反向飛行的兩束光,它們之間的相對速度是2倍光速嗎?為什麼?

2019-12-08     科學書屋

首先,答案肯定不是;其次,這是一個好問題,能揭示一個物理學上最重要的東西:概念定位與物理過程

很多人下意識都會以狹義相對論來解答這個問題,思路其實沒錯,但問題是忽視了狹義相對論運用的前提。

運用任何理論前,先了解下其適用範圍。

狹義相對論有兩個基本原理:第一、光速不變原理。這個大家都知道,於是有人基於此,就給出了最終答案:30萬公里/秒,光速不變嘛。

但狹義相對論還有一個原理,是大多數人常常忽視的,就是第二原理:狹義相對性原理。

什麼意思?

意思就是狹義相對論只適用於慣性參照系。什麼叫慣性系參照系?

在初中物理中,把「慣性系」定義為受力平衡的參照系,是基於牛頓運動定律的有效參照系,又叫慣性坐標系。即滿足慣性定律,作勻速直線運動或靜止的參照系叫做慣性參照系。

以牛頓的角度簡單來說,在地球上,地面就是「慣性參照系」;跳出地球,就需要考慮地球自轉的離心力,所以在太陽系中,太陽接替地球成為「慣性參照系」;跳出太陽系,銀河系中心就成為了「慣性參照系」。

判定「慣性參照系」是運用牛頓運動定律與狹義相對論的一個重要前提。

而題主的問題在一個「慣性參照系」中嗎?

光不能作為「慣性參照系」。

牛頓的慣性定律只適用於宏觀物體運動,所以作為波粒二象性的光,沒有慣性可言,更不能作為慣性參照系。討論光有無慣性和把光做參照系是沒有意義的。

題主的問題把光當成宏觀物質在說了,具有誤導性。還有既然光對於任何物體都保持一樣的速度,光的運動方式本身就不是經典物理學能解釋的,更無法用經典物理學理論來說兩個光之間的相對速度。

如果非要看成宏觀物體的相對運動,套公式進行計算,請看下面。

洛倫茲相對速度公式:

V=|V1-V2|/(1-V1·V2/C^2)

V1=C

V2=-C

最後得出V=C,就是大多數人認為的光速不變,還是30公里/秒的運算支撐結果。

但是這裡只有數學運算結果,而物理與數學的最大不同就是,物理必須要對過程負責。所有的物理方程必要具有物理意義,要有清晰的物理概念及前提,否則這樣的公式運算是不成立的。

上圖:科里奧利力(Coriolis effect)的簡圖,同一種運動,不同參照系的表現方式。

狹義相對論,如何定義「慣性系」?

細心的朋友會發現,上面說的「慣性系」其實都是以牛頓的角度來定義的。這就有個最核心的問題,牛頓定律是建立在絕對時間和絕對空間的基礎之上的,而相對論打破了這一基礎,時空是可以扭曲可變的。

那為什麼牛頓定義的「慣性系」還能適用於愛因斯坦的狹義相對論?

  • 一種解釋認為:

1905年,愛因斯坦在他的論文中提出,所有的慣性參考系都是等價的,也就是說,一切物理定律在慣性參考系中都同樣適用,具有相同的形式。

愛因斯坦其實只給出了一個哲學性的概念解釋,或者說直接甩鍋給了死去的牛頓。

他告訴大家,你們去套用牛頓的「慣性系」就行了,但他卻革了牛頓定律的命,沒有了絕對空間和絕對時間,牛頓的那些定律如何推導出來。(這裡並不是說牛頓錯了,牛頓定律是相對論低速情況下的近似解,近似但畢竟不是,就像相對論也並非完美。)

這樣,關於「慣性系」的定義就成了一個邏輯上的循環證明。也就是說,愛因斯坦並沒有給「慣性系」一個基於相對論的科學定義,但卻讓大家都認可了他的思想邏輯,這就是愛神的高明之處。

至少到目前為止,對於宏觀世界,相對論都解讀得很好,所以也沒多少人去糾結這個問題了,但相對論絕對不是終極理論。

我敬佩愛因斯坦,不是因為他提出什麼令人震驚的理論,而是因為他是一個站在思想巔峰的大神,這些理論只是證明了這點而已。

哈哈,這個邏輯成立嗎?

  • 另一種解釋認為:

愛因斯塔的解釋是一種「同時性定義」,什麼意思?

因為絕對時間和絕對空間沒有了,不是就沒有絕對意義了嗎,那就全部改成相對意義吧。世界上沒有絕對意義,都是相對意義,所以牛頓定律在相對意義下都是成立的,只要是成立的,其中的「慣性系」定義我們大家就都可以用。

這裡就是最燒腦的地方了,理解了沒?

但為什麼一種相對意義下得出的定律,在不同種相對意義下,一樣同時可用?這一點其實並沒說透。

而解讀這裡的關鍵,是否就是量子力學與相對論結合所缺失的一環?因為這能通過量子糾纏特性來解釋。

量子糾纏是指兩個相互糾纏的量子離得再遠,它兩之間的感應是同時瞬達的,雖然它們不能傳遞信息,但是否可以傳遞物理定義,如果可行,不同的相對意義下才能共用一套物理定義。(可能表述不是太合理,大概這個意思)

總結:物理問題,物理過程大於最後結果

為什麼說相對論難以理解?雖然公式大家都知道,但研究物理問題並不是套公式就行的。

相對論難就難在如何定義,在相對變化的過程中找到一個立足點,再去分析思考。一千個哈姆雷特有一千個立足點,但只有一個是正確的。

還有對相對論概念的解讀,一些科普文的不靠譜也是造成很多人不相信相對論的原因所在。

比如「尺縮效應」解決的是測量問題,而不是大多科普文說的「視覺效果」(這也是為什麼叫「尺縮」而不是「物縮」),因為並不一定看物體變扁了,角度不一樣,還可以看起來比測得的長。

當然為了讓大多數人看懂,高深的概念偷換成簡單的概念,有時似乎也在所難免。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh/Blgl5W4BMH2_cNUgZ61s.html