两束反向飞行的光,相对速度是多少?两倍光速?没那么简单!
关于光速,记住一句话足以:顺风的光速不会更快,逆风的光速也不会更慢,光速是恒定不变的。
光速不变
我们在来看看这个题,我们拆分一下,慢慢推进。
一束光对于一阵风(无论逆风还是顺风)来说,它的速度是c,对于在地球上静止的我们来说也是c。
一束光对于一辆高速行驶的车来说(无论顺路还是不顺路)来说,它的速度还是c,对于在地球上静止的我们来说也是c。
一束光对于另外一束光(无论同向还是逆向)来说,这个结果就值得推敲了。
一般来说看到光速问题,很多人会直接祭出爱因斯坦的《狭义相对》,然后用论中洛伦兹变换直接代入计算,看起来好像so easy,然而却忽略了一个问题。
洛伦兹变换或者说《狭义相对论》是由两个公理推导而出的,除了光速不变,还有相对性原理。
如果说利用《狭义相对论》中的洛伦兹速度变换进行计算,还需要满足另外一个条件,即相对性原理:相对参考系间应该遵循相同的物理定律。风和人,车和人都可以作为惯性系,然而一束光和另外一束,就值得深思了。
人为观察者以人为观察者来说,其中一束光的光速是c,另外一束光也是c,在人看来它们的相对速度绝对是2c,即c+c。
例如:一个光源发光,同时向四面八方释放出光,在光源的同一直线上,同一距离相反方向放置两个灵敏的感光设备,来测量的速度。我们得到的结果肯定是两个c,因为光速恒定不变,于是相对速度就是2c。
(2011年,麻省理工创造了能够捕捉光速的相机)
有人可能会说2c不是超光速了吗?非也,这只是简单的数学上的算术相加,是两束光相对于静止的人的相对速度相加,并非两束光的相对速度。
如果要求两束光的相对速度,那么就要以两束光分别为坐标系来计算。直接把光速带入洛伦兹速度变换中,我们可以得到两束光的相对速度为c,并非2c,然而其实c也是不对的。
因为光不能在狭义相对论中作为其中参考系,因为光不存在时间枷锁,光速是约束时空的,这就好比你让你一个人既当球员,又当裁判。我们先证明一下,再说结果。
(时间凝固)
时间膨胀
爱因斯坦说时间是相对的,如果一个人拿着一个光钟坐上宇宙飞船,在地球上的人看来光钟并非像在地面上走的是直上直下的轨迹,而是变为了斜线。
因为光速不变原理,通过勾股定理可以得到地球时间与飞船时间的关系。
即时间膨胀公式:
由下图可以发现,随着飞船速度的增大,飞船上的时间与地球上的时间比值也在增大,当飞船无限趋近于光速,那么飞船的时间将无限趋近于静止。
(时间膨胀曲线图)
爱因斯坦的相对高速运动,时间流速变慢就是从这里来的。
综上所述,对于光来说它没有时间概念,它时间是凝固的,对于我们来说太阳光花了8分钟来到地球,对于光来说只是一瞬间的事情。它打破了时间的界限,可以在一瞬间到达宇宙中的任意位置,相对于我们来说,它才有光速这一说法。
答案
答案1:因为光相对于其他参考系为光速c,但是如果以光作为参考系,就要考虑光的本性,两束光相对于时间是静止的,固有时恒为0,没有时间、也就没有速度,所以这题无解。
答案2:顺便把同向的问题也说说,尽管无法计算,但可以举例子。太阳光为混合光,1666年牛顿把太阳光利用三棱镜散射出多种单色光,这些单色光为同向,并且同时到达地球,所以同向为0。
反向如果非要一个答案,则为无穷,以两个光子为例,因为光子可以在一瞬间出现在无限远的距离,光子在不受场的干扰下,沿类光测地线运动,因为方向相反,所以无限远加无限远则为无穷远,距离无限远,时间无限小,所以答案是无穷。
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