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反方向飛行的兩束光,相對(duì)速度是兩倍光速嗎?這不是超光速了嗎?

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首先,這是一個(gè)好問(wèn)題。其次,能提出這個(gè)問(wèn)題,其實(shí)反映出的是很多人對(duì)光速和愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的理解還不夠透徹,很多時(shí)候仍然在下意識(shí)地用低速世界的思維去衡量亞光速世界。



那么,到底有沒(méi)有超光速呢??jī)墒捶较蝻w行的光,相對(duì)速度是不是兩倍光速呢?

答案是:不知道!或者說(shuō)不確定!

光是很特殊的事物,也很“霸道”,因?yàn)楣馑偈墙^對(duì)的,光速不需要參照系,或者說(shuō)在任何參照系下觀察光速都保持絕對(duì)不變,這其實(shí)就是光速不變?cè)怼?/p>



對(duì)于光來(lái)講,是沒(méi)有時(shí)間概念了,也可以理解為光的時(shí)間是靜止的,這也是為什么光可以瞬間跨越任意遙遠(yuǎn)的距離,不管多遠(yuǎn)的距離,光都可以瞬間到達(dá)。

如果連時(shí)間的概念都沒(méi)有了,又怎么計(jì)算兩束光的相對(duì)速度呢?根本不可能。理論上講,兩束光的相對(duì)速度等于距離除以時(shí)間,但對(duì)于光來(lái)講時(shí)間是不存在的,沒(méi)有時(shí)間當(dāng)然無(wú)法計(jì)算相對(duì)速度了。



所以,答案就是“不知道”,不確定,或者說(shuō)問(wèn)題本身就沒(méi)有意義。

另一方面,從狹義相對(duì)論的角度來(lái)講,我們也能得出同樣的答案。其實(shí)宇宙并不存在所謂的“光速限制”,大自然并不反對(duì)我們超越光速,狹義相對(duì)論中的“光速限制”也是有前提的,并不是絕對(duì)的。

這個(gè)前提就是“慣性系”,也就是慣性參照系。在慣性參照系中,物體的速度不能超越光速。言外之意,在非慣性系中,物體的速度可以隨意超越光速。

如何理解上面這句話呢?



首先,慣性系是什么?通俗理解就是“牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參照系就是慣性參照系”,不成立的參照系就是非慣性系。同時(shí),慣性系只適用于宏觀運(yùn)動(dòng)物體,而光并不是宏觀物體,它具有波粒二象性,所以光不能作為“慣性參照系”,也不能作為“參照系”,所以以光為參照系來(lái)衡量相對(duì)速度是沒(méi)有意義的。

如果把光換成普通的物體,比如說(shuō)把兩束光換成兩艘飛船會(huì)怎么樣呢?

這時(shí)候就需要狹義相對(duì)論站出來(lái)了。狹義相對(duì)論有光速限制,任何具有靜質(zhì)量的物體都不可能達(dá)到光速,更不能超光速。而飛船具有靜質(zhì)量,所以飛船的速度無(wú)論如何都不可能達(dá)到光速。



這里就假設(shè)飛船的速度非常接近光速,就假設(shè)是0.99倍光速吧,那么這兩艘飛船的相對(duì)速度是多少呢?

剛才說(shuō)了,狹義相對(duì)論的一個(gè)重要前提就是“慣性系”,在慣性系里,任何速度都不可能超越光速。

而地球就是一個(gè)慣性系,當(dāng)然,地球并不是絕對(duì)的慣性系,但并不影響我們解決問(wèn)題。所以說(shuō)如果以地球?yàn)閰⒄障?,比如說(shuō)你站在地面上靜止不動(dòng),在你眼里兩艘飛船的相對(duì)速度是多少呢?



你可能會(huì)想到初中數(shù)學(xué)課上學(xué)到的速度疊加公式,用公式簡(jiǎn)單表達(dá)就是V+V1+V2,實(shí)際上這個(gè)公式就是伽利略變換。

如果按照伽利略變換,結(jié)果就是1.98倍光速,也就是兩艘飛船的速度加起來(lái)。這不是超光速了嗎?難道愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論錯(cuò)了嗎?

當(dāng)然不是,你也知道肯定不是。問(wèn)題出在哪里了呢?



上面你所用的速度疊加公式,也就是伽利略變換是建立在絕對(duì)時(shí)空觀基礎(chǔ)上,只適用于低速世界。由于我們所在的時(shí)空并不是絕對(duì)的,不是一成不變的,時(shí)間和空間會(huì)受到速度的影響,時(shí)刻發(fā)生改變。

所以,在亞光速世界,必須用更精確的洛倫茲變換才行,也就是向獨(dú)立速度疊加公式。



從公式中可以看出,不管V1和V2的速度多快,最終的速度V都不可能達(dá)到或超越光速。有一個(gè)極端情況,如果V1和V2都等于光速,最終的結(jié)果并不是兩倍光速,而仍舊會(huì)是光速。

如果V1和V2都非常小,那么公式中的分母就約等于1,公式就簡(jiǎn)化為V=V1+V2,這不就是伽利略變換嗎?

所以說(shuō),伽利略變換只是一個(gè)特例,是洛倫茲變換在低速世界的特例和近似值。

以上的分析都是建立在慣性系的分析,也就是在你的眼里,兩艘飛船的速度無(wú)論如何都不可能超過(guò)光速。



不過(guò)如果脫離了慣性系,比如說(shuō)兩艘飛船之間的相對(duì)速度是多少呢?

由于脫離了慣性系,也就不再受狹義相對(duì)論的“光速限制”束縛,兩艘飛船的相對(duì)速度就可以超光速。

兩者之間并不矛盾,反而恰恰印證了狹義相對(duì)論的正確性。事實(shí)上科學(xué)家一直在利用非慣性系中的超光速現(xiàn)象來(lái)做各種實(shí)驗(yàn)。



最常見(jiàn)的就是大型粒子對(duì)撞機(jī)??茖W(xué)家讓兩個(gè)微觀粒子以非常接近光速的速度對(duì)撞,它們之間的對(duì)撞速度就超過(guò)了光速,撞擊瞬間產(chǎn)生巨大能量,可能會(huì)碰撞出各種“碎片”,也就是更微小的基本粒子,通過(guò)分析這些基本粒子,科學(xué)家們就能獲得更多微觀世界的秘密。



這就是光速和狹義相對(duì)論的秘密,我們不能片面地看待光速和愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論,大自然并沒(méi)有光速限制,而狹義相對(duì)論中的光速限制也是有前提條件的!

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