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!

2021-01-19 宇宙探索

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關於光速,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,光速是恆定不變的。

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。

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。

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?非也,這只是簡單的數學上的算術相加,是兩束光相對於靜止的人的相對速度相加,並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,並非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鍾坐上宇宙飛船,在地球上的人看來光鍾並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係。

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,當飛船無限趨近於光速,那麼飛船的時間將無限趨近於靜止。

(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裡來的。

綜上所述,對於光來說它沒有時間概念,它時間是凝固的,對於我們來說太陽光花了8分鐘來到地球,對於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,相對於我們來說,它才有光速這一說法。

答案

答案1:因為光相對於其他參考係為光速c,但是如果以光作為參考系,就要考慮光的本性,兩束光相對於時間是靜止的,固有時恆為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,儘管無法計算,但可以舉例子。太陽光為混合光,1666年牛頓把太陽光利用三稜鏡散射出多種單色光,這些單色光為同向,並且同時到達地球,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,光子在不受場的幹擾下,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。

相關焦點

  • 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。
  • 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?
    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。
  • 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?
    光速不可超越,可如果我們能夠製造兩艘0.6倍光速的飛船,讓它們相對飛行,它們的相對速度是否能夠超越光速呢?一道數學題有兩艘0.6倍光速的飛船相對飛行,它們的相對速度是多少?這似乎是一道非常簡單的數學題,0.6+0.6=1.2,答案就是1.2倍光速。
  • 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?
    在日常的低速運動範圍,我們常用牛頓力學來進行計算,因為牛頓力學是狹義相對論在低速領域的近似理論,且計算上比相對論簡單,對於遠遠低於光速的情況,牛頓力學的精確度足夠了。對於速度的合成直接用牛頓力學框架下的伽利略變換即可,比如說對於在一條直線上互為反向運動的兩個物體的相對速度就是V=V1+V2。其中V為兩物體的相對速度(為了簡化,這裡的速度都指速率),V1和V2分別為兩物體相對於地面的速度。
  • 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,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。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。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。
  • 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?
    光速是初學相對論的人最大的障礙,如何理解光速也是決定你能否理解相對論的關鍵點。 按照現代物理學的分類,我們將研究對象分為低速和高速世界,微觀世界和宏觀世界,弱場和強場。 低速世界嚴格來說就是光速10%以下的運動現象的總和。
  • 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?
    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。
  • 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。美國物理學家阿爾伯特·麥可遜和愛德華·莫雷於1887年做了一個嚴謹的實驗,目的是為了證實地球在以太中的速度。他們把一束光通過分光鏡分成兩束光,分別射向不同的方向再折射到觀測屏,結果發現向著地球公轉方向和反向的光速是一樣的。
  • 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。
  • 兩艘飛船接近光速相對飛行,它們的相對速度會超過光速麼?
    請聽題以上為題外話,這篇文章跟大家聊這樣一個問題:很多了解相對論的人都知道,或者起碼聽說過在相對論裡任何有質量的物體都無法達到光速,只能無限逼近,更別說超光速了。但是又從另外一些渠道道聽途說了一些諸如「如果超光速就能時間倒流」「如果超光速就能打通任督二脈~」之類很有吸引力的東西。
  • 超過光速就可以看到過去的景象嗎?事實上沒那麼簡單
    大家都知道有一種說法是比光跑得快就可以看到已經過去的景象,這種說法是有緣由的,我們先來闡述這個理論。大家都知道光的傳播速度是宇宙中最快的,可達約30萬公裡/秒。雖然光速非常快,但是由於宇宙非常大,大到光都需要「走」好多年,於是就有了「光年」這個天體距離單位。
  • 為什麼人在光速飛船上跑,也無法超光速?愛因斯坦:他膨脹了
    原問題是為什麼在光速飛船上跑步能否超光速?由於把飛船放在稱上稱重,它的質量不可能為零,而靜止質量不為零的物體並無法達到光速,因此飛船不能以光速飛行,我們暫且把它設定為與光速相差0.01m/s,下面我們來聊聊。觀點先說觀點:在飛船上跑步,即使跑得很快也無法超越光速,因為速度是相對的,如果在別人眼裡你不快,即使你跑得再快,飛船再快,也是不快。
  • 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?
  • 兩束方向相反的光,對其中一束光而言,另一束光是光速兩倍嗎?
    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!
  • 宇宙速度的極限在哪裡?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。 所以宇宙是具有普世的速度極限。在1887年,兩位科學家阿爾伯特·A.麥可遜和愛德華·W.莫雷進行了一項實驗,他們在實驗中發出了一束光,然後將其分成了互相垂直的兩束。接下來,他們測量這兩束光被一面鏡子反射回到原點所需要的時間是否相同。他們發現在任何方向上兩束光都花了同樣長的時間回到原點。
  • 無限接近光速飛行一光年大概需要多少時間?
    要想知道光飛行一光年需要多少時間?只有兩個答案:1年或0。至於到底是哪一答案,這要看是相對於誰的時間,是在什麼參考系觀察的結果。我們知道,1光年是個長度單位,它的意思就是光走一年的距離,大約是9.45萬億公裡。
  • 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?
  • 為什麼真空光速相對所有參考系速度不變?
    為什麼真空光速相對所有參考系速度不變?——因為真空光速不變是一個觀測事實。那麼對於真空中的光速來說,客觀現實就是——事實上觀測到的真空光速是不變的。愛因斯坦把這個觀測事實上升到了一條基本原理作為相對論的基礎,即真空光速不變原理。二、原理和公理的區別我們都知道數學中是有很多公理的,比如歐幾裡得幾何中,過任意兩點有且僅有一條直線。數學中的公理是不需要證明的,是大家公認的,直接拿出來就可以用。
  • 20歲太空人,光速飛行200年,回到地球多少歲?
    為了解決這個問題科學家們嘗試了各種方法、提出了各種理論,比如蟲洞、量子傳送甚至是光速旅行。而提到了光速旅行就不得不說一個有意思的問題:20歲太空人光速飛行200年,那麼他回到地球時是多少歲呢?想要知道這個問題的答案,首先就要知道什麼是光速。或許有的朋友會在心中不以為然,光速就是光的速度、每秒鐘30萬公裡誰不知道?