如果光速逃跑，能甩开射来的激光吗

本文从爱因斯坦追光实验入手，用通俗易懂的语言介绍了多普勒频移现象。

爱因斯坦是20世纪最伟大的天才，他从小就喜欢思考各种深刻的科学问题。他很少做实验，但他以一种独特的思考方式来替代实验，即思想实验。

在爱因斯坦16岁时，他曾提出一个思想实验，他想象与光速赛跑时可能看到的景象，这就是爱因斯坦的追光实验。

一方面他知道，根据麦克斯韦方程，真空中的光速是一个常数。所以，无论以多大的速度追光，他看到的光行进的速度都一样。

另一方面他认为，根据伽利略的速度相对性，当以光速的速度追光时，光虽保持波浪形式，但却似凝固了一样，止步不前。

后面这种情况与电动力学矛盾，爱因斯坦隐隐地想到，光速或许是不变的？据称，这为他日后提出狭义相对论埋下了思想的火种[1]。 现在，学过相对论的人都知道，真空中的光速的确是一个不变量。它的值是被定义的，等于299792458m/s。所以，无论你以多大的速度相对光源运动，光速都是不变的。 所以，追光是永远追不上的！既然追不上，那自然也无法逃离光的追赶了，因为它总是以确定的速度朝你奔来。 这样一来，很容易会想到，当强光——例如高能激光，从后面射来时，你逃跑是没用的，因为它的速度总是那么快，跑也白跑！ 这就是最近一位小朋友提出的一个思想实验——他称之为“逃光实验”。他的结论是，面对激光射来，即使光速逃离都无济于事。

那么，真是这样吗？ 为了回答这个问题，我们先搞清楚一个简单的事实。 有一位飞行员感到耳后有个像虫子似的东西在挠痒痒，他伸手一抓，结果发现是一颗滚烫的子弹。原来是一颗射向自己的子弹刚好追上他的战斗机。 还有更奇葩的，曾有飞行员被自己射出的炮弹的弹片打中了，因为他的飞机飞得太快了，赶上了先前射出的炮弹。

这里有个问题，从物理上讲，如果不考虑后续的爆炸（那个问题太复杂），决定造成伤害程度的量是什么呢？ 相对速度？不！应该是子弹或弹片相对飞行员的动能。试想，一粒细小的尘埃，即使它飞得再快，对你也不会造成什么伤害。 假设一颗子弹的质量为，在飞行员看来，它的速度为，则它的动能为，而人体必须承受这么大的能量的打击。 若飞行员的防弹衣和他的糙皮厚肉的阻力能轻松克服子弹的动能，那就不会有事了；但若子弹必须进入体内，其动能才会被耗完，那就危险了。 可见，决定伤害程度的，不是子弹的速度，而是子弹的动能。 当高速逃离子弹时，子弹的速度减小，动能也减小，就可降低伤害了。 所以，一个简单的事实是，为了降低伤害，要逃离的不是子弹本身，而是子弹的能量！ 那么，对于射来的激光，它同样有能量，虽然逃脱不了激光本身，但若能逃脱它的能量，那岂不是就等于逃脱激光了？ 没错！根据光的多普勒效应，结论的确如此。 根据光的量子理论，单个光子的能量为其中是光的频率，为普朗克常数。 根据光的多普勒效应，当观察者以速度逃离光源时（速度沿观察者与光源的连线方向），设光源发出的光的频率为，则观察者接收到的光的频率为天文学中的红移现象，就是多普勒效应导致的。人们根据红移现象了解到宇宙正在膨胀中。

所以，当以速度逃离光源时，单个光子的能量为 显然，逃离光源会使光子的能量降低。并且，逃得越快，能量降低越多。 倘若逃离速度无限接近光速（当然是不可能的），即，根据上式可知，此时。 若你真的实现了光速逃离，那在你看来，无论激光多强，它的能量变为0了，光实际上完全消失了，对你当然是毫发无损了！ 再回到爱因斯坦的追光实验，如果你真的以光速的速度去追光，因为此时你也是以光速远离光源的，所以也会造成无限的红移的现象，光的能量趋近于零，光被你追没了！ 当然，如果对着光源迎头而上，那上式仍然适用，只不过此时本身带了一个负号，所以一切都倒过来——频率将升高，能量将变大。 高能物理中重离子碰撞，就是利用两个粒子高速对撞，从而产生巨大的能量的[2]。

参考文献

[1]https://sites.pitt.edu/~jdnorton/Goodies/Chasing_the_light/

[2]https://www.bnl.gov/rhic/physics.php

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