兩束方向相反的光，對其中一束光而言，另一束光是光速兩倍嗎？

2020-10-18 星辰大海種花家

能找到的所有物理課本上，光速是一個常數，它不隨光源速度的改變而改變，無論怎樣改變光源的運動速度，即使兩速相對的光相向而行，它們之間的速度依然還是光速，是不是有些懵逼？無論如何，誰看到這樣的結果都是震驚的，下文我們不討論晦澀難懂的理論，先來舉兩個案例，來證明下光速到底會不會隨光源速度變化的！

第一個案例：思想實驗的因果律表示光速不變

這個案例來自於某篇科普音頻，種花家覺得很有道理，在這裡介紹給各位，假設的條件是這樣的：

假設一個人對著另一個人開槍，那麼被槍擊者會看到這樣一個過程，被害人會看到兇手扣動扳機，然後擊錘重重的敲擊在子彈的底火上，最後看到子彈從槍口狂奔而來，擊中被害人，這就是光速不變條件下的過程！那麼假如光速會隨著光源速度變化時又會是個怎麼樣的過程呢？

被害人可能會先看到子彈朝這他飛過來，因為光速隨光源變化嘛，子彈速度很快，因此子彈上的光會先到達被害人眼睛裡，然後再看到扣動扳機，因為扣動扳機的光比較慢，光源基本靜止的，最後則看到則是擊錘的動作！

各位有沒有發現，因果律變了，子彈先到，後扣動扳機，再是擊錘的動作！所以第一個案例告訴我們，光速不變維護了因果律！

第二個案例：雙星觀測證明光速不變

在夜空中有很多這樣的天體，就是兩顆恆星互相環繞公轉，在我們地球上觀測看來，除非是公轉平面垂直地球方向，否則我們必定會看到一顆恆星靠近地球時，另一顆恆星必定是遠離地球的！當前光速不變的條件下，我們看到的雙星都是清晰可辨的！那麼假如光速會隨著光源變化呢？

如果光速會隨光源變化，那麼雙星看起來就是一團朦朦朧朧的光，因為同一顆恆星在於地球速度相對速度不同同情況下發出的光會先後到達，所以兩顆恆星的光可能混在一起，讓我們看起來分不清到底是哪顆恆星發出的光，而直接表現就是一團朦朧！

幸虧我們這個宇宙的光速遵守光速不變理論，要不然有太多的天體會因為光速隨光源變化而看不清！那樣的話，很多秘密就會被宇宙吞沒了

光速不變的發現歷史

我們先給出了結果，然後再來追溯下歷史。經典力學中的速度疊加公式叫做伽利略變換，原理很簡單，比如你在一列時速300千米的高鐵上以10千米時速步行，那麼你相對於地面的速度就是310千米/小時，這是我們中學就學到過的硬道理！這個變換是建立在牛頓絕對時空觀的基礎上，但愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，時空並不是鐵板一塊，而是會受到引力影響，因此經典力學在19世紀受到了各種挑戰。

首先發難的就是水星進動問題，勒維耶用150年的水星觀測記錄和計算值相比，結果發現了觀測與計算的差異，儘管是一個極小的數字，但勒維耶並沒有忽略，糾著這一點點「誤差」不放，結果就是差點把牛頓從神壇上頂下來的著名水星進動問題！

第二個則是麥克斯韋在十九世紀六十年代發布的一組四個方程組，其中最後一個描述的是變化的磁場產生電場，而麥克斯韋的發現就是變化的電場也能產生磁場，這產生的會是一個無限循環的電磁波，不過我們今天說的倒不是這電磁波，而是從個公式能推導出電磁波的速度就是一個常數！當然那會對電磁波是不是光還有點糊塗，但麥克斯韋認為電磁波就是光。

第三個則是1887年的麥可遜-莫雷的以太漂移實驗零結果，儘管洛侖茲給出了洛侖茲變換來解釋為什麼會零結果，但洛侖茲卻沒有拋棄以太這個概念，使得他與狹義相對論失之交臂！

因為愛因斯坦的光速不變拋棄了以太這個概念，另一個同時性的相對性則來自於龐加萊的本地時以光速同步，另外狹義相對論效應的長度變換就是洛侖茲變換，因此愛因斯坦曾經說過，如果他不推出狹義相對論，那麼最晚5年內也會有人推出來，這個人有可能是洛侖茲，也有可能和龐加萊一起！

上圖為洛侖茲公式的變換，有興趣的朋友可以去了解下其推導過程，如果沒興趣那麼就相信數代科學家心血得來的光速不變理論即可。

當然上文中的水星進動是下一相對論解決不了的，必須要用到廣相的時空觀，只有廣相才能解決水星進動的問題，但這不是光速不變的範圍，本文就不展開了。

相關焦點

  • 兩束方向相反的光,相對於其中一束光另束光速度為兩倍光速嗎?
    兩束光相背而行，相對於其中的一束光，另外一束光的速度仍然為光速，而不是二倍光速。 這個結論跟我們根深蒂固的思想相違背，為什麼不是二倍光速哪？按照牛頓的經典物理學概念，二倍光速並沒有錯。但是自愛因斯坦提出狹義相對論後速度合成公式變了，如下的形式：當u和v速度非常小，遠小於光速的時候上邊圖片中的公式，就變成了w=u+v。但是當它們的速度接近於光速的時候，公式就不可以化繁為簡了，因為誤差會變大。當兩束光相向而行，即：u=v=c，最終得到合成後的w=c。
  • 兩束方向相反的光,相互的速度是二倍光速嗎?若不是,為什麼?
    以前回答過類似的問題，當時的回答是這兩束光相互的速度仍然是光速，並不是二倍光速。從原理上說，光相對於任何參考系的真空速度都是不變的，即使對於光的（光速）參考系也一樣。從相對論速度合成公式上也可以得出同樣結論：V=（ν+μ）/（1+νμ/c），把ν和μ都代入c，求得V=c。這是最常規的回答。
  • 兩束方向相反的光,對一束光而言,另一束光的速度是二倍光速嗎?
    按照伽利略變換，對於兩個相同方向運動的物體之一，其以同向物為參照物測量的速度就是它們各自相對於地面的速度之差。 如果以相反方向運動，那以相反物為參照就是速度之和。
  • 如果兩束光以反方向運動,它們的相對速度是2倍光速嗎?
    試想一下，如果兩束光沿著相反的方向發射出去，它們背向而馳，那麼，一束光相對於另一束光的速度會是多少？會是兩倍光速嗎？這樣豈不是打破相對論了嗎？ 當我們在談論速度時，需要選擇一個靜止參照系，參照系選擇不同，相對速度也會不同。舉個例子，一列火車以速度v相對於地面運動，那麼，坐在火車上的觀測者甲會認為火車相對於他的速度為0，地面上的觀測者乙會認為火車相對於他的速度為v。如果火車上還有一個觀測者丙以速度u朝著火車行駛方向前進，地面上的乙會認為丙相對於他的速度為v+u。
  • 以一束光為參照系，相對的另一束光的速度是二倍光速嗎？
    人類對光的認知是一個很緩慢的過程，隨著相對論的出現，光才逐漸被人類所認知。在狹義相對論中，愛因斯坦提出宇宙中最快的速度就是光速，從理論上來說，沒有任何一種物體的運行速度可以與光速一致或者超過光速，因為當物體達到光速，那麼這個物體就會達到相對靜止的存在，簡單來說，達到光速運行的物體是相對靜止的。
  • 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!
    一束光對於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，對於在地球上靜止的我們來說也是c。一束光對於另外一束光（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》，然後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。
  • 兩束反向光,相對速度竟然不是光速+光速=2倍光速,也不是光速?
    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，因為光速恆定不變，於是相對速度就是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？
  • 背道而馳的兩束光疊加在一起能夠超光速嗎?
    有人問兩束方向相反的光，對其中一束光而言，另一束光的速度是二倍光速嗎？若不是，為什麼？簡單的說，在狹義相對論中，光速是恆定不變的。這個恆定不變包含著幾重意思：第一，光速極限，不可超越。而且光速是恆定的，這個恆定有兩個含義：一是在任何參照系都是一樣的，也就是說，不管你在地球上看，還是在月亮上看，還是在火星上看，還是在太陽系以外甚至銀河系以外看，都是一樣的；二是光速不可疊加，這也就是說在前進的火車上往前面射出一束光，或每秒30千米公轉速度的地球上射出一束光，其速度與在地面上反公轉方向射出一束光速度是一樣的，不能疊加參照系速度
  • 兩束方向相反的光,對其中一束而言,另一束的速度是二倍光速嗎?
    這種處理得到的數值非常符合我們的認知，比如兩輛以100公裡/小時速度相向行駛的汽車，我們如果坐在其中一輛裡面，看到另外一臺的汽車速度會明顯高於100公裡/小時，原因就在於有一個速度的疊加問題，就也是經典物理學中的「伽利略變換」。那麼，兩束相向發射的光線，會不會出現這種速度的疊加呢？
  • 一道簡單的數學題,測一測相對論的理解程度
    相對論很難，傳說全世界完全理解的不超過30個人；相對論也很容易，光速不變，時間變慢。看一道數學題，來解析相對論。題目：光速30萬千米每秒，兩束光方向相反，同時經過小明身邊，一秒後兩束光相隔多遠？下文用兩種方法得出兩種答案，找到錯誤你就贏了。
  • 一半光速運動的飛船從A發出一束光,這束光相對飛船速度是多少?相對...
    先說答案：即使以二分之一光速飛行的飛船向前進方向發出的光，這束光相對於飛船的速度仍然是光速。這個結論用經典物理的思維――伽利略相對性原理的速度合成法則也能得出。當然這裡不能用伽利略相對性原理（光沒有慣性），而只能是光速不變原理，即光在真空中的速度對於任何慣性系是不變的，與觀察者和光源的運動狀態無關，根本不存在任何優越的參考系。也就是說儘管飛船這個光源在高速運動，但它發出的光對於高速運動的飛船仍然是光速。注意在這裡嚴格地只能說是光相對於飛船的速度，不能說飛船與光的相對速度，光速是不能作參考系的。我們不妨把這個問題引申一下，談幾點讀者朋友比較關心的問題。
  • 怎麼理解光速是恆定的
    光的速度相對於任何參照系都是恆定且相同的，這是狹義相對論的兩大理論基礎之一，它又稱為光速不變原理。
  • 在內壁全是鏡子的房間裡,射進一束光!那這束光會一直存在嗎?
    在內壁全是鏡子的房間裡，射進一束光！那這束光會一直存在嗎？光速是人類已知的最快的速度，人類最快的飛行器的速度也才剛好達到它的萬分之五，而當光遇到鏡面時，還會產生折射現象，這也是為什麼我們能在夜晚看見月光的原因，太陽光照在月亮上，又折射出光，讓我們看到月亮的存在，那我們在一個內壁全是鏡子的房間裡，射進一束光，這束光還會一直存在嗎？
  • 怎麼理解光速是恆定的,跟參照系選擇無關?
    光的速度相對於任何參照系都是恆定且相同的，這是狹義相對論的兩大理論基礎之一，它又稱為光速不變原理。至於如何理解光速不變原理，可以通過一個簡單的例子來了解一下。在一列以速度v相對於地面勻速行駛的火車上，火車的前照燈向前發射出一道光，這道光相對於火車的速度為c。假設有甲、乙、丙三名觀測者，其中甲坐在火車上相對於火車靜止，乙在火車上朝著火車前進的方向以速度u勻速運動，丙站在地面上相對於地面靜止。那麼，甲測得光相對於他的運動速度為c，乙測得的光速不是c-u而仍然是c，丙測得的光速不是c+v而仍然是c。
  • 如果我們以光的速度去追光，能抓住一把光嗎？
    其中莫雷和麥可遜是以太的死忠粉，他們決定做一個實驗來證實以太的存在。沒想到這個實驗不但沒有證實以太的存在，恰恰相反，它證實了以太的不存在！並且歪打正著還證明了光速不變。這個實驗後來就稱為麥可遜莫—莫雷實驗。
  • 光速是極限,為什麼不能突破光速極限?
    在如今的科學認知中，光速是目前已知最快的速度，宇宙內的速度上限也就是光速，任何東西在任何人的眼中都不會比光速快，人類不能超越光速？因為這會打破因果律。 舉個例子，一個人在地球乘坐飛船，向一個宇宙中的目標飛去，同時，另一個人在地球打開手電筒，這束光也朝著同一個目標飛去，如果這個飛船足夠快，突破了宇宙的速度極限。那麼會發生什麼事呢？隨著飛船越來越快，在他眼中光子從離開手電筒到擊中目標的時間會越來越短。在某個時刻，飛船速度足夠快，他會看到光子在離開手電筒之前就擊中目標了。
  • 光的命運是怎樣的？手電筒關閉之後，這束光會到達宇宙盡頭嗎？
    ，是因為眼睛可以發射出光，到達物體上再返回來就形成了我們眼睛當中所看到的景象，其實事實是剛好相反的，人類之所以會看到光，是物體在反射光之後進入到眼睛，再由眼睛當中的結構感知到光的存在，形成物體的具體形狀，這就是光到達我們眼睛的整個過程。
  • 光速是有限的,那來自太陽的一束光到達地球要多久?
    光速有限就意味著光的傳播是需要時間的，這儘管在我們的生活中隨處可見（我們的物質世界很大一部分就是由光來相互聯繫的），但卻是最容易被忽略的知識。因此在人們的固有印象裡，是感受不到光速是有限的， 更不可能感受到光速在浩瀚的宇宙中其實是一個很小的數值。這一切都是由於，對人類的感官感知能力而言，光速簡直太快了。 我們不妨把距離尺度放大一些，如果你打過國際長途電話，就可能感受過通話的延遲。
  • 為什麼光速是宇宙最快速度?超光速會有什麼後果?
    光速非常快，以至於人類曾經認為光速快到無限。但通過木衛一星蝕的天文現象，人類首次確認光速是有限的。此後，隨著實驗精度的不斷提高，人類測出的光速也變得越來越精確，大小將近每秒30萬公裡。最終，人類乾脆把光速定義為299792458米/秒。
  • 在鏡子屋裡面,射進一束光後,這個光會一直在鏡子屋裡嗎?
    在鏡子屋裡面，射進一束光後，這個光會一直在鏡子屋裡嗎？在夜晚的時候我們為什麼能夠看到月光？其實月亮本身是不會發光的，但是太陽照射在月亮上之後又進行了折射，折射到地球上之後就看到了我們月球會發光的假象。光也是目前為人類知道已知的速度當中最快的，現在人類最快的飛行器也不及光速的萬分之五，那麼當光遇到鏡面的時候，在鏡面的折射之下，這個光會一直在鏡子裡面不斷的折射會一直存在嗎？就有一個網友做了這樣一個實驗，就在一個內壁全部都是鏡子的房間裡面，然後放進了一束小的燈光，還同時放置了一個攝像頭，攝像頭可以遙控光源，然後當它發射出光之後。