在经典物理框架下,若假设苹果从无穷远处以初速度为零开始自由下落,根据牛顿万有引力定律与机械能守恒,其动能将等于引力势能的减少量。地球表面引力势能公式为 U=−rGMm,当苹果从 r→∞ 下落至地球表面(r=R),动能增量为 ΔE=RGMm。若忽略空气阻力,经典理论推导出的末速度 v=R2GM仅约11.2km/s(地球第一宇宙速度),远低于光速。

然而,若强行将此模型外推至相对论领域,矛盾随之显现。根据狭义相对论,物体质量随速度增加而增大(m=γm0,γ=1−v21),动能表达式变为 Ek=(γ−1)m0c2。当 v→c 时,γ→∞,需无穷大能量才能继续加速,这显然不可能。因此,即使忽略所有阻力,苹果速度仅能无限趋近于光速,而无法达到或超越它。
广义相对论进一步揭示:引力本质是时空弯曲,苹果下落实为沿测地线运动。在极端情况下(如黑洞事件视界附近),相对论效应显著,但光速仍是不可逾越的极限。
结论:在经典物理中,苹果下落速度受地球质量与半径限制;在相对论框架下,光速作为宇宙速度上限,任何有质量物体均无法达到。这一矛盾恰恰印证了牛顿力学的局限性——它仅适用于弱引力场与低速情形,而相对论才是更普适的理论。
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