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悟空问答

2019-07-03  小兔菲菲小


这个回答纪念爱因斯坦狭义相对论114周年

首先,答案肯定不是;其次,这是一个好问题,能揭示一个物理学上最重要的东西:概念定位与物理过程

很多人下意识都会以狭义相对论来解答这个问题,思路其实没错,但问题是忽视了狭义相对论运用的前提。

运用任何理论前,先了解下其适用范围。

狭义相对论有两个基本原理:第一、光速不变原理。这个大家都知道,于是有人基于此,就给出了最终答案:30万公里/秒,光速不变嘛。

但狭义相对论还有一个原理,是大多数人常常忽视的,就是第二原理:狭义相对性原理。

什么意思?

意思就是狭义相对论只适用于惯性参照系。什么叫惯性系参照系?

在初中物理中,把“惯性系”定义为受力平衡的参照系,是基于牛顿运动定律的有效参照系,又叫惯性坐标系。即满足惯性定律,作匀速直线运动或静止的参照系叫做惯性参照系。

以牛顿的角度简单来说,在地球上,地面就是“惯性参照系”;跳出地球,就需要考虑地球自转的离心力,所以在太阳系中,太阳接替地球成为“惯性参照系”;跳出太阳系,银河系中心就成为了“惯性参照系”。

判定“惯性参照系”是运用牛顿运动定律与狭义相对论的一个重要前提。

而题主的问题在一个“惯性参照系”中吗?

光不能作为“惯性参照系”。

牛顿的惯性定律只适用于宏观物体运动,所以作为波粒二象性的光,没有惯性可言,更不能作为惯性参照系。讨论光有无惯性和把光做参照系是没有意义的。

题主的问题把光当成宏观物质在说了,具有误导性。还有既然光对于任何物体都保持一样的速度,光的运动方式本身就不是经典物理学能解释的,更无法用经典物理学理论来说两个光之间的相对速度。

如果非要看成宏观物体的相对运动,套公式进行计算,请看下面。

洛伦兹相对速度公式:

△V=|V1-V2|/(1-V1·V2/C^2)

V1=C

V2=-C

最后得出△V=C,就是大多数人认为的光速不变,还是30公里/秒的运算支撑结果。

但是这里只有数学运算结果,而物理与数学的最大不同就是,物理必须要对过程负责。所有的物理方程必要具有物理意义,要有清晰的物理概念及前提,否则这样的公式运算是不成立的。

上图:科里奥利力(Coriolis effect)的简图,同一种运动,不同参照系的表现方式。

狭义相对论,如何定义“惯性系”?

细心的朋友会发现,上面说的“惯性系”其实都是以牛顿的角度来定义的。这就有个最核心的问题,牛顿定律是建立在绝对时间和绝对空间的基础之上的,而相对论打破了这一基础,时空是可以扭曲可变的。

那为什么牛顿定义的“惯性系”还能适用于爱因斯坦的狭义相对论?

  • 一种解释认为:

1905年,爱因斯坦在他的论文中提出,所有的惯性参考系都是等价的,也就是说,一切物理定律在惯性参考系中都同样适用,具有相同的形式。

爱因斯坦其实只给出了一个哲学性的概念解释,或者说直接甩锅给了死去的牛顿。

他告诉大家,你们去套用牛顿的“惯性系”就行了,但他却革了牛顿定律的命,没有了绝对空间和绝对时间,牛顿的那些定律如何推导出来。(这里并不是说牛顿错了,牛顿定律是相对论低速情况下的近似解,近似但毕竟不是,就像相对论也并非完美。)

这样,关于“惯性系”的定义就成了一个逻辑上的循环证明。也就是说,爱因斯坦并没有给“惯性系”一个基于相对论的科学定义,但却让大家都认可了他的思想逻辑,这就是爱神的高明之处。

至少到目前为止,对于宏观世界,相对论都解读得很好,所以也没多少人去纠结这个问题了,但相对论绝对不是终极理论。

我敬佩爱因斯坦,不是因为他提出什么令人震惊的理论,而是因为他是一个站在思想巅峰的大神,这些理论只是证明了这点而已。

哈哈,这个逻辑成立吗?

  • 另一种解释认为:

爱因斯塔的解释是一种“同时性定义”,什么意思?

因为绝对时间和绝对空间没有了,不是就没有绝对意义了吗,那就全部改成相对意义吧。世界上没有绝对意义,都是相对意义,所以牛顿定律在相对意义下都是成立的,只要是成立的,其中的“惯性系”定义我们大家就都可以用。

这里就是最烧脑的地方了,理解了没?

但为什么一种相对意义下得出的定律,在不同种相对意义下,一样同时可用?这一点其实并没说透。

而解读这里的关键,是否就是量子力学与相对论结合所缺失的一环?因为这能通过量子纠缠特性来解释。

量子纠缠是指两个相互纠缠的量子离得再远,它两之间的感应是同时瞬达的,虽然它们不能传递信息,但是否可以传递物理定义,如果可行,不同的相对意义下才能共用一套物理定义。(可能表述不是太合理,大概这个意思)

总结:物理问题,物理过程大于最后结果

为什么说相对论难以理解?虽然公式大家都知道,但研究物理问题并不是套公式就行的。

相对论难就难在如何定义,在相对变化的过程中找到一个立足点,再去分析思考。一千个哈姆雷特有一千个立足点,但只有一个是正确的。

还有对相对论概念的解读,一些科普文的不靠谱也是造成很多人不相信相对论的原因所在。

比如“尺缩效应”解决的是测量问题,而不是大多科普文说的“视觉效果”(这也是为什么叫“尺缩”而不是“物缩”),因为并不一定看物体变扁了,角度不一样,还可以看起来比测得的长。

当然为了让大多数人看懂,高深的概念偷换成简单的概念,有时似乎也在所难免。

(自知认知有限,见识浅薄,却妄议爱神相对论,如有其它见解,还请指正!)

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