深度长文:光速飞行时间真的会停止吗?(建议收藏)

百科   2024-11-05 18:41   辽宁  

做了这么长时间科普工作,经常会在网络上看到一些与光速有关的问题,比如说:光速为什么是不变的?为什么速度会影响时间?为什么不能超光速?光速飞行时间真的就停止了吗?

其实以往的科普中,已经涉及很多这样的问题,其实已经给出了答案,但无奈作为我们普通人,对科普的东西并不是很感兴趣,尤其是在国内,科普工作更是任重而道远。很多人并不愿意看一些科普的东西,因为科普的东西相比各种娱乐八卦新闻来讲,确实很枯燥。

这也造成了一个非常尴尬的局面:很多民科思想大行其道,尤其是在网络这个可以随心所欲的虚拟舞台上更为明显。很多民科甚至对我科普的东西加以嘲讽,甚至谩骂,一开始确实有些生气,后来也想通了,有些人注定是叫不醒的,随他去吧。

我不敢说科普的东西都是对的,毕竟咱也不是科学家,但科普的内容一定会是目前的科学事实为基础。

好像有点跑题了,回到正题,今天再次深入科普一下关于速度和时间的关系:光速飞行,时间真的会停止吗?

其实这种疑问的源头基本上都是因为一点:你总是会下意识地以光或者某个光速飞行的物体为参照系,相当于自己给自己挖了一个坑然后跳进去。而根据狭义相对论,以光速飞行的物体为参照系是毫无意义的。

光速也是一种速度,为了更好地阐述问题,我们先从速度讲起。

一切物理定律在所有惯性参考系中都是等价的,平权的,没有一个惯性系具有优越地位,不存在绝对静止的参考系。

实际上这就是我们通常所讲的“相对性原理”,这个原理其实也告诉了我们,速度快并不一定会带来什么实质变化,本质上都是一样的。

比如说,此刻的你坐在沙发上看电视,你会觉得自己是静止的,所以速度为零。但你所谓的静止只是相对地面静止。如果你以其他事物为参照系,你就不是静止的。

比如说相对大型粒子对撞机里面接近光速飞行的粒子,你的速度也接近光速。那么,既然你都以接近光速的速度飞行了,你会有什么不同的感觉吗?并没有!同理,粒子对撞机里面的粒子也不会有什么感觉,假如它有感觉的话。

现在,假设那个粒子以0.9999倍光速的速度从你身边飞过,飞行一圈之后又回到你身边,假设这一圈很大,有30公里远。那么,在你眼里,粒子从离开你到再次返回的时间就是30公里除以粒子飞行的速度,也就是大约10的负4次方秒

但是,如果粒子自身也揣着一块表,那么,整个过程中表走过的时间就不是10的负4次方秒,而是大约1.4乘以10的负6次方秒

看到了吧,你和粒子都不觉得自己在高速运动,反倒是你俩互相觉得对方一直在高速运动。这说明什么?

说明两个运动状态不同的物体,感知到的自身时间也会有所不同。这在狭义相对论中体现得淋漓尽致,不仅如此,还被大量实验所证实。

而宇宙万物其实都有各自的运动状态,并不会完全相同,所以宇宙万物都有着完全属于自己的时间和空间认知。

当然,日常生活中我们还会下意识地认为时间是绝对的,会认为万事万物的时间经历都是相同的,这也是我们的日常生活经验总结出来的。但由于我们只是生活在地球这个狭小的空间里,造成了我们认知上会有很大的局限性,所以很多时候我们的日常生活经验并不可靠。

而之所以我们会认为时间是绝对的,也正是认知上的局限性造成的,因为我们平时经历的速度实在太小了,与光速相比几乎完全可以忽略不计,速度对时间的影响微乎其微,所以我们会认为时间是绝对的。

狭义相对论中,经常用世界线来描述不同运动状态的物体,如图所示,当物体处于静止状态时,其世界线可以用垂直线表示,用图中的绿色线表示。这条线代表的意思是,物体在空间维度的速度为零,时间维度的速度为光速。

图中黑色的线就是日常生活中我们看到的大多数物体的世界线,可以看到黑色的线几乎与绿色线重合,这是因为日常生活中我们看到的物体的速度都很小,与光速相比其实就相当于静止不动,所以会与真正静止不动的物体的世界线差不多。实际上,图中对世界线的描述只是示意图,实际上黑色线被夸大了很多,如果按照实际情况来,其实真的和绿色的线几乎完全重合,起码我们的肉眼根本分辨不出来,在图中表示就是完全重合的线。

而图中红色的线就是高速运动物体的世界线,如果你的世界线就是红色的那条线,当然你会明显感知到时间的不同。而物理实验中,科学家们早就通过大型粒子对撞机中粒子的时间快慢,验证了高速与低速物体时间快慢确实不同。

图中红色的那条线就是光的世界线,是最特殊的一条世界线。

通过不同运动状态下的物体的世界线,可以看出,只有光子或者说光速是特殊的,其他物体,只要速度达不到光速,不管如何运动,其实都不是特殊的,而是平等的,平权的。任何物体都不会绝对自己的时间有什么异常情况,也就是说,每个人对各自口袋里的表走动的时间,都不会发现有异常表现,而自己口袋里的表就是我们通常所说的“本征时间”。

不过,对于以不同速度运动的物体来讲,不同本征时间的对比会有很大不同。

举个最简单的例子,我静止在地球上,你以亚光速离开地球飞向太空,你口袋里装着一块表,你始终盯着那块表,确保2小时之后能重返地球,而2小时就是你的本征时间。

等到你返回地球,你会发现地球时间可能已经过去了十年甚至更长时间,而十年就是我的本征时间。可以看出,不同运动速度下的物体的本征时间会相差很大,但是别人的本征时间其实是没有意义的,每个人只需要为自己的本征时间负责。

这里只是对“世界线”进行了简单的描述,至于世界线到底是怎么来的,这里就不再详述了,后期就专门对其进行深入探讨。

下面再来看看那个特殊的“光速”,为什么说光不能作为参照系呢

在此之前,先来简单分析一下“光速限制”问题,所谓的光速限制,指的是任何有静质量的物体都不可能达到或超过光速,而且无论相对什么参照物,都是如此。根据爱因斯坦的狭义相对论,拥有静质量的物体速度如果无限接近光速,质量就会变得无穷大,显然我们的世界不可能存在这样的物体。

说白了,爱因斯坦相对论体系,不管是狭义相对论还是广义相对论,一个最重要的前提就是:必须低于光速,任何涉及光速飞行的事件,其实都无法用相对论中的公式去解释。

还有一点,必须再次强调:狭义相对论是以惯性系为基础的,以惯性系为参照系,物体的运动速度是无法超过光速的。这也说明了一点,在非惯性系中,速度是可以超过光速的,比如说,宇宙的膨胀速度就远超光速。但是这种超光速并不违反爱因斯坦相对论中的光速限制,因为宇宙膨胀过程并没有传递任何信息。另外说一点,我们平时所说的相对速度,比如说大型粒子对撞机中,两个微观粒子分别以非常接近光速的速度对撞,其实两个粒子的相对速度看起来是超光速了,其实并没有。平时我们所用的速度叠加公式并不适用于亚光速世界,低速物体的相对速度计算用伽利略变换,而高速物体的相对速度需要用洛伦兹变换。

光不但不能作为惯性系,连参照系也不行。光本质上就是电磁波,具有波粒二象性,也就是不确定性,这种物质怎么可能作为参照系呢?本身就是不确定的,当做参照系就更没有一样了。

同时,光子非常特殊,它没有时间和空间的概念,如果光子有意识,你试图向光子解释何为时间和空间,无论如何你都无法让光子明白,因为光子的意识里压根就不存在时间和空间。

我们通常所说的“太阳光到达地球需要大约8分钟”,是以人类视角去衡量计算的,说白了就是简单的距离除以速度计算出来的时间,1.5亿公里除了每秒30万公里的速度,可以理解为与光子的速度无关,只是借助光速这个速度计算出来的结果。事实上,对于太阳光本身而言,一瞬间就到达地球了,不需要任何时间。不要说到达地球了,光子可以在一瞬间到达任何遥远的距离,哪怕是宇宙的边界。

所以,严格来讲,“光速飞行时间就停止了”其实是不对的,光速飞行压根就没有时间概念了,也就不存在“时间停止”的概念了。当然,作为普通吃瓜群众,我们可以通俗理解“时间不存在”和“时间停止”是一回事,毕竟“时间不存在”有点抽象,不太好理解,而“时间停止”就很好理解了。

话说回来,“光速飞行时间就停止了”这种思想本质上反映的其实就是我们对“时间是绝对的”这种根深蒂固的认知,是根据我们的生活常识和日常生活经验总结出来的。但是刚才我也说了,由于我们生活环境具有很大的局限性,以至于我们的生活常识很容易被束缚住,带来很大的认知局限性。

这也是为什么爱因斯坦会这样说:所谓的常识,其实就是18岁之前积累的各种偏见!

当然,爱因斯坦想表达的绝不是“18岁”这个严格的分界线,并不是说“18岁之后就没有偏见了”,更多的还是在表达,我们不能被日常生活认知和经验所蒙蔽。长大成人的我们,回想起我们儿童和少年时期对世界和宇宙的认知,更能感受到爱因斯坦想表达的思想。

完!


宇宙探索
探索宇宙和时空的奥妙。
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