03.03 在物理学上不会有超光速,但如果两个物体以光速向相反的方向跑相对来说是不是超光速?

TheUnprecedented


先不去说伽利略变换与洛伦兹变换的区别,就问,即便这真的是超光速,又有什么实际意义呢?

物理学上讲的不能超越光速是指信息的传递不能达到光速或者是超越光速,除此之外,其它确实也有现象是可以超越光速的,并且还是光速的好多倍。

比如宇宙整体体系的空间膨胀速度,以及量子力学中的量子纠缠现象。

宇宙空间膨胀速度超越光速,我们知道,因为事实就摆在那里,宇宙年龄只有138.2亿岁,但如今,人类可观测的宇宙直径就已经是930亿光年了,更不用谈不可观测宇宙,真实宇宙要比930亿光年大很多,可见,膨胀速度超越了光速。

不过,无论是空间膨胀速度,还是量子纠缠现象中的超光速,这些“超光速”又不能传递信息,有什么意义呢,既不能推翻相对论,也不能利用这样的“超光速”。

伽利略变换与洛伦兹变换适用于不同的状态下,伽利略变换适用于经典力学范畴,低速(远小于光速)的状态下,这主要是因为牛顿绝对时空的概念的局限。

现代物理学发现电、磁、光现象所反映的相对性原理,与原本经典力学的伽利略变换有矛盾,所以不用绝对时空这个概念了,在高速的状态下速度合成方法采用洛伦兹变换。

这样,无论是两个物体都以光速向相反方向运动,还是两个物体中只有一个物体以光速向相反方向运动,它们的相对速度都是光速。


科学船坞


如果这么容易就让你难住,“物体运动不超光速”就不会成为如此著名的一条原理了。对你的问题直截了当的回答是:如果两个物体以光速c向相反的方向运动,那么它们彼此之间的速度不是2c,而仍然是c!

为什么会这样?因为你是根据直觉认为它们的相对速度应该是2c的,而这个直觉只适用于低速运动,在速度跟光速可以相比时这个直觉就会失效。

用科学术语来说,你的直觉叫做“伽利略变换”。也就是说,在伽利略的时代(17世纪),人们就知道了,如果一个物体在一个参照系中的速度是v,这个参照系相对于另一个参照系的速度是u,那么物体在新的参照系中的速度是v' = u + v。比如说你在一列火车里跑步,火车相对于地面以50米每秒的速度运动,你相对于火车以5米每秒的速度运动,那么你相对于地面的速度就是55米每秒。

后来,人们发现光的传播是需要时间的,而不是瞬间到达,也就是说光速是一个有限的速度,不是无限大。那么问题就来了,地球在宇宙中运动,地球上不同方向的光(例如经线方向和纬线方向)是不是应该具有不同的速度呢?

1887年,真的有人做了这样的实验,叫做迈克尔孙-莫雷实验。他们原本以为能够测出这个差值,没想到结果却是:完全没有差值!

这个实验震惊了整个物理学界,狭义相对论就是以之为基础的。现在人们把光速不变作为了一条基本原理,速度变换遵循的不再是伽利略变换,而是洛伦兹变换:

v' = (u + v) / (1 + uv/c^2)。

洛伦兹

仔细看洛伦兹变换的公式,你就会明白:如果u和v都远小于c(日常的低速运动),那么它就近似等于伽利略变换。而如果u和v中有一个等于c,那么v'就等于c。所以,即使u和v都等于c,v'也仍然是c!

正是洛伦兹变换,保证了“光速不变”是一条基本原理。现在,你可以理解这条原理有多么震撼了吧?


科技袁人袁岚峰


不是。

狭义相对论很重要的一个工作,就是给出了时间、长度、速度,在高速运动时的公式。

我们现在的所有直觉,都是在低速,更严格的说,是在低能状态下的感受。在低速情况下,相对速度是可以简单叠加的。但在高速情况下,不成立。

而且高速情况下的相对论速度叠加公式,已经被实验所证明了。没有什么可以质疑的。

v'=(v-u)/(1-uv/c^2)

这个公式就是相对论中的速度叠加。假设两个物体分别以v,u的速度,在各自的静止坐标系运动。那么它们的相对速度如上面结果。具体计算时要用对速度的正负号。


狭义相对论的重要意义在于,在运动学领域,它颠覆了我们的直觉系统。其次,它揭示了,时间-空间的耦合性及相对性。在不同运动速度的情况下,空间-时间是变化的。不是我们原来认为的空间是刚性的,不变的。刚性的空间,想象力与直觉的空间,仅仅是在低速情况下。


令狐迦基


题主你这个问题应该是长时间以来人们的印象。事实上,从中学时代开始,我们学习到的“速度相加”遵循的就是所谓“矢量相加”的法则,即把两个矢量画成不同长度和方向的箭头,箭头的长度代表着速度的大小,箭头的方向代表着速度的方向,然后把箭头的末端重叠到一起,顶端的连线就是相加后的速度。

这种相加的方法一直没什么问题,甚至一度被人们认为是理所当然的法则。但是后来人们在研究光的运动时,遇到了一个极大的难题。因为要说“速度”,一定是一个物体相对于另一个物体的“速度”,人们设想过光的传播速度是相对于一种叫做“以太”的物质。这种物质充盈着空间,但我们观测不到。由于我们的地球公转速度也很快,所以科学家设想,按照不同方向测试光速,应该会有所区别。但是经过了很多测试,始终发现光速为定值。这说明我们原本设想的以太假说、速度叠加原理出了问题。后来科学家提出了“洛伦兹变换”,即物体相对运动速度不是如我们所认为的那样简单地相加,而是要经过一个变换。洛伦兹变换的具体形式大家可以在网上查到,我不再赘述了。根据这个变换公式,即便两个物体运动速度为光速、方向相反,最终计算出来的速度仍然是光速。这样一来,就不会存在物体运动速度超越光速的可能性了。


看风景的蜗牛君


一点问题没有,相对速度就是2c,看到一堆大神各种公式告诉你还是光速,哎。

首先要明白爱因斯坦说的光速不变和光速不可超越怎么回事。

比如你在a点要往b点移动,ab两点之间恰好有一个长度足够的火车在跑,火车速度是v,而我在火车上跑,我们跑的速度都是v那么我跑到b点用的时间是你的一半,也就是我相对于b点的速度是2v.但是光就不一样了,还是前面的状态,我们不跑,都同时在a点打开手电,我们俩的手电的光是同时到达b的,和火车多快没有一毛钱关系,也就是光速不变,没有办法给光一个加速度,光速不可超越。而且,即便火车是从b往a跑,我们的手电的光依然一起到达b.但是呢,如果我们分别站在ab两点,往ab中点照射,那光用一半的时间就相遇了,这个相对速度就是两倍光速一点毛病没有。

还有更好玩的,就不说了。


程俊杰70559097


在同一个参考系下,两个物体如果从同一处以光速出发,但是方向相反,那么它们之间相互离开的速度是多少?大致应该是两倍光速!这个地方的结论,相对论的结论与牛顿力学并没有差别。

这与狭义相对论有矛盾吗?没有。

因为这两个物体中的任何一个物体,都没有产生超光速运动。

但是这两个物体各自以自己为参考系的话观察对方,所能测得的对方速度,这里要特别注意,根据狭义相对论将会是光速而不是两倍光速。这里如果按照传统的牛顿力学的视角,应当会是两倍光速而不是光速。是在此处相对论与牛顿力学有重大差别。

根据相对论,我们必须明白一个简单的原则:

任何物体相对任何参考系的运动速度都不能超过真空中的光速!

也即真空中的光速是物体运动的速度极限。至于宇宙以超光速膨胀的现象,不属于物体运动范畴,因此与此并不矛盾。“量子纠缠”现象本身也不是实物运动,因此所谓“超光速”(量子纠缠对之间的作用能不能用“速度”这个概念其实还是值得商榷的)也是与此不矛盾的。

概括而言,一切带有信息传递现象的运动都不可能超过真空中的光速。

但是,我们要注意判定事物的运动速度时,首先要确定其参考系。因为如果不确定参考系,肯定就无法确定速度。一个人在火车上跑,相对火车时速3公里;火车时速是100公里的话,我们从地面参考系来看,以牛顿力学的标准时速是103公里。由此可见参考系不同,速度值也是不同的。这样的相对性原理,不仅牛顿力学要遵守,相对论也要遵守,无非只是协变的方式不同。牛顿力学处理运动叠加时,可以简单地相加;而相对论必须通过洛伦兹协变来处理。

因此,如果两个物体以光速向相反方向跑,判定其速度也要看参考系。如果这两个物体比如说是两艘宇宙飞船,从地球某一处O处按相反方向以光速出发(实际上是无法达到光速的,姑且假定可以)。

  • 那么从地球的角度观察这两艘宇宙飞船,毫无疑问各自的速度都是光速。

  • 在这两艘宇宙飞船上,相互测量对方的速度,也将会是光速而不是两倍光速。这是根据狭义相对论必然会得到的结果。

  • 但是从地球参考系来看,这两艘飞船各以光速以相反方向离开O处,两艘飞船会以怎样的速度拉开?是不是结论依然只是光速呢?当然不是!

我们不妨以O处为原点,建立平面直角坐标系。假设飞船A以光速向X轴的正方向飞行,飞船B以光速向X轴的负方向飞行,这时候A与B是以怎样的速度拉开距离呢?从地球惯性系的角度来说,当然是2C,两倍光速。

这与低速运动的物体的情况是不同的。如果两辆车以相反方向,各以100公里远离。从地面以及这两辆车的角度来观察,全部都会测得以200公里的速度拉开距离。

我们要知道两艘宇宙飞船环绕地球在中途相遇,与一艘宇宙环绕地球一周,所用的时间前者基本将会是后者的一半。相对论本身不会破坏这种基本逻辑,我们要小心不要误用,否则会引发致命性的错误分析。


建章君


  首先,光速不是物理学上速度的上限!因为光只相对发光体速度恒定,准确的说:只相对发光的电子或质子速度恒定。但人类无法看到单个电子或质子所发的光,一般看到的都是无数个电子和质子发出的光的矢量叠加结果。总体来说:光只相对光源速度恒定!

  其次,两个相向或相反运动的光脉冲的相对速度当然是2C,因为在地球人看来,每个光脉冲每秒钟都行走了1C,两者间的距离以每秒2C的速度变化着!,至于在以光脉冲运动的参照系中来看另一个光脉冲的速度是多少,有待人类能以光速运动时才知道。

  因此,光速肯定是可以超越的。只要你与光源存在相对运动速度,就能发现光源发出的光是与静止时不同的。

  我设计了《基线法测量光速实验方案》,利用静止卫星直接测量太阳等天体的光速就会知道光速并不恒定了。

  目前所有实测光速的方法都不能准确测量出运动光源的光速。一是几乎都是在地表大气层内进行的测量,所测速度均是大气层内的介质内光速;二是采用干涉仪是测量不了运动光源的光速的。因为干涉仪中的三棱镜和半透镜出来的光不是原来的入射光,而是三棱镜和半透镜产生的新的光,其速度与入射光速无关!所以MM实验不可能有干涉条纹!


彭晓韬


他俩的速度加起来必须是超光速,假设在两个光子上套一个铃铛,那么就是有a,b两个铃铛,a铃铛向左以光速前进,b铃铛以光速向右前进,问题就是想知道相对其中一个来说,另外一个的速度是多少,那么在我眼里或者在你眼里,a相对于b来说就是2倍光速,怎么看都是2倍光速!

楼上楼下清一色的跟风说还是光速,这点不怪他们,并不是他们的论点有问题,是他们没审清题,这个问题就是很简单的在问你1+1等不等于2,并没有在问什么乱七八糟的,结果1+1给做成长篇大论了,我当时看的时候差点也被唬住了。

这里详细说一下迈克尔孙-莫雷实验是个啥。

当时认为光的传播介质是“以太”,由此产生了一个新的问题:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生,引起人们去探讨“以太风”存在与否。结果实验表明地球的移动对光速并没有影响,即光在地面上沿任何方向传播的速度都相同,也就是说光速不管在哪都是3*10^8m/s。

洛伦兹变换是洛伦兹在麦莫实验得不到期待的结果后,试图解释原因时作的一个推导。然后就有了这样一个方程:

这个方程说明啥,a光子向左跑,b即时跟他偏1度,他俩相对速度还是光速?开什么玩笑。

当然在洛仑兹的参考系里,是没有错的。为啥?关键点就出在参考系这个地方。

通常来说,一件事在一个参考系中有四个坐标,所以参考系之间的变换,就是一组包含四个方程的四元方程组。可以有无数个参考系,比如静止在地面某处的,比如静止在开动着的火车上或者火箭上某处的。但必须假定所有这些参考系的尺子和手表都是同款同型号,且都完全一样。

当一件事发生了,一个参考系就会给这个事情“定位”,包括空间位置和时间位置。不同参考系的定位值一般都各不相同,比如两个不同原点的参考系,对同一件事的空间位置定位肯定不同。给定任意连个参考系,就确定了唯一的变换关系,而它们俩对同一件事的定位值(坐标值),不同的坐标反映的是同一件事。洛伦兹变换就是以相对论时空为基础的参考系之间的坐标变换。下图是洛仑兹的推理图,细节可以参见词条,我只说精髓。

洛仑兹正是以光速不变的先决条件推出来的固定型号的时空参考系,大家都能用,在这里光速不管在哪都是3*10^8m/s,你在随便一个固定的参考系里光速多么大,你换到这个时空参考系里光速还是光速,把两个数代进去然后跟我说他俩相对速度还是光速,唬谁呢?

且问考虑事情的主体是什么,是我们,在我们的时间里,却用了光的时间(很遗憾在光的眼里确实是时间过的快),也就是说光的时间肯定跟我们的时间不同,说来说去都偷偷的给换了个时空参考系,要真是这么说,我选什么参考系a、b就有什么速度,我想让他有啥速度我就选啥参考系了。

最后说白了,这个问题不牵扯迈克尔孙-莫雷实验、也不牵扯洛伦兹变换、更不牵扯什么时空参考系,就是一个1+1=2的问题,因为问题的主体是人,参考系是人,就这么简单。


镁客网


不会,关于这个问题,可以直接用下面的公式:

w=(u+v)/(1+u·v/c^2)

如果两个物体都以光速c朝着反方向运动,代入上式可得,它们的合速度:w=(c+c)/(1+c·c/c^2)=c,即它们的合速度没有超光速,而是刚好等于光速。

上述公式是相对论速度叠加法则,比我们常用的方法多了一个分母。在低速情况下,相对论速度叠加法则的分母趋于1,所以它就会演变成我们常用的形式。但在高速情况下,就只能使用相对论速度叠加法则。因此,我们在日常生活中所用的速度叠加法则只是实际情况的一种近似。

从相对论速度叠加法则可以看出,光速与无论怎样的速度进行叠加,结果还是光速,这就是狭义相对论的基本原理之一:光速不变原理。

基于光速不变原理可以得出很多结论,例如,有静质量的物体不能以光速运动,任何速度的叠加都是小于等于光速,不同参照系的时间流逝速率是不一样的。


火星一号


先简单感慨一下:如果这么容易就能推翻爱因斯坦相对论里的光速限制原理,爱因斯坦真的白活了!爱因斯坦连这么简单的算数题都不会(光速+光速=2倍光速,也就是1+1=2),简直“笨”死了!

开个玩笑!但一个玩笑就已经给出了的问题的答案:不是超光速!

一切的一切都是因为我们生活在经典物理世界里,造成了我们对周围事物认知的局限性,特别是思维的局限性!

相对速度我们都知道,举个例子,甲乙丙三人,甲和丙相对乙分别以5米的速度向相反方向奔跑,那么甲和丙看对方的速度就是10米每秒!

但这只适用于我们熟悉的低速世界里,甚至较真的话,甲和丙看到对方的速度真的不是10米每秒,只不过差异实在微乎其微,可以忽略不计!

这都是因为相对论中的“光速不变原理”(解释过很多遍了),再简单强调下,你手拿手电筒以5米/秒的速度奔跑,静止的我看到手电筒发出的光的速度并不是光速+5米/秒,而仍旧是光速!

由于“光速不变”的存在,我们平时熟悉的“伽利略转换”模式(上面甲乙丙的例子)在高速下不再适用,必须用到“洛伦兹转换”,其中光速成了一个重要的要素!

不理解?只需要把“伽利略转换”看做“洛伦兹转换”的一个特殊情况就可以了!

或许你还是有点懵,那就再来个通俗的例子吧!

还是甲乙丙三人,按照提问者的要求举例子。甲和丙相对乙以光速向相反的方向飞行,那么甲看到丙飞行的速度是光速的两倍吗?

说了这么多,你可能知道不是光速的两倍,但不知道为什么不是。

相对论告诉我们,速度会影响时间的,甲看丙的飞行速度怎么计算呢?很简单,也是距离除以时间。假设甲和丙都飞行了一年,飞行距离都为1光年,两人相距就是2光年。

但问题就在这,甲和丙看到对方的时间流逝在变慢,也就是说两人的相对时间变长了,最终两人的相对速度还是光速。(不要以你的眼光看待甲和丙,因为不管甲和丙的相对速度是多少,与你一毛钱关系也没有,相对速度是他们两人之间的关系)

附:洛伦兹转换公式:v' = (u + v) / (1 + uv/c^2)。

公式中可以看出,u和v只要有一个等于c,得到的最终速度v'都等于光速c!再次强调,不要用我们经典物理世界的固定思维模式去思考这个问题!!!!


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