《星球大战》中 , “千年隼”号飞船在接近光速的一瞬间 , 窗外景观的剧烈变化 。 在现实中 , 如果可以如此接近光速 , 人的眼睛应该无法再看到星空了 , 因为伴随着速度的增加 , “多普勒频移”现象会让可见光的波长变短 , 最后不再可见 。 不过虽然是科幻 , 应该可以帮助理解 。 在物理学上 , 相对静止的观察者所见的运动中的物体的空间变化 , 称作“长度收缩”(length contraction) 。
光速不变 , 空间和时间就要相对变化 , 一起因物体的运动而精确调整 。 可以想象 , 如果没有这种“保护性”的调整 , 那么我们每个人眼中的光速都是各不相同的 。 因此 , 既然空间和时间一直是一起调整的 , 也就可以说:空间和时间从来都不是两个独立的事物 , 而是一同运作 , 相对变化的一个单体“四维”结构 , 称作“时空”(space-time) 。 这个概念是“相对论”的根基 。
* 如果觉得实在难以理解 , 可以这么来考虑:当一个人与光同向运动时 , 他无法去“追”光 , 因为光速必须总是比他快 299792458米/秒 , 所以他的速度与光速的差距无法缩小;当人跑向一束射向他的光时 , 人眼中的光速也并不会像“两军交战”的例子中的手雷一样 , 相对于他而加快 , 而是仍然一直保持着 299792458米/秒;在这种情况下 , 当一个物体运动起来时 , 光速不可能为他而加快或减慢 , 唯一能改变的 , 就只有运动者的时间和空间(时空) 。
另外 , 很多人不太理解 , 为什么既然光速不变 , 但是当人跑向一束光时 , 光射到他身上所用的时间会比人不动时更短?这是因为 , 人在向着光跑时 , 光与人之间的“空间距离”的缩短的速度由于人的运动而加快了;比如 , 一束光射向小明 。 当小明站立不动时 , 光与他之间的“空间距离”缩短的速度是c 。 然而当小明以5米的速度向光跑去时 , 光与他之间的“空间距离”缩短的速度就变成了c+5 。 光与小明之间的“空间距离”随时间的缩短 , 也就是光要到达小明而所需行进的“总路程”的缩短 , 因此射到小明身上所花的时间也会较短 。 光速c并没有因此而改变 。
明白了这些 , 可以做出结论:速度低于光速 , 时间的流速会减慢 。 当物体处于运动状态时 , 在相对于这个物体不动的观察者眼里 , 物体的时间会变慢 , 这种现象称作“时间膨胀”(time dilation) 。 它的成因可以用一个类似的例子来说明:从上海去北京 , 我们可以一直朝北走 , 也可以先去新疆 , 再绕到北京 。 但是用相同的速度 , 第二种走法显然会花掉更多的时间 , 因为我们在去新疆的时候 , 把向正北方的速度分割给了西方一部分 , 因此真正朝着北京的速度就不如第一种方法的快;空间和时间也一样 , 可以把它们想象成正西方和正北方 。 我们呆立不动时 , 虽然没有在空间上移动 , 但是每时每刻都在时间上“移动” 。 一旦我们(在空间上)动起来 , 那么我们在时间上的“速度”就必须分割给空间一部分 , 时间就慢了下来 。 A相对于B运动 , A的速度越快 , 在B看来 , A的时间就越慢 。
关于从上海去北京的例子 , 这其实是对“时空图” , 或者“闵可夫斯基图”(Minkowski diagram)的描述 。 在图上 , 时间乘以光速(ct)是时间轴 ,x、y 和 z 是空间轴 。 当质点相对静止时 , 它的世界线(于四维时空中的运动轨迹)表现在图上 , 是与时间轴平行的;当质点匀速运动起来时 , 世界线会变成一条斜率为 v/c(关于 ct 轴)的直线 。 现实意义就是 , 如果物体在空间上运动 , 它的时间会变慢 。
像这样 , 如果一个低于光速的速度可以让时间减慢的话 , 那么一个等同于光速的速度会对时间造成什么样的影响呢?
最有可能的答案是:速度等于光速 , 时间会停止 。 可以想象 , 如果你此刻正在以光速运动 , 那么你就会像光一样 。 以光的角度来看 , 从一点运动到另一点不会消耗时间 , 或者说没有时间可以消耗 , 因为你独立于参考系之外 , 没有时间和空间的概念 , 时空不会因你的运动而做出调整;这样一来 , 以光速运动者的时间 , 与另一个用来参考的时间之间就没有了可比性(或者说 , 无法找出差别) , 因此等同于是停滞的 。 A以光速运动 , 它的时间不流逝 。
很多人不太理解 , 既然说以光速运动的物体等同于是停滞的 , 那么为什么人们所见的光的传播还是会需要时间?在任何参考系下 , 光速都是恒定的 , 这意味着人们看到的光总是会以一个固定的速度传播 , 这也是为什么阳光平均需要8分20秒才能到达地球 。 然而 , 以光速运动的物体不消耗时间 , 也不运动距离 , 因此在理论上 , 光速本身是一个无效的参考系 。 由于在光速下 , 观察者无法做观察 , 所以这两个方面之间没有任何的矛盾 。 也正是因为如此 , 上面所写的“以光的角度来看”的说法 , 只是帮助理解的拟人而已 , 不能算作严谨的论证 。
推荐阅读
- 美科学家发现:银河系旋臂已发生“断裂”,银河系是否正在解体?
- 除了黑洞还有白洞?爱因斯坦:白洞是黑洞的反演,能穿梭时间
- “黑洞很黑,我想去点亮”
- 一百多颗恒星“消失”,是什么原因?科学家怀疑是外星文明干的
- 炒币被套牢后,我又开始在元宇宙里倒腾大猩猩了
- 天文学家在银河系附近发现一个古怪的黑洞,所在之处令人难以理解
- 天文学家对银河系中心进行“考古发掘”,结果发现了一条笔直的线
- 天文学家拍到一条巨大的“DNA双螺旋体”,与时空奇点相连
- 人类伟大的进步!黑洞碰撞传出神秘信号,或证明霍金最伟大的预测
- 一只苍蝇引发的血案:凶手血洗5个村庄枪杀56人后,拉响手雷自尽