太阳光到达地球需要8分钟?光子:抱歉,我一瞬间就能到地球
太阳光到达地球需要8分钟?光子:抱歉,我一瞬间就能到地球
太阳光从太阳到达地球需要8分钟?光子可能会说:抱歉,我一瞬间就能到地球。这个看似矛盾的说法,其实涉及到了物理学中一个非常有趣的现象——时间膨胀效应。
太阳距离地球大约1.5亿公里,按照光速每秒30万公里来计算,太阳光飞到地球大约需要8分20秒时间。
但为什么我会说“光子一瞬间就能到达地球”呢?这里就涉及到速度,时间以及不同参照系之间的关系。
简单来讲,时间是相对的,速度越快时间就相对越慢,这就是所谓的时间膨胀效应,理论上分析,当速度达到光速,时间就静止了。
其实说“时间静止”是不严谨的,准确说法是“不存在时间”了,光速飞行的物体没有任何时间概念,连时间都不存在了,就更不存在任何时间流逝了。
而太阳光一出生就是光速,没有任何加速过程,因此对于光子来讲,时间是没有任何意义的。如果光子有意识,你完全无法向光子解释到底什么是时间。
那么,为什么我们还会说“太阳光到达地球需要8分钟”呢?
这是由于参照系选择不同而造成的。我们是以地球为参照系来衡量太阳光到达地球所需时间的,其实这就是简单的数学计算,距离是1.5亿公里,速度是每秒30万公里,那么时间自然就是8分钟。
下面来通俗解释一下为什么光子可以瞬间到达地球,甚至到达宇宙中的任何地方。
爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,速度不但能让时间变慢,还能让空间缩短,其实这很好理解,因为时间和空间是有机的整体,两者必须同时改变,也就是所谓的“时空”,时间和空间其实可以理解为就是一个东西,只是这个东西呈现的形式不同罢了。
因此,时间膨胀效应和尺缩效应是等价的,两者是同时出现的。
我们当然也可以从空间的角度去理解。速度越快,空间就会越短。如果一个物体的速度无限接近光速,意味着不管多远的空间,对于这个物体来讲都是近在咫尺。
举个例子,比邻星距离地球大约4.2光年,你乘坐一艘飞船飞往比邻星,飞船的速度非常接近光速。为了更容易理解,这里假设飞船没有加速过程,始终以无限接近光速的速度飞行。
对于地球上的人类来讲,你飞往比邻星需要多长时间呢?
答案很简单,当然是4.2年,这也是简单的数学计算。因为对于人类来讲,地球到比邻星的距离就是4.2光年,这个距离不会变。而你的速度无限接近光速(方便起见,暂且认定是光速),所用的时间当然是4.2年。
但是对于你本人来讲,你完全不用花费4.2年,因为在你光速飞行的一瞬间,刚刚离开地球,你就已经到了比邻星。
为什么?
因为你的速度是光速,光速会让尺缩效应达到极致,意味着这4.2年的距离会无限缩短,比邻星就好像就在你跟前,让你触手可及,飞船刚一启动就达到比邻星了。
在地球上的人类眼里,你需要4.2年时间才能到达比邻星。而你本人感觉瞬间就到达比邻星了,这是不是有些矛盾呢?
实际上一点也不矛盾,因为地球上的人类和你选择的是不同的参照系,当然会得到不同的结果。在狭义相对论体系下,参照系的选择是至关重要的。
由于时间是相对的,因此每个人只需要为自己的“本征时间”负责,何为“本征时间”?说白了就是装在自己口袋里的钟表显示的时间。每个人对本征时间的感受都是一样的,举个例子,你在地球上口袋里的钟表,与你在黑洞附近口袋里的钟表指针速度是一样的,这里的“一样”当然是你本人的感受,而不是两个钟表的对比。
通俗来讲就是,你在地球上能活80岁,那么你在黑洞附近也只能活80岁,或者说你光速飞行也只能活80岁(不要较真能不能光速飞行以及光速飞行的后果,这里只是假设,方便大家理解),并不会因为光速飞行会让时间变慢,你就能活800岁甚至永生。
实际上,光速飞行不但不能让你永生,甚至还会让你瞬间毙命。
我的意思不是说“光速飞行会让你直接变成一堆光子”,即便光速飞行状态下,你仍旧能完好无损地存在,但这种存在也只是一瞬间,然后你就毁灭了。这到底是为什么呢?
因为,在你光速飞行的一瞬间,宇宙就过去了无限久的时间。无限久意味着什么?意味着宇宙必将走向毁灭。看到了吧,光速飞行有多可怕,光速飞行的短短一瞬间,就会让你毙命。
这里很有必要强调一下,不然有可能误导大家。以上只是用爱因斯坦的狭义相对论通俗理解光速飞行的问题。实际上任何涉及光速飞行的问题,都不能用狭义相对论来诠释了,因为狭义相对论只能解释低于光速飞行的世界。
这也是狭义相对论一直强调的,任何具有静质量的物体,都不可能达到光速。
简单来讲,狭义相对论的背景是四维时空,而光速飞行的光子(或者说任何光速飞行的物体)都不存在时间和空间概念了。
没有时间和空间概念,意味着什么?意味着光子根本就应该不属于四维时空!
但我们看到的事实是,光在四维时空里明明无处不在,怎么可能不属于四维时空呢?这或许就是光最神奇的地方,也很可能是科学家们一直无法弄明白光本质的主要原因。
可以这样通俗理解光,可以把光速理解为四维时空的分界线,就相当于黑洞的事件视界一样,低于光速就是四维时空的世界,高于光速到达高维度,而且必须到高维度。
当然这只是我的猜想,目的就是拓宽大家的思路,让大家多思考,不要被固有的思维束缚!
完!