通俗硬核科普:为什么宇宙会将最大速度限制在光速?
速度是时间的快进键,而光速是时间的暂停键。当达到光速,时间静止;当超过光速,时间快退。
要理解这个问题,就一定要理解一个很重要的事实:
时空是相对的,每个人感受的时空会受速度影响而变得不一样(其实引力也会影响,但这里不讨论)这一点是理解下面所有内容的前提。
当你在无限接近光速的飞船上,飞向一光年远的星球,你的时空和观察者的时空是独立的(在公式中会是两个量:t 和 t0)。
观察者看到你飞了一年,终于到达了目的地,而你感觉只过去了几分钟,一下就到了一光年远的地方。
牛顿的旧时空理论认为,时空是绝对且唯一的。不管飞多快,你一个来回,跟地球上的人经历的时间应该一模一样(t=t0)。爱因斯坦告诉我们,这是错的。但这却是最符合直觉的,也是大部分人想的样子。
看到这里你可能会有两个问题:
1. 上面例子一光年,不是说好的光要走一年吗?咋一下就到了?
一年,是观察者的参考系,而你,处于接近光速的你,已经身处另一套参考系。你们感受的时空并不一样。造成这种不一样的,是速度。
2. 为什么平时我们感觉不到彼此时空的差异?
感觉不到,是因为差异极小。小到跑步的你,相对静止的别人每秒时间只慢一亿亿分之一秒。
你们所处的空间系也不一样。运动的你,引力势比静止的人大。但在远小于光速的情况下你都察觉不到这些差异。
理解了上面这些,下面就讲速度与时间的关系:
把时间拉长,如果你在无限接近光速的飞船里过完一生呢?
最劲爆的回答是:你可能过不完这一生了……
因为还没等你过完一生,宇宙就已经毁灭了。
在你无限接近光速的一生中,外面的世界可能过去了百亿年(其实远不止,后面会讲)。
另一个劲爆的问题:如果光子有意识的话,宇宙对它来说是什么感觉?
答案是,它没有时间概念,没有之前和过去,它的时间在我们看来是「暂停」的,它更没有宇宙创生的感知,因为创生这个定义本身就基于时间。
所以,如果你想进行时间旅行,想看到宇宙末日的景象,最好的办法就是驾驶无限接近光速的飞船不停地飞呀飞。你可能才飞几天,地球就已经毁灭了,才飞几个月,太阳就燃烧尽了,才飞几年,宇宙就迎来热寂了,才飞十年,宇宙就开始大收缩了,二十年,整个宇宙重新变成一个奇点,你也不复存在了。但整个过程你只经历了 20 年。所以:
速度是时间的快进键。快进程度,仅取决于你接近光速的程度。当达到光速,时间静止;当超过光速,时间快退。但达到和超过光速是不可能的,我们只能无限接近光速。这变相说明两个事实:
1. 我们的存在,离不开时空;
2. 不能「回到过去」,只能「回到未来」。
所以,光速和时间最确切的关系就是:光速是时间的暂停键。
所以,你策马奔腾、与人共享人世繁华其实是在按时间的快进键,只不过这个程度非常非常微弱,你完全察觉不到。但当你策马奔腾的速度越来越接近光速的时候,这个变化就明显了,可以说非常巨大。巨大到什么程度?
那么突然杀出第三个劲爆的问题:以光速运动的飞船,飞船内部的时钟显示,刚好早上 9 点整从地球出发(无加速,瞬间光速),问:到达一光年远的星球上时是几点?
答案是早上 9 点整。
飞船内部的人完全无自知地就已经到了目的地了,你以为还没出发,实际已经到了。你意识飘忽的一瞬,在没有时间的虚无里可能是永恒,可能是弹指一挥,二者没有区别。你意识空白的那一刹那,就是经历了这种永恒或一瞬的虚无。而观察者则结结实实过了一年。
这是极限情况:速度=光速。它意味着无论多远的距离,你对来说,不需要时间就能到达。这变相说明第三个事实:
3.在无限接近光速时(没达到光速),去再远的地方,都是一瞬间(纳秒级),而观察者可能经过了 100 亿年。这种接近程度越高,越倾向于不需要时间,实际所花时间就越接近零。
所以,当我们无限接近光速的时候(99.99999999999999999999999999%),哪怕去 10 万光年远的地方,耗时也是纳秒级的。而观察者,很悲催地等了你 10 万年……可以说非常望眼欲穿了。(后面有数学证明,实际情况远远比这个比例恐怖。)
星际穿越里的桥段,男主带领队员去巨浪星球,一个来回花了几十分钟,回来后,留守的老黑早已经白发苍苍,他说:「我苦苦等了你们 23 年……」
列一个公式和大家继续说明:
狭义相对论慢钟效应公式。
t 是运动参考系时间,t0 是静止参考系时间(观察者),v 是运动者速度,c 是真空光速。
可以看出四点:
1.当 v 远小于 c 时,t 几乎等于 t0,差异可以忽略不计,所以你感觉不到。这正是地球上发生的一切。牛顿时空理论体现的也就是这种情况。
2.当运动速度 v 无限接近 c 时,无论观察者 t0 多大,运动者经历的时间 t 都趋向无限小。这就是为什么天堂方一日,人间已千年。
3.当 v=c 时,无论 t0 经历多久,t=0,也就是运动者的时间静止。这不允许发生。
4.当 v>c 时,无论观察者 t0 如何,运动者的时间 t 都是个虚数,对应了空间一点。同样不允许发生。
计算一些数据,让你直观感受:
如果以光速的 99.999……%(小数点后面精确 13 个 9)飞行一光年的的距离,运动者感知所花的时间是 1.41033 秒。可见差距多么大。你在飞船里面眨了一下眼就到了。你身体细胞的新陈代谢就只是经过了这 1.41033 秒,而观察者则看你飞了一年时间。
时间对比:1 年 VS. 1.41033 秒。
那如果接近光速的 99.999……% 呢?(小数点后面 20 个 9)
那将是: 时间对比:100 万亿年 VS. 6.307 秒
也就是说:100 万亿光年的距离,你在里面感觉只飞了 6.307 秒就到了。观察者看你飞了 100 万亿年,而你在里面只过了 6.307 秒,等你到的时候,观察者早已连灰都不剩了。所以,「天下武功唯快不破」是真理啊!
所以:如果你以这个速度飞行,你大概一秒都飞不到,宇宙就灭亡了!(宇宙至今才 140 亿年历史。)
另外,针对有人质疑说,电影里时间变慢是因为黑洞,不是速度啊。是的,你很冰雪聪明。这篇我们探讨的主要是速度对时间的影响。事实上,引力造成的空间曲率变化也会将时间变慢,而这种变化同样只在引力非常巨大的时候才会很明显。而黑洞就是这类。试想这样一个画面:你漂浮在黑洞的安全区周围,看着你的同伴被引力拉向黑洞,整个过程会是怎样?
答案是:你会看到他越来越慢、越来越慢,最终静止在黑洞视界。其实他还在加速运动,只是你永远看不到。因为时间和光被禁锢在黑洞视界,所有掉进黑洞的物体,影像都会被存在视界上,成为永恒。
所以黑洞并不一团全黑,它往往有一个非常「亮」的指环,那是吸汲恒星盘的「余晖」。这个亮,不一定是可见光,而是高能辐射。(请参考霍金辐射理论,黑洞视界上能量依然可以逃逸,会有玻尔兹曼涨落的正负粒子对,一个吸入视界,一个逃逸,总量守恒。)
以上主要讲的是光速和时间。
另外解释一下对参考系的疑惑。
第一个问题就是: 以接近光速运动的人和观察者应该是一个时间感觉才对啊,观察者看他走了一年,他自己也应该感觉走了一年啊。
上文说到了,这是牛顿的旧时空理论,它的本质就是认为时空系是唯一的,每个人经历的时间感是一样的。然而这是不对的,时空系(或者惯性系)是相对且不唯一的,每一个速度不一样的物体,其时间感都是不一样的,只有当速度差异接近光速的时候,这种不一样才会非常明显,否则你几乎察觉不到。
举个例子:
这个例子其实就在你身边,GPS 定位。 卫星高速运动带来的时间变慢(其实还包括引力效应造成的时间变慢,这里不讨论),大概是每秒比地面接收站慢一千亿分之八秒,很微弱很微弱。但是,就这一千亿分之八秒的时间变慢,会让导航误差偏离 400 米左右。所以卫星的时钟都要人为调快一千亿分之八秒,也就是一年要快千分之三秒,这样你才能精确定位。
最后一个问题:
为什么有质量的物体不能达到和超过光速?
因为当物体逐渐接近光速,消耗的能量将成指数增长,且物体自身动态质量 M 会变得越来越大(参考爱因斯坦相对论方程和质能方程,这里不贴了)。如果达到光速,消耗的能量和动态质量 M 都将无穷;如果超过光速,将开始消耗负能量,而这对我们来说都是不可能的。故,无法达到和超过光速。
那么突然袭来第四个劲爆的问题:
如果一个有质量的物体真达到了光速,自身动态质量 M 也变得无穷大,会带来什么后果?
回答之前,首先你要明白的是,动态质量 M 不等于静质量,它是数学的等效,更确切地说,它其实就是能量的另一种表现(质能方程告诉我们,质量和能量其实是一回事,两种表现形式罢了)。
那么会带来什么后果呢?
答案是这个物体将具有无限的能量。它的动质量可能造成巨大的引力势阱,大到无穷。那是什么?
没错,是黑洞!
所以,宇宙从各个方面很巧妙地限制了你达到光速。巧妙得有点像设计好的一样……
那么终极劲爆问题来了:
谁设计的?
写在最后:
如果人类能实现接近光速飞行,那飞船里是不需要大型维生系统的(比如完整的生态链)。因为就算飞几光年、上百光年远也就一瞬间的事,带上小型维生系统以应对不测就行了。
所以有些科幻片的飞船里设计有大型生态链,甚至有森林,然后飞船又是光速飞行的,那就很不硬科幻了。因为曲率引擎也没有加减速的概念,更没有工质引擎的加速感,所以并不需要森林那么夸张的维生系统。去半人马座,带个士力架、一瓶农夫山泉足够跑个来回了。
可能我说的是歌者文明,三体文明另说……
好像扯远了,就到这吧!
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