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反向飛行的兩束光,相對速度是多少?兩倍光速還是光速?都不對

2025-02-01 22:41:32

光,總是那麼特殊。因為光速是不變的,這就是光速不變原理。

光速不變,並不是說“光在真空中的速度為30公里每秒”,而是說“在任何參照系任何運動狀態下觀測,光速都是不變的”。

通俗來講就是,光速不會與其他速度疊加。平時我們見過太多的速度疊加,比如說你乘坐一輛時速為300公里的高鐵,然後你在上面奔跑。

對於靜止在地面上的我來講,你的速度就是高鐵的速度+你奔跑的速度。

但如果“光就是你”,光的速度仍舊是光速,而不是光速+高鐵的速度。

針對光的這種與眾不同的性質,有人可能就會腦洞大開:如果有兩束反向飛行的光,它們的相對速度又是多少呢?

用普通的速度疊加很容易結算出來是2C(兩倍光速)。但亞光速世界的相對速度問題並不能直接用速度疊加(不能用變換),而應該用更精確的洛倫茲變換(伽利略變換就是我們通常用到的速度疊加,它是洛倫茲變換在低速世界的近似值。)

既然這樣,很多人就會直接拿出“洛倫茲變換”進行簡單的計算,會發現仍舊是光速(公式如下)。這個結果看起來似乎無懈可擊。

但事實上這個答案仍舊是不正確的,起碼是不嚴謹的。

因為就像狹義相對論一樣,洛倫茲變換也是由兩大前提推匯出來的,除了我們剛才所說的“光速不變原理”,還有就是“相對性原理”。

何為相對性原理:在慣性系中遵循相同的物理法則。宇宙萬物都可以看作是慣性系,但唯獨光不可以。

下面接著分析。

在我們眼裡,兩束反向飛行的光相對速度的確是2C。

看到這裡,有人可能會說:打臉了吧?剛才你還說不是2C呢!

注意,上面的2C只是數學公式的簡單疊加得出來的,是以人為參照系計算出來的相對速度,而不是兩束光的相對速度。

計算兩束光的相對速度必須以其中一束光速為參照系,它們的相對速度與人沒有任何關係。

但是光非常特殊,光本身是沒有任何時間概念的,對於光來講時間是靜止的,這意味著光可以瞬間飛行任何遙遠的距離。如果存在宇宙邊界,光就可以瞬間到達宇宙邊界。

光的這種特殊性意味著它不能作為參照系,否則就會徹底亂套,失去了意義。就好像讓打籃球的球員同時去當裁判一樣,這樣的比賽還怎麼打?

為什麼光沒有任何時間概念呢?

按照愛因斯坦狹義相對論的詮釋,時間與光速是息息相關的。如果一個人高速飛行,他的時間就會變慢,這就是時間膨脹效應(鐘慢效應)。

想象一下這個場景。你拿著光子鍾乘坐飛船高速飛行,對於地面上的我來講,光子鍾裡的光子的運動軌跡並不是直線,而是一條斜線,如下圖:

但因為光速是恆定不變的,很容易得到時間膨脹公式:

公式中可以看出,速度越快時間就越慢,當速度達到光速時時間就停止了。

而由於時間和空間是一體的,當速度達到光速時,意味著空間也會縮短到無限小(尺縮效應)。

所以說,對於光來講,它沒有時間概念,時間是靜止的。同時也沒有空間概念,任何再遙遠的距離對於光來說都是近在咫尺的。

明白了以上這些,就很容易回答一開始的問題了。由於光不能作為參照系,所以問題沒有答案,也可以說沒有意義。

但如果非要假設光作為參照系,那麼答案也不是C,更不是2C。因為光的性質很特殊,在一瞬間可以飛行任何遙遠的距離,也就是無窮遠。

兩束光在一瞬間都飛行了無窮遠,根據速度等於距離除以時間來計算,距離無窮大,時間無窮小,那麼速度也會是無窮大!而無窮只是一種概念,抽象的數學概念,並不是具體的數,也不存在這樣的數!

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