先说答案:不是两倍光速。具体是多少,只能说:不知道。

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这个答案好像说了等于没说,但事实情况就是如此,不要着急,听我慢慢来分析。

提到光速,很多人会下意识想到爱因斯坦的狭义相对论,这种想法没有错,但没有弄明白狭义相对也是有适用范围的。

狭义相对论有两个基本假设:光速不变原理和相对性原理。光速不变原理想必大家都很清楚,说的是光速的绝对性,在任何参照系下都绝对不变。

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不过对于相对性原理,很多人会不太在意,实际上这个原理同样非常重要。按照狭义相对性原理,狭义相对论只适用于惯性参照系,也就是惯性系。

什么是惯性系,同时来讲就是适用于牛顿运动定律的参照系,也就是静止或匀速直线运动的参照系。

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一般情况下,我们会认为地球就是惯性参照系,当然这并不是绝对的,只是近似,绝对的惯性系是不存在的。一旦来到太空,地球就不是惯性系了,太阳成为惯性系。当然,跳出太阳系后,银河系中心自然成了惯性系。

所以说,惯性系是狭义相对论的基本前提。那么问题中的光是在惯性系中吗?

很明显,不是。因为光并不能作为惯性系,光不能作为任何物体的惯性系,也不能作为参照系。因为牛顿运动定律只适用于宏观物体,而光属于微观领域,它具有波粒二象性,本身就具有不确定性,根本谈不上什么惯性,当然不能作为惯性系。

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所以,任何把光作为参照系的行为其实都是没有意义的。

所以,我们通常所用的速度叠加计算方式,并不能用在两束光上。问题本身其实具有很强的误导性,直接把光看成某种宏观物体了,显然是不合适的。

非要计算两束光的相对速度的话,只能给出这样的结果。按照速度等于距离除以时间的方式来计算,由于光根本没有空间和时间概念,也可以理解为光的时间是静止的,在一瞬间就能跨越任何遥远的距离。

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相当于光在一瞬间就能跨越无限远的距离,也就是说,无限远的距离花费的时间是零,相当于无穷大除以无穷小,结果是多少呢?我们不知道,或者说没有意义。

那么,如果我们把两束光换成两个宏观物体,比如说两艘飞船会怎么样呢?

当然两艘飞船的速度无论如何都不可能达到光速,这里就假设飞船的速度非常接近光速,它们的相对速度是多少呢?是不是非常接近两倍光速呢?

是,也不是!

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因为狭义相对论中的光速限制指的是,在惯性系中局域速度是不能超光速的,言外之意,在非惯性系中,速度是可以随意超越光速的,比如宇宙膨胀速度就远超光速

还有,大型粒子对撞机中,两个粒子以非常接近光速的速度飞行,两者的碰撞速度就超过了光速,碰撞效果就会更明显,这就相当于让一个粒子不动,另一个粒子超光速与其碰撞。这并不违反狭义相对论中的光速限制,因为两个粒子的相对速度超光速,并不是静止的观察者看到的运动速度。

而两艘飞船就相当于对撞机里的两个粒子,它们的相对速度肯定是超光速的,如果让它们相撞,碰撞效果肯定超过其中一艘飞船不动,另一艘飞船以光速与其碰撞的效果。

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这种超光速并不违反狭义相对论中的光速限制,因为两者的相对速度并不是在惯性系下的速度。如果你静止在地球上观察两艘飞船,它们的相对速度就不会超光速,具体是多少呢?

按照我们传统用到的速度叠加公式,也就是伽利略变换,也就是V=V1+V2,应该是超光速了。不过这种计算方法在亚光速世界并不适用,因为伽利略变换的背景是绝对时空观,而我们知道时空并不是绝对的,而是相对的。

一旦来到亚光速世界伽利略变换就不再适用了,因为亚光速情况下,时间和空间会出现明显改变,必须用到洛伦兹变换才行,用狭义相对论相对速度叠加公式表达出来就是:

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从公式中可以看出,当V1和V2非常小时,比如说我们平时经历的速度,那么公式中的分母就趋于1,公式就可以简化为V=V1+V2,这就是伽利略变换。但是当V1和V2很大,接近光速时,就不能简化为伽利略变换。

所以说,伽利略变换就是洛伦兹变换的特例,在低速世界的近似值。在低速世界,我们很难直观地感受这种变化。

这也是为什么很多人不愿意相信狭义相对论的主要原因,因为相对论违反我们的日常生活直觉,而大多数时候,我们更愿意相信自己的直觉和生活经验,这也是任何物种在进化中趋利避害的直接体现。

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科学家们比我们的眼睛更毒辣,他们对任何新理论的诞生从来没有停止过质疑,在过去的一百多年时间里,相对论经历了无数次质疑和论证,仍旧屹立不倒,这也是相对论能成为现代物理学大厦两大基石之一的主要原因。