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两束光反方向飞行,相对速度是多少?不要告诉我两倍光速!

2024-01-11科学

光速,是一个非常特殊的速度,与平时我们所讲的速度有着本质区别,就是因为一点:光速不变。

光速不变,当然不是指「光在真空中的速度是每秒30万公里」,而是指「光速与其他任何速度叠加之后仍旧是光速」。

也就是说,无论是顺风还是逆风,光速都不会有任何改变, 光速是绝对的 。举个例子就明白了。

我静止在地面上,你拿着手电筒快速奔跑,奔跑速度为V。手电筒发出的光在我眼里,速度是多少呢?

按照我们平时所用的相对速度来计算,答案应该是光速C加上你奔跑的速度,也就是C+V。这不就是超光速了吗?如果超光速了,爱因斯坦的相对论肯定就被推翻了。

事实并非如此,无论你奔跑的速度有多快,在我眼里,手电筒发出的光的速度都不会改变,都是光速,哪怕你以无限接近光速的速度奔跑,结果也是一样的。

明白了光速不变,再回到问题中来,两束光反方向飞行,根据 光速不变原理 ,相对速度应该还是光速。

但是等等,答案并没有那么简单。

爱因斯坦提出的狭义相对论, 是建立在两大假设基础上提出来的 ,分别是上面所讲的光速不变原理,还有一个狭义相对性原理。

何为相对性原理?简单理解就是,在惯性系,物理定律都表现出相同的形式。说白了就是在惯性参考系,你根本无法区别自己是静止状态还是匀速直线运动状态,因为这两个状态下的物理定律是相同的。

这两束光对于某个观察者来讲,比如说在你看来,其中一束光的速度是光速C,另一束光的速度也是光速C,那么在你看来,两束光的相对速度就是两倍光速,也就是2C。

你可能又会提出质疑:这难道不是又超光速了吗?确实是超光速了,但并没有违反爱因斯坦的相对论,因为相对论并没有绝对限制光速,相对论体系下的光速限制是有前提条件的。

根据狭义相对论,要计算两束光的相对速度,当然不能以你为参照系,而应该以那束光为参照系来计算。同时,当速度达到亚光速或者光速时,平时我们所用的伽利略变换来计算相对速度就行不通了,必须用到更精确的 洛伦兹变换

根据洛伦兹变换公式,可以计算出,两束光的相对速度仍旧是光速,这个结果与刚才用光速不变分析出来的结果是一样的。

但是,光并不能作为惯性系,为什么?简单讲,光并没有惯性,有质量的物体才有惯性。另一方面,光本身也不存在时间和空间的概念,没有时间和空间概念的事物,怎么可能作为参照系呢?

把光作为参照系,就好比你既是球员,又是裁判,说白了,就是没有任何意义。

有人可能无法理解「 光没有时间概念 」,其实可以通俗理解为「光的时间是静止的」,但这只是通俗的理解方式,其实是不太严谨的,因为光根本就没有时间。

按照狭义相对论中的 时间膨胀效应 ,速度越快时间就越慢,如果达到光速,时间就是静止的,而光的速度就是光速,因此可以通俗理解为光的时间是静止的。

有伙伴们可能会想到「太 阳光到达地球需要大约8分钟时间 」,既然光没有时间概念或者说光的时间是静止的,为什么还需要8分钟时间呢?

其实这是误解,所谓的「8分钟」,是在人类看来太阳光花费的时间,但对于太阳光本身来讲是没有花费任何时间的,一瞬间就到达了地球。实际上不要是说地球了,哪怕是宇宙中任意遥远的地方,光都是瞬间到达。

那么,既然光并不能作为参照系,两束反方向飞行的光,相对速度到底是多少呢?

有两种答案。

第一,由于光没有时间,也没有空间,而相对速度等于空间(距离)除以时间,因此这个问题是误解的,我们完全找不到光的时间和空间,怎么会有答案呢?

第二,如果非得说一个答案的话,那么答案只有一个:无穷大。为什么?

刚才也讲了,光可以在一瞬间飞到任意遥远的地方,也就是无限远的距离。距离是无限大,而时间是无限短,用距离除以时间,答案当然是无穷大了。

这里还是要再次强调一下,所谓的「无穷大」也只是我们强加给两束光的相对速度,其实这是没有道理的,因为「无穷大」这个答案让两束光完全无法理解。

假如来两束光都有意识,它们肯定会一脸懵圈:何为时间,何为空间?两束光根本就完全无法理解,它们只知道自己的速度是光速,别的一无所知。

同时, 在光的世界里,其实只有「出生和死亡」两个瞬间 ,它们根本无法经历任何过程,这样的光其实是很「悲催」的!

如果光可以感受到过程,就相当于感受到了时间,哪怕是极其短暂的一瞬间,对于我们的世界来讲也是灾难性的,因为光的一瞬间,宇宙就过去了无限久的时间,意味着宇宙必将走向毁灭!

完!