简单讲,我们在低速世界经常用到的速度叠加公式,在高速(光速和亚光速)世界就不再适用了。
日常生活中,我们经常会用到速度叠加公式(其实就是伽利略变换),比如说很多超市都有像传送带那样的电梯,假设电梯的速度是每秒一米,一个人在电梯上行走,速度为每秒一米,那么在地面上静止不动的人看来,电梯上的人的速度就应该是每秒两米。
这就是我们的日常生活认知,也非常符合我们的生活经验。
但是一旦上升到了亚光速,这种简单的速度叠加公式就不适用了,为什么呢?
简单回答:因为光速不变。光速不变原理表明,光速是绝对的,不需要任何参照系,或者说在任何参照系下,光速都保持不变。
比如说在一艘飞船上发射激光,在地球上看来,激光的速度并不是飞船速度 光速,而仍旧会是光速本身。如果是顺着飞船的方向发射激光,光的频率就会变化,频率变高,发生蓝移。如果是逆着飞船的方向,频率变低,出现红移。
光速的这种绝对性,也表明了我们所在的时空并不是绝对的,而是相对的,时间和空间都会随着速度的变化而发生改变,只不过在低速世界,时空的变化实在太有限了,我们根本感觉不到。
当速度达到亚光速,时间膨胀效应就非常明显了,同时也会出现尺缩效应。我们常用的速度叠加公式是基于牛顿的绝对时空观建立起来的,如果时间和空间都发生了改变,速度当然不能直接叠加。
很简单,速度等于距离除以时间,距离就是空间,如果空间和时间会随着速度发生改变,直接叠加速度肯定就不严谨了。
这个时候就需要用洛伦兹变换代替伽利略变换了。
通俗来讲,伽利略变换公式可以表达为V=V1 V2,而洛伦兹变换可以表达为:
伽利略变换也成为相对论重要的公式之一。
从公式中可以看出,当V1和V2相对光速很小的时候,公式中的分母就趋近于1,这时候的洛伦兹变换其实就演化成了伽利略变换。
但是当V1和V2接近光速时,分母就不能等同于1了,这时候再用伽利略变换误差就非常大。
说白了,伽利略变换其实就是洛伦兹变换的近似值,一种特例,低速环境中的特例。因为我们日常生活中经历的速度与光速相比差距太大了,伽利略变换已经足够用了,没有必要用更精确的洛伦兹变换,非要用的话,只能增添更多的麻烦!
所以,问题的答案也很明显,无论火车里套多少火车,火车上的人的速度都不可能超过光速。