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深度科普:兩束光反向飛行,相對(duì)速度是兩倍光速嗎?

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先說答案:當(dāng)然沒有超光速。

許多人在解答這類問題時(shí),下意識(shí)地會(huì)引用狹義相對(duì)論,這并非全無道理,只是忽略了一個(gè)關(guān)鍵前提,那就是應(yīng)用狹義相對(duì)論所需滿足的條件。



在應(yīng)用任何物理理論之前,了解它的適用范圍是至關(guān)重要的。

狹義相對(duì)論的兩大基礎(chǔ)原理,首先就是光速恒定原理。這一點(diǎn)已是眾人皆知,因此有人以此為據(jù),得出了所謂的最終結(jié)論:光速為30萬公里/秒。

然而,關(guān)于狹義相對(duì)論還有第二個(gè)原理,它往往不被大眾所關(guān)注,即相對(duì)性原理。

那這個(gè)原理又意味著什么呢?

它告訴我們,狹義相對(duì)論只在所謂的慣性參照系中成立。那么,什么是慣性參照系呢?



根據(jù)初中物理知識(shí),慣性系的定義是受力平衡的參照系,這個(gè)定義基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律,也被稱作慣性坐標(biāo)系。慣性參照系指的是在不受外力作用時(shí),做勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止的系統(tǒng)。

牛頓力學(xué)的角度來看,在地球上,地面自然就是慣性參照系;但如果跳出地球范圍,需要考慮地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力,于是在太陽系中,太陽就變成了慣性參照系;同理,跳出太陽系,銀河系中心便是慣性參照系。

判斷慣性參照系是應(yīng)用牛頓力學(xué)和狹義相對(duì)論的前提條件之一。

那么,提問者所提及的問題是否發(fā)生在一個(gè)慣性參照系中呢?

答案是,光并不能當(dāng)作一個(gè)慣性參照系。



牛頓的慣性定律原本就僅適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng),而光具有波粒二象性,所以光并無所謂慣性,更無法作為慣性參照系。討論光是否具有慣性,或是將光作為參照系,實(shí)際上并無多大意義。

提問者將光描述得似乎是宏觀物質(zhì),這種說法具有誤導(dǎo)性。再者,光對(duì)于任何物體都保持恒定的速度,這已經(jīng)超出了經(jīng)典物理學(xué)的解釋范疇,也無法用經(jīng)典物理的公式來計(jì)算兩束光之間的相對(duì)速度。

如果非要將光視為宏觀物體進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算,那么可以參考以下公式。

洛倫茲相對(duì)速度公式為:



若V1=C,V2=C,最終得出的V=C,即大多數(shù)人所理解的光速不變,得出的結(jié)果仍然是30萬公里/秒。

然而,這樣的計(jì)算只有數(shù)學(xué)意義,而物理與數(shù)學(xué)的根本區(qū)別在于,物理必須要與實(shí)際的物理過程相關(guān)聯(lián)。所有的物理方程都必須具備明確的物理意義和概念,否則這個(gè)公式就是不成立的。

關(guān)于狹義相對(duì)論中“慣性系”的定義,有細(xì)心的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn),前面的解釋都是基于牛頓力學(xué)的觀點(diǎn)。關(guān)鍵的問題在于,牛頓力學(xué)建立在絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的假設(shè)之上,而相對(duì)論推翻了這一假設(shè),認(rèn)為時(shí)空是可變的。



但為何牛頓定義的“慣性系”在愛因斯坦的狹義相對(duì)論中仍然適用呢?

一種解釋是:

愛因斯坦在1905年的論文中提出,所有的慣性參考系本質(zhì)上是等價(jià)的,換句話說,所有的物理定律在慣性參考系中都有相同的表現(xiàn)形式。

愛因斯坦的解釋更像是一個(gè)哲學(xué)性的概念,或者說,他將問題交給了已故的牛頓。

他告訴大家,牛頓的“慣性系”仍舊適用,但實(shí)際上他已經(jīng)革新了牛頓力學(xué),在相對(duì)論中不再存在絕對(duì)時(shí)間和空間,那牛頓力學(xué)在此基礎(chǔ)上又如何成立呢?(這并不是說牛頓錯(cuò)了,牛頓力學(xué)在低速情況下是相對(duì)論的近似解,雖然不完全準(zhǔn)確,相對(duì)論本身也并非完美無缺。)

這樣一來,“慣性系”的定義似乎成了一個(gè)邏輯上的閉環(huán)證明。也就是說,愛因斯坦并未給出一個(gè)基于相對(duì)論的科學(xué)定義,但他的理論邏輯卻被廣泛接受,這正是他的高明之處。

至少到目前為止,在宏觀世界中,相對(duì)論的解釋是非常到位的,因此很少有人會(huì)質(zhì)疑這個(gè)問題,但相對(duì)論絕不是終極理論。



我尊敬愛因斯坦,并非因?yàn)樗岢隽四男@人的理論,而是因?yàn)樗且粋€(gè)站在科學(xué)思想巔峰的大師,這些理論只是印證了這個(gè)事實(shí)而已。

哈哈,這樣的邏輯合理嗎?

另一種解釋認(rèn)為:

愛因斯坦的解釋可以被理解為一種“同時(shí)性定義”。

因?yàn)榻^對(duì)時(shí)間和空間都不存在了,那么絕對(duì)的意義也隨之消失,我們是否可以將所有意義都理解為相對(duì)的呢?在這個(gè)相對(duì)的世界中,牛頓力學(xué)仍然成立,因此其中的“慣性系”的定義也自然可以被大家接受。

這里是理解相對(duì)論的關(guān)鍵之處,是否已經(jīng)理解了呢?

然而,為什么一種相對(duì)意義下得出的定律,在不同相對(duì)意義下同樣適用?這一點(diǎn)實(shí)際上沒有完全闡釋清楚。

解讀這里的關(guān)鍵,或許正是量子力學(xué)與相對(duì)論結(jié)合時(shí)所缺失的環(huán)節(jié)?因?yàn)榱孔蛹m纏現(xiàn)象似乎可以對(duì)此作出解釋。



量子糾纏是指兩個(gè)量子無論相隔多遠(yuǎn),它們之間的相互作用都是瞬間的。雖然它們無法傳遞信息,但它們是否可以傳遞物理定義呢?如果可行,不同的相對(duì)意義下共用一套物理定義便成為可能。(這可能表述得不太準(zhǔn)確,但大體是這個(gè)意思)

綜上所述,物理問題中,物理過程的重要性遠(yuǎn)超最終的結(jié)果。

相對(duì)論之所以難以理解,是因?yàn)樗粌H僅涉及到公式,而是如何在相對(duì)變化的過程中找到合適的立足點(diǎn)來進(jìn)行分析和思考。每個(gè)人都有自己的解讀,但只有一個(gè)是準(zhǔn)確的。

此外,相對(duì)論概念的解讀往往會(huì)受到科普文章不準(zhǔn)確性的影響,這也導(dǎo)致許多人不相信相對(duì)論。

例如,“尺縮效應(yīng)”實(shí)際上解決的是測(cè)量問題,而不是大多數(shù)科普文章中所說的“視覺效果”(這也是為何稱為“尺縮”而非“物縮”),因?yàn)橛^察物體時(shí),角度不同,可能會(huì)看起來比實(shí)際測(cè)量的更長。

當(dāng)然,為了讓更多人能夠理解,有時(shí)候把復(fù)雜的科學(xué)概念簡(jiǎn)化成易于理解的說法,似乎也是無可厚非的。

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