为什么光速只能无限接近,自由落体可以无限接近光速吗

根据牛顿第二运动定律(F=ma)可知,物体的合力与加速度大小成正比。只要物体的合力大于零,它就能一直加速下去,这样物体的速度肯定会越来越快,超过光速(c≈30万公里/秒)是必然的。但狭义相对论告诉我们,任何物体的运动速度不可能大于光速,这是因为一旦速度被加速到亚光速时,运动质量的增加不可忽略,经典的牛顿第二运动定律公式不再适用:

为什么光速只能无限接近,自由落体可以无限接近光速吗图1

从上式中可以看到,对于静止质量大于零的物体,它们的运动质量会因为速度接近光速而增大到无穷,所以物体不可能再继续加速。

此外,我们也可以从能量的角度来看。从经典物理学来看,物体的动能为:Ek=1/2mv^2,只要物体的动能足够大,速度必然会超过光速。但如上所述,在高速运动时,需要考虑运动质量的问题,所以对应的动能公式也要发生变化。根据能量守恒定律,可以得到物体在接近光速的情况下所具有的动能:

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从这里可以看到,对于静止质量大于零的物体,当它们的速度趋于光速时,动能也会随之变得无穷大,所以物体是不可能进一步加速而达到光速的。

另一方面,如果物体的静止质量为零,那么,它们的运动速度可以达到光速,并且也只能保持光速运动,这种物体包括常见的光子,还有胶子。

此外,想要利用速度叠加超光速也是无法实现的,在高速运动时,合成速度的法则如下:

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这个从狭义相对论中导出的公式可以保证任何速度叠加只会小于等于光速,而不会出现超光速的情况。

光速是目前已知的最快的速度,除了光任何物体无限接近光速也只能是假设,事实上是不可能发生的,除非在绝对真空状态下,物体以光速前进,才不会被烧成灰(因为前进时会与周围空间介质产生摩擦生热),即使浩瀚无垠的宇宙也不是绝对的真空,存在着无数的星球与宇宙尘埃。根据目前已知的理论,乘坐超光速飞行体旅行时,时间会倒流,爱因斯坦的相对论已给出具体的论证。时间在接近光速的飞行体上,会变慢甚至停止,所以引出了另外一个问题,时间到底存不存在,是不是人们为了生命或生活有一个参考标准而人为假设的一个东西。


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光是一种奇特的现象,只有能量,没有质量,否则照射在人身体上,会把人粉身碎骨,然而事实上,光照在人身上,除了感觉温暖之外,并不会对身体造成损伤。所以光更像是某种电磁场,光有许多特性,光波、光谱、光子………,


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话说回来,无限接近光速的想法源于对速度的追求,目的是到达更遥远的目标,但到达目的的办法有许多种,光速的不可逾越特性,也可能是为了提醒人们根本不需要逾越,一维平面一张纸上的蚂蚁若想从A点到B点,只能老老实实地直线行走,但在三维空间就可以将纸弯曲,让A点与B点重合或接近。时间与空间,速度与维度,虽然很烧脑,但也让无数科学家为之着迷并持续研究。


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