如果宇宙飞船以光速前进,打开大灯的话,会照亮前方的...

如果宇宙飞船以光速前进,打开大灯的话,会照亮前方的路吗?的头图

想要了解这个问题,首先我们需要知道一个基础的概念,也是狭义相对论的一个基础命题,那就是光速不变原理。说的是光速相对于任何惯性系都会保持一个恒定的速度(299792458米/秒),不满足我们日常生活中所习惯速度叠加原理,也就是说不论你相对于光源怎样运动,你所看到的光速都是恒定的,并且对任何一个参考系都是成立的。这个概念是解决这个问题的关键。

光速不变原理是在1887年的迈克尔逊-莫雷实验中得到了证实,这个实验也证明了宇宙中静止的以太介质是不存在的,如果光的传播真的依赖于任何介质的话,那么观察者相对于介质的运动,就会导致光速发生改变。但在1887年的实验中我们并没有发现两条相互垂直的光线在经过特定距离的运动后发生某种特殊的干涉特征。而是不管地球相对于宇宙空间怎么运动,两条光线的干涉状态都不会发生改变。

这个实验也经过了严格的验证和审查,也获得了1907年的诺贝尔奖。因此光速不变原理,绝对是没有问题的,随后根据这个命题,爱因斯坦也发展出了狭义相对论,证明了时间、空间是相对的,它们会随着物体的运动状态而改变。而且也指出了宇宙中一切携带信息的粒子传播速度不能超过真空中光速,当然这也包括光子。

这里多说一句,并不是说有质量的物体不能超真空中光速,而是信息的传播速度不能超光速,这样说更完整、也更正确,因为无质量的粒子还有一个胶子,那么它就能超光速了?显然不是的。而为什么宇宙中的信息极限速度刚好就是光速呢?

这跟充满全天空的微波辐射背景有关系,因为任何带电粒子在宇宙中的运动达到一定的能量值都会于微波背景辐射的光子发生相互作用,并损失能量。也就是说宇宙中的任何携带的能量都是有个阈值称为GZK极限。

知道了以上的知识,我们再说下今天这个问题。

飞船以光速前进,或者超过光速,然后打开大灯,这个光的是怎么运动的?这分为两种情况,一个是在飞船内的观察者看是怎么样的;二是飞船外的观察者看是怎样的。

以飞船内的观察者为例,即使飞船以光速运行,在飞船打开大灯的时候,不管飞船的运动速度如何,飞船发出的光相对于飞船以及内部的观察者依旧是以光速传播。也就是说,在飞船内部看来,大灯的光也会相对你以299792458米/秒的速度往前飞。因此光线是可以发出去的,按理说是可以照亮前面的路的。

但是别忘了,宇宙飞船在宇宙中飞行开灯简直就是多此一举。因为黑暗的空间中,任何物体都没有,即使你开灯了,光线也会一直往前跑,不会有一丁点的光线反射回你的眼睛,因此等我们人类以后开发出光速飞船了,设计师是不会给宇宙飞船装前照灯的,而是会在飞船的周围装一些氛围灯,能让外部的观察者看起来炫酷一点。再补充一点,即使飞船超光速,以上的情况也成立。接下来的情况就比较有趣了!

以飞船外部的观察者为例,情况就稍微复杂了一点。你看,你在黑暗的宇宙中以光速穿行,假如周围没有任何的参考系,你就无法分辨你是静止的还是在运动的,但是在外部的观察者看来,你正以光速的前行,而你的宇宙飞船发出的光线相对于外部观察者也是光速,上文说了,光的运动速度不会因为光源的速度发生改变,所以在外部观察者看来你和你所发出的光线速度是一样的。光线并不能比你跑的更快,你两基本就处在同一水平线上。

而由于多普勒相应,你要是向外部观察者运动,外部观察者看到你所发出的光线就会蓝移,由于飞船的速度非常快,这些光线的波长会被压缩的非常短,甚至达到可见光谱外的紫外线波段。当你远离外部观察者时,又会看到光线红移很快就会消失。

如果你的飞船超过光速,那么在外部观察者看来,光是跑不过你的,而是大量的光线都被你压缩到了飞船的顶端,如果你飞船的材料结构十分稳定就会突破光障,将光线甩到身后。这种现象跟核反应堆中的契伦科夫辐射是一样的,由于核反应堆会释放出高能电子,这些电子在水中的传播速度会超过光在水中的传播速度,那么在电子的行进的前端会产生震波波前,类似于超音速飞行器的音爆现象。

总结

所以不管你的飞船运动的多快,对飞船内部的人来说,开灯是可以把光线发射出去的,但是在宇宙中没有开灯这么一说,因为宇宙中那么多恒星,光速比你飞船的灯要亮数万亿内,也没有把宇宙照亮,即使你在一颗恒星的附近,只要背对这颗恒星,你看到的也是一片黑暗。所以开灯是在浪费资源。

虽然在外部观察者看来,你的光线并没有被发射出去,你和你发射的光线是同时达到目的地的,但外部观察者看到的,并不会影响你的感受。

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