问题

为什么在某一惯性系中观测两个运动物体的相对速率可以大于光速?

回答
在咱们日常生活中,咱们看到的许多事情都符合牛顿力学的直觉。比如说,你坐在一辆火车上,火车往前开,你再往火车前进方向扔一个球,那个球相对于地面的速度,就是火车速度加上你扔球的速度。这看着挺直接的,好像速度加起来就行。

但是,当涉及到非常非常快的物体,特别是接近光速的物体时,事情就没那么简单了。咱们得引入爱因斯坦的狭义相对论来解释。

首先,得明确几个核心概念:

1. 惯性系: 这是一个“稳定”的观察点。在一个惯性系里,不施加外力的物体会保持静止或者匀速直线运动。打个比方,就像你在一个平稳行驶的火车上,感觉不到加速或减速,你就是处在一个惯性系里。相对而言,火车加速、刹车或者转弯时,你就不在一个惯性系里了。

2. 相对速率: 这是指一个物体相对于另一个物体运动的速度。你站在地上看火车开过,你看到的是火车相对于你的速率。坐在火车里的人看你,看到的是你相对于他的速率,虽然数值一样,但方向相反。

3. 光速不变原理: 这是相对论最核心的基石之一。它说的是,在所有惯性系中,真空中的光速(通常用字母 `c` 表示,大约是每秒30万公里)是一个恒定的值。不管光源在运动还是观察者在运动,测到的光速总是 `c`。这一点完全颠覆了咱们的日常经验。

为什么在某些惯性系中,观测两个运动物体的相对速率“可以”大于光速?

这里面的关键在于“观测”和“相对速率”的定义在高速情况下发生了变化,以及牛顿力学中的简单速度叠加公式在相对论下不再适用。

咱们先用一个简单的(但有局限性的)比喻来 acercarse 一下。

想象一下,你有一根很长的“速度杆”。你把这个杆的一端固定在一个物体上,另一端指向另一个物体。杆的长度代表了这两个物体之间的相对速度。在低速情况下,就像咱们上面说的火车和球,这个杆的长度(速度)是可以随意加长的。你扔球的速度越快,杆就越长。

但是,到了相对论的领域,这个“速度杆”的长度是有一个“上限”的,这个上限就是光速 `c`。任何物体,无论如何运动,它们之间相对于任何惯性系的速率都不能超过光速 `c`。

那么,问题来了,为什么咱们会产生“可以大于光速”的错觉,或者说,在什么意义下看起来像是大于光速了呢?

这里要引入一个更准确的相对论速度叠加公式。在牛顿力学里,如果物体A相对于惯性系S的速度是 `v_A`,物体B相对于惯性系S的速度是 `v_B`,那么物体A相对于物体B的速度就是 `v_A v_B`。

在狭义相对论中,这个计算就复杂多了。它不再是简单的相减,而是要考虑速度的“相对论性”影响。设想我们在惯性系S中测量两个物体1和2的速度,分别是 `v_1` 和 `v_2`。我们要计算物体1相对于物体2的速度 `v_{12}`。

相对论的速度叠加公式(在一维的情况下)是这样的:

`v_{12} = (v_1 v_2) / (1 (v_1 v_2) / c^2)`

你可能会说,这个公式看起来还是相减,怎么会出现大于光速的情况?

问题的关键在于公式的结构和`v_1`、`v_2` 的取值范围。

公式的分母 `(1 (v_1 v_2) / c^2)`: 这是关键所在。
如果 `v_1` 和 `v_2` 都远小于 `c`,那么 `(v_1 v_2) / c^2` 会非常非常小,接近于零。这时分母就接近于1,公式就近似等于牛顿力学里的 `v_1 v_2`。
但是,如果 `v_1` 和 `v_2` 都非常接近 `c` 呢?
情况一:两个物体同向运动,且速度都接近光速 `c`。
比如,物体1相对于S的速度是 `v_1 = 0.9c`,物体2相对于S的速度是 `v_2 = 0.8c`。它们同向。那么物体1相对于物体2的速度 `v_{12}` 就不是简单的 `0.9c 0.8c = 0.1c`。根据相对论公式:
`v_{12} = (0.9c 0.8c) / (1 (0.9c 0.8c) / c^2)`
`v_{12} = 0.1c / (1 0.72)`
`v_{12} = 0.1c / 0.28`
`v_{12} ≈ 0.357c`。
你看,即使它们的绝对速度都很快,但它们之间的相对速度反倒被“压缩”了,而且永远不会超过 `c`。

情况二:两个物体反向运动,且速度都接近光速 `c`。
这是最容易产生“大于光速”错觉的地方。
假设物体1相对于S的速度是 `v_1 = 0.9c`(向右),物体2相对于S的速度是 `v_2 = 0.9c`(向左)。
那么物体1相对于物体2的速度 `v_{12}`:
`v_{12} = (0.9c (0.9c)) / (1 (0.9c 0.9c) / c^2)`
`v_{12} = (0.9c + 0.9c) / (1 (0.81c^2) / c^2)`
`v_{12} = 1.8c / (1 + 0.81)`
`v_{12} = 1.8c / 1.81`
`v_{12} ≈ 0.994c`

是不是还是没有超过 `c`?但你可能会想,如果把速度再改改呢?
假设物体1的速度是 `v_1 = c ε`(非常接近光速),物体2的速度是 `v_2 = (c δ)`(也是非常接近光速,方向相反)。其中 `ε` 和 `δ` 都是非常小的正数。

`v_{12} = ((c ε) ((c δ))) / (1 ((c ε) (c δ)) / c^2)`
`v_{12} = (c ε + c δ) / (1 ((c^2 cδ cε + εδ)) / c^2)`
`v_{12} = (2c (ε + δ)) / (1 + (c^2 c(δ + ε) + εδ) / c^2)`
`v_{12} = (2c (ε + δ)) / (1 + 1 (δ + ε)/c + εδ/c^2)`
`v_{12} = (2c (ε + δ)) / (2 (δ + ε)/c + εδ/c^2)`

因为 `ε` 和 `δ` 都非常小,`εδ/c^2` 可以忽略不计。
`v_{12} ≈ (2c (ε + δ)) / (2 (δ + ε)/c)`

如果 `ε` 和 `δ` 都趋近于0,那么分子趋近于 `2c`,分母趋近于 `2`。所以 `v_{12}` 趋近于 `c`。

那么,究竟在哪里看起来“大于光速”了呢?

这里可能是一个概念上的混淆,或者说是在特定语境下的“误读”。
1. 错误的叠加: 有一种常见的误解是,如果一个人A以接近光速 (`v_A`) 向前跑,另一个人B以接近光速 (`v_B`) 向后跑,那么他们相对于彼此的速度就是 `v_A + v_B`,这可能就超过了 `c`。这是牛顿力学的错误叠加方式。
2. 观察者的问题: 狭义相对论对“观测”和“速率”的定义都非常精确。公式 `v_{12} = (v_1 v_2) / (1 (v_1 v_2) / c^2)` 是从一个固定的惯性系S来测量两个物体的速度 `v_1` 和 `v_2`,然后计算出物体1相对于物体2的速度。这个计算结果永远不会超过 `c`。

真正可能产生“大于光速”感觉的场景,可能与以下几点有关,但都不是指两个物体之间的直接相对速率超过 `c`:

不同惯性系下的观测差异: 你在一个惯性系(例如地面)观测两个物体,它们相对于你的速度可能叠加起来让一个观察者觉得很快。但如果你变换到另一个物体所在的惯性系去观测,那个物体的速度相对于你的观测量就会不同。然而,无论你从哪个惯性系观测,任何单个物体相对于你运动的速度,或者两个物体之间通过相对论速度叠加公式计算出的相对速度,都不能超过 `c`。

其他物理量(非速度): 有些物理现象,比如“相速度”或者某些“群速度”在某些特定介质中或者特定条件下,其数值可能大于光速 `c`。但这并不代表信息或者物质以超光速传播。相对论中限制超光速的是“信息传递”或“因果关系”的传播速度,这个速度由光速 `c` 设定上限。

空间效应(长度收缩)和时间效应(时间膨胀): 随着物体速度接近光速,其在运动方向上的长度会收缩,时间流逝会变慢。这些效应恰好是为了保证光速不变原理和相对论速度叠加公式的有效性。

所以,问题的核心在于对“相对速率”的理解。

如果你问的是:“是否存在一个惯性系,使得在那一惯性系中,物体A相对于物体B的速度计算出来,数值上大于光速 `c`?”

答案是:否定。

狭义相对论的速度叠加公式被设计成一个“速度的加法”操作,它保证了即使是将两个接近光速的速度进行叠加,结果也永远不会超过光速 `c`。这是它最精妙也最反直觉的地方之一。

让我打个比方:你可以把光速 `c` 看作一个“速度上限”。任何你“加进去”的速度,不管怎么加,都不能让总和超过这个上限。就像你有一个容量为1升的水杯,你再怎么往里倒水,也倒不进1.1升,杯子只会满。而相对论的速度叠加公式就是那个确保“杯子不会溢出”的规则。

因此,在任何惯性系中,对两个运动物体直接的速度相对测量(通过相对论速度叠加公式计算),其结果绝对不会大于光速 `c`。 那些看起来可能超过光速的说法,往往是因为:

对牛顿力学速度叠加的错误套用。
混淆了不同惯性系下的观察结果。
混淆了速度本身和其他物理概念(如相速度)。

相对论的精妙之处,就在于它建立了一套自洽的框架,用光速不变性和相对性原理,解释了高速运动下的种种现象,并且所有这些现象都服从一个核心规则:任何信息或因果关系的传递速度,都不可能超过光速 `c`。 这也保护了因果律不被破坏。

总而言之,在正确的相对论框架下,两个运动物体之间的相对速率,在任何惯性系中的测量结果,永远不会超过真空中的光速 `c`。这个问题本身可能源于对公式理解的偏差,或者对低速世界直觉的过度延伸。

网友意见

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因为你用的是经典的矢量相减算的所谓“相对速度”。

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