光年,是个距离的量度,并非时间的尺度。它指的是光线一年所穿越的距离,大约为9.46万亿公里。对地球居民而言,光年之遥,几乎遥不可及。 宇宙之浩渺,用公里来度量显得过于微小,因此我们采用了光年这个更大的尺度。然而,即便是光年,置于宇宙的巨大尺度中,也是显得如此渺小。 光年的定义似乎不难理解,但为了严谨,我们需要深入探讨。你可能会质疑,一光年的定义是光线行走一年的距离,难道这距离真的需要光线走一年吗?这个问题听上去有点复杂,像是在辩论,但它并不是。光年确实是光线一年所经过的路程,这一点无误,但光线走完一光年的距离,并不需要整整一年。 如何理解呢?我们需要明确:光线行走一年所经过的距离叫做光年,这里“一年”是相对于我们人类的时间,而非光线自己的一年!理解这一点很关键。 根据爱因斯坦的狭义相对论,一个物体的速度越接近光速,其时间流逝的速度就会越慢,这就是所谓的“时间膨胀效应”。具有静质量的物体永远无法达到光速,只能是无限接近。一旦物体速度等同于光速,那么它已经变成了光子,不再是原本的物体。 为何有静质量的物体不能达到光速呢?狭义相对论的质速公式可以给出答案: 公式中的m是物体的质量,m0是其静质量,V是物体的运动速度,c代表光速。从公式可以看出,当V无限接近光速,物体的质量会趋近于无穷大,这意味着需要无限多的能量来驱动物体保持这个速度,这显然是不可能的,尤其对于有限的宇宙而言更是如此。 光速不变原理是狭义相对论的两大基本假设之一,它意味着光速在任何参照系中都是常数。通常我们讲速度时必须设定一个参照系,否则速度无从谈起。然而,光速是个例外,它不需要参照系(或在任何参照系中都是光速),这使光速成为时空的基本属性,严格来讲,光速并不是指光的移动速度,而是由麦克斯韦方程组推导出的一个常数,与真空的磁导率和介电常数有关。 关于这一点,我们稍后再谈。 理解了光速的这一特性,我们就能明白,对于光线本身而言,没有时间的概念。换句话说,无论光线穿越的距离有多远,对于光线来说,都是瞬间即达,即便是穿越整个可观测宇宙,也只需一瞬间。 然而,在人类的视角中,情况并非如此。光线走完一光年的距离,的确需要一年的时间。这是由于不同参照系的选择导致的不同认知。 理解这一点可能有点困难,那我们就用亚光速旅行来举例说明。 如果你乘坐一艘亚光速的飞船离开地球,你在飞船上度过的一年与地球上的我度过的一年是不同的。各自经历的时间(本证时间)是相同的,这意味着你体验到的一年与我体验到的一年在长度上是一致的。这并不矛盾,而是参照系的不同选择所带来的结果,体现出时间的相对性和同时的相对性。 换句话说,对于两个不同的参照系,对同一事件的时间观察结果是不同的。 例如,比邻星距离地球约4.3光年。如果你乘坐亚光速飞船飞向比邻星,地球上的我看来,你需要大约4.3年的时间才能到达。但对于飞船上的你来说,所需的时间远少于4.3光年。 在亚光速旅行中,时空的变化非常显著,尺缩效应也变得非常明显。地球与比邻星之间的距离不再是4.3光年那么远,实际上会比这个距离更短,具体缩短的程度取决于你与光速的接近程度。理论上,比邻星甚至可能就在你眼前,你可以瞬间到达,前提是你必须非常接近光速。 当然,也可以理解为速度越快,所花费的时间就越短,因为时间膨胀效应和尺缩效应是相辅相成的,时间和空间本就是不可分割的整体。 这其中涉及到一个类似“双生子佯谬”的问题。 从地球上的我的视角来看,你飞往比邻星需要4.3年。而你却觉得自己远不到4.3光年就能到达,我会看到你的时钟变慢了,你的所有动作都放慢了,就像电影中的慢动作一样。 由于速度具有相对性,你看我的效果也一样,你会看到我的时钟同样变慢了,我的一切动作也都慢了下来。 那么,到底谁的时间变慢了?看起来似乎存在矛盾。 实际上,并不矛盾。因为我们处于两个不同的参照系中,你和我观察到的结果仅代表各自的参照系,无论如何,都不会发生矛盾,我们的观察结果都是正确的。 那么,为何亚光速飞行的你会显得更年轻呢? “年轻”这个概念也是相对的。也就是说,你和我必须重新回到同一个参照系,才有资格比较谁更年轻。如果我们一直处于不同的参照系(永远不返回地球),那么讨论“谁更年轻”就没有意义。因此,你必须返回地球,然后才能比较谁更年轻。 如果你打算返回地球,势必会经历减速和加速的过程,这个过程实际上改变了你的时间,让你的时间变慢了。而我,地球上的我,并未经历减速或加速。 有一个公式可以用来计算你的时间相对于我的时间到底慢了多少,这个公式如下: 最后强调,在任何参照系中,个体感受到的时间(本证时间)都是相同的,没有任何区别。 |
|