反方向飞行的两束光,相对速度是两倍光速吗?


反方向飞行的两束光,相对速度是两倍光速吗?


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反方向飞行的两束光,相对速度是两倍光速吗?


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先说答案:不是两倍光速!
但如此简单地给出答案好像有点不负责了 , 下面来具体讲讲为什么不是两倍光速 。

说到光速 , 必须提到爱因斯坦的狭义相对论 。 狭义相对论有两个基本公设:光速不变原理和相对性原理 。
光速不变原理 , 很好理解(虽然不容易接受) , 光速是绝对的 , 在任何参照系下 , 光速都保持不变 。

最容易被忽视的是第二个公设:相对性原理 。 相对性原理表明:物理定律在惯性参照系中都是等价的 。
何为惯性参照系?
简单讲就是不受力(或者受到的合力为零)的参照系 , 静止或者匀速直线运动的参照系就是惯性参照系 。
【反方向飞行的两束光,相对速度是两倍光速吗?】惯性参照系是牛顿经典力学下的产物 。 对于生活在地球上的我们来讲 , 地球就是惯性参照系 。 一旦离开地球 , 太阳就成为惯性参照系 。 如果离开太阳系 , 那么银河系中心的超大质量黑洞就成了惯性参照系 。
能够看出 , 惯性参照系的选择是狭义相对论成立的一个重要前提 。
但是光并不是作为惯性参照系 。 原因很简单 , 惯性定律只有在宏观世界才成立 , 而光具有波粒二象性 , 谈不上什么惯性 , 当然不能作为惯性参照系 , 把光作为参照系是没有什么意义的 。
所以 , 问题本身就具有一定的误导性 。 任何速度一旦上升到亚光速或者光速 , 牛顿的经典力学就不再适用了 , 不能再用简单的速度叠加来计算相对速度 , 而必须用更精确的洛伦兹变换才可以 。 公式如下:
△V=|V1-V2|/(1-V1·V2/C^2)
V1和V2都等于V , 代入上面公式 , 结果△V仍旧是光速 , 并不是两倍光速 。
平时我们用到的速度叠加公式 , 其实就是伽利略变换 , 是建立在牛顿绝对时空观体系下的 。 而爱因斯坦的狭义相对论表明 , 时间和空间不是绝对的 , 而是相对的 。 时间和空间都具有一定的弹性 , 会随着速度和引力的变化而发生改变 。

在我们生活的低速世界 , 基本上不用考虑狭义相对论效应 , 牛顿的经典力学已经足够用了 。 但是一旦上升到亚光速 , 或者要求非常精确的时候 , 就必须考虑到相对论效应带来的时间膨胀现象 。

比如我们日常生活中经常使用的卫星导航定位系统 , 虽然卫星的速度相比光速仍旧很慢 , 但由于导航系统要求非常精确 , 就必须考虑到相对论效应 , 让卫星上的时间与地球时间保持一致 , 否则导航系统就会彻底失效!

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