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反向飞行的两束光,相对速度是多少?两倍光速还是光速?都不对!

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光,总是那么特殊。因为光速是不变的,这就是光速不变原理。

光速不变,并不是说“光在真空中的速度为30公里每秒”,而是说“在任何参照系任何运动状态下观测,光速都是不变的”。

通俗来讲就是,光速不会与其他速度叠加。平时我们见过太多的速度叠加,比如说你乘坐一辆时速为300公里的高铁,然后你在上面奔跑。

对于静止在地面上的我来讲,你的速度就是高铁的速度+你奔跑的速度。

但如果“光就是你”,光的速度仍旧是光速,而不是光速+高铁的速度。

针对光的这种与众不同的性质,有人可能就会脑洞大开:如果有两束反向飞行的光,它们的相对速度又是多少呢?

用普通的速度叠加很容易结算出来是2C(两倍光速)。但亚光速世界的相对速度问题并不能直接用速度叠加(不能用伽利略变换),而应该用更精确的洛伦兹变换(伽利略变换就是我们通常用到的速度叠加,它是洛伦兹变换在低速世界的近似值。)

既然这样,很多人就会直接拿出“洛伦兹变换”进行简单的计算,会发现仍旧是光速(公式如下)。这个结果看起来似乎无懈可击。

但事实上这个答案仍旧是不正确的,起码是不严谨的。

因为就像狭义相对论一样,洛伦兹变换也是由两大前提推导出来的,除了我们刚才所说的“光速不变原理”,还有就是“相对性原理”。

何为相对性原理:在惯性系中遵循相同的物理法则。宇宙万物都可以看作是惯性系,但唯独光不可以。

下面接着分析。

在我们眼里,两束反向飞行的光相对速度的确是2C。

看到这里,有人可能会说:打脸了吧?刚才你还说不是2C呢!

注意,上面的2C只是数学公式的简单叠加得出来的,是以人为参照系计算出来的相对速度,而不是两束光的相对速度。

计算两束光的相对速度必须以其中一束光速为参照系,它们的相对速度与人没有任何关系。

但是光非常特殊,光本身是没有任何时间概念的,对于光来讲时间是静止的,这意味着光可以瞬间飞行任何遥远的距离。如果存在宇宙边界,光就可以瞬间到达宇宙边界。

光的这种特殊性意味着它不能作为参照系,否则就会彻底乱套,失去了意义。就好像让打篮球的球员同时去当裁判一样,这样的比赛还怎么打?

为什么光没有任何时间概念呢?

按照爱因斯坦狭义相对论的诠释,时间与光速是息息相关的。如果一个人高速飞行,他的时间就会变慢,这就是时间膨胀效应(钟慢效应)。

想象一下这个场景。你拿着光子钟乘坐飞船高速飞行,对于地面上的我来讲,光子钟里的光子的运动轨迹并不是直线,而是一条斜线,如下图:

但因为光速是恒定不变的,很容易得到时间膨胀公式:

从公式中可以看出,速度越快时间就越慢,当速度达到光速时时间就停止了。

而由于时间和空间是一体的,当速度达到光速时,意味着空间也会缩短到无限小(尺缩效应)。

所以说,对于光来讲,它没有时间概念,时间是静止的。同时也没有空间概念,任何再遥远的距离对于光来说都是近在咫尺的。

明白了以上这些,就很容易回答一开始的问题了。由于光不能作为参照系,所以问题没有答案,也可以说没有意义。

但如果非要假设光作为参照系,那么答案也不是C,更不是2C。因为光的性质很特殊,在一瞬间可以飞行任何遥远的距离,也就是无穷远。

两束光在一瞬间都飞行了无穷远,根据速度等于距离除以时间来计算,距离无穷大,时间无穷小,那么速度也会是无穷大!
而无穷只是一种概念,抽象的数学概念,并不是具体的数,也不存在这样的数!

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