两束光反向飞行,相对速度是两倍光速吗?很少有人知道答案!-每日观察
上学时我们都学过简单的速度叠加,举个例子,两辆小汽车分别是100公里的时速反向行驶,两辆汽车的相对速...
2023-02-13上学时我们都学过简单的速度叠加,举个例子,两辆小汽车分别是100公里的时速反向行驶,两辆汽车的相对速度是多少呢?
这个问题恐怕连小学生都知道,就是简单的速度叠加,两辆汽车的相对时速是200公里。这个答案也很符合我们的生活经验和传统认知。
【资料图】
但是,如果把这两辆小汽车换成两束光,情况大为不同。如果你稍微了解一点爱因斯坦的狭义相对论,就会知道两束光的相对速度并不是两倍光速。
下面来一起分析一下光为何如此特殊。
狭义相对论是建立在两大公设的基础上提出来的,其中一个公设就是光速不变原理。如何理解这个原理?
假设你站在街道边上的人行道上观察来往的汽车,一辆汽车开着车灯以速度V行驶。那么在你眼里,车灯发出的光的速度是多少呢?
按照我们上学时学过的速度叠加计算,答案应该是光的速度C+V,也就是光本身的速度C加上汽车的速度V。
但事实上并非如此,无论汽车的速度多快,在你眼里车灯发出的光的速度都是光速C。
这就是光速不变原理。光速与任何其他速度叠加之后都保持不变,光在任何参照系下测量到的速度都是光速。
我们上学时学的速度叠加公式其实是伽利略变换,它只适用于低速世界。而一旦速度来到亚光速甚至光速,伽利略变换就不再适用了,比如用更精确的伽利略变化,公式如下:
从公式中可以看出,如果V1和V2非常小,公式就简化为V=V1+V2,也就是伽利略变换。由此可见,伽利略变换只是洛伦兹变换在低速状态下的特例和近似值。
但是如果把汽车换成一束光,结果会如何呢?
有人可能会说是2C,也就是两倍光速。确实,在我们人类眼里,两束反方向飞行的光的相对速度确实是两倍光速,但对于两束光来讲,它们的相对速度并不是两倍速度。
你肯定会想到刚才提到的洛伦兹变换公式,把光的速度代入公式,很容易得出最终的答案仍旧是光速,而不是两倍光速。
事实上,光速也是不对的,两束反方向飞行的光的速度并不是光速。
第一,两束光的相对速度,也就是以其中一束光为参照系,且不说光能不能作为参照系,即使能,考虑到光的特性,两束光的时间都是静止的,也就是说两束光的固有时间都是零,既然没有了时间,又哪来的速度呢?
也就是说,问题本身就是无解的,也可以说是没有意义的。
第二,即便是两束同向飞行的光,我们也无法计算它们的相对速度,但可以根据光的一些现象判断出来。比如说科学家曾经用三棱镜把太阳光散射成很多单色光,结果发现这些光同时到达地球,也就是说它们的相对速度为零。
而反向飞行的两束光的相对速度是无法计算的,也无法验证,完全无解。如果非得要给出一个答案的话,答案会有无穷多个。为什么这样说?
刚才说了,对于光来说是没有时间的,可以在瞬间跨越无限远的距离,无限远加上无限远仍旧是无限远,而时间都是无穷小,根据数学上的无穷概念,得到的答案就是无穷,无穷多个答案。
无穷是相当抽象的概念,在现实世界和物理学领域,无穷的概念数学的范畴,因为我们认识的事物都是具体的,而不是抽象的。一旦现实世界中涉及到我无穷,对于我们来讲就失去了意义。
打这里,你应该对光的“霸道”有更深的了解了吧,不过人类对光的研究并未停止,我们仍旧没有揭开光的真正面目。不过人类一直在努力,因为我们知道光可能隐藏着最深刻的宇宙奥秘!
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