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两束方向相反的光,对其中一束光而言,另一束光的速度是二倍光速吗?若不是,为什么?

结论:不可能是二倍光速2C,还是光速C。

如果不了解爱因斯坦的狭义相对论或者洛伦兹变换,一般会算出2c,因为“伽利略变换”告诉我们v '= v + u=c+c=2c。如果了解狭义相对论,就会知道伽利略变换是针对宏观低速状态,即速度远远小于光速。

狭义相对论与洛伦兹变换

狭义相对论是基于洛伦兹变换推导出来的,可以说没有洛伦兹变换,有可能就没有爱因斯坦的相对论,下图为两个相对惯性坐标系x轴、y轴、z轴,速度变换公式,也是通过“洛伦兹变换”推导而来,适用于高速运动状态。看不懂、听不懂没关系,只要记住高速用这个公式就行,低速也可以用,因为它是最精准的解,伽利略变换只是低速的近似解。

洛伦兹变换不是一个篇幅就能解释

在宏观低速的情况我们用大家都知道的近似公式———伽利略变换

而在高速的情况下我们用准确的公式————洛伦兹变换

什么是洛伦兹变换?

在19世纪,麦克斯韦电磁方程组出世,给人类带来了巨大的科学进步,也带来了巨大的疑惑。1904年,荷兰物理学家、数学家——亨德里克·安东·洛伦兹。他在研究电和磁时,发现电磁效应与”经典物理概念“相抵触,伽利略变换和麦克斯韦方程组的得出的结果不一样。

如果通过用伽利略变换来解时,光速在真空中将不是一个常量。这个因素会使电磁效应不成立。

当时的洛伦兹也认为麦克斯韦是正确的,那问题就是出在了伽利略变换上。从我们现在来看,的确是这样的,有点马后炮的感觉。为了解决这个问题,洛伦兹利用他高超的数学技巧,通过微积分推出了一个变换式,如果改用这个变换式和麦克斯韦方程组就不矛盾了。于是这个变换式就叫洛伦兹变换。这个变换这里就不推导了,有兴趣的同学可以查查资料,不是一个篇幅能写出来的。

这个变换在现在来看是违背常理的。通过这个变换是可以推导出上图中的公式,即物体在高速运动时,物体的尺寸会收缩。这也是后来爱因斯坦相对论中的“钟慢尺缩”效应,有没有抄袭的感觉。洛伦兹之所以与相对论失之交臂,很大原因是他岁数大了,像稳稳退休,不愿意去推翻以前大家都认为是对的事,而爱因斯坦还年轻敢说敢创新。物体尺寸会因为速度而改变?当时的科学家们也觉得这个变换式很荒谬。不过好在,洛伦兹不是一个人在战斗,早在他之前已经有实验证明他的变换式是正确的——迈克耳孙-莫雷实验。

洛伦兹变换的出现也使默默无闻的爱因斯坦受启发,才有了狭义相对论。


下面我们感受一下洛伦兹变换与伽利略变换的差别

两束方向相反的光,对其中一束光而言,另一束光的速度是?因为都速度是光速,所以属于高速,用洛伦兹变换公式,光速为c 即v=u=c代入

所以结果还是c

对比一下低速时,伽利略与洛伦兹的区别:

日常生活中,我们都处于低速状态,你往前v = 5m/s,我往后u = 5m/s,我相对于你的速度是: 伽利略变换: v’=5+5=10

光速c=30万km/s=300000000m/s,咱俩还是5m/s,带入洛伦兹变换的分母

因为vu/c^2都小数点后面十多个位了,意义已经不大了,所以忽略为0

(1 + uv/c^2)= (1+0)

代回洛伦兹变换 v’=(v + u) / (1 + uv/c^2)=(5+5)/(1+0)=10

我们可以发现洛伦兹变换和伽利略变换结果一样。

差别在哪?

洛伦兹变换多了个分母 (1+ uv/c^2)

当u和v远小于光速时,uv/c^2几乎可以忽略不计,分母趋近于1,那个这个分母没有意义,直接算分子就可以了。分子就是伽利略变换,所以伽利略变换适用于宏观低速。

当u和v趋近于光速时,分母趋近于2,当速度为光速时,分母为2,相当于把伽利略变换除于2,误差很大,所以”伽利略变换“不适合高速。

再验证一下

当这两个飞船都为c/2时,

伽利略变换:v=c/2+c/2=c

通过洛伦兹变换 v’=(v + u) / (1 + uv/c^2)=0.8c

当速度为光速一半时,这个误差已经非常大了。所以又回到上面那句话:

我们可以把伽利略变换看成,低速状态下的洛伦兹变换的快速算法。想要准确用洛伦兹变换。

不知道你们理解了没?

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