太阳光约8分钟到达地球,那么在光子看来它花了多长时间?
“每个人都有自己的梦想,但我只想活到天亮,但我知道只剩了不到三个小时。”——维克多·雨果
光子以光速传播,因此我们常说,太阳光到达地球需要8分钟,这是以我们的角度来说的。但是我们还知道当一个物体达到光速时,就会发生相对论效应,那么问题是:以光子的角度来看,它到达地球时,经历了多长时间?
如果你家附近的一个超市距离你家0.8公里,你走0.8公里需要花费8分钟,那么当你从自己家步行到超市的时候就需要8分钟,而超市的老板也会认为你走过来花费了8分钟,并且他和你一样都变老了8分钟。
如果我们按照牛顿的理论来说,也就是绝对的时空观,空间只是一个固定的框架,而时间对于任何事物都是一个绝对的量,那么对于宇宙来说,任何事物在任何地方的任何情况下,时间都会以相同的速度流逝。
但是,真实的宇宙如果符合牛顿的时空观的话,那么光速就不可能是一个常量。除非不管多远的距离,光速否是瞬时达到的。
为什么这样说呢?现在我们想一下,你静止不动,我距离你一光年远,你此刻打开手电筒照射我,如果我们的时间是一致的,具有同时性,那么我必须在和你相同的时间,看到你打开的手电筒。也就是说手电筒发射的光子必须瞬时到达我的眼睛。但是这是不可能的,光速是一个有限的值已经在二十世纪得到了证实,而且我们已经测量出了光速。我在一光年外看到的你,只能是你认为的过去。宇宙的同时性是相对的。
如果不同运动状态下的观察者时间是以同样的速度流逝的,那么光速就不是恒定的。这个怎么理解呢?其实也简单,现在想象一下,当你朝着一个方向奔跑,并打开手电筒,那么你跑的速度越快,光速就越快,光速就等于你的速度加上光本身的速度。这样才能满足不同惯性系下的观察者时间以相同的速度流逝。
为什么光速必须要满足叠加呢?
看下图,假设我们有一个光子钟,一个光子从下到上再次返回下,我们计为1秒。如果这个光子钟处在静止的状态,那么光子只会上下跳动,时间就会正常的流逝。
但是当这个光子钟运动起来的话,时间的流逝会发生怎样的变化?
上图可以很明显的看到,当光子钟运动起来以后,光子经历的路程就会变长,如果光速不变的话,那么我们看到的时间流逝速度就会变慢。如果想要时间还是以刚才的速度流逝的话,光速就必须加快。也就是说,光速会随着物体的运动速度的加快而变快。
如果真的是这样的话,就会发生一件更加神奇的事情。如果一个物体以非常高的速度移动,它朝运动相反的方向发射光子,物体移动的速度就会将光速抵消,如果速度足够快,甚至会让光子静止,停留在空中然后缓慢的落下被物体吸收。这是多么神奇的一个现象!
不过,事实证明,这种想法是错误的。我们不论做什么,都不会改变真空中的光速。
1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,为人类重塑了时空感,当时没有发现以太存在的迈克尔逊-莫雷实验,以及神奇的尺度收缩和时间膨胀效应,最根本的原因是光速时一个宇宙常数。
相对论的影响虽然在现实生活中很小,但是总是在起那么一点点作用。也就是说,你花了8分钟走到了超市,如果你和店主的表十分的精确,并且在你离开家门之前时完全同步的,那么当你走到超市的时候,店主的手表会快不到2纳秒!(一秒的十亿分之一)
其实时间膨胀效应可以这样理解,我们知道,事物不仅仅是在空间中移动,而且也不只是在时间中移动,时间和空间现在是一个统一的整体,不能单独去谈论任何一个。
其实任何的事物都一直在时空中运动,在时间中运动的速度和空间中运动的速度之间有一种特殊的关系,当一个物体在空间中没有移动的话,那么它就在时间中以正常的速度移动(也就是感受到正常的时间流逝),当一个事物在空间中移动时,那么你在时间中移动的速度就会往空间中产生一个分量,导致在时间中的移动速度变慢(也就是时间流逝速度变慢)。
如果你快速穿过空间,那么你在时间中移动的速度就是变慢。这就是为什么当你走到超市的时候你的手表慢了2纳秒。你穿越空间的速度比店主快,所以你在时间的中的运动速度就慢了一些。如果你在空间中运动的更快,那么你在时间中就走的越慢,当你以光速移动的时候,如果你以99.9999999%的光速去超市,不管这个超市离你有多远,你的时间会比店主慢22000倍。
掌握以上的知识,现在我们来说下光子本身。光子可不是以接近光速的速度移动,而是就以光速穿过空间。当一个物体能以光速穿过空间,这就说明:
它绝对没有质量,如果有,那么这个物体就携带了无穷的能量。无穷的能量这是个我们人类无法想象的概念。这个物体不会体验到任何太空旅行的过程,因为长度收缩效应会把所有的距离都压缩到一个点上。这个物体也不会经历任何的时间流逝,因为你在空间中达到光速,那么你在时间中的移动速度就是零。对于地球上的人们来说,太阳光确实是8分钟前发出的,8分钟后达到我们的眼睛。假如我们能观察光子在这段旅程中的运动,我们就会发现它总是光速。但是假如我们在这个光子上能够按一个时钟,那么光子的时间在我们看来就是静止的。对我们来说光子需要8分钟达到地球,但是对于光子来说,它并不会经历时间。而是会瞬间达到。
因此,对于光子来说,谈论时间是没有意义的。它去什么地方在它看来都不会经历时间。都是瞬间达到。
当我们观察宇宙中遥远的星系时,这一点有位奇怪。
遥远的星系,对于我们银河系的观察者来说,它们发出的光至少需要数十亿年的时间才能被我们接受到。在这数十亿年的时间里,宇宙空间在膨胀,光子能量下降发生红移。但是对于光子来说,并没有经历这段神奇的旅程,在它们看来,它们只经历了被发射,然后瞬间被吸收。在没有时间的情况下,经历了它们在遥远距离上的全部旅程。
根据我们目前所知,就光子本身来说,它并不会以任何方式衰变,也就是它不会老去,不会感受到时间的存在。它去哪里在它看来就是眼前,瞬间即达。
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