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將周長為10公里的圓盤每秒旋轉3萬轉,是否就意味著已經超光速了?

從經典物理學角度來看,周長為10公里的圓盤每秒旋轉3萬圈,所以圓盤外緣的線速度達到了30萬公里/秒,這意味著這個速度已經超過了真空中的光速(約為29.98萬公里/秒)。

然而,就像任何試圖打破狹義相對論不可超光速的限制一樣,這樣的嘗試都是徒勞的,不可實現的。雖然製造一個周長10公里的圓盤是可以實現的,但關鍵是無法使這個巨型圓盤的每秒轉速達到3萬轉。

根據狹義相對論,隨著運動速度的大幅增加,相對論效應將會變得不可忽略,運動質量的增加會使繼續加速所需的能量急劇增多。尤其是在速度逼近光速時,繼續加速所需能量將會趨於無限多。因此,無論圓盤怎麼旋轉,都無法使外緣的線速度超過光速。

電子的加速實驗可以很好地表明,在亞光速下很難繼續加速。電子的質量很小,只有9×10^-31千克。在斯坦福線性加速器中,電子經過距離為30厘米的加速運動之後,它的速度已被加速度到光速的99.5%。但隨後再經過距離為3.2公里的加速運動,電子的速度也只被加速到光速的99.9999995%,並沒有超光速。

雖然在物理學上不會有超光速,但如果兩個物體以光速向相反的方向跑相對來說是不是超光速?

不會,可以直接用下面的公式:

w=(u+v)/(1+u·v/c^2)

如果兩個物體都以光速c朝著反方向運動,代入上式可得,它們的合速度:w=(c+c)/(1+c·c/c^2)=c,即它們的合速度沒有超光速,而是剛好等於光速。

上述公式是相對論速度疊加法則,比我們常用的方法多了一個分母。在低速情況下,相對論速度疊加法則的分母趨於1,所以它就會演變成我們常用的形式。但在高速情況下,就只能使用相對論速度疊加法則。因此,我們在日常生活中所用的速度疊加法則只是實際情況的一種近似。

從相對論速度疊加法則可以看出,光速與無論怎樣的速度進行疊加,結果還是光速,這就是狹義相對論的基本原理之一:光速不變原理。

基於光速不變原理可以得出很多結論,例如,有靜質量的物體不能以光速運動,任何速度的疊加都是小於等於光速,不同參照系的時間流逝速率是不一樣的。

PS:未經同意不得轉載(圖片來源網路)

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