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深度科普:大自然為何要將最大速度限制在光速?不限制不行嗎?

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光速是時間的暫停鍵。當物體的速度無限趨近于光速,時間仿佛靜止不動;一旦超過光速,時間便開始倒流。



理解這個問題的前提是,我們必須認識到時空的相對性。每個人感受到的時空會因速度的不同而有所差異(引力也會造成影響,但這里不討論)。

假設你乘坐一艘無限接近光速的飛船,飛向一光年之外的星球。你的時空體驗與地球上的觀察者是完全不同的。

在觀察者的眼中,你飛越了一年的時間,最終抵達了目的地。而對你而言,可能只過了幾分鐘,轉瞬之間便跨越了一光年的距離。



牛頓的舊時空理論則認為,時空是絕對的,唯一的。不論速度多快,往返一次的時間應該與地面上的人所經歷的時間完全相同。然而愛因斯坦卻告訴我們,這個觀點是錯誤的。這雖然符合我們的直覺,也符合大多數人對時間的直觀理解,但它并非事實。

接下來,你可能會有以下兩個疑問:

既然是一光年的距離,難道不應該是一年嗎?為何飛船瞬間便到達了目的地?

答案在于時間的參照系。一年,是觀察者所在的參照系中的時間。而你,處于接近光速的飛行中,已經置身于另一個參照系。因此,你們所感受到的時空自然不同。

為何我們在日常生活中,感覺不到彼此時空的差異?

我們感覺不到,是因為這種差異微乎其微。小到對于跑步的你,與靜止的旁觀者相比,每秒的時間只慢了一億億分之一秒。

你們所在的空間參照系也不相同。運動中的你,所處的引力勢能比靜止的人更大。但在低速運動的情況下,這些差異根本無法察覺。

了解了上述內容后,我們再來看看速度與時間的關系:

假如你在一艘無限接近光速的飛船里度過了整個人生,會怎樣?

最震撼的回答可能是:你的人生可能還沒結束,宇宙就已經走向盡頭。



在你以接近光速的速度度過一生的過程中,外部世界可能已經過去了億萬年(實際上遠不止這些)。

另一個令人震驚的問題是:如果光子有意識,那么對它來說,宇宙會是什么樣子?

答案是,光子沒有時間的概念,既沒有過去,也沒有未來,它的時間對于我們來說是“凍結”的,它也無法感受到宇宙的誕生。因為“誕生”的定義本身就是基于時間的。

因此,如果你想進行時間旅行,想要目睹宇宙的終結,最好的辦法就是駕駛一艘無限接近光速的飛船不停地飛行。你可能只飛了幾天,地球便已不復存在;飛了幾個月,太陽燃盡了它的燃料;飛了幾年,宇宙迎來了熱寂;飛了十年,宇宙開始收縮,回到一個奇點,而你也不復存在。但整個過程中,你只經歷了二十年。因此:

速度,是時間的快進鍵。速度越接近光速,時間流逝的速度就越慢;當達到或超過光速,時間便開始倒流。然而,達到和超過光速是不可能的,我們只能無限接近光速。這間接說明了兩個事實:



我們的存在離不開時空的維度;

我們無法回到過去,只能前往未來。

因此,光速和時間之間的關系可以明確地概括為:光速,是時間的暫停鍵。

所以,當你快馬加鞭、與世人共享這世間的繁華,其實你正在按下時間的快進鍵,盡管這個過程極其微小,你幾乎察覺不到。但當你的速度越來越接近光速,這種變化就會變得明顯,甚至巨大無比。

那么第三個震撼的問題來了:以光速運動的飛船,內部的時鐘顯示,在早晨9點從地球出發(沒有加速,直接達到光速),那么到達一光年之外的星球時,時間是幾點?

答案是:仍舊是早晨9點。

飛船內部的人們完全不知道自己已經抵達了目的地,而你認為還沒出發,實際上已經到達。你意識模糊的瞬間,在沒有時間的虛無中可能是永恒,也可能只是一瞬間,兩者沒有差別。你意識空白的那一刻,就是經歷了這種永恒或一瞬間的虛無。而觀察者則實實在在地度過了一年。

這是速度極限的情況:速度等于光速。這意味著無論距離有多遠,對你而言,都不需要時間即可到達。這間接說明了第三個事實:

當速度非常接近光速時,去任何遙遠的地方,都是一瞬間(納秒級),而觀察者可能已經度過了數百億年。速度越接近光速,所需的時間就越接近零。



所以,當我們無限接近光速時(比如99.99999999999999999999999999%),哪怕是去10萬光年遠的地方,花費的時間也是納秒級別的。而觀察者,卻苦苦等待了你10萬年……可以說非常令人期待。(后文有數學證明,實際情況遠比這個比例更加驚人。)

電影《星際穿越》中的情節,男主角帶領團隊去巨浪星球探險,來回只花了幾十分鐘,但留守的人已經白發蒼蒼,他說:“我等了你們23年……”

我們再來看一個公式,以便更清晰地了解:

這就是狹義相對論中的鐘慢效應公式。



公式中,t是運動參照系的時間,t0是靜止參照系(觀察者)的時間,v是運動者的速度,c是真空中的光速。

從公式中我們可以得出以下四點:

當v遠小于c時,t幾乎等于t0,差異可以忽略不計,因此你感覺不到任何不同。這就是地球上發生的一切。牛頓的時空理論所體現的正是這種情況。

當運動速度v無限接近c時,無論觀察者t0多長,運動者經歷的時間t都趨向于無限小。這就是所謂的“天上一日,人間千年”。

當v=c時,無論t0經歷多久,t始終為零,這意味著運動者的靜止時間。這是不允許發生的情況。

當v>c時,無論觀察者t0如何,運動者的時間t都是虛數,對應于某個空間點。這也是不允許發生的情況。

通過一些數據,我們可以更直觀地感受這種差異:

假如以光速的99.999……%(小數點后精確到13個9)飛行一光年的距離,運動者感知所花費的時間大約為1.41033秒。差異之大顯而易見。在飛船中你只需眨一下眼便可到達目的地。你的細胞新陳代謝僅經過了1.41033秒,而觀察者則看著你飛越了一年時間。

時間對比:1年 VS. 1.41033秒。

如果接近光速的99.999……%(小數點后精確到20個9)飛行呢?

那將是:時間對比:100萬億年 VS. 6.307秒。

也就是說:在100萬億光年的距離內,你在飛船中感覺只飛了6.307秒便到達了目的地。觀察者看著你飛越了100萬億年,而你實際上只經歷了6.307秒,等你到達時,觀察者早已灰飛煙滅。因此,“天下武功,唯快不破”的確是至理名言!

所以:以這樣的速度飛行,你可能連一秒鐘都飛不到,宇宙就已經走到了盡頭!(宇宙至今只有140億年的歷史。)

另外,有人質疑電影中時間變慢的情節是因為黑洞,而非速度的原因。沒錯,你很聰明。本文主要探討的是速度對時間的影響。事實上,引力造成的空間曲率變化同樣會導致時間變慢,這種變化在引力極大的情況下尤為明顯。而黑洞正是一個例子。想象一下這樣的畫面:你漂浮在黑洞的安全區域,看著你的同伴被引力吸入黑洞,整個過程會是怎樣?

答案是:你會看到他越來越慢、越來越慢,最終停滯在黑洞的視界。其實他仍在加速運動,只是你看不見。因為時間和光都被束縛在黑洞視界,所有墜入黑洞的物體,其影像都會被定格在視界上,成為永恒。

因此,黑洞并非全然黑暗,它往往有一個異常“明亮”的光環,那是從附近恒星盤上汲取的“余暉”。這個光,不一定是可見光,而是高能輻射。(參考霍金輻射理論,黑洞視界上仍有能量可以逃逸,存在量子漲落的正負粒子對,一個被吸入視界,一個逃逸,總能量保持守恒。)

以上主要討論了光速與時間的關系。

接下來,再解釋一下關于參照系的疑惑。

第一個問題:以接近光速運動的人和觀察者應該感覺到相同的時間,不是嗎?觀察者看到他走了一年,他也應該感覺到走了一年。

然而,這一觀點實際上建立在過時的牛頓時空觀之上,該理論主張宇宙中存在一個普適的、單一的時空框架,每個人體驗的時間是相同的。但實際情況并非如此,因為不同運動狀態的觀察者會感受到不同的時間流逝,而這種差異在相對速度接近光速時變得尤為顯著。



來看一個貼近生活的例子:我們每天使用的GPS導航系統。由于衛星的高速運動,其內部時鐘相對于地面要慢大約每秒一千億分之八秒,這是一個極其微小的差異。盡管如此,這樣的時間差異累積起來會使導航的誤差達到約400米。因此,衛星上的時鐘需要被提前調快相應的量,即一年快出千分之三秒,以確保定位的精確性。

那么,我們來探討下一個難題:為何具有質量的物體不能達到或超越光速呢?答案在于能量的消耗和物體的動態質量。當一個物體靠近光速時,其所需的能量呈指數增長,同時根據愛因斯坦的相對論公式,物體的質量也會急劇上升(這里不詳述公式細節)。若物體速度等于光速,所需的能量及質量將變成無窮大;若速度超過光速,則需要負能量,這在物理學中是不被接受的。因此,有質量的物體無法以光速或超過光速移動。

接著,我們來看一個更為極端的問題:如果一個有質量的物體真的以光速移動,其動態質量也變得無窮大,這將帶來怎樣的后果?在此之前,我們需要明白動態質量并不等同于靜止質量,它更多地是一個能量的數學表現形式。換言之,這樣的物體將蘊含無窮的能量,其動態質量可能形成一個引力勢阱,大到無法想象。那會是什么樣子呢?沒錯,就像是一個黑洞。

至于誰設計的這個宇宙,我們暫且不談。但值得注意的是,如果有朝一日人類能夠實現近光速旅行,那么飛船內部就不再需要龐大的生態系統來維持生命。因為旅程所需的時間將被極大地壓縮,只需攜帶足夠的應急補給即可。因此,那些描繪帶有大型生態系、森林遍地的光速飛船的科幻作品,在科學上就不那么令人信服了。

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