相对论为什么规定宇宙中的最大速度不能超过光速?
前面我给大家讲解了狭义相对论的核心思路:时间相对性,相信大家应该记忆犹新,这里我再次重复下“什么叫相对性”,相对性意味着我们必须要给定一个参考系,并且换了参考系再看同样的事情就会有变化,比如速度这个物理量就是相对的,而且不止速度具有相对性,时间、长度、质量这三个物理量也是相对的。那么大家是否想过,为什么我们宇宙的最大速度就是光速C呢?
由于光的速度是C,也就是这个宇宙的最大速度,那么在光眼中我们的世界其实都是以C的速度在往后退,还记得我之前给大家讲过狭义相对论的一个效应不?当一个物体速度越快,时间就会越慢,由于物体空间速度和时间速度是不可兼得的,这与量子力学里面的海森堡“不确定性原理”其实有异曲同工之妙,因为这个不确定性原理就是告诉你,微观粒子的速度和位置你永远无法同时兼得。
其实宏观世界里面也有一个“不确定性原理”,那就是宏观物体的“空间速度”和“时间速度”也是不可兼得的,举个简答的粒子,当一个物体静止于地面,此时这个物体在空间上没有速度,也就是速度为0,但是这个物体时间上的速度恰恰是最大的时候,时间上的速度就是c。
那么这就带来一个新的“概念”,什么叫“时间速度”,时间这个物理量也有速度这一说吗?其实是有的,因为狭义相对论中有一个时间膨胀公式如下图所示。
当物体静止时由于空间上没有空间上的运动,也就是空间速度为0时,时间上的速度流逝的就最大c,当物体空间上运动速度达到c,时间上流逝的速度又变为0了,看见没,空间速度和时间速度是一种此消彼长的关系,一个大了另一个就小,一个小了另一个就大,用一个函数图来表示就如下图所示
其中横坐标是时间速度,纵坐标是空间速度,第一幅图就表示这个物体空间上速度为0,此时时间上的速度是c,右边这幅图表示这个物体空间上速度是c,时间上速度是0,中间这幅图表示这个物体在空间和时间上都有一定的速度。
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