光线所呈现的性质总让人觉得异乎寻常。特别值得一提的是,光线传播速度的恒定不变性,这正是光速不变原理的精髓所在。
所谓的光速不变,并非简单地指“光线在真空中以每秒30万公里的速度行进”,而是强调在任一参考系中、任一运动状态下观测,光线速度都维持不变这一现象。
换句话说,光线速度并不会与物体的运动速度相加。日常生活中,我们所见的速度相加场景比比皆是,例如,你正以300公里的时速乘坐高铁,并在车厢内跑步。
以地面静止者的视角来看,你的移动速度是高铁速度与你步行速度的总和。
然而,如果将“光线比作你”,光线的速度仍保持不变,并不会是光线速度加上高铁的移动速度。
对光线这一异乎寻常的特性,人们可能会心生遐想:若有两束光线背道而驰,它们的相对速度又该如何计算呢?
依照通常的速度相加逻辑,很容易便得出结论——两倍光速。但在亚光速世界中,相对速度问题并不能简单地通过速度叠加解决(伽利略变换在此不适用),而应借助更为精确的洛伦兹变换(在低速情况下,伽利略变换是洛伦兹变换的一个近似表达)。
尽管如此,仍有人会倾向于直接运用“洛伦兹变换”进行简化计算,并得出的仍旧是光速的结论(见公式)。
这一结果乍看之下似乎无懈可击。
然而,这个答案本质上仍是不精确的,至少是不够严密。
因为与狭义相对论相似,洛伦兹变换亦源自两大前提,除了之前提到的“光速不变原理”,还有“相对性原理”。
“相对性原理”是指,在惯性参考系中,所有物理规律都保持不变。然而,这一原则并不适用于光线。
继续深入剖析。
在我们的认知中,两束相向而行的光线的确具有相对速度2C。
看到此,读者或许会质疑:刚刚不是还说不是2C吗?
需要注意的是,2C仅是通过数学公式的简易叠加得出,是以观测者为参照系所计算的相对速度,而并非两束光线之间的实际相对速度。
要计算两束光线间的相对速度,必须选择其中一束光线作为参照系,其间的相对速度与观测者无关。
但光线的特殊之处在于,光线本身不存在时间概念,对光线而言,时间是静止的——这意味着光线能够瞬时跨越任何遥远的距离。若存在宇宙的尽头,光线可即刻抵达。
光线的这种特性意味着它无法作为参照系,否则会导致体系彻底混乱、失去意义,就像让篮球运动员同时兼任裁判,比赛将难以为继。
为何光线不存在时间概念?
根据爱因斯坦的狭义相对论,时间与光速息息相关。当一个人以极高速度移动时,其所经历的时间会减慢,即所谓时间膨胀效应(钟慢效应)。
设想一下,如果你带着一个光子钟飞速行驶,对地面的观察者而言,光子钟中的光子运动轨迹不是直线而是斜线,如下图所示:
由于光速恒定不变,可以推导出时间膨胀公式:
公式显示,速度越快,时间越慢;当速度达到光速时,时间就停滞不前。
而鉴于时间与空间是不可分割的整体,当速度等同于光速,空间也会收缩至无穷小(尺缩效应)。
因此,对光线来说,既没有时间概念,时间仿佛静止;也没有空间概念,任一遥远的距离都近在咫尺。
理解了以上这些内容,最初的问题便不难回答。由于光线无法作为参照系,此问题本身无解,或者说失去探讨的意义。
但如果硬要设定光线作为参照系,答案既非C,也非2C。光线的特殊性质使得其能在瞬息之间跨越无穷远的距离。
两束光线同时飞越无穷远的距离,根据速度等于距离除以时间的定义,距离无穷大而时间无穷小,结果是速度无穷大!然而,无穷大只是一种概念,一个抽象的数学概念,并非实际数值存在,这样的数值亦不存在。