两束方向相反的光,对其中一束光而言,另一束光的速度是二倍光速吗?若不是,为什么?

异名磁极吸引你


相对论很难背常人理解的原因在于尺度,在于世界观。

要搞清楚这个问题,我们要先从“时间”说起。首先,时间是什么?其实你很难给出一个十分精确的定义,直接暴力解决这个问题是没办法的。但是在科学领域,任何物理量都要做出明确的定义。无法直接定义其实并没有关系,我们还可以用其他的定义方法,也就是测量定义法。

我们确实不知道什么是时间,但是我们知道的是古人其实知道一天是一天,他们是咋观测的呢?是通过天象,一个白天一个黑夜就是一天;太阳在天球上转一周是一年;月亮在天球上转一圈就是一个月。

发现没有,其实时间是周期性发生的事。你可以把时间理解成一种运动。为何?

我们再来看看时钟,最早是钟摆,就是来回晃的那种,你发现没有钟摆的计时就是靠运动。

再来说说我们手上带的表,比如石英表,它是靠什么来工作的? 直接给出答案:振动。

即使是现在超高精度的原子钟,已经是靠周期性的运动来计时。所以,从测量定义法出发,我们发现时间是一种周期性的运动。

你再仔细思考一下,既然时间本身是一种周期性的运动,那它会不会受到运动的影响?是的,爱因斯坦正是回归到了时间的测量,提出了相对论。那具体咋推演的呢?

我们先来看看伽利略,牛顿他们的想法,他们观测运动,发现这么一个问题,那就是如果你要研究运动,就得先选定一个参考系,就比如说:一个人在车上走,如下图。

相对于车子来说,人的速度就是5m/s。而相对于地面观测者来说,人的速度就是10+5=15m/s。发现没有,这其实一个叠加的关系。这也是伽利略提出的“伽利略变换”。这让我们知道一个道理:谈论运动(速度)至少你要选个参考系。

后来,麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,他发现变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,于是预言了电磁波,并发现光速和电磁波的速度几乎一摸一样,于是他又预言光是一种电磁波,而赫兹用实验证明了这一点。

但是问题来了,麦克斯韦的理论当中有个奇怪的东西,就是光速c,这个光速c=1/ε0μ0(ε0是真空介电常数,μ是真空磁导率,都是常数),也就是说,光速不需要一个参考系的存在。这就和伽利略,牛顿他们矛盾了。但牛顿理论和伽利略的理论实在是太精确了,谁错了物理学大厦都受不了。科学家想了很多办法,最后都失败了。

这时候,一位26岁的小伙,也就是爱因斯坦,提出了一个石破天惊的想法,就是把伽利略变换和光速在任何惯性参考下不变结合起来。光速不变,那啥变呢?

时间和空间!在牛顿的世界观里,时间和空间是独立的,而且对于任意观测者都是一样的,意思是对你来说是1秒,对我来说也是1秒。

但是爱因斯坦认为不是这样的,还记得刚才说到的时间的定义么?时间本身是一种周期性运动,因此,他认为时间是会因为运动而改变的,空间也是一样的。准确来说,就是运动的物体相对于惯性参考系,时间会膨胀,尺寸(空间)会缩短。

所以,在爱因斯坦的体系里,没有单独的时间和空间了,而是只有时空的概念。

所以,在这套体系里,速度不再是叠加的,而是由这两条基本假设推导出来的速度公式。这个推导过程其实很简单,初高中的水平完全可以征服。多说一句,据我了解现在的高中生也要亲手推导这个公式的。

现在,我们回到题主说的问题上,

两束方向相反的光,我们就把两束光c带入公式,最后v=c,也就是说,他们相对于对方的速度还是光速c。

所以,我们惯用的牛顿的那套速度叠加公式,其实在高速状态下误差就会极其大,而在低速下,其实是蛮符合的。不过如果你好事,把狭义相对论的速度变换公式用在低速下,你会有一个惊人的发现,还拿刚才小车的例子来算,

地面观测者v=(10+5)/(1+(10*5/9*10^16)=15/(1+5*10^-15)≈15,和牛顿的叠加是几乎是等价的,在10的-15次方的上有微小到差异,这个是我们目前测量工具都没有办法测出来的微小差异,这也是为什么牛顿力学这么符合我们的直觉,因为我们就是生活在一个宏观低速的世界里。

而当速度越接近于光速时,牛顿力学的误差就大到非常离谱的状态,而爱因斯坦的相对论依旧是适用的。


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