光速,是一個非常特殊的速度,與平時我們所講的速度有著本質區別,就是因為一點:光速不變。
光速不變,當然不是指「光在真空中的速度是每秒30萬公裏」,而是指「光速與其他任何速度疊加之後仍舊是光速」。
也就是說,無論是順風還是逆風,光速都不會有任何改變, 光速是絕對的 。舉個例子就明白了。
我靜止在地面上,你拿著手電筒快速奔跑,奔跑速度為V。手電筒發出的光在我眼裏,速度是多少呢?
按照我們平時所用的相對速度來計算,答案應該是光速C加上你奔跑的速度,也就是C+V。這不就是超光速了嗎?如果超光速了,愛因斯坦的相對論肯定就被推翻了。
事實並非如此,無論你奔跑的速度有多快,在我眼裏,手電筒發出的光的速度都不會改變,都是光速,哪怕你以無限接近光速的速度奔跑,結果也是一樣的。
明白了光速不變,再回到問題中來,兩束光反方向飛行,根據 光速不變原理 ,相對速度應該還是光速。
但是等等,答案並沒有那麽簡單。
愛因斯坦提出的狹義相對論, 是建立在兩大假設基礎上提出來的 ,分別是上面所講的光速不變原理,還有一個狹義相對性原理。
何為相對性原理?簡單理解就是,在慣性系,物理定律都表現出相同的形式。說白了就是在慣性參考系,你根本無法區別自己是靜止狀態還是勻速直線運動狀態,因為這兩個狀態下的物理定律是相同的。
這兩束光對於某個觀察者來講,比如說在你看來,其中一束光的速度是光速C,另一束光的速度也是光速C,那麽在你看來,兩束光的相對速度就是兩倍光速,也就是2C。
你可能又會提出質疑:這難道不是又超光速了嗎?確實是超光速了,但並沒有違反愛因斯坦的相對論,因為相對論並沒有絕對限制光速,相對論體系下的光速限制是有前提條件的。
根據狹義相對論,要計算兩束光的相對速度,當然不能以你為參照系,而應該以那束光為參照系來計算。同時,當速度達到亞光速或者光速時,平時我們所用的伽利略變換來計算相對速度就行不通了,必須用到更精確的 勞侖茲變換 。
根據勞侖茲變換公式,可以計算出,兩束光的相對速度仍舊是光速,這個結果與剛才用光速不變分析出來的結果是一樣的。
但是,光並不能作為慣性系,為什麽?簡單講,光並沒有慣性,有質素的物體才有慣性。另一方面,光本身也不存在時間和空間的概念,沒有時間和空間概念的事物,怎麽可能作為參照系呢?
把光作為參照系,就好比你既是球員,又是裁判,說白了,就是沒有任何意義。
有人可能無法理解「 光沒有時間概念 」,其實可以通俗理解為「光的時間是靜止的」,但這只是通俗的理解方式,其實是不太嚴謹的,因為光根本就沒有時間。
按照狹義相對論中的 時間膨脹效應 ,速度越快時間就越慢,如果達到光速,時間就是靜止的,而光的速度就是光速,因此可以通俗理解為光的時間是靜止的。
有夥伴們可能會想到「太 陽光到達地球需要大約8分鐘時間 」,既然光沒有時間概念或者說光的時間是靜止的,為什麽還需要8分鐘時間呢?
其實這是誤解,所謂的「8分鐘」,是在人類看來太陽光花費的時間,但對於太陽光本身來講是沒有花費任何時間的,一瞬間就到達了地球。實際上不要是說地球了,哪怕是宇宙中任意遙遠的地方,光都是瞬間到達。
那麽,既然光並不能作為參照系,兩束反方向飛行的光,相對速度到底是多少呢?
有兩種答案。
第一,由於光沒有時間,也沒有空間,而相對速度等於空間(距離)除以時間,因此這個問題是誤解的,我們完全找不到光的時間和空間,怎麽會有答案呢?
第二,如果非得說一個答案的話,那麽答案只有一個:無窮大。為什麽?
剛才也講了,光可以在一瞬間飛到任意遙遠的地方,也就是無限遠的距離。距離是無限大,而時間是無限短,用距離除以時間,答案當然是無窮大了。
這裏還是要再次強調一下,所謂的「無窮大」也只是我們強加給兩束光的相對速度,其實這是沒有道理的,因為「無窮大」這個答案讓兩束光完全無法理解。
假如來兩束光都有意識,它們肯定會一臉懵圈:何為時間,何為空間?兩束光根本就完全無法理解,它們只知道自己的速度是光速,別的一無所知。
同時, 在光的世界裏,其實只有「出生和死亡」兩個瞬間 ,它們根本無法經歷任何過程,這樣的光其實是很「悲催」的!
如果光可以感受到過程,就相當於感受到了時間,哪怕是極其短暫的一瞬間,對於我們的世界來講也是災難性的,因為光的一瞬間,宇宙就過去了無限久的時間,意味著宇宙必將走向淪陷!
完!