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莱山新媒体 2020-04-26 450 10

任长志 中科院,两束方向相反的光,对其中一束而言,另一束的速度是二倍光速吗?

在日常生活中,我们经常会接触到两个物体之间的相对速度问题,比如两辆汽车的相向而行、相背而行,跑步时候的追及问题,等等,在处理这些情形所涉及速度问题时,我们以其中一个运动的物体作为参照系,然后将两个物体相向时的速度相加、同向时大速度减去小速度,这样得出的数值作为两个物体的相对速度。这种处理得到的数值非常符合我们的认知,比如两辆以100公里/小时速度相向行驶的汽车,我们如果坐在其中一辆里面,看到另外一台的汽车速度会明显高于100公里/小时,原因就在于有一个速度的叠加问题,就也是经典物理学中的“伽利略变换”。那么,两束相向发射的光线,会不会出现这种速度的叠加呢?
要回答这个问题,我们必须先要了解光速不变原理及其表达的内涵。1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,主要观点是,时间和空间都与宏观物质的运动有关,而且运动的速度大小会直接影响着时间和空间变化的程度。狭义相对论的提出,是基于运动学的基础,将力学和电磁学进行完美结合,提示了物质存在所依赖的空间和时间两个重要因素的统一性,以及它们与运动本身的关系。狭义相对论适用于四维时空下所有宏观物体以及惯性参考系中的物体运动。
狭义相对论提出有两个著名的假设,其中一个是狭义相对性原理,即物理定律在一切参照系都具有相同的形式。另外一个假设就是光速不变原理,即在所有的惯性系中,真空中光线沿各个方向传播的速率,都等于同一个恒量值,这个值与光源和观察者的运动状态没有关系。
大家都知道,光速在真空中的传播速度为30万公里每秒,按照光速不变原理,我们可以很直接地得出这样的两个结论:
一是光源运行速度的变化不会改变光速,即无论是在相对于观察者静止的光源上发出的光线,还是在高速运动的光源上发出的光线,其传播速度都是30万公里每秒。
二是观察者所处的不同惯性系也不会改变光速,即无论你是在地球上,还是在运动的火车上,还是在国际空间站里,所观察或者测算出的光速也保持30万公里每秒不变。
光速不变原理,从表达的定义以及通过它要表达的狭义相对论结论,我们至少可看出,这个假设的前提原理,至少包括如下几个内涵:
2、如果观察者不在同时运动的两个物体中的任何一个参照系内,即两个运动的物体,相对于第三方观察者来说的运动速度可以超过光速,但是这两个物体相对于对方的速度不能超过光速,也就是说以一个运动物体为参照系,另外一个物体的运动速度不会超过光速。
3、影子的速度可以超过光速,比如恒星光线被行星遮挡以后,随着行星位置的移动,那么在非常遥远的地方留下的阴影移动速度,就会有可能超过光速,但是影子的移动不属于物质的运动,不会传递任何能量和信息。
4、宇宙膨胀速度超过光速,这是第2种情况的一种宏观表现,是宇宙膨胀处的两个点发生相对位移,从地球第三方观察角度进行测量的相对速度,而且在膨胀过程中,距离地球越远的区域,其膨胀速度会有累加效应,距离地球越远,膨胀进行得越快。
刚才提到了,爱因斯坦在明确狭义相对论时,对于不同参照系的观测者,物体运动所经历的空间和时间,会因运动速度的改变而发生改变,而且越接近光速,则这种差异就会越明显。
通过运用洛仑兹变换,可以推导出运动物体在一定的速度条件下,其所在参照系内的空间和时间与第三观察者之间测量出的空间和时间的转换关系,具体推导过程这里就不再赘述了,推导出的公式结果分别为:
其中ΔL’和ΔΤ’分别是运动物体所在参照系内所观测到的移动距离和所经历的时间,ΔL和ΔΤ分别是第三观测者所在参照系内所观测到的运动物体移动距离和所经历的时间。从中我们可以看出,运动物体的速度当达到光速时,将第三观测者测出的距离和长度代入,则处在运动参照系内的物体,其实际上所移动的距离为0,经历的时间也为0。
爱因斯坦的狭义相对论,对于从运动物体所在的参照系出发,已经没有独立的时间和空间概念了,只有时空的统一概念。而对于处在两个不同参照系运动的物体,速度也已经不能再进行叠加,只能依靠狭义相对论的两条基本假设进行推导,推导的主要过程如下:
1、首先明确两个不同参照系中物体的时空坐标,对于观测者的时空坐标我们确定为(x",y",z",t"),对于运动物体所在参照系的时空坐标为(x,y,z,t)。
2、设定运动物体相对于观测者的运动速度方向沿着x轴,运动速度为u,则运用洛仑兹变换,得出坐标点位与时间的对应关系为:
3、在观测者参照系中,物体位移与所经历的时间为:x"=v"*t",将x"代入上式,可以得出:
从上式我们可以看出,在狭义相对论的框架下,从任一参照系来观察另外一个参照系内的运动物体,其相对速度v与二者在各自参照系内观测到的运动速度v"和u存在着一定的叠加关系,但不是简单意义上的求和叠加。
应用这个推导出来的公式,我们设定两束光线相向而行,可以看出最后的速度叠加结果为:v=(c+c)/(1+c*c/c^2)=c,也就是说在其中的一个光束参照系内,看到另外一条光线的运动速度仍然是光速。
:http://news.cnr.cn/native/gd/20160311/t20160311_521584885.shtml
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