在物理学上不会有超光速,但如果两个物体以光速向相反的方向跑相对来说是不是超光速?

TheUnprecedented

先简单感慨一下:如果这么容易就能推翻爱因斯坦相对论里的光速限制原理,爱因斯坦真的白活了!爱因斯坦连这么简单的算数题都不会(光速+光速=2倍光速,也就是1+1=2),简直“笨”死了!

开个玩笑!但一个玩笑就已经给出了的问题的答案:不是超光速!

一切的一切都是因为我们生活在经典物理世界里,造成了我们对周围事物认知的局限性,特别是思维的局限性!

相对速度我们都知道,举个例子,甲乙丙三人,甲和丙相对乙分别以5米的速度向相反方向奔跑,那么甲和丙看对方的速度就是10米每秒!

但这只适用于我们熟悉的低速世界里,甚至较真的话,甲和丙看到对方的速度真的不是10米每秒,只不过差异实在微乎其微,可以忽略不计!

这都是因为相对论中的“光速不变原理”(解释过很多遍了),再简单强调下,你手拿手电筒以5米/秒的速度奔跑,静止的我看到手电筒发出的光的速度并不是光速+5米/秒,而仍旧是光速!

由于“光速不变”的存在,我们平时熟悉的“伽利略转换”模式(上面甲乙丙的例子)在高速下不再适用,必须用到“洛伦兹转换”,其中光速成了一个重要的要素!

不理解?只需要把“伽利略转换”看做“洛伦兹转换”的一个特殊情况就可以了!

或许你还是有点懵,那就再来个通俗的例子吧!

还是甲乙丙三人,按照提问者的要求举例子。甲和丙相对乙以光速向相反的方向飞行,那么甲看到丙飞行的速度是光速的两倍吗?

说了这么多,你可能知道不是光速的两倍,但不知道为什么不是。

相对论告诉我们,速度会影响时间的,甲看丙的飞行速度怎么计算呢?很简单,也是距离除以时间。假设甲和丙都飞行了一年,飞行距离都为1光年,两人相距就是2光年。

但问题就在这,甲和丙看到对方的时间流逝在变慢,也就是说两人的相对时间变长了,最终两人的相对速度还是光速。(不要以你的眼光看待甲和丙,因为不管甲和丙的相对速度是多少,与你一毛钱关系也没有,相对速度是他们两人之间的关系)

附:洛伦兹转换公式:v' = (u + v) / (1 + uv/c^2)。

公式中可以看出,u和v只要有一个等于c,得到的最终速度v'都等于光速c!再次强调,不要用我们经典物理世界的固定思维模式去思考这个问题!!!!


宇宙探索

如果这么容易就让你难住,“物体运动不超光速”就不会成为如此著名的一条原理了。对你的问题直截了当的回答是:如果两个物体以光速c向相反的方向运动,那么它们彼此之间的速度不是2c,而仍然是c!

为什么会这样?因为你是根据直觉认为它们的相对速度应该是2c的,而这个直觉只适用于低速运动,在速度跟光速可以相比时这个直觉就会失效。

用科学术语来说,你的直觉叫做“伽利略变换”。也就是说,在伽利略的时代(17世纪),人们就知道了,如果一个物体在一个参照系中的速度是v,这个参照系相对于另一个参照系的速度是u,那么物体在新的参照系中的速度是v' = u + v。比如说你在一列火车里跑步,火车相对于地面以50米每秒的速度运动,你相对于火车以5米每秒的速度运动,那么你相对于地面的速度就是55米每秒。

后来,人们发现光的传播是需要时间的,而不是瞬间到达,也就是说光速是一个有限的速度,不是无限大。那么问题就来了,地球在宇宙中运动,地球上不同方向的光(例如经线方向和纬线方向)是不是应该具有不同的速度呢?

1887年,真的有人做了这样的实验,叫做迈克尔孙-莫雷实验。他们原本以为能够测出这个差值,没想到结果却是:完全没有差值!

这个实验震惊了整个物理学界,狭义相对论就是以之为基础的。现在人们把光速不变作为了一条基本原理,速度变换遵循的不再是伽利略变换,而是洛伦兹变换

v' = (u + v) / (1 + uv/c^2)。

洛伦兹

仔细看洛伦兹变换的公式,你就会明白:如果u和v都远小于c(日常的低速运动),那么它就近似等于伽利略变换。而如果u和v中有一个等于c,那么v'就等于c。所以,即使u和v都等于c,v'也仍然是c!

正是洛伦兹变换,保证了“光速不变”是一条基本原理。现在,你可以理解这条原理有多么震撼了吧?


袁岚峰

题主你这个问题应该是长时间以来人们的印象。事实上,从中学时代开始,我们学习到的“速度相加”遵循的就是所谓“矢量相加”的法则,即把两个矢量画成不同长度和方向的箭头,箭头的长度代表着速度的大小,箭头的方向代表着速度的方向,然后把箭头的末端重叠到一起,顶端的连线就是相加后的速度。

这种相加的方法一直没什么问题,甚至一度被人们认为是理所当然的法则。但是后来人们在研究光的运动时,遇到了一个极大的难题。因为要说“速度”,一定是一个物体相对于另一个物体的“速度”,人们设想过光的传播速度是相对于一种叫做“以太”的物质。这种物质充盈着空间,但我们观测不到。由于我们的地球公转速度也很快,所以科学家设想,按照不同方向测试光速,应该会有所区别。但是经过了很多测试,始终发现光速为定值。这说明我们原本设想的以太假说、速度叠加原理出了问题。后来科学家提出了“洛伦兹变换”,即物体相对运动速度不是如我们所认为的那样简单地相加,而是要经过一个变换。洛伦兹变换的具体形式大家可以在网上查到,我不再赘述了。根据这个变换公式,即便两个物体运动速度为光速、方向相反,最终计算出来的速度仍然是光速。这样一来,就不会存在物体运动速度超越光速的可能性了。


看风景的蜗牛君

不是。

狭义相对论很重要的一个工作,就是给出了时间、长度、速度,在高速运动时的公式。

我们现在的所有直觉,都是在低速,更严格的说,是在低能状态下的感受。在低速情况下,相对速度是可以简单叠加的。但在高速情况下,不成立。

而且高速情况下的相对论速度叠加公式,已经被实验所证明了。没有什么可以质疑的。

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

这个公式就是相对论中的速度叠加。假设两个物体分别以v,u的速度,在各自的静止坐标系运动。那么它们的相对速度如上面结果。具体计算时要用对速度的正负号。


狭义相对论的重要意义在于,在运动学领域,它颠覆了我们的直觉系统。其次,它揭示了,时间-空间的耦合性及相对性。在不同运动速度的情况下,空间-时间是变化的。不是我们原来认为的空间是刚性的,不变的。刚性的空间,想象力与直觉的空间,仅仅是在低速情况下。


令狐迦基

我来说几句,貌似这个问题难到好多人。

实际上,两个物体都以光速反向跑,确实是2倍光速,而实际测量值却是1倍光速。原因很简单,因为一个物体运动的信息传到另一个物体的传播速度只有1倍光速。

可能这个不好理解,我举个例子吧,我们看到天上的星星,星星的光芒是以光速传到我们这里的,无论这个星星是以什么速度靠近我们还是远离我们都是如此。

按照相对论的说法,物体运动速度越快,时间越慢,所以两个光速运动的物体,时间变慢了,速度也一起变慢(因为速度等于运动距离除以时间)。


暴雪皇帝


心血知音

头脑很发达,但是你这个问题是绕的人,两个速度合成一个速度。骗骗反应迟钝的人还行。…:宇宙中超光速肯定存在。人类无需百年就会造出超光速,理论上以经存在乐…,只等资金。推进技术永远不可能超光速…


美术家1

这个问题,不少专业人士的回答,似乎也是不得要领。问题的关键是选择谁做参照系。

牛顿动力学体系的参照系皆以绝对时空为参照系,即空间任何一点为静止原点,这是最简洁的。狭义相对论动力学体系皆以一个动态坐标原点为参照系,这就涉及洛伦兹变换问题。

下面以半人马座的三体,来探讨本题。


图中左起依次是A星、B星、比邻星、太阳。近似在同一条直线上。现在来分析A星与太阳各自向比邻星相向辐射光子,考察相对速度。

若以比邻星为参照系原点,相对于以绝对空间的一个静止点。那么,A星与太阳的两个光子的相对速度v=c+c=2c。物理意义是这两个光子在比邻星质点的相遇时间t=d/(2c)。

若以狭义相对论参照系,先来看适用条件。洛伦兹变换因子是γ=1/√(1-u²/c²),其中u为惯性系速度,相当与把太阳光子的速度u=c作为参照系,此时在同直线上的相对速度是:v=(u-u')/(1-uu'/c²)=(u-(-u))/(1+uu/c²)=2c/2=c。


如果在时光机(u=c)上发射一个光子(u'=c),u与u'方向一致,这个光子在真空中的传播速度是多少呢?

按狭义相对论的参照系,选择时光机为动态参照原点,就只能按公式v=(u-u')/(1-uu'/c²)=(u-(-u))/(1+uu/c²)=2c/2=c。速度还是真空光速,不会是两个速度的叠加。

按牛顿绝对时空参照系,选择时光机附近的空间一点为静止的坐标原点,则势必得出光子的速度要加上时光机的初速度,即v=u+u'=2c。但我认为,这个答案是错的。

错不在选择牛顿绝对参照系!狭义相对论也谈不上对!因为没有涉及真空光速的机制!

根据麦克斯韦方程衍生方程:c²=1/ε0μ0,真空光速只取决于真空介质的电容率与磁导率,说明真空涟漪本来就是光速,电磁振荡谐振子,没有切向初速度,只是其振动激发了真空涟漪的载能传播。因此,无论在在哪里发射电磁波,只能是真空涟漪的速度。


真空涟漪学说,还可以用来解释多光子、单光子、单电子、电子束的双缝干涉效应。一个光子激发若干真空涟漪,形成一个扇形波阵面,穿过狭缝后,形成的两个扇形波阵面,相互纠缠或共振,最后在底屏留下明暗相间的条纹。


原道童子

深夜看到这个有质量的问题还是忍不住爬起来回答。

其实一楼袁老师回答的很好了,我再班门弄斧,通俗点解答一下。我不讲为什么要用洛伦兹变换而不用伽利略变换,因为洛伦兹变换的推导过程实际很复杂。以下陈述只是为了理解相对论,不是洛伦兹变换的反推。咱们用走极端的方法。

其实想要理解这个问题首先你要了解相对论中的基础是针对时空的,不是单纯的空间也不是时间,而是时间+空间。简单的说你可以想象成每一个人都是一个坐标系原点,并且自己兜里揣着自己的表,每个人有自己的空间和时间。只不过我们之间的相对运动速度太低,所以大家共用一个空间和时间。好了,记住这个,我们继续。

我觉得阿海的问题还不够极端,初识相对论应该对这个问题很崩溃,咱们循序渐进哈,请听题:

1、 假设小人A坐在某点不动,小人B以光速c驶离A,请问在A看来B的速度是多少?

答案很简单,相对于小人A,小人B的速度是光速c。很好理解吧,请听下一题

2、 假设小人A坐在某点不动,小人B以光速c驶离A,并且在背对A的方向打开一个手电筒,请问在A看来,B手中的手电筒散发的光速是多少?

一提到这个问题立马就有人要说了,你看你看,我就说超光速嘛。别着急。我们先分析小人B,对于小人B来说,手电筒的光是以光速c前进的,小人A是在相反方向以光速前进的。这个很好理解吧。可是相对小人A,上一题中已知,相对于小人A,小人B是光速c,如果再加上手电筒的光,肯定是2c啊!错!这里就要用到最开始说的概念,每个人都有自己的空间和时间,我们不只要看相对速度,还要看相对时间。我们还是要用到洛伦兹变换公式,求一下在小人A眼中,小人B的时间是多少:

你会发现,这个数值求不到。或者说是理论上的无限大。也就是你经常听说的:“光速运行的物体时间静止”。好,我们先不管,无限大是什么意思呢?就是相对于A,B的时间被无限延长,也就是在A眼中B是静止的。

这下好理解了,如果B真的可以以光速驶离A,在A的眼中,无论B做什么动作,都会是驶离前的第一帧画面!那就别提手电筒光速的事了,因为在A眼中B的手电筒就没打开过。

如果这里你听懂了我们继续来探讨阿海的问题,他的问题是假设一个上帝视角的人,看两个光子延相反方向运动,如下图:

如果上述你听懂了你就会知道一年之后,相对于小人来说,两个光子行驶一年后的距离就是两光年,注意这里说的时间是小人的时间。没有疑问吧?好,我们来加深一下难度。

我们把小人和两个光子放在同一个x轴上,假设小人M相聚AB光子一光年,A驶向小人M,B驶离小人M,我们来看一下每个物体的视角。

小人M视角:A一年后与自己相遇,B一年后相距自己两光年。(由上题得出结论,且这里的一年指的是M的时间)

光子A视角:一年后与小人M相遇,光子B永远不动,MB之间距离永远为一光年。(这里一年指的是A的时间)

光子B视角:一年后与小人M相聚两光年,光子A永远不懂,MA之间距离永远为一光年。(这里的一年指的是B的时间)

所以你大概明白了,如果你真的能够以光速行驶,那么宇宙万物将会在你眼中静止。如果有超光速,你将会看到时光倒流,直到看到宇宙大爆炸,所以说这是个悖论。

以上解答有不严谨的地方,比如其实人们常说的光速是光在真空中的速度,好多人习惯忽略的“真空”二字,不过这个很关键,能够达到真空光速c的条件就是1、真空。2、没有质量的物体,光子。科学家们做过实验,把中微子(质量非常非常小)用无限大的能量加速也只能接近光速,并不能达到光速,所以说如果一个人想要达到光速,现有的科学是达不到的。所以严格来讲以上的假设都是不存在的,极端的极端只为了更好的理解。

最后回答题主的问题,不会有超光速。

如有不足,还望指正。真得睡觉了。


妈咪说MommyTalk


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