光从太阳到地球要8分钟?光子:太低估我的速度了,一瞬间足以
“ 时间对于光子 ”是没有意义的,世界对于它来说太小,时间于它完全凝固,然而在我们的眼里,它似乎又没有那么厉害,或许你不够了解它。
光子8分钟的旅程
夕阳西下,其实是八分钟前的夕阳。想象一下承载日落光影的光子从太阳出发,直到它映入眼帘,被你视网膜上的感光细胞分子吸收的这个过程,从我们的角度来看光子在太空中旅行了8分多钟,对于光子自身来说它的旅程并没有时间。
为了让你更容易理解,我们体会一下光子如何能够在一个瞬间到达地球的方案。
缩短空间间隔,我们在一张白纸上标注A点为太阳,B点为地球,想象一下我们把空间折叠起来。例如:爱因斯坦的时空隧道(虫洞),折叠时让A点与B点相连接,然后拿着笔把A点穿透到对面的B点。很多人可能知道光速是恒定的,不会加速,也不会减速,光子似乎也没有折叠空间的能力,那么光子是如何做到的?
16岁的爱因斯坦
早在他16岁就发表过论文《磁场里以太的状态研究》,其中就提到一个问题:“如果我也以光速运动,那么光在我眼里是什么样的?会静止不动吗?”
爱因斯坦在论文中自答出自己的观点:“根据麦克斯韦的理论,无论我以什么样的速度运动,释放出来的光波对于我来说都是以光速运动。”可见爱因斯坦早在发表《狭义相对论》的10年前就已经知道了光速不变原理,对经典物理光在以太介质中传播的理论提出了质疑。
光速为何恒定不变?
光速不变原理,这个特征源于光子静止质量为零。物质由比质子、中子更小的粒子构成,称为基本粒子,电子就是其中之一。
在量子场论中,空间与粒子之间存在各种场,例如电磁场。粒子在场中运动就会发生四种相互作用,使物质具有了质量。这意味着质量与能量是等价的,它们之间的关系就是质能方程E=mc^2,说直白点,质量是能量的另一种形式。
不过,粒子所表现出来的大部分质量并非粒子本本体质量,自身质量源于希格斯场,粒子在希格斯场中运动具有了一定的势能,因此才有了自身的质量。
我们如果把希格斯场比作海洋,夸克子在海洋中运动被海水束缚,使夸克具有了一定势能,于是夸克便有了质量。
质量之源希格斯场在光子面前就是空气,光子不食人间烟火,一旦出现会沿着一个方向不知疲倦的运行下去,不受任何束缚,因此它拥有了绝对的速度。
钟慢尺缩
1905年,对于爱因斯坦来说是一个奇迹年,那年他26岁,发表了他在16岁就提出疑问的答案《狭义相对论》,还有质能方程与其他2篇论文。
《狭义相对论》基于光速不变原理,其中钟慢尺缩囊括了光子以上的三个方案:
动钟变慢(缩短时间间隔方案):有两个同步的时钟,一个与我相对静止,一个被带上飞船,当飞船匀速运动,你会发现飞船上的时钟走得比静止的时钟要慢,并且飞船飞的越快,时钟慢得越厉害,当飞船无限趋近于光速,时钟几乎静止了。
图:速度与时间的关系
同样是从太阳到地球,速度越快钟走得越慢,而对于光速的光子来说,它的时间是静止的,时间间隔是一瞬间。动钟变慢也意味着一开始同步的静止时钟和运动时钟,当运动状态发生了改变,时间就不再同步,而是相对的。
尺缩效应(缩短空间间隔方案):除了运动状态与时间,空间也一样。由于动钟走得较慢,时间发生了膨胀。举个例子,地面上的人认为高速飞船需要8小时才能从太阳飞回地球,对于飞船与驾驶员来说,实际上飞船上的钟走了1个小时就到地球了。
而飞船匀速直线飞行,速度相同,双方看到飞行的时间却不同,说明在驾驶员眼里地日的距离并没有那么长,由于飞船高速运动空间间隔缩短了,而且飞船的速度越快,缩短的程度就越大。
图:速度越快尺寸收缩程度就越大
如果飞船无限接近于光速飞行,它就能无限的接近光子的空间观,世界在它眼里似乎缩成了一个点。当太阳A点与地球B点,这两个点缩成了一个点之后,空间间隔为零,就似乎是把白纸上的两个点叠在了一起。
方案三“综合”:钟慢与尺缩效应是高速运动引起的,当光子以光速运动,那么以上两个方案是同时进行的。
光子说:我只需要一瞬间
光子从太阳到地球,在我们眼里用了8分钟,但对于它自己来说只不过是用了零时间跨越了零距离。对于它来说世界是零维的点,它只不过是在这个点中一闪一闪,瞬间出现又瞬间消失,没有时间间隔,也没有空间意义。
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