如果两束光以反方向运动,它们的相对速度是2倍光速吗?

试想一下,如果两束光沿着相反的方向发射出去,它们背向而驰,那么,一束光相对于另一束光的速度会是多少?会是两倍光速吗?这样岂不是打破相对论了吗?

当我们在谈论速度时,需要选择一个静止参照系,参照系选择不同,相对速度也会不同。举个例子,一列火车以速度v相对于地面运动,那么,坐在火车上的观测者甲会认为火车相对于他的速度为0,地面上的观测者乙会认为火车相对于他的速度为v。如果火车上还有一个观测者丙以速度u朝着火车行驶方向前进,地面上的乙会认为丙相对于他的速度为v+u。

然而,对于光速c而言,就完全不是这样了。其他速度需要选择好静止参照系才能得到相对速度,但真空光速却直接有一个计算公式:

在这个由麦克斯韦推导出的光速计算公式中,两个参数都是常数,这意味着光速不会随着静止参照系的改变而发生变化,或者说光速相对于任何静止参照系都是相同的光速。爱因斯坦正是基于光速不变原理,提出了狭义相对论。光速成了绝对不变,而时间和空间变得相对,与参照系选择有关。

另外,由此还可以得到一个推论,那就是不存在光速参照系。因为一旦有光速参照系,光速就会变为零,与上述公式相违背。

在上述例子中,如果这列火车向前发出一束光,那么,甲、乙和丙所测出的光速都是一样的,都为光速c,而不是c-v、c+v、c-v-u。

事实上,我们平时所用的速度叠加原理是基于伽利略变换,这其实是一种近似计算结果,真正的速度叠加原理需要基于洛伦兹变换:

由于光速非常快,我们平时所接触到的速度都是远低于光速,所以上述的速度叠加公式可以近似转化为伽利略变换形式。但在接近光速或者光速的情况下,只能使用洛伦兹变换。

如果光子能被视作静止参照系,把上述公式中的u也取为c,叠加后的速度不是2c,依然还是光速c。因此,两束朝着相反方向运动的光,它们之间的相对速度还是光速c。

当然,对于我们而言,两束光的相对速度是两倍光速,但这个速度与上述相对于参照系的速度是两种概念。同样地,空间结构在超光速膨胀,导致遥远的星系正以超光速在退行,或者说我们相对于遥远星系在超光速退行。