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?

異名磁極吸引你


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?

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佈的一組四個方程組,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年的邁克爾遜-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。


星辰大海路上的種花家


有一件事情是人盡皆知的:兩輛時速50公里的汽車相向而行,它們相對於對方的時速就是100公里,這一點毫無疑問。

然而兩束相對而行的光,相對於對方仍然是光速,而不是兩倍光速。

實際上,即便兩束同向而行的光線,相對於對方也仍然是光速,而不是靜止的,這就是所謂的光速恆定原理,它的確是一個顛覆我們固有認知的事情。

最先思考和解決這個問題的人是愛因斯坦,在他之前,物理學家已經根據麥克斯韋方程組得出了光速恆定原理;與此同時,物理界卻又存在著相對運動原理。

這兩條相互矛盾的理論引起了愛因斯坦的疑惑,要麼其中一個理論是錯誤的,要麼就是某種未知因素導致了這種“矛盾”。

正是由於弄明白了這個問題,狹義相對論得以問世了,愛因斯坦利用時空膨脹的理論完美的解決了這個矛盾。

在狹義相對論中,愛因斯坦是利用火車上的人扔石頭來表述時空膨脹的問題的。

他說,假如一個人在一輛高速運動的火車上鬆開手扔下一塊石頭,而非用力拋出去,那麼在這個人的眼裡,石頭將垂直落到地板上,它的運動距離就是手掌到車廂間的垂線距離。

可是,在火車下面的人看來,石頭並不是垂直落下的,而是沿著一條很長的斜線落下的,在這種情況下,它所運動的距離自然也就更長。

同一塊自由落體的石頭,怎麼可能在同一時間下即走了更短的路徑,又走了更長的路徑呢?

愛因斯坦的解釋是:因為火車上的時空膨脹了,也就是火車上的時間流速變慢了。這就是說,速度會導致時間流速變慢。

關於速度致使時間變慢這一點,儘管在當時僅僅只存在於理論,但是今天早已被現實實驗以及衛星的時間流速證實了。因此,速度和時間流速之間的關係已經是板上釘釘的事情了。

那麼,這件事跟光速恆定有什麼關係呢?

因為當速度趨近於光速時,時間流速的差異將變得極其明顯;當速度完全達到光速時,時間就徹底靜止了;當速度超過光速時,時間就倒退了。

這也就表示光線在空間中運動是完全不消耗時間的,如果換一個角度來理解,可以想象為光線在時間的維度中是靜止不動的。

兩條時間靜止的光線,無論相向而行還是同向而行,它們的時間始終是靜止的,因此光速永遠恆定。


科學矩陣


我看了很多回答都是為了跪舔西方國家不敢面對現實的謬論:

1.他們所舉的例子都是非常短暫的光速運行,說什麼槍子彈打出來對方看什麼總之都是在零點零零零幾秒發生的事,這麼短時間發生的事速度完全可以胡攪蠻纏。

2.我來舉一個長時間的光速例子:

①比如太陽光到地球大概需要八分鐘,假如在地球旁邊也有一個太陽A,在兩個太陽中間位置也有一個地球B,這個地球B與兩個太陽的距離是相等的,而且兩個太陽和這個地球B三點一線,那麼這時候兩個太陽發的光到中間那個地球B需要的時間還會是八分鐘嗎?答案肯定是四分鐘。

②既然是四分鐘那麼兩個太陽發出的光的相對速度必然是兩倍光速。

③有人可能為了跪舔西方會說兩個太陽的光到中間地球需要的時間依然是八分鐘,那麼假如此時我把中間的地球向其中的一個太陽偏移一點點,是不是還是八分鐘。

④那好假如我繼續偏移到和其中的一個太陽距離為一百米的位置,這時候你總不至於說還是需要八分鐘吧。

⑤當然你還可以胡攪蠻纏說地球離太陽那麼近早就融化變成氣體了所以不存在這樣的假設,你要是這樣說那我承認我說不過你。


明宇智遠


不是二倍光速,我上大學的時候大學課本里面有,但是仔細看的人不太多,當時舉的例子是在在運動的火車上測量光速。我長話短說,就是無論是人相對光源動還是不動,用設備測量的光速都是一樣的30萬公里每秒。我想強調第一點就是你首先得承認這是一個事實,雖然他用經典時空體系很難解釋,我們平時接觸的都是遠低於光速的物體,那時候我們算這類問題很簡單簡單的加減法就行了,但現在我們卻無法再用這個方法解釋了;第二有人把這事給解釋了,他就是愛因斯坦,他用的方法是假設每一個運動的物體都有自己的時間,在這個時間體系裡每個物體自己的時間快慢都沒有任何問題,但是看別人的時間都不標準,有具體公式,簡單說就是動鍾變慢效應。你可以這樣來理解這一效應,就是你自己覺得自己對別人不對,但別人也覺得自己對別人不對,但實際上你倆都對,只不過立場不一樣,我亂舉的例子,但是好用的,哈哈。再來個嚴謹的說明,倆個相對運動的人,你覺得自己的時間快慢正常,別人也覺得自己的時間快慢正常,但是你倆看對方的時間都不正常。再補充一個還有動尺變短效應,有願意琢磨的,可以想想時間和長度如果都變了,它們相除得到的速度也就是光速不變就很好解釋了。好了,只能解釋到這程度了,物理還是需要自己慢慢學習與體會的。


大型擼射航空公艦


當年愛因斯坦的相對論一出,有記者曾經採訪天文學家愛丁頓博士,問他是不是當時世界上僅有的三個能理解相對論的人之一,愛丁頓認真的思考後回答“我正在想誰是第三個人呢。”所以,題主在一百年後,仍舊對相對論感到迷惑,其實也是可以原諒和理解的。

詭異相對論

相對論的概念,從它誕生開始就一直透著詭異的味道,那是因為我們在正常的生活中,根本沒有機會直接應用和感受到。我相信大部分同學,終其一生,都不可能獲得接近光速飛行的機會,可以直觀去感受一把,所以一直以低速宇宙的牛頓力學,來硬套相對論。我再強調一次,在接近光速的運動,以及光速運動的時候,同學們一定要把牛頓力學的固有認知扔掉!這時候,適用鐘慢尺縮原理,空間、時間都會改變,唯有光速不變!所以,不存在光速疊加,也沒有光速對減。光速不變。

相對論的推導

很多同學都把E=mc2,等同於相對論本身。覺得你一直強調相對論怎麼複雜怎麼難以理解,這不是一個小小等式就看完了嗎?說不定,我們哪天腦子一抽,就也發明了第二次相對論也未必哦。

那我也不做多餘的解釋,我給一個相對論求解的表達式,大家試試也來靈光一閃,看看有什麼新的推論?

好了,這個我不展開,如果仍舊有自信的同學,在回覆中我們再自行深入探討一下靈光一閃的問題。

相對論的實證

牛頓的理論,到今天,我們仍舊在大量的應用,測出地球的三圍、預測行星的軌道,簡直無所不能,為什麼呢?因為人類仍舊大部分時間在處理低速宇宙的問題,並且計算簡單啊——雖然用相對論一樣可以得出相同的解。

愛因斯坦呢?在高端的宇宙探索中,不斷的證實著牛頓宇宙無法到達的邊界,愛伊斯坦到達了。

最著名的就是“赫爾斯-泰勒”根據相對論推測的脈衝星系統,觀測到引力波存在證明,使廣義相對論精確度和實驗結果吻合到10的負十四次方——堪稱物理歷史上最精確的理論沒有之一!

結語

很多同學問,那麼相對論的直接應用呢?正如麥克斯韋當年回答電有什麼用?——“你問一個剛出生的嬰兒,他現在有什麼用”?


貓先生內涵科普


不是。因為不存2c速度,至少我們的宇宙中沒有。你所學到的v=v1+v2是無限近似值,是一個繁雜的計算過程的簡化版。這個簡化的公式在生活中應用完全沒有問題,也無法覺察到誤差。宏觀天體物理已經微觀粒子世界會有較大誤差,量子領域不適用。記住,我們世界最大速度被嚴格限制在了c。即使在0.5c的宇宙飛船上向前發射光速,那個光子速度不管以飛船做參照還是以地球做參照,都是c。這是人類突破不了的限制之一,像一堵牆死死的禁錮人類。


濤哥騎摩托


0、光在真空中的速度,C恆常不變。

1、有兩束光,相背向射出,也就是:呈180度平角,兩條射線,“合併”成直線。——這是一個“理想實驗”。

2、在L射線上,測量R射線的“光速”;或者在R射線上測量L射線的光速,是等效的。也就是說,無論在什麼樣的“慣性系”或者“引力系”,光速C恆常不變—— 沿著測地線的傳播速率。

3、光的本質是:激發態光量子——簡稱:光量子;

光的傳播介質,或者說“光的傳播子”是——基態光量子——形象的稱之為:暗黑子。夜間的星星以外的深空。

真空不空。要麼是“激發態量子”,要麼是“基態量子”。本質上,都是:類光量子的“集合”。

4、光的傳播機制:

激發態量子——光子,轉換成為“基態量子”;轉換“距離”——近乎為“0”,不是“0”,是無窮小的“光—暗”長度;

基態量子—— 暗黑子,轉換成為“激發態量子”——光子,轉換“空間距離”——近乎為“0”不是“0”,是無窮小的“暗—光”長度;

相互轉換的“時間長度”,近乎於“0”而不是“0”,是無窮小的一個“光—暗—光”轉換時間的1/2;光速恆常不變,傳播速度C,在真空中。

5、有沒有比光速更快的“超光速”,我們相信有、一定有。只是目前尚未發現!


中和永道


其實,相對論最迷惑人的地方就是光速的性質~~在普通人眼裡,人們最清楚的速度就是像伽利略桌面運動實驗演示的小球那樣,距離/時間等於速度(s/t=v),確切地說這是物質運動的速度計算方法,就是說這是實物運動的速度v的表達式,這個速度是相對於慣性參照系的速度,它遵循速度的相對性原理,速度也自然是相對速度。

然而光速卻不是我們通常所認識的速度概念,它與桌面小球的速度是兩回事:它應當是屬於“波速”的概念,波速與物質運動速度存在本質區別。

顧名思義“波速”不是物質的運動速度,而是物質能量波的傳遞速度。波速的特點在於它決定於介質的屬性~~在不同的介質裡,同一個波會擁有不同的速度,這個我們可以從機械波的傳遞規律中總結出來。

然而光,大量證據指明它應當是波,是波即為能量波,也就是說是非物質的運動,自然我們就不能用經典理論計算速度的方法來計算它,因為它是不遵循慣性參照系的相對性原理的,它的速度與光源的速度也未必有關。我們得承認相對論提出光速與發光物體的速度無關這應當是對的,因為光速跟發光物體速度實質是不同的,所以它們不具有疊加性。但是它把光速與物質運動速度混為一談並且由此推導出其他結論卻是錯誤的。

因此,相對論錯就錯在它不能分辨兩種速度的本質區別,最終導致了理論的全面錯誤。這樣的錯誤就如同一個小學生作業那樣:已知2+3=5,那麼 2個人+3只羊=?

對於正常的答案,恐怕人們很難給出!不是因為人們不懂數字加法,而是人們都知道這兩個不是同一個類別,所以不能混合運算,如果非要生搬硬套,那勢必得出錯誤的結果!

可是在愛因斯坦不知情的情況下,這個數學天才卻在相對論中範了這樣的錯誤,這也可以說是科學探索領域的一個有趣的笑話。但是我們沒必要也不能去責怪這一切,因為在科學探索的道路上可能人們都是在盲人摸象,誰也看不見大象的全部,如果誰能取得一定的突破那便是大家的福分,因為人們又可以向前邁一步了!只要是在未知領域踴躍探索的人,都是值得尊敬的,特別是那些把核心問題擺在大家眼前的人,他們更是人類文明的里程碑。


前進波濤


我對相對論的理解是

相對論的最大前提就是,信息不可能超越光速傳遞。而光速,是信息交換的臨界速度。


當兩個目標間無法互相交換信息的時候,他們就無法互相構成參照系。他們之間的一切運動狀態都是沒有意義的。因為無論如何你都無法觀測到。

類似於光椎之外的宇宙,跟我們毫無關係。

所以,從經典力學看有沒有可能地球正相對於某個星球以超光速遠離?

完全有可能,但是沒有意義。因為無論地球了發生什麼,或者那個星球發生了什麼,彼此都無法知道。

經典物理裡超越光速在相對論裡已經失去了意義。

回到問題

所以很抱歉,用老師的話說。你的問題在相對論裡可能超綱了。

至於相對論裡那個速度疊加公式,是經典力學速度疊加公式的變形,經過變形後的式子代表的時空已經不是牛頓經典力學的時空。在此公式的時空觀念下,兩倍光速背離的物體相對速度是依然是光速。

想像下正比函數通過某種座標變化變成一個反比函數。

時空觀變化後同一個值變收斂了。

至於相對論裡說要讓一個物體達到光速需要無窮大的能量

因為要讓兩個可交換信息的東西變得無法交換信息。

牛頓經典力學的正比座標系中,一份能量x就等於一份速度y

但是在相對論的反比座標系裡,你需要多少能量x,才能讓y等於0?

以上關於正反比函數的例子與實際理論完全無關。只是希望朋友們更好理解。


餃子味的韭菜


在我的理解裡,時間就是運動的一種附屬性質,是人們用來描述運動與空間關係的一種定義,我們先想象一下一個物體時間停止,也就是這個物體所有的基本粒子停止震盪運動和衰減,之間相對位置完全固定下來,不與外界產生任何能量交換,溫度也達到絕對零度,這時,可以認為這個物體死了,時間也停止了。然而現實裡,所有的物體之間都會發生能量交換,引力影響,所以沒有什麼物體能獨立與整個宇宙,它的時間也就沒法獨立出去,時間就變成了宇宙所有物質共同運動產生的性質,愛因斯坦相對論裡的時間也經不是傳統意義上的時間,它只是描述相對運動物體相互觀察得出的運動變化,注意是觀察得出的,不是絕對時間,舉個例子,中子星脈衝週期是固定的,我們假設它每個週期是1秒,如果此時一個以接近光速的飛船遠離它飛行,在飛船上的人會觀察到中子星脈衝週期變成了10秒,得出結論,時間變慢了,然而在上帝視角來看,中子星脈衝週期依然是1秒,而飛船上的人時間也沒有變快變慢,唯一的變化,是當一個物體以接近光速運動時,卻以光去觀測其他物體會產生巨大的誤差,就像我們用聲音去觀察接近音速的飛機,你聽見飛機還在這一頭,睜開眼,發現飛機實際上已在另一頭了,靠聽覺判斷的飛機位置實際上是過去飛機的位置,那麼你怎麼靠聽力來得出飛機實際位置呢?這時你會根據音速和飛機高度飛機速度,用一個公式加以修正得出飛機實際位置。所以用光速去測定接近光速的運動必然會產生巨大誤差,而愛因斯坦相對論就是用來修復這個誤差的。

回到問題本身,假設兩架飛船以光速c相反方向運動,在上帝視角來看,它們每秒相互遠離的確就是2c,但站在飛船上的人彼此觀察,得出的結論是雙方以1倍光速在相互遠離,因為它們彼此觀察到的都是對方過去的信息,他們由此得出結論時間變慢了……

綜上所述,由於宇宙所有物質都會發生相互運動相互影響,是能有一個上帝視角的絕對時間流逝來描述運動變化的,而相對論中的時間變化,實際上是用來修正用光來觀測高速運動物體的測量差,量子糾纏是超光速的,無論相隔多少光年都能瞬時感應,那麼,當我們能使用量子糾纏作為通信工具時,在飛船上的兩方可以實時通信,並不會發現對方的時間變慢或者變快了……


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