在大多数人的常识中,光速一直以来就是一个恒定不变的最大速度基准,那就是30万公里每秒。无论其他物体的速度怎么变化,光速一直都是这个数字。但你想过没有,假如有两束光是反向飞行的,那是不是就意味着它们之间的相对速度是两倍光速?


(资料图)

可这样一来,不就有超过光速的速度存在了吗?难道说明爱因斯坦的相对论错了?

恒定不变的光速c

关于这个问题,咱也不能说你不对。但如果站在爱因斯坦的角度来讲,这个说法就是错的。

为什么这么说呢?咱们先从光速不变的原理开始说起。

光速之所以不变,主要就是因为麦克斯韦方程的存在。

在这个方程中,ε0代表真空介质常数,μ0代表真空磁导率。由于这两个数据都是常数,所以算出来的光速也是常数。既然是常数,那就意味着光速恒定不变。

当然了,如果光从理论上来证明光速不变,那显然是不够严谨的。

所以伟大的物理学家迈克尔逊,还为此做出了一个实验,那就是以太检测实验。详情原理不在此进行叙述,有兴趣的读者朋友可以自己查查看,在这个实验过程中,迈克尔逊发现,不管怎么检测,光速永远都不会变化。

从中也可以看出,无论是从理论角度,还是从实验角度,都能证明光速不会变化。既然如此,那开头所假设的那个例子,是不是和“光速不变理论”自相矛盾呢?

毫无意义的参考系

其实吧,大家之所以认为反向飞行的两束光是光速的两倍,主要还是站在牛顿力学的角度来思考问题的。现在让我们走出爱因斯坦世界观,改而走进牛顿世界观,其中,一切物体都有一个相对速度,这个速度是相对于参考系而言的。

也就是说,你能跑3m/s,是相对于旁边的树木而言。如果没有树木存在的话,那就没有人能证明你可以跑3m/s。如果将树木换成远在千里之外的月球,这样的话,你的速度相对于月球而言就是466m/s。这也是地球自转的速度。

所以说,任何速度都是具有相对效应的。没有参照物的话,就等于你在虚无空间里奔跑。没有起点,也没有尽头。唯一有的,就是一个不断在扑腾的你。是不是感觉很诡异?

但是,对于光而言,即便是没有参考系,它也是有速度的,因为光速本来就不需要参考系

刚才也讲过了,光速是个常数,无论怎么算,它都是恒定不变的。就算你给它加上十个参考系,它也依旧是30万公里每秒。从这个层面来讲,咱们不能把光和普通物体相提并论。

如果光不是物体,那它是什么呢?这里就要提到一个理论,波粒二象性。啥叫波粒二象性?简单来说就是这种东西即可以成为粒子,也可以成为波。

粒子大家都知道,像分子、原子、质子,甚至生活中的玻璃球,都属于粒子。因为它们都是有形的。至于波,那就是无形的。比如超声波、电磁波等,这都是无形的。

1909年爱因斯坦曾提到,光具有波粒二象性。也就是说,光即可以变成粒子,也可以变成波。既然如此,光就是一种既无形又有形的东西。

咱们刚才讲到的牛顿力学中的参考系,主要是应用在有形的东西上。对于无形的东西,比如虚无空间,参考系就没有多大意义了。正是由于光属于无形的东西,所以参考系对它来讲,根本就没什么意义。

当参考系对光失去意义后,那就意味着光速不能用参考系来衡量。所以两束反向飞行的光,说它们的相对速度是2c,这就是一个完全错误的概念。

毕竟光速不需要参考系来衡量,你说它们之间的相对速度是2c,是相对谁而言的?换句话说,它们参考的谁?既然谁都没有参考谁?这个2c的速度是怎么得来的?所以说,两束反向飞行的光,它俩的相对速度根本就不是2c。

既然不是2c,那又是多少呢?其实刚才已经讲过了,光的速度就是c。毕竟迈克尔逊的实验是不会骗人的,麦克斯韦的方程也是不会骗人的。既然他们不会骗人,那就说明光速本来就是c。无论天荒地老,还是海枯石烂,光速都是c。

为何光速一直都是c?

说到这里可能很多人会问了,这个光咋这么倔呢?一定要保持速度不变吗?稍微变一下怎么了?变成60万公里每秒不行吗?

还真不行,为什么这么说呢?因为这就是整个宇宙的运行模式。如果光的速度改变了,那就意味着宇宙运行模式的坍塌。

这可能很难以想象,怎么会这么严重?不就是光的速度变了吗?还能翻天不成?

来举个简单的例子。现在的交警查违规车辆超速,都是用的测速仪。这个测速仪采用的就是激光测速。在测速过程中,需要发射两次激光。在第一次发射激光的时候,激光打在车身上,然后反射回来。根据激光一来一回的时间,再乘以光速c,就能得知车辆与测速仪之间的距离。

在第二次发射激光的时候,按照同样的原理,可以得到第二段距离。随后把这两段距离相减,再除以两次发射激光的时间差,就能得到车子的速度了。但是,如果像之前说的那样,光速可以随意改变的话,那就意味着测速仪测出来的速度不准确了。

所以说,光速并不能随意改变,否则这个世界就真的乱套了。因为光线不仅仅可以用在测速仪上面,像咱们日常生活中的一切事物移动,都跟光速有关。比如你之所以能看到对面那个人在移动,是因为他身上的光线反射到你的眼睛里,你才能看到他移动。

也就是说,光线的速度决定着对面那个人的速度。万一光速突然增大10倍,那么你眼睛里看到的那个人,就会以放大10倍的速度来移动,是不是感觉很魔幻?正因如此,所以光速只能保持在一个常量,不增不减,永远都是30万公里每秒。

光速在未来可能改变吗?

这里再讲一句题外话,既然光速是一个恒古不变的常量,那它究竟是如何维持这个常量的呢?毕竟整个宇宙都在移动,都在变化。万一有某种超速运行的物质,突然叠加在光身上,把光速带起来了怎么办?

其实完全不用担忧这个问题,因为光是具有流动贯穿效应的。

简单来讲就是,光可以像流水一样,贯穿在整个宇宙当中。而这个流动的速度,就是c。

我们能见到的所有的物体,都漂浮在这片流水当中。水怎么流,物体就怎么走,所以我们才能看到眼前画面的移动。假如没有这片流水,那恭喜你,成功掉入了虚无当中。你只能在那个毫无边际的空间里面,进行诡异的扑腾和无奈的挣扎。

这种场景,就像《复联4》里面的洛基一样,突然掉进那个无底洞,只能一直漂浮在空中保持下坠的姿态,3个小时都没有落地。嗯,就是这样感觉。所以说,光的存在就相当于一种介质一样,让你可以落地,让你有安全感。这就是光的魅力所在。

总结

总的来说,光速是恒定不变的。无论两束反向飞行的光,还是齐头并进的光,它们之间的相对速度都是c。说破了天也是c,雷打不动的铁律。

至于光速为何是c,那就得问问我们这个浩瀚无垠的宇宙了。毕竟只有造物主才能知道,宇宙这台精密的仪器究竟是如何运转的?而他手中的光,对宇宙万物而言,又意味着什么?

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