换句话说,在现行科学认知范围内,光速确实无法被超越,但令人困惑的是,背后的具体原因尚不为人知。
换句话说,在人类对光速不可超越的理解上,我们还停留在“知其然,不知其所以然”的层面。科学家们通过实验和理论推导得出了“光速无法被超越”这一结论,但并未触及到更深层的原因所在。
也许你会提出疑问,“光速不可超越”这一结论不是爱因斯坦相对论中的推论吗?物体移动速度越快,其质量就会越大。当物体速度接近光速时,其质量将趋于无穷大,这显然不现实。因此,任何物体都不可能超过光速。
在爱因斯坦的相对论体系中,光速的确是不可超越的。然而,我们必须意识到,相对论本身是基于两大基本假设而提出的,这两大假设分别为光速不变原理和相对性原理。
相对性原理在此不作详细讨论,因为它非常契合我们的日常经验,简单来说就是:在惯性参考系中,所有物理定律的表现形式都是相同的。举个例子,在匀速直线行驶的列车上,你的感觉与站在地面上的感觉是相同的。如果闭上眼睛,不看窗外,你甚至无法判断自己是在移动的列车上还是站在静止的地面上。
我们现在要着重讲解的是光速不变原理,这一原理是爱因斯坦相对论体系中所有公式的基础,包括“光速不可超越”的结论在内,均源自于光速不变的假设。
那么,什么是光速不变呢?简单地说,并不是指“光速在真空中的速度恒定为每秒30万公里”,而是指在任何参考系中测量到的光速都是相同的。
也就是说,无论你是朝着光束运动还是背离光束运动,在你眼中,光束的速度都不会改变,始终是每秒30万公里。
这意味着,无论你以何种速度追赶光束,你都永远无法超越,因为对你而言,光束始终以每秒30万公里的速度移动。
光速不变的特性违背了我们的日常经验,通常我们认为速度是相对的,不同的运动状态会导致我们测量到的速度不同。然而,光速却展现出了绝对性的一面,不管你在任何运动状态或参考系中,测量到的光速都是一致的。
那么,为何光速不变?科学家们只是发现了这一现象,并通过实验反复验证得出这一结论。
这个过程十分复杂,充满了困难和挑战,因为如果光速真的不变,意味着统治科学界数百年的牛顿经典力学需要被推翻,因为牛顿力学建立在绝对时空观之上,而光速不变则意味着时空是相对的。
然而,麦克斯韦方程组推导出的光速计算公式显示,光速是一个常数,这意味着光速是绝对不变的。后续的许多实验,例如迈克尔逊-莫雷实验,也表明“光速参照系以太”并不存在,这也间接证明了光速不变。
既然理论和实践都指向了“光速不变”,科学家们没有理由不接受这一结论。爱因斯坦正是基于光速不变的假设,通过数学模型推导出了钟慢效应(时间膨胀效应)、尺缩效应等相对论公式。
当然,无论是时间膨胀效应还是尺缩效应,不仅存在于理论中,也得到了实验验证。例如,我们日常使用的卫星导航系统,正是经过时间膨胀效应校正后,才能实现精确定位。
接下来,让我们尝试以通俗易懂的方式来理解“时间膨胀效应”,尽量避免数学公式。
假设有A和B两点,相距30万公里,即光速一秒所走过的距离。假设你从A点移动到B点需要1小时,那么你的速度就是光速的3600分之一。
再假设我在B点,那么我将在1秒后看到从A点发出的光,而在1小时后看到你。如果你携带了一个时钟,那么时钟显示的走过时间也应是1小时。
一切看似正常,但其实已经不正常。事实上,你口袋中的时钟走过的时间并不是正好1小时,只不过由于你的速度仍然很慢(相对于光速),你几乎察觉不到这微小的差异。
现在假设你的速度达到了每秒30万公里,即光速,那么你从A点到B点的用时将是1秒。
乍一看,这个结果似乎正常,但其实很不正常。奇怪的是,尽管你以光速移动,但对你来说,光速飞行的时钟显示的走过时间仍然是1秒。
对于我来说,一秒后看到光,2秒后看到你。也就是说,尽管你的速度可能达到光速,但你和光并非同时到达我这里。
这意味着,对你来说,你的速度是光速每秒30万公里,但对我而言,你的速度只有光速的一半。但不管怎样,你和你的时钟显示的走过时间都是1秒。
奇怪的是,你和我的相对时间一直在变化,随着你的速度的变化而变化。这正是所谓的“时间膨胀效应”或者“钟慢效应”,在我看来,你的时间变慢了。
当然,对于短时间来说,很难直观感受时间是如何变慢的。但如果我们把A点和B点的距离扩展,例如扩展到银河系和仙女座星系之间的距离,大约254万光年,就能明显感受到时间膨胀效应。
现在,假设外星文明制造了一艘超光速飞船,速度可以达到光速的254万倍。我们不讨论超光速是否可能,也不关心飞船是如何被设计出来的,仅作假设。假设飞船的速度是254万倍光速,为了分析方便。
按照我们的理解,这艘飞船飞到地球需要1年时间,这是简单的数学计算,距离是254万光年,速度是254万倍光速,所以用时是1年。
但实际情况是这样吗?我们真的能在1年后看到外星飞船吗?
并非如此,事实上,哪怕过了254万年后,我们仍然看不到外星飞船的踪影。
那么,我们需要多久才能等到外星飞船抵达地球呢?
真实的情况是,我们需要先看到从仙女座星系发出的光到达地球,之后再过1年才能看到外星飞船的到来。
仙女座星系发出的光到达地球需要多长时间?254万年!也就是说,过了254万年后,再等1年才能看到外星飞船!但对于外星人来说,他们实际经历的时间只有1年。
这表明,外星飞船中的1年,相当于地球上的254万年加上1年。如果我们用速度等于距离除以时间来计算外星飞船的速度,就会发现,这个速度并没有达到光速,只是光速的99.99996063%。
这似乎很神奇:明明外星飞船的速度已经达到了光速的254万倍,但最终计算出的速度却未能达到光速,这难道是自相矛盾吗?
实际上并不矛盾。结论只能表明一点:无论外星飞船的速度有多快,实际上它只能以无限接近光速的速度飞行,越接近光速,时间膨胀效应就越显著。
之所以我们假设飞船的速度远超光速,只是为了更直观地理解时间膨胀效应。而最终只能表明:一开始我们假设的超光速,实际上只是时间膨胀效应造成的假象,实际上飞船并未超光速。
再来看假设的仙女座星系到地球的情形,实际上相当于一个事实:当外星飞船的速度非常接近光速时,飞船上的1年相当于地球上的254万年!
如果外星飞船的速度更快,快到他们只需1秒就能到达地球,但地球上的人类想要看到外星飞船,则需要等待254万年再加上1秒的时间!
也就是说,如果有一个仙女座星系上的外星人与你同龄,假设都是20岁,外星人驾驶飞船以无限接近光速的速度飞向地球,对他来说只需1秒。
你可能以为这个外星人到达地球后能与你握手,但实际上他能握到的可能是你的重重重重...孙子的手。因为对他来说的1秒,地球时间已经过去了254万年!
而当外星人与人类握手后返回仙女座星系,会发现他们星球的时间已经过去了508万年,星球也经历了巨大的变迁!
这就是时间膨胀效应,它的前提是光速不变。正是因为时间膨胀效应,或者光速不变的存在,才导致无论如何都不可能超过光速!
理解了时间膨胀效应,尺缩效应就很容易理解了,因为这两种效应是同时发生的,它们是等价的,时间和空间是一个整体,不会出现“只有时间膨胀效应而无尺缩效应”的情况。
还是拿之前的例子说明。外星飞船以254万倍光速飞行,实际上并没有真正达到超光速的速度,因为时间膨胀与尺缩效应是等价的,我们可以说它是“尺缩效应”造成的假象。
实际上,外星飞船得以接近光速航行,在飞船速度迫近光速的奇妙条件下,发生了显著的尺度收缩现象。简而言之,就在飞船以近光速穿越宇宙的刹那,仙女座星系与地球的遥远距离骤然缩减,缩减至原先的254万分之一。而通过距离除以飞船的速度,我们得出的结果是,即便如此,外星飞船返航地球仍旧需耗费一年时光。
这一案例恰恰印证了两个至关重要的观点:
第一,时空是相对的,在不同的参照体系之中,时间与空间的表现形式大相径庭。
第二,无论何时何地,时间与空间都是紧密结合的整体,无法割裂而单独存在,这正是我们所称之为的“四维时空”观念。时间与空间的转变是齐头并进的,也是等价的,两者必须一并变化,最终确保“光速恒定”,换句话说,就是禁止任何物体超光速航行。
综述
无论是时间膨胀,尺度收缩,或是光速限制,其根本缘由可以归纳为四个字:光速恒定。
然而,何以见得光速是恒定的呢?
答案简短:不知道!
人类所发现的仅仅是光速的不变性。坦白说,“光速不变”原则上只是一个假定,一条公理。公理本身并无需解释,只需要得到我们的认可,你当然也可以选择不认可。
正如同“两点之间直线段最短”这条公理,若你追问“为何”,那将是一个没有答案的问题。倘若你坚持询问,那么回答你的依旧是简短的三个字:不知道!