兩束反向飛行的光,它們的相對速度是多少?兩倍光速?沒那麼簡單,很少人知道答案!

漫酱~ 2023/01/05 檢舉 我要評論

關于光速,記住一句話足以:順風的光速不會更快,逆風的光速也不會更慢,光速是恒定不變的。

光速不變

我們在來看看這個題,我們拆分一下,慢慢推進。

一束光對于一陣風(無論逆風還是順風)來說,它的速度是c,對于在地球上靜止的我們來說也是c。

一束光對于一輛高速行駛的車來說(無論順路還是不順路)來說,它的速度還是c,對于在地球上靜止的我們來說也是c。

一束光對于另外一束光(無論同向還是逆向)來說,這個結果就值得推敲了。

一般來說看到光速問題,很多人會直接祭出愛因斯坦的《狹義相對》,然后用論中洛倫茲變換直接代入計算,看起來好像so easy,然而卻忽略了一個問題。

洛倫茲變換或者說《狹義相對論》是由兩個公理推導而出的,除了光速不變,還有相對性原理。

如果說利用《狹義相對論》中的洛倫茲速度變換進行計算,還需要滿足另外一個條件,即相對性原理:相對參考系間應該遵循相同的物理定律。風和人,車和人都可以作為慣性系,然而一束光和另外一束,就值得深思了。

人為觀察者以人為觀察者來說,其中一束光的光速是c,另外一束光也是c,在人看來它們的相對速度絕對是2c,即c+c。

例如:一個光源發光,同時向四面八方釋放出光,在光源的同一直線上,同一距離相反方向放置兩個靈敏的感光設備,來測量的速度。我們得到的結果肯定是兩個c,因為光速恒定不變,于是相對速度就是2c。

(2011年,麻省理工創造了能夠捕捉光速的相機)

有人可能會說2c不是超光速了嗎?非也,這只是簡單的數學上的算術相加,是兩束光相對于靜止的人的相對速度相加,并非兩束光的相對速度。

如果要求兩束光的相對速度,那麼就要以兩束光分別為坐標系來計算。直接把光速帶入洛倫茲速度變換中,我們可以得到兩束光的相對速度為c,并非2c,然而其實c也是不對的。

因為光不能在狹義相對論中作為其中參考系,因為光不存在時間枷鎖,光速是約束時空的,這就好比你讓你一個人既當球員,又當裁判。我們先證明一下,再說結果。

(時間凝固)

時間膨脹

愛因斯坦說時間是相對的,如果一個人拿著一個光鐘坐上宇宙飛船,在地球上的人看來光鐘并非像在地面上走的是直上直下的軌跡,而是變為了斜線。

因為光速不變原理,通過勾股定理可以得到地球時間與飛船時間的關系。

即時間膨脹公式:

由下圖可以發現,隨著飛船速度的增大,飛船上的時間與地球上的時間比值也在增大,當飛船無限趨近于光速,那麼飛船的時間將無限趨近于靜止。

(時間膨脹曲線圖)

愛因斯坦的相對高速運動,時間流速變慢就是從這里來的。

綜上所述,對于光來說它沒有時間概念,它時間是凝固的,對于我們來說太陽光花了8分鐘來到地球,對于光來說只是一瞬間的事情。它打破了時間的界限,可以在一瞬間到達宇宙中的任意位置,相對于我們來說,它才有光速這一說法。

答案

答案1:因為光相對于其他參考系為光速c,但是如果以光作為參考系,就要考慮光的本性,兩束光相對于時間是靜止的,固有時恒為0,沒有時間、也就沒有速度,所以這題無解。

答案2:順便把同向的問題也說說,盡管無法計算,但可以舉例子。太陽光為混合光,1666年牛頓把太陽光利用三棱鏡散射出多種單色光,這些單色光為同向,并且同時到達地球,所以同向為0。

反向如果非要一個答案,則為無窮,以兩個光子為例,因為光子可以在一瞬間出現在無限遠的距離,光子在不受場的干擾下,沿類光測地線運動,因為方向相反,所以無限遠加無限遠則為無窮遠,距離無限遠,時間無限小,所以答案是無窮。

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