说到光速和“超光速”的话题,一定离不开爱因斯坦的相对论。
狭义相对论表明,速度越快时间就越慢,当速度无限接近光速时,时间就趋于停止。那么,如果一个物体的速度超过了光速,是否意味着时间会倒流,我们就能回到过去呢?
坦白来讲,对于光速和超光速的问题,已经不能用狭义相对论去诠释了,因为狭义相对论只适用于比光速低的世界。如果非要强行用狭义相对论诠释的话,我们会发现相对论很多公式会出现虚数,也就是失去了现实意义。
但是,要想更深入更具体地了解超光速的问题,我们又必须以狭义相对论为基础。下面我们就从速度和光速这两个概念进行深入分析。
首先,速度等于距离除以时间,而距离也就是空间的度量,因为速度的计算公式也就是:速度就等于空间与时间的比值,速度与空间和时间息息相关。
同时,日常生活经验告诉我们,速度是相对的,没有绝对的速度。也就是说,任何速度都是建立在某个参照系基础上的速度,也就是相对参照系的速度,没有参照系的速度是没有意义的。
这一点很好理解。就比如说高速公路限速每小时120公里,这里的“时速120公里”就是默认地面为参照系,默认的都没有必要刻意强调了。而时速120公里就是相对速度,如果换做其他参照系,这个速度就会发生变化。比如说你驾驶汽车在高速公路上行驶,时速已经达到160公里,严重超速了,你朋友坐在你旁边。
警察找到你之后,你狡辩说“我没有超速啊,我行驶的速度为零,不信你问我朋友,在他眼里我的速度就是零”。确实,以你朋友为参照系,汽车的速度确实为零,但你认为这样就能忽悠警察了吗?
我想说的是,正因为速度是相对的,所以参照系的不同,会带来完全不同的速度。
但是,后来物理学家们发现,光速是个例外,光速总会保持不变,不管选择什么参照系,光速都恒定不变。也就是说,光速并不是相对的,而是绝对的。言外之意,光速与其他任何速度叠加之后仍旧保持光速不变。
光速的这种绝对性太违反我们的日常生活认知了,举个例子就明白了。
你驾驶一辆小汽车在大街上行驶,速度为V,我静止在地面上。对于我来讲,汽车车灯发出的光的速度是多少呢?
按照我们平时用的速度叠加公式,这个速度应该等于汽车的速度加上光把本身的速度也就是光速,因为看起来汽车会给光线一个初速度,然后光本身在这个初速度基础上以光速飞行,最终的速度就是V+C。
但事实并非如此,我看到的车灯发出的光线速度仍旧是光速C,而且不管你驾驶的小汽车速度有多快,哪怕无限接近光速,我看到的速度仍旧保持光速不变。
光速就是这么奇特,这么“霸道”,它不会因为任何物体的相对运动而发生改变,也就是说光速是绝对的,对于任何人任何物体来讲都是一样的。
而问题就在这里。
刚才说了,速度是某个物体在空间中单位时间内的位移,既然光速保持绝对不变,就意味着该物体在运动时,它空间和时间就不可能保持绝对不变,必须时刻进行调整,只有这样才能保证光速的绝对不变性。
而爱因斯坦本人其实也是这么想的,当然过程肯定不是如此简单,首先是麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式给了他灵感,公式表明光速就是一个不变的常数,在这种灵感的基础上,爱因斯坦才提出了“光速不变原理”。
那么,为什么我们日常生活中感受不到空间和时间的变化呢?原因很简单:我们平时经历的速度在光速面前显得太慢了,完全可以忽略不计,所以我们很难发现“光速不变”对时间和空间带来的影响。
而如果你能以非常接近光速的速度飞行,光速不变带来的影响将会十分明显。如果我还是静止在地面上,而你以非常接近光速的速度驾驶一辆小汽车,我会看到汽车的长度在其运动方向上变短了,而你的时间也变慢了,这就是所谓的“尺缩效应”和“时间膨胀效应”。
但是对于驾驶汽车的你来讲,你不会感觉到你的时间有任何异常,如果你汽车里有钟表,钟表的滴答速度与汽车静止时的滴答速度是一样的。不过一旦你朝车外看,就会看到异常景象,不仅汽车外的时间变快了,路边的高楼大厦等景物会不断朝汽车运动的反方向扭曲,而天空则会朝视线的尽头收缩。
所以说,因为光速的绝对不变,就要求时间和空间就要相对改变,随着物体不同的运动速度而做出相应调整,调整的目的就是保证光速不变。
而如果没有空间和时间的不断调整,我们在不同运动状态下看到的光速就是不同的。
这也是为什么爱因斯坦会说:时间和空间从来不是独立的事物,而是一体的,两者一起组成了不可分割的四维时空。而四维时空也是狭义相对论的根基。
光速的这种特殊性会带给我们很多“反常”的感受。比如说,你永远无法追赶上一束光,不仅如此,当你试图追赶一束光的时候,不管你的速度有多快,哪怕无限接近光速,在你眼里那束光仍旧会以光速离你而去,你的速度与那束光的速度差一直会保持光速。
也就是说,光速不可能因任何物体运动的快慢而发生改变,结果改变的只有运动物体的时间和空间。
对于光速不变,还有人会有这样的质疑:既然在任何运动状态下,光速都保持不变,那么假设你跑向一束光,光照射到你身上所需的时间,为什么会比你静止不动时所需时间更短呢?
毕竟无论你是运动还是静止,那束光飞向你的速度都保持不变。事实也确实如此,但是由于那束光照射到你身上需要一段时间(尽管时间可能会很短),在这段时间里,你的位置发生了变化。当你朝着那束光运动时,在那束光照射到你身上这段时间里,你肯定运动了一段距离,而这段距离让你和那束光更近了,也就是说,那束光飞行的距离更短了。
所以,当你朝着那束光运动,光照射到你身上花费的时间会比你静止时更短,而在这个过程中光速并没有发生改变。
那么速度和空间到底做出怎样的改变,才能迎合光速那霸道的“绝对不变性”呢?其实刚才已经提到了,速度越快,时间就越慢,空间就越短。时间和空间正是通过变慢和缩短的方式来一起协作,保证光速的绝对不变,而且时间变慢和空间缩短一定是同时发生的,因为时间和空间是不可分割的整体,也可以通俗理解为“时间和空间是一个东西”。
现在我们都知道了速度越快时间就会越慢,那么如果速度达到光速,是否意味着时间就停止了呢?
确实是这样,或者说“通俗理解是这样的”。光速飞行,时间停止。更严谨来讲是,光速飞行,就没有任何时间概念了。
如果一束光有意识,那么对于光来讲,从一个地方飞行到另一个地方,完全不会消耗任何时间,因为光是没有时间概念的,光是独立于参照系之外的,不但没有时间概念,也没有空间概念。
或许有人对于“光速运动,时间停止”会有这样的疑问:既然光速飞行的物体时间是停滞的,那么为什么我们看到的光的传播还需要时间呢?
这就涉及光速不变原理了,在任何参照系下,光速都保持不变,这就意味着,无论我们在任何情况下看到的光,都会以恒定的光速传播,这也是为什么我们经常会说“太阳光到达地球需要大约8分20秒”。
但是对于光本身来讲,它是没有任何时间概念了,也可以这么通俗理解:光的一瞬间,外部世界就过去了无限久的时间!
所以,光是不能作为参照系的,它是一个无效的参照系。而以光速飞行的任何物体,都无法进行有效观察。因此,严格来讲,所有“以光本身的角度来讲”的说法,其实都是没有意义的,起码是不严谨的,平时我们那么说只是为了更通俗地理解问题。
那么,既然“光速飞行,时间停止”,是否意味着“超光速飞行,时间就会倒流了呢?”
超光速的问题已经不是爱因斯坦相对论能解决的了,相对论只能解释低于光速的运动,一旦速度超过了光速,相对论公式就会出现虚数,引发没有意义的结果。这也间接表明了一点:相对论是拒绝超光速发生的。
为什么在相对论体系下,不允许超光速呢?
我们可以找到很多理由,这里就说一个相对直观简单的理由:质增效应:。当一个物体的速度无限接近光速时,质量就会趋于无穷大,这时候物体想要继续加速,就需要无穷大的能量才可以做到,整个宇宙的能量都满足不了,显然这是不可能的。
所以,最终的结果就是“超光速飞行时间倒流”是不可能发生的,因为“超光速”这个前提本身就不可能出现,结论当然是错的了。
还有人会有类似这样的疑问,举个例子,假设你和我同时以0.6倍光速逆向奔跑,在我们两人眼里,看到彼此的速度是不是1.2倍光速呢?如果是的话,不就超光速了吗?
答案是否定的,我们之间的相对速度并没有超光速。这里就涉及“伽利略变换”和“洛伦兹变换”之间的区别了。
简单来讲,平时我们所用的速度叠加计算就是“伽利略变换”,用公式表达就是V=V1+V2,只适用于低速世界,是以绝对时空观为背景的。
但由于我们所在的时空是相对的,如果速度达到了亚光速,伽利略变换就不再适用了,必须用更精确的洛伦兹变换才行。说白了,伽利略变换是洛伦兹变换在低速世界的近似值,当物体的速度远低于光速时,洛伦兹变换就会简化为伽利略变换。
从洛伦兹变换公式中能够看出,不管两个物体的运动速度有多快,两者之间的相对速度都不可能超过光速。
我们也可以换一个角度来理解“为何物体的速度无法达到或者超过光速”,因为一般的物体都有质量,准确来讲是“拥有静质量”,所以物体的速度不可能达到光速。而光子是没有质量的,所以光子以光速飞行,而且必须以光速飞行。从惯性的角度理解,因为光子没有质量,也就没有了加速的难度,可以通俗理解为“瞬间就可以达到光速,没有任何加速过程”。
说到“光子没有质量”,还会引发类似这样的质疑:既然光子没有质量,为什么还会被大质量天体,比如说黑洞吸引?
这就牵扯到广义相对论对引力本质的诠释了。牛顿认为万物之间都存在引力,引力的大小与物体质量息息相关。不过在广义相对论体系下,引力“不复存在”,引力的本质其实是“时空弯曲”,是一种几何效应。
通俗理解就是,光子被黑洞吸引, 其实是光子掉进被黑洞弯曲的时空里罢了,所谓的“吸引”只是沿着弯曲的时空运动产生的表象罢了。
总结
超光速,并不能让我们回到过去,起码在我们所在的四维时空里是不现实的,因为四维时空里本来就是限制“超光速”出现的。但如果我们想回到过去,也不一定非得盯着“超光速”,可以换一种思维方式,利用其他方式“回到过去”。
比如说,传说中的“虫洞”。
根据爱因斯坦广义相对论的预言,宇宙中存在这样一种时空结构,可以连接两个不同的时空点,这种结构就是虫洞,虫洞可以让我们在短时间内在两个不同的时空之间来回穿梭,这是否意味着,未来的人类可以通过“虫洞”在时空中来回穿梭,甚至回到过去呢?
虽然“制造虫洞”难度巨大,但起码理论上是可行的,也就是说,大自然似乎并不反对我们回到过去。但既然如此,为什么至今我们都没有看到“未来人”穿越到我们如今的世界呢?
这又是另外一个问题了,这里就不再详述了,就给大家思考。
完!