速度,在我们日常生活中,通常是相对的概念。但唯独有一种速度,异于常理,它自成一格,这就是光速。它之所以独特,就在于一个显著的属性:恒定不变。
“光速不变”并不是简单地指“光在真空中的速度是每秒三十万公里”,而是说“无论与什么速度相加,结果仍是光速”。
这就意味着,无论环境如何变化,无论是顺风还是逆风,光速始终如一。换句话说,光速是绝对的。让我们通过一个例子来弄清楚这一点。
假设我静静地站在地面上,而你手持手电筒在飞速奔跑,速度为V。那么在你看来,手电筒射出的光速度是多少?
根据我们通常所用的速度叠加原理,答案似乎应是光速C加上你的跑步速度V,即C+V。如此一来,岂不是超出了光速?如果真超光速,相对论就将被颠覆。
然而,事实并非如此。无论你跑得多快,在我看来,手电筒射出的光速始终如一,仍是光速C,哪怕你以无限接近光速的速度奔跑,结果亦然。
理解了光速不变,我们再回到刚才的问题上。假设两束光朝相反方向飞驰,根据光速不变原则,它们的相对速度应为光速。
但实际情况并非如此简单。
爱因斯坦提出的狭义相对论,基于两大前提假设:一个是之前提到的光速不变原理,另一个则是相对性原理。
何为相对性原理?简言之,在惯性参考系中,物理规律表现出相同的形式。换句话说,在惯性参考系中,你无法分辨自己是静止还是匀速直线运动,因为在这两种状态下,物理规律无异。
对于你来说,这两束光的速度都是光速C。因此,在你看来,它们的相对速度应为两倍光速,即2C。
你可能会质疑:这不是超光速了吗?确实如此。但相对论并未绝对禁止超光速,因为相对论中的光速限制是有前提的。
根据狭义相对论,计算两束光的相对速度,不能以你为参照,而应以光本身为参照。在速度接近光速时,我们通常使用的伽利略变换不再适用,而应采用洛伦兹变换。
通过洛伦兹变换,我们得到的结果与之前基于光速不变分析得出的结论一致:两束光的相对速度仍是光速。
但光并非惯性系。为何?简言之,光无质量,因而无惯性;另一方面,光也无时间与空间概念。没有这两者,如何成为参照系?
将光作为参照系,就像一个人同时担任运动员与裁判的角色,毫无意义。
有人可能难以理解“光无时间”的概念,可以将其简化为“光的时间是静止的”。但这只是形象说法,并不严谨,因为光根本无时间可言。
按照狭义相对论的时间膨胀效应,速度越快,时间流逝就越慢。达到光速时,时间即静止。因此,可以通俗地理解为“光的时间是静止的”。
但有人可能会想到“太阳光抵达地球需时约8分钟”,如果光无时间概念,为何需要这8分钟?
实际上,所谓的“8分钟”仅是人类视角看到的时间。对太阳光自身而言,并没有任何时间的流逝,它几乎是瞬间达到地球。实际上,无论距离多远,光都可瞬间到达。
那么,如果光不能作为参照系,两束反向飞行的光的相对速度又是多少?
有两种可能的回答。
首先,由于光无时间也无空间,相对速度作为距离除以时间的计算便无从谈起,因此这个问题本身是错的。我们无法得知光的时间与空间,又怎能得到答案?
其次,如果硬要给出答案,那只能是“无穷大”。为何?因为光可在瞬间跨越无穷远的距离。当距离无限大而时间无限小时,距离除以时间的结果自然是无穷大。
这里再次强调,所谓的“无穷大”仅仅是我们强加给两束光的相对速度,这并没有实际意义,因为这个答案对光而言是无法理解的。
如果两束光有意识,它们可能会感到困惑:什么是时间,什么是空间?它们只知道自己的速度是光速,对其他一无所知。
同时,在光的世界里,仅有“诞生”与“消逝”两个瞬间。它们无法经历任何过程,这样的光实在令人同情。
如果光可以体验过程,就意味着它可以感知时间,哪怕是一瞬间。这对我们的世界将是灾难性的,因为对光而言的一瞬间,宇宙可能已经历了无尽的时光,这将导向宇宙的终结。