限远距离这个概念在现实上是不存在的,我们可以改为“一段足够长的加速距离”(详细是多少,人人可以随意界说,1光年、10光年,甚至1万亿光年都可以)。
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?   而这个问题的证实历程实在就是第二宇宙速率的反推历程,信赖若是有读者是高中生的都可以简朴证实,运动能量守恒即可快速解决(引力势能完全转化为动力势能,现实上要害点在于引力强度随距离成反比,由于小物体是履历的一个加速率由小变大的历程)。
  虽然这个例子并没有涉及相对论,但为我们提供了一个思绪,那就是若是一个物体无限时长的维持一个稳固的加速率,那么物体的最终速率是否能逾越光速?由此引来了下面的第二个例子
  第二个例子   
一架飞船由地球静止出发,今后的随便时刻,飞船的加速率都保持一个相同的数值(加速率可由飞船内部仪器测出,强制以为飞船燃料无限,不思量其它的因素,一切以理想状态举行),
叨教飞船的速率是否有上限?   与这个相类似的问题,估量有不少读者都遇到过——(问:飞船一直加速,能否逾越光速?答:由于相对论质增效应,飞船质量随着速率增添而增添,因此最终会遇到进一步的加速需要无限多的能源提供,因此飞船无法逾越光速)   但今天这个有一点差别,

两块磁铁之间有作用力,相互作用力是靠什么粒子来传递的?

电磁相互作用的传递粒子是光子,但这里不是一般的光子,而是不可直接观测的虚光子。目前人类已发现四种相互作用,其中电磁力描述的是电荷之间的相互作用,在日常生活中,我们能接触到的真实力,除重力外,其他的本质上都是电磁力;比如拉力、弹力、摩擦力、支撑力等等。

那就是强制划定飞船的加速率恒定,那么这样一来飞船的速率是否就能逾越光速了呢?
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?
  在牛顿力学看来,这完全是小菜一碟,谜底就完全是开头第一段所讲,逾越光速是一定的。
  但这个问题若是用狭义相对论处置,最后的效果依旧是无法到达光速,更不用说逾越光速了。那么这是为什么呢?为此咱们详细的来注释一下。   需要从适才又提到的一个小例子入手(飞船一直加速,能否逾越光速?)   适才也简朴的回覆了这个问题,但这里潜伏了
一个要害点——“这个结论只针对地球参考系才确立”   由于狭义相对论的质增效应是确立在相对速率存在的前提下,也就是由于这个飞船的速率相对于地球而言,越来越靠近光速,以是在地球参考系内,飞船的质量趋向于无限大,因此进一步加速显得格外难题,需要无限多的能源去提供,这显示是不符合现实的,因此飞船在地球参考系内是无法到达光速的。
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?   
但对于飞船内部的宇航员呢?情形则完全差别了,由于他与飞船之间的相对速率险些为零(顶多在里面跑几步而言,速率远远低于光速)。以是飞船质量增添这一情形是不会发生的,
那么是否意味着飞船可以轻松逾越光速呢?
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?   谜底照样否认的,为此我们下面将直接从加速率入手,以不直接涉及质量的注释来回覆这个问题。   平时常说狭义相对论无法处置加速运动,现实上这种说法不太严谨,由于狭义相对论与广义相对论的区别是在于所探讨的时空靠山差别,只要时空是平直的,那么内部的运动都可以用狭义相对论探讨(加速运动同样可以,这里注重不要过分明白等效原理)。   为此当飞船以一个恒定加速率飞行时(可以通过内部的仪器测量出飞船自身的加速率,或者是宇航员的身体感受,好比加速率为一个g,那么就相当于人造重力,宇航员可以在飞船内自由行走而不会四处乱飘)。   而且注重,由于这个加速率是由飞船内部得出,而且其内部物体险些不存在相对运动,因此飞船的质量在宇航员眼中是个定值(这里就不思量燃料量的多少了,也就是说在宇航员眼中,飞船可以在一个随便长的有限时间内连续稳固的保持定值加速,好比1年、10年,甚至1万亿年都可以)   虽然对于宇航员来说,飞船是匀加速运动(通过内部仪器可以知道飞船时时刻刻的加速率a,是多少),但这个加速率在地球参考系却是个变量a(见下图公式,v是飞船相对于地球的速率)
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?   在这个基础上还能推出加倍直接的结论,关于飞船在地球参考系内的速率转变(见下图公式)
宇宙大帝,牛顿经典力学中速率没有上限,为何相对论有光速限制?
  通过数学证实,我们可以容易的得出飞船的速率上限为光速,也就是在随便有限的时间段内,不管恒定的加速率有多大,飞船速率都不会到达光速。   而这样的结论完全是依赖“光速不变原理”以及“狭义相对性原理”得出的(现实上,狭义相对论就是靠这两条原理确立的)。因此,只要这两条原理不被证伪,狭义相对论就不会失足。而牛顿力学相比于此,主要就是少了一条光速不变原理,其余都是可以修正的。

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