狹義相對論的敲門者:洛倫茲,物質超光速運動為何是不可能的?

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亨德里克·安東·洛倫茲

說到洛倫茲這哥們,學過高中電磁學的同學首先會想到洛倫茲力,也就是帶電粒子在磁場中受力。和我們所看到大部分小說一樣,主人公都有著悲慘的童年,我們的主人公洛倫茲在8歲的時候母親就去世了,第二年父親娶了一個後媽。仍和小說一樣,總有一個人撫慰主人公的心靈,洛倫茲的繼母就好似如此,洛倫茲為了紀念自己的繼母,甚至將他的第一個女兒取了他繼母的名——盧貝塔。由於繼母的疏導和關懷,洛倫茲走出了陰影並從小就表現出濃厚的物理興趣,並且得到了許多科普作者的幫助,雖然這些科普作者在當時並沒有什麼名氣,但這些科普作家無一不是牛頓力學的簇擁者,這也對洛倫茲產生了潛移默化的影響。洛倫茲研究生和博士階段一直在研究光學問題,這在當時都是最前沿的領域。洛倫茲的博士論文是《論光反射和折射理論》,其解釋了麥克斯韋電磁理論。洛倫茲這個人很矛盾,他既堅定牛頓力學的正確性,又認同麥克斯韋電磁理論。在當時看來,麥克斯韋電磁理論得出的真空中的光速不變原理和牛頓力學是格格不入的。而洛倫茲的價值觀也注定他做的工作只會作為牛頓力學和麥克斯韋電磁理論的調解者

當時麥克遜—莫雷實驗已經否認了以太的存在,可是洛侖茲作為堅定的經典力學簇擁者,他可是不會那麼輕易放棄的。如果放棄了以太論,那麼牛頓力學和麥克斯韋電磁理論就完全沒有調和的餘地了。洛倫茲只是把真空中的光速視為光在靜止以太中傳播的特殊情況,他只是具體問題具體解決。在洛倫茲心中,只要對這個問題(真空的光速不變)稍加修改,牛頓力學依舊是那麼地完美。

在洛倫茲看來:牛頓力學對物體的運動首先要選取一個參考系。那什麼是參考系呢?通俗點說,參考系是參照物和坐標系的統稱,我們在這里可以簡單地把參考系理解為參照物。在生活中你要判斷一個物體到底是運動的還是靜止的,起碼要選擇一個參照物作為對比。你開車自駕遊,你相對於公路上的路標就是運動的,這是因為你把路標作為了參照物;可如果你把車窗作為參照物,那麼你就是靜止的。參考系又分為慣性參考系和非慣性參考系。簡單理解慣性參考系就是依靠慣性運動的物體建立的坐標系,它要麼是靜止的,要麼是勻速直線運動的。所以兩個勻速運動的物體就是彼此的慣性參考系。而非慣性參考系就是相對於慣性系做變速運動的參考系。兩個物體之間做對比,只要其中一個相對於另一個物體是非勻速運動但不靜止狀態(其實就是加速狀態),那麼其中一個物體都可以視為另一物體的非慣性參考系。

我們現在從具體的生活出發,就會更切貼的了解慣性系之間的規律。如果在高速公路上,交警發現一個車輛逃逸(速度大於120km/h)。但是逃逸車一直的拼命逃亡,絲毫沒有停下來的意思。這時候交警就開車追他,交警把車速開到了120km/h,當然這是追不上逃逸車的,但是警車可以開啟車載雷達,測量出逃逸車的速度。得到逃逸車的速度是150km/h,那麼警車和逃逸車之間就有30km/h的速度差,我們就可以得出警車和逃逸車之間隨著時間的距離變化公式。

警車和逃逸車的距離H=起始距離差+30km/h乘以時間。這個公式是不是看起來很簡單,如果我要是換一個術語形容它,那麼你就立馬感覺到高大上,這個術語就是伽利略變換。

牛頓運動學的基礎就是建立在伽利略變換上的。事實上伽利略變換只適用於兩個相對勻速運動的物體之間,如果逃逸車一直在加速,那麼伽利略變換就不能用了!

倘若我們讓警車和逃逸車勻速地背道而馳,那麼按照伽利略變換,這時候警車和逃逸車之間的相對速度就是警車的速度加上逃逸車的速度。假設警車和逃逸車都開了掛,彼此相對於地面都開到了光速的60%的速度,那麼按照伽利略變換,從警車中測量出的逃逸車的速度就是光速的1.2倍。可是按照麥克斯韋電磁理論來說,真空中的光速才是最快的光速並且是固定的,那麼光速的1.2倍就不可能存在!按照伽利略變換的理解:警車雷達發出的電磁波(光就是電磁波)也追不上逃逸車,那麼事實上警車就無法測出逃逸車的速度。而伽利略變換理論上卻可以得出逃逸車是1.2倍的光速,但具體測量卻無法實踐,這就是一個很大的矛盾!

愛因斯坦和洛倫茲

洛倫茲一看,這可不行,我的使命就是調解這兩者的矛盾,於是他老人家親自上場。洛倫茲認為既然真空中的光速是恒定的,那麼我就把這個原則加到伽利略變換中。之前的伽利略變換對速度沒有上限規定,理論上兩個物體之間的速度疊加一下就可以輕輕鬆松的超光速。當洛倫茲把光速極限代入到了伽利略變換中,就相當給伽利略變換加上了光速極限的緊箍咒。他老人家說我不管你怎麼測量,反正光速就是極限,是不能超越的。

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