这段文字似乎拗口,犹如绕口令,甚至初读之下可能觉得自相矛盾。但细细品味,你会发现,这其实是关于光与光速的有趣讨论。
让我们先探讨一下那个我们既熟悉又陌生的存在——光。光,是我们生活的每一分每一秒都离不开的元素,却也是一个我们尚未完全了解的谜题。
即便如此,人类对于光的探索却从未停止过。可以说,科学的发展史几乎就是对光的探索史,对光的研究伴随了人类科学发展的漫长岁月。经过数个世纪的探索,我们似乎正一步步逼近光的本质。
然而,尽管光似乎象征着光明,其实它的“一生”充满了“悲剧”。因为对光来说,并没有所谓的“一生”。在光子的世界里,它们只有两个瞬间——诞生与消亡。
这样的说法缘于光子本身对时间与空间的概念。光子不存在时间概念,自然也就不存在空间。而时间与空间,正是所有物质存在之基础,我们的宇宙正是由四维时空组成。从这个角度看,光并不属于我们所处的宇宙。
我们看到光沿着直线传播,但对光子本身而言,它的路径并非直线,而是一个点。要真正理解光的“一生”,我们必须探讨速度与时间的关系,即“时间膨胀效应”——速度越快,时间流逝就越慢。
传统观念中,一秒钟无论在宇宙的何处都是固定不变的。换句话说,我们通常认为时间是绝对的。
但“光速不变原理”彻底颠覆了我们对时间与空间的理解。
速度是相对的,需要有参照系作为衡量标准,而速度的叠加自然会导致变化。但光速是个例外,它是不变的,这意味着无论与其他任何速度相加,光速始终保持不变。
光速不变意味着什么呢?让我们通过一个例子来理解。
假设一艘飞船在高速飞行,飞船上装有一个光子钟,即两面镜子平行放置,一个光子在镜子间垂直来回运动,就像地面上的时钟。
由于飞船在高速运动,且光速不变,那么在地球上的人看来,光子的飞行路径会是斜线,飞行一个来回的距离自然更远。
但光子的速度又恒定不变,所以对地球上的观察者来说,飞船上的时间似乎变慢了。随着飞船速度越来越快,光子的飞行轨迹倾斜得越厉害,地球上的人看来,光子“滴答”一次的时间也越长。
这就是时间膨胀。地球时间与飞船时间并不同步,因为飞船速度快,时间自然就慢了。
时间膨胀似乎有悖我们的日常经验,但在日常生活中,你与他人的时间不会有太大差异。这是因为相对于光速,其他速度都显得微不足道,由此产生的时间膨胀效应微乎其微,我们自然难以直接感受。
但如果速度足够快,比如刚才提到的飞船,当它接近光速,甚至非常接近光速时,时间膨胀效应就变得非常显著。
当飞船越来越接近光速,地球上的观察者会觉得光子钟中的光子飞行轨迹几乎与平行无异,“滴答”一次的时间也更长。当飞船速度无限接近光速,光子的轨迹就几乎平行,完成一个来回需要无限长的时间,这相当于飞船时间静止了。
光子的速度始终为光速,无加速过程,因此,从时间维度看,光子的速度为零,即没有时间概念。
这表明,若想让自己的时间变慢,必须在空间上有足够快的速度,因为时间与空间速度的总和就是四维时空速度,而任何物体在四维时空的速度都是光速!
这里提到的光速,是指四维时空中的速度,不同于我们通常理解的三维空间速度。我们平时所说的速度,实际上是指三维空间速度。当我们静止不动时,空间速度为零,时间速度自然就是光速。
对于光子而言,它始终以光速飞行,没有时间概念。如果光子有思维,问它任何关于时间的问题,它会感到困惑:时间是什么?
因为没有时间概念,意味着光子的一瞬间等同于“永恒”,可以在一瞬间穿越任何距离。这虽然不甚严谨,但可以帮助我们理解光子没有时间概念,不存在“一瞬间”。
平时,我们常说太阳光到达地球需时约8分钟,这“8分钟”是地球上的人类观察到的光子飞行时间,易于计算。但对光子本身而言,它无需任何时间,一瞬间便可到达地球。实际上,不论地球还是宇宙边缘,对光子来说,都是一瞬间的距离!
同时,由于时间与空间的紧密联系,对光子而言,无论多远的距离都是近在咫尺,几乎为零。若你在一艘无限接近光速的飞船中,宇宙边缘也近在眼前,仿佛一步之遥。
这就是尺缩效应,它总是与时间膨胀同时出现,因为两者是等价的。
所谓的一光年,只是人类的度量衡,它表示光在真空中一年内所能传播的距离。但对光子而言,无论是一光年还是可观测宇宙的直径930亿光年,光子都可以一瞬间穿越,无需时间。
这里,我们不妨深入探讨一下。很多人梦想通过超光速旅行实现星际航行。然而,要进行星际旅行,实际上无需超光速,接近光速的速度已足够。
因为如前所述,当飞船速度无限接近光速,时间几乎静止,而且再遥远的距离,对飞船来说似乎触手可及,一瞬间即可抵达。在这种情况下,超光速已显得多余。
另外,自然法则也禁止超光速。
有人或许会问,速度越快时间就越慢,是否意味着速度足够快就能实现“永生”?
但实际上恰恰相反,当速度无限接近光速,非但不能永生,反而会导致“瞬间终结”。因为在无限接近光速的情况下,你的一瞬间可能就是宇宙的无限久,意味着宇宙已经终结。
连宇宙都不复存在,你自然也无法存在。也就是说,假设你能达到光速,在达到的那一瞬间,你就已终结!这可能是自然法则不允许我们达到光速的原因,也是为了“保护”我们!