關(guān)于愛因斯坦提出的相對論，即使你對其具體內(nèi)容不甚了解，也必定有所聞。狹義相對論里，有一個著名的前提，那就是光速極限——任何物質(zhì)的移動速度都不得超越光速。
那如果涉及到兩個物體之間的相對運(yùn)動，它們的速度和會突破光速嗎？舉例來說，我們有兩道光線，它們以相反方向射出，那么它們的相對速度會是兩倍的光速嗎？
有些人可能不假思索地回答，光速若是每秒299,792公里，兩道相向而行的光線自然應(yīng)是以每秒599,584公里相對而行。然而，事實(shí)并非如此。
愛因斯坦的狹義相對論中提到了“光速不變原理”，這表明，無論觀察者的移動狀態(tài)如何，光速始終是一個常數(shù)。也就是說，在任何慣性參照系中測量，光速都是一樣的。因此，即便兩道光線背道而馳，它們的相對速度仍應(yīng)為每秒約30萬公里。
這個結(jié)果可能讓你感到疑惑，因?yàn)樗坪踹`背了我們對速度疊加的直觀理解。在我們的日常生活中，如果兩輛自行車相向騎行，我們能輕易將它們的速度相加以估算相遇的速度。但到了光的世界，這種習(xí)慣上的伽利略變換就失效了。
我們這里涉及到的是洛倫茲變換的概念，這是一個描述高速運(yùn)動物體在時空坐標(biāo)上會發(fā)生何種變化的數(shù)學(xué)模型。在物體速度接近光速的情況下，會發(fā)生長度收縮和時間膨脹的現(xiàn)象。根據(jù)洛倫茲變換的計算，兩束光線的相對速度仍然為光速。
換句話說，伽利略變換只適用于低速宏觀世界的運(yùn)算。當(dāng)涉及到接近光速的運(yùn)動時，伽利略變換的誤差就大到不能忽視，這時必須用到洛倫茲變換。伽利略變換，也就是我們平時所說的速度疊加，公式表達(dá)為V=V1+V2。
只有當(dāng)v1和v2的速度遠(yuǎn)小于光速c時，洛倫茲變換才簡化為伽利略變換，我們才回到了熟悉的經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域。
之所以會出現(xiàn)這些違反直覺的結(jié)論，根本上是因?yàn)槲覀兺ǔＵJ(rèn)為時間和空間是絕對的，這是牛頓力學(xué)中的絕對時空觀。然而相對論告訴我們，時間和空間并非恒定不變，宇宙可以被描述為一個四維的時空結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)會隨物體運(yùn)動速度的不同而變化，且符合洛倫茲變換的不變性。
所以，關(guān)于兩束相向而行的光線，它們的相對速度究竟是光速，還是兩倍光速？
實(shí)際上，不論是光速還是兩倍光速，這樣的提問本身就是錯誤的，因?yàn)樵诠馑僖苿拥膮⒄障抵校懻撍俣仁菦]有意義的。換言之，光不能作為參照物。對于光而言，不是時間靜止，而是不存在時間概念，同樣也沒有空間概念。
當(dāng)不存在時間與空間，自然無法作為參照系。
如果從量子力學(xué)的視角來看，光具有波粒二象性，伴隨著不確定性，這一屬性也決定了光無法作為參照系。
因此，嘗試計算兩束光線的相對速度，是一個沒有正確答案且無意義的問題。
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