以接近光速相向或背向而行的兩物體為什麼相對速度不是兩倍光速?

2020-12-03 鍾銘聊科學

其實,經典物理學和相對論之間有一個很本質的區別,那就是對於時間和空間、物質和能量的看法不同。因此,有人也把牛頓的那一套叫做牛頓機械世界觀,而相對論也被叫做愛因斯坦的世界觀。

這兩個世界觀中,牛頓的機械世界觀是很符合我們的直覺的,所以,我們也會毫無察覺地就開始使用。為什麼這麼說呢?

其實,我們要搞清楚一點,那就是我們是生活在宏觀低速的世界裡。而牛頓的理論其實就是在描述人肉眼觀測和低倍望遠鏡觀察到的世界。那種速度超級快,引力超級大的世界,在牛頓的年代,人類還沒有能力去觀測到。所以,牛頓總結的這一套理論,說白了,我們可以叫做人類生活中的物理學,因此它很符合我們對於世界的看法,我們也會用得自然而然。最明顯的例子就是「速度疊加」,假設一個小人在車上以5m/s的速度沿著車子運動的方向運動,而車子的速度是10m/s,這時候如果問,如果有個地面觀察者,那麼在他的眼裡,車上的人的速度是多少?我們很容易就會直接拿10+5=15m/s。

這看起來似乎沒有什麼問題,但實際上,我們忽略了一個假設,其實牛頓就是這麼假設的,那就是運動的物體對於時間和空間是沒有任何影響的,在牛頓的世界觀當中,時間和空間是剛性的,獨立的,對於任何一個參考系下的人來說,一米就是一米,一秒就是一秒。

這其實似乎也是很符合我們的常識。但是,還是那一句話,其實我們生活在宏觀低速的世界當中,我們以為這一切就是這樣的。這就好比井底的蛙,只能看到一片天空,就以為天空就是這樣的是一個道理。

所以,這時候就需要用到相對論,如果還是拿井底之蛙來舉例子,相對論的意義在於讓這個井口變成了一個超級大的坑,讓我們可以看到更廣闊的天空,知道關於天空更多的事情。不過,這裡要強調一下,原來的井就包含在這個坑當中,也就是說,其實相對論也同樣適用於宏觀低速,其實也一直流傳著這樣一句話,牛頓理論是愛因斯坦相對論在宏觀低速下的一個近似。還拿小車的事情來看,如果還是問,地面觀察者看到的車上的人的速度是多少?其實相對論也有一個速度公式:

把數帶進去一算,你就會發現,約等於15m/s,和牛頓理論算出來的是一個數,但是其實還有微小的差異的,這個差異在小數點後15位,這也就是為什麼,我們感覺在宏觀低速下,牛頓理論精確無比的原因,這位這個誤差,比絕大多數的儀器都還要小。為了驗證相對論的正確與否,其實科學家就找到了一個可以檢測到小數點之後15位的銫原子鐘,來測飛機運動時和地面參考系觀察者的時間差。

所以,我們說牛頓力學是相對論在宏觀低速下的一個近似一點問題都沒有。那接下來,我們再說說,如果兩個飛船以光速相向飛行或者背對飛行的情況。這裡強調一下,在相對論中,其實有靜止質量的物體,是沒有辦法達到光速的,根據相對論,這需要無窮大的能量。

這裡我們就假設可以,那結果是什麼樣呢?其實,首先是相對論失效了。因為這會破壞相對論的基本假設,不過,我們就當沒有破壞,相對論還成立,那用到的公式還是剛才那個速度公式。

你會發現,還都是光速,而不是兩倍光速。當然,如果你用牛頓力學,那就會得出2c的結果。這其實就是為什麼,我們說牛頓力學只適用於宏觀低速,到了高速下,它的誤差會非常大。除此之外,其實在引力大的地方,牛頓力學也會誤差很大。

因此,我們說,在接近於光速時,我們需要使用的其實是相對論,而不是牛頓力學,也不要把牛頓的世界觀帶入到理解相對論當中來,因為那樣你會根本無法理解相對論到底在說什麼。這是因為相對論的世界觀和牛頓的世界觀是不同的,在相對論中,時空是相互影響,並不是獨立的,而且時空是可以彎曲的,會受到運動的影響。說白了,就是一釐米或者一秒對於不同參考系下的人可能就不同。

因此,狹義相對論才會有很多,我們不太好理解的現象,比如:時間膨脹效應。說的是相對於慣性參考下高速運動的物體,時間會發生膨脹。這裡多強調一下,無論是相對於誰,時間流逝都是均勻的。只是在參考下的觀察者看到的了高速運動的物體時間變慢了而已。這是在時間方面的體現。

同樣的,空間也存在這樣的問題,相對於慣性參考下高速運動的物體,尺度會縮短,這就是尺縮效應。

比如:下面第一張圖就是0.1c;第二張圖就是0.8c;最後一張圖就是0.95c。這裡的c指的就是光速。

而這些結論,其實都是通過伽利略變換和光速不變原理推導出來的結果,由此,科學家也發現一個問題,那就是其實光速是時空的一種屬性。描述了任意兩個事件之間的時空間隔。

比如:上圖中在過去光錐中的事件A就會影響到事件B,但不在光錐中的事件D是影響不了時間B的。舉個簡單的例子,我們照鏡子,永遠只會看到過去的自己,這是因為光傳輸信息是需要時間的,你的臉反射光都鏡面,再反射到你的眼睛裡是需要時間的。所以,實際上,我們並沒有活在當下,我們的當下受到過去的影響,我們的當下也影響著未來。

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  • 當兩個物體以二分之一光速相向而行,相對速度為光速嗎?
    說到速度就需要提到參考系,沒有絕對的速度,但是可以通過w=u+v這樣的相對速度公式去計算,這樣的公式即使到現在也依然適用,但是有一個前提條件,那就是低速世界,這樣誤差才可以忽略不計,但進入到高速世界這樣的公式就不適應了。我們需要用洛倫茲變換對速度合成公式進行修正如下。
  • 為什麼以光速相向飛行的兩物體的相對速度不是2C?相對論還適用?
    正因為相對論還適用,所以速度才不是2C。不過題目中的一些概念需要先釐清一下,比如說光速運動的物體實際上是不存在的,下面我們簡單分析一下。一,光速運動的物體是不存在的相對論告訴我們,任何靜質量不為0的物體的運動速度是達不到光速的。
  • 兩個光速物體相向而行,相對速度是否超越了光速?
    首先,假使真的可以造出光速運行的器械,那麼你能看到什麼呢?如果兩個物體是是在同一條運行線路上,那麼你是看不見另一個物體的,因為物體運動速度和光傳播速度相一致,當你要看見的一瞬間,也代表著兩個物體相撞毀滅。當然以上所述並非考慮相對論,但僅僅考慮相對論就很簡單了。
  • 兩艘飛船接近光速相對飛行,它們的相對速度會超過光速麼?
    但是介於單個物體無法達到光速,有些人就打起了相對速度的主意:我單個物體無法超光速,那麼我接近光速總可以吧,比如達到光速的90%,也就是0.9c,那麼我如果讓兩個速度為0.9c物體相對運動,這樣他們的相對速度不就是有1.8c了麼?這不就是超光速了麼? 時光倒流不是夢!!!
  • 為什麼物體接近於光速運動時,質量就接近於無窮大?
    對於牛頓力學而言,物體的質量是個不變量,不論物體身處怎樣的運動狀態(只要不解體之類的就行),質量都不會變化,但這一點在相對論中不成立。狹義相對論中有動質量一說,我們暫且認為這一概念是合理的(為什麼說這句話呢,實際上動質量只是相對論初期的提法,後來隨著相對論的發展,人們發現動質量的存在實屬多餘),而動質量與物體的速度相關聯,具體公式如下:其中c代表光速,v是物體速度,m0是物體的靜止質量,我們發現隨著物體速度的增加,動質量會變得越來越大(如果速度為零,則動質量就是靜止質量
  • 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。這意味著,在高速世界中我們以前掌握的理論不是很精確了。 我們印象中的速度合成公式是這樣的:w=u+v ,在小學、初中、高中甚至於日常生活中都是這樣過來的。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。
  • 兩艘0.6倍光速的飛船,相對飛行,它們相對速度能否超越光速?
    有質量的物體隨著運動速度的增加,慣性質量會隨之提升,而慣性質量就等效於引力質量,質量增大了,繼續加速所需要的能量也就隨之增大,而隨著速度接近於光速,物體的質量會趨近於無窮大,而繼續加速所需要的能量也就趨近於無窮大。在宇宙間無法獲得無窮大的能量,所以自然也就不可能把一個具有靜止質量的物體加速到光速。
  • 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?
    在日常生活中,我們經常會接觸到兩個物體之間的相對速度問題,比如兩輛汽車的相向而行、相背而行,跑步時候的追及問題,等等,在處理這些情形所涉及速度問題時,我們以其中一個運動的物體作為參照系,然後將兩個物體相向時的速度相加、同向時大速度減去小速度,這樣得出的數值作為兩個物體的相對速度。
  • 若兩個相反方向光速飛行的物體,相對速度是否超過光速?
    當然不是,如果那麼容易就實現了超光速,那麼光速不變原理還有和意義?
  • 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?
    一束光對於一陣風(無論逆風還是順風)來說,它的速度是c,對於在地球上靜止的我們來說也是c。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。
  • 網友問:若兩個相反方向光速飛行的物體,相對速度是否超過光速?
    當然不是,如果那麼容易就實現了超光速,那麼光速不變原理還有和意義?相對於地面參考系,兩個光速飛行的物體相反飛行,它們之間的速度還是光速,這是洛倫茲變換的直接推論。按照這個思路,在地球上不同方向的光線,必定相對於地球參考系存在不同的速度,麥可遜-莫雷實驗就是要精確測定不同方向的速度差,可實驗結果卻震驚了整個物理學。
  • 如果物體從足夠高的地方自由落體,它的速度會超過光速嗎?
    目前人類尚且沒有任何辦法,把物體的速度加速到光速,只能無限地逼近光速的99.99999……%,始終無法跨越最後一點鴻溝。光速也可以說是現代物理學一個可望而不可及的「天花板」。但是一定有人這樣想過:如果物體以恆定的加速度一直做勻加速運動,那麼這個物體的速度按理來說是一定會超過光速的啊?
  • 光速已是最快速度,但如果兩光子背向運動,相對速度會是多少?
    正如你所說,觀測者不能以光速行進。但是我假設你考慮的是光子速度僅僅是加上去的(因此你提到的是2c結果)。因此,假設我們所說的物體以0.75c的速度朝相反的方向運動(比如說左和右,或者分別以-0.75c和+0.75c的速度,相對於觀察者的x軸)。使用與你相同的推理,這意味著速度為1.5c(但是,再一次,相對於什麼?)。
  • 宇宙為什麼要限制光速?限制光速背後的玄機是什麼?
    (其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,V為物體的運動速度,C為光速。從式中可以看出,當VC時,分母根式0,則m+∞。而物體質量趨向於無窮大,會使物體運動速度難以增大到光速C,因為這需要無窮大的能量才能推動,而這是不可能的。要知道宇宙如果是有限的,那麼全宇宙的能量也是有限的。因而宇宙以此來阻止物體的運動速度達到光速)。
  • 宇宙中有超過光速的速度存在嗎?
    ,它的速度是有限的,速度可以無限地接近光速,但是卻永遠都無法達到光速」。為什麼光速不可超越?對於光速不可超越的這一說法來源於愛因斯坦的狹義相對論,在狹義相對論中,任意一個物體的速度只能無限接近光速,無法超越。
  • 宇宙中有超過光速的速度存在嗎?
    光速被認為是宇宙中的極限速度,任何物體都無法超越光速。但在現實生活當中,宇宙中卻存在著一些超光速的現象,打破了我們科學家們原有的認知。 眾所周知,速度是代表物體運動快慢的一個物理量,從理論上來說,速度應該是無限的。
  • 為什麼任何物體無法超過光速?
    大家經常聽到一句話,光速是宇宙速度上限,也就是任何物體無法超光光速。根據上一期的文章,速度具有相對性,需要選參考系才有意義。一個物體我選A做參考系,速度是10m/s,我選B做參考系,速度是10000m/s,那會不會我選擇到一個參考系,速度大於光速?按照常規思維,參考系這麼多,我為啥選不出一個參考系,發現一個物體速度超光速呢?
  • 兩個物體以光速相對逃離,算不算得上是超光速運動呢?可算知道了
    兩個物體以光速相對逃離,算不算得上是超光速運動呢?可算知道了現如今隨著物理知識的普及,許多人都多多少少掌握了一點物理知識,最為基礎的「世界上最快的速度是光速」大家都知道,然而你們是否想過這樣一個問題,那就是兩個擁有光速的物體反向而行,是否有另一個超越光速的存在呢?
  • 相對論說物體接近光速時,質量會變得無窮大?
    最近一位網友提出一個問題,那就是根據狹義相對論,質量這個物理量會隨著參考系的變化而變化,也就是質量並非一成不變,當物體接近光速時,質量會變得無窮大,那麼豈不是這個運動物體就變成了一個黑洞,那麼萬物都被吸入黑洞,不就都毀滅了嗎?今天我就來談談這個問題。
  • 為什麼物體運動速度無法突破光速?蟲洞穿梭真的能實現嗎?
    光的速度是每秒30萬千米,這對目前的人類技術來說只是一個很大的數字,我們沒有能力加速到光速甚至接近光速都不行,目前發現的只有光子等這些粒子才能夠以光速運動.現在我們又發現就是有一天人類的科技能夠使宏觀物體達到光速,相對於宇宙天體動輒光年的距離,即使是每秒30萬千米的極限速度運動也算不了什麼.根據計算以這樣的速度,我們要走出銀河系需要至少20萬年,要知道現代人類文明的歷史不過幾千年.很讓人洩氣的是,宇宙可測的直徑就已經達到了930億光年,要想像週遊地球那樣週遊宇宙似乎永遠也不可能