当你把一辆车开到光速,那么车灯的光线还能照射出去吗?几乎没有几个物理问题能比这个更常见。以光速(299792458 米每秒,其物理符号为“c”)驾驶任何车辆似乎完全不可能。随着物体移动速度的增加,它们的质 量也会增大。
想要越来越快的加速前进,随着物体质量的增加就要求更多的能量(根据 爱因斯坦 的 狭义相对论 ,这至少从 外部观察者的角度来看是这样的;而在车里甚至会有更奇怪的事情发生,后面再做更多介绍)。而任何拥有质量的物体需 要无限的能量才能将其加速至光速。
考虑到这些限制,欧洲 大型强子对撞机 ( Large Hadron Collider ,目前世界上最强大的 粒子加速器)的科学家们只能够推动诸如质子的亚原子粒子加速到光速 c 的 99.9999991% ,但是还未真正达到 c 。
然而,组成可见光的光子是没有静止质量的,所以相对论的规则不适用。事实上,那些没有质量的粒子一定是以光速 c 向前运动的(没有绝对静止的东西)。
现在让我们来推测一下。比如说,如果你真的开着 Mrs. Frizzle 的神奇校车达到 c (虽然是不可能的),到底会发生什么 呢?首先,在你小手上的手表不会让步。在运动时,时间会变慢,一旦到达光速,时间会完全停止。在这种情况下,你会 无法开启车灯(车与光线速度一致,车灯中的光线无法射出)或者做其他任何事。
好吧,忘掉原来的问题吧。如果你的车速是略低于光速的话,车灯还能工作吗?当然可以了。你的车灯依然能射出两 束以光速前进的光线,它会稍快于你的车,你也可以看到光线慢慢往前运动,就像你前面有一辆开得比你快的车,离你越 来越远。
这给我们带来了一个有趣的现象。纯粹出于无聊,我们可以这样想象一下,你决定向你停着的卡车的挡风玻璃射出一 颗子弹,并测量子弹的速度。然后得到它的速度是 1700 英里每小时。然后,你以每小时 10 英里的速度驾驶卡车迎向子弹来 重复这个实验。从你的角度来看,第二颗子弹的速度仍将是每小时 1700 英里。然而,站在车外的人会得到它的速度为每小 时 1700+10=1710 英里。
然而光并不是按照这种规则。还是假设你开车加速到 10 英里每小时,如果你向车的挡风玻璃射出一束光线,你会测量 到它还是以光速运行。与此同时,外界观察者不会得到速度为光速 + 车速。相反,这个人会同意你说光线是以 c 的速度前 进。这听起来不可能,但 爱因斯坦 的 狭义相对论 认为,光速在任何的惯性参照系中都是恒定的。无论是什么样的参照系, 光速永远不会改变。
图中圆圈为 大型强子对撞机 的圆形隧道用于加速粒子,长达 27 公里。
前面这里该如何理解呢?比如说在速度为 v1 的车上往前丢出一个速度为 v2 的物体,那么根据经典物理,这个物体的速 度应该为 v1+v2 ,然而这个速度叠加原理只在低速下近似适用,而在高速下只能用相对论的速度合成法则。实际上,经典物 理的速度叠加值只是根据相对论速度合成法则算出来的一个近似值,只不过速度很低的时候,这两个值几乎相等。
我们都知道光通过水等媒介时速度会变慢(这里说的只是这束光的速度,并不是说光速 c ,注意光的速度与光速的区 别)。而影响它的速度可能有着更多的变量。
就在去年冬天,一个由光学物理学家组成的研究小组发表了一篇令人兴奋的新论文。由 英国格拉斯哥大学 ( University of Glasgow )的 Miles Padgett 教授领衔的研究小组改变了几个光子的形状,并让它们与为改变形状的光子比拼速度。结果是改 变形状之后的光子跑得更慢,即使是在真空下亦是如此。
这些掉队光子的速度只下降了几百万分之一米。不过,很明 显, c 是光的最高速度,但并不是光的唯一速度 。