在物理學上不會有超光速,但如果兩個物體以光速向相反的方向跑相對來說是不是超光速?

TheUnprecedented

先簡單感慨一下:如果這麼容易就能推翻愛因斯坦相對論裡的光速限制原理,愛因斯坦真的白活了!愛因斯坦連這麼簡單的算數題都不會(光速+光速=2倍光速,也就是1+1=2),簡直“笨”死了!

開個玩笑!但一個玩笑就已經給出了的問題的答案:不是超光速!

一切的一切都是因為我們生活在經典物理世界裡,造成了我們對周圍事物認知的侷限性,特別是思維的侷限性!

相對速度我們都知道,舉個例子,甲乙丙三人,甲和丙相對乙分別以5米的速度向相反方向奔跑,那麼甲和丙看對方的速度就是10米每秒!

但這隻適用於我們熟悉的低速世界裡,甚至較真的話,甲和丙看到對方的速度真的不是10米每秒,只不過差異實在微乎其微,可以忽略不計!

這都是因為相對論中的“光速不變原理”(解釋過很多遍了),再簡單強調下,你手拿手電筒以5米/秒的速度奔跑,靜止的我看到手電筒發出的光的速度並不是光速+5米/秒,而仍舊是光速!

由於“光速不變”的存在,我們平時熟悉的“伽利略轉換”模式(上面甲乙丙的例子)在高速下不再適用,必須用到“洛倫茲轉換”,其中光速成了一個重要的要素!

不理解?只需要把“伽利略轉換”看做“洛倫茲轉換”的一個特殊情況就可以了!

或許你還是有點懵,那就再來個通俗的例子吧!

還是甲乙丙三人,按照提問者的要求舉例子。甲和丙相對乙以光速向相反的方向飛行,那麼甲看到丙飛行的速度是光速的兩倍嗎?

說了這麼多,你可能知道不是光速的兩倍,但不知道為什麼不是。

相對論告訴我們,速度會影響時間的,甲看丙的飛行速度怎麼計算呢?很簡單,也是距離除以時間。假設甲和丙都飛行了一年,飛行距離都為1光年,兩人相距就是2光年。

但問題就在這,甲和丙看到對方的時間流逝在變慢,也就是說兩人的相對時間變長了,最終兩人的相對速度還是光速。(不要以你的眼光看待甲和丙,因為不管甲和丙的相對速度是多少,與你一毛錢關係也沒有,相對速度是他們兩人之間的關係)

附:洛倫茲轉換公式:v' = (u + v) / (1 + uv/c^2)。

公式中可以看出,u和v只要有一個等於c,得到的最終速度v'都等於光速c!再次強調,不要用我們經典物理世界的固定思維模式去思考這個問題!!!!


宇宙探索

如果這麼容易就讓你難住,“物體運動不超光速”就不會成為如此著名的一條原理了。對你的問題直截了當的回答是:如果兩個物體以光速c向相反的方向運動,那麼它們彼此之間的速度不是2c,而仍然是c!

為什麼會這樣?因為你是根據直覺認為它們的相對速度應該是2c的,而這個直覺只適用於低速運動,在速度跟光速可以相比時這個直覺就會失效。

用科學術語來說,你的直覺叫做“伽利略變換”。也就是說,在伽利略的時代(17世紀),人們就知道了,如果一個物體在一個參照系中的速度是v,這個參照系相對於另一個參照系的速度是u,那麼物體在新的參照系中的速度是v' = u + v。比如說你在一列火車裡跑步,火車相對於地面以50米每秒的速度運動,你相對於火車以5米每秒的速度運動,那麼你相對於地面的速度就是55米每秒。

後來,人們發現光的傳播是需要時間的,而不是瞬間到達,也就是說光速是一個有限的速度,不是無限大。那麼問題就來了,地球在宇宙中運動,地球上不同方向的光(例如經線方向和緯線方向)是不是應該具有不同的速度呢?

1887年,真的有人做了這樣的實驗,叫做邁克爾孫-莫雷實驗。他們原本以為能夠測出這個差值,沒想到結果卻是:完全沒有差值!

這個實驗震驚了整個物理學界,狹義相對論就是以之為基礎的。現在人們把光速不變作為了一條基本原理,速度變換遵循的不再是伽利略變換,而是洛倫茲變換

v' = (u + v) / (1 + uv/c^2)。

洛倫茲

仔細看洛倫茲變換的公式,你就會明白:如果u和v都遠小於c(日常的低速運動),那麼它就近似等於伽利略變換。而如果u和v中有一個等於c,那麼v'就等於c。所以,即使u和v都等於c,v'也仍然是c!

正是洛倫茲變換,保證了“光速不變”是一條基本原理。現在,你可以理解這條原理有多麼震撼了吧?


袁嵐峰

題主你這個問題應該是長時間以來人們的印象。事實上,從中學時代開始,我們學習到的“速度相加”遵循的就是所謂“矢量相加”的法則,即把兩個矢量畫成不同長度和方向的箭頭,箭頭的長度代表著速度的大小,箭頭的方向代表著速度的方向,然後把箭頭的末端重疊到一起,頂端的連線就是相加後的速度。

這種相加的方法一直沒什麼問題,甚至一度被人們認為是理所當然的法則。但是後來人們在研究光的運動時,遇到了一個極大的難題。因為要說“速度”,一定是一個物體相對於另一個物體的“速度”,人們設想過光的傳播速度是相對於一種叫做“以太”的物質。這種物質充盈著空間,但我們觀測不到。由於我們的地球公轉速度也很快,所以科學家設想,按照不同方向測試光速,應該會有所區別。但是經過了很多測試,始終發現光速為定值。這說明我們原本設想的以太假說、速度疊加原理出了問題。後來科學家提出了“洛倫茲變換”,即物體相對運動速度不是如我們所認為的那樣簡單地相加,而是要經過一個變換。洛倫茲變換的具體形式大家可以在網上查到,我不再贅述了。根據這個變換公式,即便兩個物體運動速度為光速、方向相反,最終計算出來的速度仍然是光速。這樣一來,就不會存在物體運動速度超越光速的可能性了。


看風景的蝸牛君

不是。

狹義相對論很重要的一個工作,就是給出了時間、長度、速度,在高速運動時的公式。

我們現在的所有直覺,都是在低速,更嚴格的說,是在低能狀態下的感受。在低速情況下,相對速度是可以簡單疊加的。但在高速情況下,不成立。

而且高速情況下的相對論速度疊加公式,已經被實驗所證明了。沒有什麼可以質疑的。

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

這個公式就是相對論中的速度疊加。假設兩個物體分別以v,u的速度,在各自的靜止座標系運動。那麼它們的相對速度如上面結果。具體計算時要用對速度的正負號。


狹義相對論的重要意義在於,在運動學領域,它顛覆了我們的直覺系統。其次,它揭示了,時間-空間的耦合性及相對性。在不同運動速度的情況下,空間-時間是變化的。不是我們原來認為的空間是剛性的,不變的。剛性的空間,想象力與直覺的空間,僅僅是在低速情況下。


令狐迦基

我來說幾句,貌似這個問題難到好多人。

實際上,兩個物體都以光速反向跑,確實是2倍光速,而實際測量值卻是1倍光速。原因很簡單,因為一個物體運動的信息傳到另一個物體的傳播速度只有1倍光速。

可能這個不好理解,我舉個例子吧,我們看到天上的星星,星星的光芒是以光速傳到我們這裡的,無論這個星星是以什麼速度靠近我們還是遠離我們都是如此。

按照相對論的說法,物體運動速度越快,時間越慢,所以兩個光速運動的物體,時間變慢了,速度也一起變慢(因為速度等於運動距離除以時間)。


暴雪皇帝


心血知音

頭腦很發達,但是你這個問題是繞的人,兩個速度合成一個速度。騙騙反應遲鈍的人還行。…:宇宙中超光速肯定存在。人類無需百年就會造出超光速,理論上以經存在樂…,只等資金。推進技術永遠不可能超光速…


美術家1

這個問題,不少專業人士的回答,似乎也是不得要領。問題的關鍵是選擇誰做參照系。

牛頓動力學體系的參照系皆以絕對時空為參照系,即空間任何一點為靜止原點,這是最簡潔的。狹義相對論動力學體系皆以一個動態座標原點為參照系,這就涉及洛倫茲變換問題。

下面以半人馬座的三體,來探討本題。


圖中左起依次是A星、B星、比鄰星、太陽。近似在同一條直線上。現在來分析A星與太陽各自向比鄰星相向輻射光子,考察相對速度。

若以比鄰星為參照系原點,相對於以絕對空間的一個靜止點。那麼,A星與太陽的兩個光子的相對速度v=c+c=2c。物理意義是這兩個光子在比鄰星質點的相遇時間t=d/(2c)。

若以狹義相對論參照系,先來看適用條件。洛倫茲變換因子是γ=1/√(1-u²/c²),其中u為慣性系速度,相當與把太陽光子的速度u=c作為參照系,此時在同直線上的相對速度是:v=(u-u')/(1-uu'/c²)=(u-(-u))/(1+uu/c²)=2c/2=c。


如果在時光機(u=c)上發射一個光子(u'=c),u與u'方向一致,這個光子在真空中的傳播速度是多少呢?

按狹義相對論的參照系,選擇時光機為動態參照原點,就只能按公式v=(u-u')/(1-uu'/c²)=(u-(-u))/(1+uu/c²)=2c/2=c。速度還是真空光速,不會是兩個速度的疊加。

按牛頓絕對時空參照系,選擇時光機附近的空間一點為靜止的座標原點,則勢必得出光子的速度要加上時光機的初速度,即v=u+u'=2c。但我認為,這個答案是錯的。

錯不在選擇牛頓絕對參照系!狹義相對論也談不上對!因為沒有涉及真空光速的機制!

根據麥克斯韋方程衍生方程:c²=1/ε0μ0,真空光速只取決於真空介質的電容率與磁導率,說明真空漣漪本來就是光速,電磁振盪諧振子,沒有切向初速度,只是其振動激發了真空漣漪的載能傳播。因此,無論在在哪裡發射電磁波,只能是真空漣漪的速度。


真空漣漪學說,還可以用來解釋多光子、單光子、單電子、電子束的雙縫干涉效應。一個光子激發若干真空漣漪,形成一個扇形波陣面,穿過狹縫後,形成的兩個扇形波陣面,相互糾纏或共振,最後在底屏留下明暗相間的條紋。


原道童子

深夜看到這個有質量的問題還是忍不住爬起來回答。

其實一樓袁老師回答的很好了,我再班門弄斧,通俗點解答一下。我不講為什麼要用洛倫茲變換而不用伽利略變換,因為洛倫茲變換的推導過程實際很複雜。以下陳述只是為了理解相對論,不是洛倫茲變換的反推。咱們用走極端的方法。

其實想要理解這個問題首先你要了解相對論中的基礎是針對時空的,不是單純的空間也不是時間,而是時間+空間。簡單的說你可以想象成每一個人都是一個座標系原點,並且自己兜裡揣著自己的表,每個人有自己的空間和時間。只不過我們之間的相對運動速度太低,所以大家共用一個空間和時間。好了,記住這個,我們繼續。

我覺得阿海的問題還不夠極端,初識相對論應該對這個問題很崩潰,咱們循序漸進哈,請聽題:

1、 假設小人A坐在某點不動,小人B以光速c駛離A,請問在A看來B的速度是多少?

答案很簡單,相對於小人A,小人B的速度是光速c。很好理解吧,請聽下一題

2、 假設小人A坐在某點不動,小人B以光速c駛離A,並且在背對A的方向打開一個手電筒,請問在A看來,B手中的手電筒散發的光速是多少?

一提到這個問題立馬就有人要說了,你看你看,我就說超光速嘛。彆著急。我們先分析小人B,對於小人B來說,手電筒的光是以光速c前進的,小人A是在相反方向以光速前進的。這個很好理解吧。可是相對小人A,上一題中已知,相對於小人A,小人B是光速c,如果再加上手電筒的光,肯定是2c啊!錯!這裡就要用到最開始說的概念,每個人都有自己的空間和時間,我們不只要看相對速度,還要看相對時間。我們還是要用到洛倫茲變換公式,求一下在小人A眼中,小人B的時間是多少:

你會發現,這個數值求不到。或者說是理論上的無限大。也就是你經常聽說的:“光速運行的物體時間靜止”。好,我們先不管,無限大是什麼意思呢?就是相對於A,B的時間被無限延長,也就是在A眼中B是靜止的。

這下好理解了,如果B真的可以以光速駛離A,在A的眼中,無論B做什麼動作,都會是駛離前的第一幀畫面!那就別提手電筒光速的事了,因為在A眼中B的手電筒就沒打開過。

如果這裡你聽懂了我們繼續來探討阿海的問題,他的問題是假設一個上帝視角的人,看兩個光子延相反方向運動,如下圖:

如果上述你聽懂了你就會知道一年之後,相對於小人來說,兩個光子行駛一年後的距離就是兩光年,注意這裡說的時間是小人的時間。沒有疑問吧?好,我們來加深一下難度。

我們把小人和兩個光子放在同一個x軸上,假設小人M相聚AB光子一光年,A駛向小人M,B駛離小人M,我們來看一下每個物體的視角。

小人M視角:A一年後與自己相遇,B一年後相距自己兩光年。(由上題得出結論,且這裡的一年指的是M的時間)

光子A視角:一年後與小人M相遇,光子B永遠不動,MB之間距離永遠為一光年。(這裡一年指的是A的時間)

光子B視角:一年後與小人M相聚兩光年,光子A永遠不懂,MA之間距離永遠為一光年。(這裡的一年指的是B的時間)

所以你大概明白了,如果你真的能夠以光速行駛,那麼宇宙萬物將會在你眼中靜止。如果有超光速,你將會看到時光倒流,直到看到宇宙大爆炸,所以說這是個悖論。

以上解答有不嚴謹的地方,比如其實人們常說的光速是光在真空中的速度,好多人習慣忽略的“真空”二字,不過這個很關鍵,能夠達到真空光速c的條件就是1、真空。2、沒有質量的物體,光子。科學家們做過實驗,把中微子(質量非常非常小)用無限大的能量加速也只能接近光速,並不能達到光速,所以說如果一個人想要達到光速,現有的科學是達不到的。所以嚴格來講以上的假設都是不存在的,極端的極端只為了更好的理解。

最後回答題主的問題,不會有超光速。

如有不足,還望指正。真得睡覺了。


媽咪說MommyTalk


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