如果把两束光换成日常生活中常见的物体,比如说两辆小汽车,相信大家都知道答案。比如说两辆小汽车的速度都是V,那么,它们的相对速度自然就是2V。

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但是一旦把小汽车换成两束光,情况就会有所不同,因为光并不同于普通事物,光很特殊,最明显的一点就是:光速不变原理。

何为光速不变原理?

举个例子就明白了。假设你驾驶一辆小汽车在大街上行驶,汽车速度为V,我静止在大街一旁的人行道上。

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然后你打开车灯。车灯发出的光是速度是多少呢?

在你眼里,车灯发出的光的速度就是光速C,这很好理解,因为你和小汽车相对静止,就相当于汽车静止时你打开了车灯。

那么,在我眼里,车灯发出的光的速度是多少呢?按照我们通常所用的速度叠加来计算,应该是汽车的速度加上光速,也就是V+C。

但事实上呢?并不是V+C,而仍旧会是光速C。

这就是光速不变原理。该原理表明,光速是绝对的,不管在任何参照系下,在任何运动状态下,观察到的光速都恒定不变。

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那么,如果有两束光反方向飞行,两者的相对速度又是多少呢?

根据刚才的解释,由于光速不变原理的存在,相对速度应该是C,而不是2C。但事实上光速C也不完全正确。为什么?

光速不变原理是狭义相对论的基本假设之一,而狭义相对论的适用范围也是有限的,它只适用于惯性系,同时,狭义相对论只适用于低于光速的相对速度计算。

何为惯性系?简单讲就是符合牛顿运动定律的参照系,也就是静止或者匀速直线运动的参照系。比如说在我们眼里,地球就是惯性系,当然不是绝对意义上的参照系,可以看做近似的惯性系,宇宙中也不存在绝对的惯性系。一旦离开地球,太阳就成为惯性系。

在惯性系里,两个物体的相对速度可以通过伽利略变换或者洛伦兹变换来计算,伽利略变换就是我们平时所用的速度叠加公式,简单说就是V=V1+V2,只适用于低速世界。

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如果速度来到亚光速,非常接近光速,伽利略变换就不再适用了,误差比较大,需要用到更精准的洛伦兹变换。后来爱因斯坦也把洛伦兹变换纳入到相对论中的速度计算公式当中。

当速度达到光速时,其实我们并不能用狭义相对论去理解的,因为狭义相对论只适用于低于光速的世界。但我们可以用光速不变原理去解释。

就好比两束反向飞行的光,在我们眼里,两者的相对的速度确实是光速C,而不是2C。

但请注意,那是“以地球为参照系”计算出来的相对速度。如果以某一束光为参照系呢?两者的相对速度又是多少呢?

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答案是:不知道或者没有意义。因为万物都可以作为参照系,唯独光不能作为参照系。光具有波粒二象性,本身就是不确定的,属于微观世界的东西,自然也谈不上参照系。更重要的是,对于光来讲,是根本没有时间概念的,当然也没有空间概念。

并不是说光的时间是静止的,而是“光压根没有时间概念”,既然连时间和空间的概念都不存在,也就谈不上相对速度了,因为速度必然与时间和空间联系在一起,而光恰恰没有时间和空间概念。

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或者也可以这么通俗理解,由于光没有时间概念,在无穷短的一瞬间就可以飞行无穷远的距离,即便强行按照相对速度公式来计算,也是没有答案的。因为无穷大的距离除以无穷小的时间,得到的答案好像是无穷大。

但事实上,我们不能用普通思维去理解无穷的概念,无穷并不是某个数,只是一种概念,抽象的概念,所以我们自然不会得到任何答案。

最后来个拓展,看看你到底有没有真正理解狭义相对论:如果把两束光换成两个任何宏观物体,比如说两辆小汽车。当然小汽车的速度是不可能达到光速的,我们就假设两辆小汽车以非常接近光速的速度反向行驶,两者的相对速度是多少呢?

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在地球这个惯性系下,两者的相对速度是光速C,而不是接近两倍光速。根据洛伦兹变换公式就能计算出来。

而如果以某一辆小汽车为参照系,两者的相对速度是多少呢?答案是:接近两倍光速,也就是两辆小汽车的速度之和。

你可能会质疑:这不是超光速了吗?不是违反了爱因斯坦的相对论了吗?

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并没有。因为爱因斯坦狭义相对论中的光速限制,限制的是“惯性系”中的速度,并没有限制所有速度!

相对某一辆小汽车,另外一辆小汽车的速度接近两倍光速,就相当于某辆小汽车不动,另外一辆小汽车以接近两倍光速的速度与其碰撞,碰撞效果肯定会大于两辆小汽车以光速的相对速度碰撞!