為什麼你永遠無法達到光速（內含中文視頻）

視頻版權：Kadi Runnels；

字幕翻譯：天文志願字幕組（有錯誤的地方望各位指出）

解說詞

（翻譯：天文志願字幕組，若有錯誤，歡迎指出）

眾所周知，愛因斯坦的狹義相對論

已經被物理學界所公認為最成功的理論之一

就目前的理論來看，都難以證明狹義相對論是錯的

然而，為了弄清楚狹義相對論

我們必須絞盡腦汁通過思想實驗來理解

光的波動、非同時性和移動觀察者等概念N來接受關於時間和空間的理論邏輯

所有這些迷惑不解的概念，N請您觀看下面的關於狹義相對論的思想實驗

我的目標是讓你更加

直觀的了解狹義相對論，而絕不採取繁瑣的數學公式。

那，讓我們開始吧！首先，讓我們從伽里略相對性原理開始，N這個理論所說的是一切力學規律

在所有慣性系中是等價的。換句話說，如果力學系統中所有有關元素

被給予相同的的速度和方向的激勵

那麼這個系統的的運動是不會受到影響的。

在後文中，激勵的概念將十分重要。基於此，

假設在一個參考坐標系中，加入了推力作為激勵

想像在你的靜止車道上垂直投擲一個球，它會正常直線下落

現在想像假設你和小球都在一輛N以60英里每小時的速度向西行駛的車輛中

從地面上看，如果你向上拋起小球，它在向前運動的同時

還會以60英里每小時的速度向西運動，呈弧線下降

那麼，如果我問你看到的小球是什麼狀態呢？你會很迅速的告訴我說

就和平常靜止時一樣落下啊！沒什麼特別的

顯然，正是由於對稱性，我們才能做出這種假設

這個關於伽里略相對性原理的例子告訴我們

力學定律在慣性坐標系中是等價的

實際上，地面參考系就是地球表面，它以幾千英里每小時的速度

繞著地軸轉動，也繞著太陽公轉

甚至整個星系也是繞轉的

所以所有的慣性參考系都是遵循這一規律的，換句話說

沒有任何辦法可以確定你在絕對意義上的靜止或運動

只有物體間的相對運動才有意義。這就叫做

相對性原理

好的,現在我們花幾分鐘來簡單說說

電磁波

電磁理論描述了存在於電荷、電流、磁鐵和光中的

固有規律

在19世紀，人們認為電磁場中的電磁波

與物理學中的波的形式是等同的

沒過多久，電磁波就在實驗室中製造出來了

並且證明了光波也是電磁波的一個特定頻率段的分支

電磁波的傳遞會產生電磁場

光波的傳播速度可以達到

30萬公里每秒。

這就給伽里略相對性原理理論帶來了一個新的問題。為了說明清楚

我們將採用水波模擬光波Nan analogy—water waves.

假設你在一個湖裡划船，你丟一個壘球到水裡

濺起的水波紋會呈圓環狀

向四周漫去。水波紋會使你覺得好像隨著水波在動

當你在水波中心，你可以通過丟出壘球確定你是否處於靜止狀態

觀察你是否還處於水波紋中心

來確定你是否在運動

如果此時你移動了，你會發現你離水波環中心遠去

你沒有待在圓環的中心

我們做這個實驗來確定你是運動還是靜止狀態，N似乎是與相對性理論相悖的

但請記住，你只是根據水波這個參照系

來定義你的運動

所以，根據這一觀點，我們可以用同樣的思路來研究電磁波和光

那就意味著人們可以

通過測量光波來判斷我們的運動

物理學家阿爾伯特.曼徹爾森和愛德華.莫理做過這樣的實驗

他們發現並不是所有的物理運動

都遵循這個定律，一年中有好幾次地球的運動速度超過了60公里每秒

這個實驗顯示了之前的理論是存在問題的，電磁場並不像

湖水實驗一樣擁有穩定的背景

相反，電磁場和其他場一樣

這也意味著每秒30萬公里的光速是一成不變的

即光速恆定理論

但是，這怎麼和伽里略相對理論契合呢？

伽里略的相對論說如果伽里略在以1000公里每秒的速度向你移動

同時他還向你照射一束速度為30萬公里每秒的光

那麼那束光將是以30萬零1000公里的速度達到你身上

這與與光速恆定理論相悖

這與倡導理論物理學的科學家亨利·龐加萊、阿爾伯特·愛因斯坦、

亨德里克·洛倫茲，N甚至建立時空新理論的數學家赫爾曼·閔可夫斯基的理論都大相徑庭

無論如何我們都認為沒有慣性參考系沒有優劣之分

光速在所有慣性坐標系中是恆定的理論正確的

拋開愛因斯坦和落倫茲的最初想法

假設每個人都在宇宙的中心。不，實際上Nthe fact that everyone thinks they are in the center of the universe. No, really — all

所有的觀察者都假設呆在光源發出的地方，也就是光波的中心

並且不受光波移動的影響

這個方法是替代伽里略相對論的狹義相對論之父提出的

所以我們需要證明相對性原理與光速恆定理論的相稱性

讓我們重溫一下落倫茲和愛因斯坦發現的落倫斯坦相對論

相對論的理論模型是需要建立在一個任何點和

任何方向本質都相同的幾何結構。在數學定義上

有三種這樣的幾何結構

我們先看看一個不滿足這一特性的幾何結構

在立方體中，不是任意兩個點都具有相同的特性。N比如，這兩個點幾何特性相同

但這兩點不同

適合這一理論的是平面。因為平面的定義是無限大的

所以平面上的任何點都可以作為平面的中心

再就是球體。如果這是個足夠圓的理想的球體，任何點

都可以看成是球面一定意義的中心或者極點

在以上兩種幾何結構中，每個點的本質的一樣的

第三個，也就是最後一個，卻不太像前述的三種幾何結構

我們在三維空間里也不太好描述它。它叫做雙曲性平面

我們會用它來幫助理解相對論

讓我們看看，均勻的平面代表伽里略相對論

而雙曲性平面代表落倫斯坦相對論

那麼NSo here we go…

想像一下一個轎車以一定速度在一片空地上行駛

依據牛頓力學觀點，轎車可以以任意速度向任意方向行駛

轎車可以看做是蜂窩狀網格平面的一個點

從一塊移動到另一塊比如說10英里需要一個激勵，

記住，激勵就是進入一個新的參考系下的一個力

這個圈上的每個點在不同方向上，都是每小時10英里的速度

這個圈上的點會呈現出每小時20英里的速度

這個蜂窩狀網格平面遵循伽里略相對論原理。N注意沒有哪個蜂窩片是特殊的：我們可以隨便移動

使得任何一個蜂窩片都可以成為中心

仙子，我將要闡明以下事情：沒有什麼物體的移動速度可以超過光速

轎車移動的速度就是這些圓圈標明的速度

比如，這個點表現為1/2光速

如果你把這個圓圈想像成你的餐盤，N在上面以任何速度運動的物體都可以

看做是在圓圈上運動的上千個原子的集合

那麼，新的網格狀片狀組合看上去像這樣。重要的是你要理解

這些塊越靠近邊緣越細小。每塊都擁有相同能量的激勵

但是尺寸越靠邊越小

這就解釋了為什麼永遠無法超光速。如果要加速

你需要一個確切的激勵，移動到下一塊片區。但是當你接近光速時

每個片區以同樣的激勵能量，但是能帶動的距離越來越小

所以光速除了是一個有限的每秒多少米數據外

也是你到達某一地的極限速度

所以當你比較這兩個網格狀平面的時候，N前一種表現的是伽里略相對論

速度是增加的，每個片區增加激勵或改變是相同的

和你觀察的參考系無關

在表現落倫斯坦相對論的網格平面中，每一塊片區都增加相同的激勵

但是它完全取決於你觀察的角度

如果你站在遠處觀看，激勵和片片會顯得很小，但是如果你站在

中心或者近處看，它卻顯得很大。

從視覺上，你可以想像網格會被像這樣從一個圓圈

向另一個圓圈移動，所有的片區壓縮在一起

他們分布開來，佔據整個空間

所以，每一個片區都可以作為它自己的中心

那麼，每個片片上看到的光速都是一個環繞它自己的圓環

現在你也許明白了，在洛倫茲斯坦相對論中，N每一個觀察者看到的光都是

從他們輻射出去，不論觀察者處於任何運動狀態

觀察者都是看到這樣一個完美圓環

還有一件事需要提一下，N那就是伽里略相對論與洛倫茲相對論是相近的

只要速度很小。比如，1000個原子直徑圓環所呈現的

人類運載工具的典型速度是很難被扭曲的

當它接近光速的時候

愛因斯坦的狹義相對論給大家呈現了一個嶄新的

關於空間和時間的畫面，這比許多經典物理界理論

更深刻和成功

我希望我能持續關注關於時空和能量的話題

但現在還太早

但願我已經給您一個關於狹義相對論的淺顯認識，藉此希望您能了解

為什麼不能超光速

我也歡迎任何對狹義相對論話題感興趣的朋友，關注視頻製作者M.C. Esche的節目woodcut Circle Limit III

了解更多有趣話題

我的下一個視頻將在Schr?dinger發布N（觀看更多中文天文視頻歡迎關注weibo天文在線）N【也歡迎您加入我們字幕組，私信koukou零度星系（南充）】

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