一堂有趣的物理公開課

來來來，上課了，小夥伴們快搬凳子坐好！

上課鈴響……

物理老師踏進教室。

班長：起立！

全班同學：老師好！

物理老師：同學們好！請坐！今天，我們來進一步地學習相對論的知識內容。

學生A：老師，我們已經學習了一些相對論的相關知識了，那麼我想問一下能否通過速度疊加的方式來超越光速呢？比方說這樣子：

這樣，我們不就可以實現物體的運動速度超越光速了嗎？

物理老師：想通過速度疊加的方式來實現物質超光速運動？沒門！

學生B：為什麼呢？

物理老師：首先，先看下面這張圖

取兩個相對做勻速直線運動的慣性系，分別在其上建立兩個直角坐標系s系和s 系，使兩者的對應坐標軸互相平行，且x軸與x 軸重合。s 系相對於s系沿x軸以速率u勻速運動，設兩參考系的相對運動僅發生在x 軸方向，選擇兩坐標系原點o與o 重合時作為計時零點（即t=t =0）。

利用狹義相對論中的洛倫茲變換公式，可以推導出相對論中的速度疊加公式：

式中u為s 系相對於s系的運動速度，v =dx /dt 為s 系中觀察者看到的質點P的運動速度，v=dx/dt 為s系中觀察者看到的同一質點P的運動速度。

學生A：老師，幹嘛要用這個速度疊加公式？

物理老師：因為我們要討論的物體運動速度遠大於一般的速度，達到或超過光速的一半。

學生B：也就是說，在物體的運動速度比較小的時候，就可以直接用相對速度的相加減來分析研究，而當物體的運動速度達到光速的一半的時候就必須得用相對論的速度疊加公式是嗎？

物理老師：孺子可教。

學生C：那這個公式怎麼分析呢？

物理老師：我們來分析一下，從上式中，我們可以得到，不管v 和u中的哪個有多接近c，或者v 和u都同時無限接近於c，v都只能是小於c（注意無限接近並不代表等於），而不可能等於或者大於c。只有在當v 和u中的其中一個取c，或者兩者同時取c的時候，v才有可能等於c，但是絕對不可能大於c。

眾學生：對哦！

物理老師：另外，我們都知道，任何一個有靜止質量且不為零的質點，其速度都必須是小於c（原因從公式 E=mc^2 可以推導出來，具體分析下節課繼續，本節課暫不展開討論），而參考系又必須建立在這類質點上，所以v 和u都只能小於c，這樣一來，很明顯的v也只能小於c了。而且，不管質點的速度v 和s 的速度u多麼的接近c，兩者的速度疊加之後也仍然必定小於光速c。因此，我們可以從中得出一個結論，想通過速度疊加的方式來達到或者超過光速的做法，是絕對不可能的。此路不通，沒門！

學生A：那當物體的運動速度達到光速呢？

物理老師：我們上面提及的參考系，只能建立在靜止質量不為零的質點上，這樣s 的u必定小於c。而當我們式中的v 描述的是光子速度時，v 就等於c，這時候我們可以看到，即使是這樣，v也只能是等於c，而不可能超越光速c。

語文老師：哎呀媽呀，物理佬你說的都是些啥呢，說公式分析太複雜了，看不懂，你的大概意思我明白了，就是光速不變原理：在所有的慣性系中測量出來的光的速度，都是等於同一個常數c，跟慣性系之間的相對運動如何如何沒有半毛錢的關係。

數學老師：（擦汗）別說你的數學是俺教的！

物理老師：（哈哈大笑）對，就是半毛錢關係都沒有！

眾學生：哦~~~語文佬厲害~

語文老師：那是那是~~~

物理老師瞥了語文老師一眼，心裡想著：這貨又來裝B！

學生C：那老師，如果我哪天在操場上跑步，越跑越快，有朝一日我能達到光速嗎？

學生A：你會被餓死的。

學生C：假設我能不斷補充營養的話。

體育老師：這樣你會被累死的。

學生C：哎呀，假設我在一輛汽車上，然後汽油無時不刻地供應，我踩著油門不放，汽車一直加速，最終能達到光速嗎？

物理老師：這樣我也很累……好吧，答案是不能。

學生B：為什麼呀？

物理老師：我們先來看看一個公式：

這個公式是相對論質量公式，m0是物體的靜止質量。

學生A：這個公式跟剛剛那個相對論速度疊加公式一樣都是在物體運動速度比較大的時候使用的嗎？

物理老師：這孩子有前途！

學生B：那我參照剛才那個公式來分析的話，也就是說，當物體的運動速度u趨近於光速c的時候，根號內的式子就趨近於零，m0來比上一個趨近於零的數，也就是說，m會趨近於無窮大！

物理老師：完全正確！

學生C：那這樣一來，也就是說，擁有靜止質量的物體，其運動速度越大，運動起來的動質量也就越大？

物理老師：不愧是我教出來的！

體育老師：那肯定是假的！因為如果這樣的話，我跑步的時候閃電般快，體重一樣沒增加！

物理老師：（輕蔑）那是因為你跑得還不夠快！

學生B：那這個跟我的問題又有什麼關係呢？

物理老師：假如你的速度越來越快，快到達到或超過光速的一半的時候，你就得考慮相對論效應，這時候你的動體重（運動時的體重）會增大，你就越重，簡稱就是胖了。我們知道，越重的物體想運動起來就越難，運動同樣的距離所需要消耗的能量就會更高更大（這也是為什麼胖子跑不快的原因）。那麼你這時候用來維持運動的能量消耗就越來越大。當你的速度再大點，達到無限接近光速的時候，你會發現你需要用來維持運動的能量是無窮大。但是問題是，你能有無窮大的能量嗎？

眾學生：哦~~~前方高明！

體育老師：看來我要更加努力了！

語文老師：變成胖子你那八塊腹肌可就沒了……

眾學生：哦~~~八塊腹肌，算得這麼清楚……

語文老師：討厭啦……

學生D：物理佬就兩塊排骨！

眾人：哈哈哈哈哈哈哈哈哈……

物理老師：（發怒）安！靜！你（指著學生D），下課來我辦公室！

學生A：那如果超光速了會怎樣？

物理老師：我們從上面的兩個式子，一個是相對論速度疊加公式，一個是相對論質量公式。這個公式都共同說明了一個問題，是什麼問題？

數學老師：物體的運動速度不可能達到光速！

物理老師：（搶我風頭）不夠對，應該這樣說，光速時物體的運動速度和信號的傳播速度的極限！

語文老師：換句話說，靜止質量不為零的物質其運動速度不可能達到光速，靜止質量為零的物質的速度也不可能超過光速！

物理老師：語文佬進步真快，不愧是我教出來的！有意思的是，如果真出現超光速粒子或信號的話，因果關係就會被顛倒，原因變成結果，結果變成原因……

哲學老師：（插話）就如同是先有雞還是先有雞蛋。

物理老師：哲學佬，一邊去……

爾後，下課鈴響……

物理老師：同學們，今天我們就先談到這裡了，其他的具體問題我們下節課再繼續！

眾學生：謝謝老師~

校長走上講台：這物理老師乃何方神妖也？

眾學生：阿花也~~~

物理老師：（發怒）是阿華！！！

眾人笑————