通常情况下,我们讨论太阳与地球的遥远距离——1.5亿公里,以及光速的飞快——每秒30万公里,往往不假思索地计算出太阳光抵达地球需时约8分钟。然而,这种运算不过是人类视角下的数学游戏。站在人类的角度,我们认定太阳光用8分钟时间跨越星际。



但倘若太阳光有知,它或许会抗议:我为何需看人类的脸色行事?我自己的旅程难道没有自己的时长?

此言一出,许多人恐怕都会惊讶:连光都不知道时间为何物?

的确,光波并不理解人类所称的时间概念,因为它的感知中根本无时间存在。



此时,你可能困惑不已:时间不是遍布每一角落吗?怎会到了光的领域内便消失无踪?

请随我慢慢探讨。首先,我们来做一场思想实验。

假设你的办公室位于离家10公里的地方,驾车前往需耗时20分钟,这“20分钟”便是你对时间的度量。

你可能好奇:为何特别指出“我的计时”?难道他人所见不是20分钟吗?

实际上,在旁人看来,你抵达办公室的确需时20分钟。



这便是牛顿力学的根基——绝对时空观,认为时间和空间是孤立存在的绝对量,对任何人来说,时空不会改变,时间恒定流逝。

若时空真是绝对的,光速就不可能是恒定的,相对论的基石之一“光速不变原理”将不复存在。



爱因斯坦提出相对论,基于“光速不变原理”和“相对性原理”,彻底颠覆了牛顿的绝对时空观,构建了相对时空观,认为时空是相对的、不可分割的整体,速度能够影响时空。

“光速不变原理”意味着光速具有绝对性,不论物体如何运动,观察到的光速始终如一。举例来说,即使你以无限接近光速追赶一束光,在你眼中,光速依旧是光速。

说得更直接些,任何速度与光速相加,结果仍是光速。



即是说,哪怕你纹丝不动,我以0.99倍光速追光,我们所见的光速是相同的,皆为光速。

你或许不服:我如此快速飞驰,而你静坐不动,结果我俩与那束光的相对速度竟都为光速,难道我之前的努力都是徒劳?这不公平,我抗议!

我只能回应:抗议无效,光速就是如此霸道。

正是因为光速的霸道,为了适应它,你我所感知的时间和空间必须有所不同,否则,我们眼中的光速怎能同为光速?

要更好地理解光速不变原理,或许可以拿低速世界作比喻。

譬如,一列火车以时速100公里的速度(相对地面)行驶,我静立地面,你以时速20公里与火车同向奔跑,但你我所见的火车速度依然是100公里/小时。

这意味着什么?既然在不同速度下我们都观测到相同的火车速度,那么你我的时空感知必然不同,唯有如此,我们才能看见相同的火车速度。如果我们的时间空间完全一致,所见的火车速度肯定不同,因为我们的速度有别。

这道理似乎有点复杂,但实则不难领会,细细思考便能理解。

现实中,我们所见的火车速度肯定是有差别的,此处借助低速世界,只是为了帮助理解光速不变原理。



当然,我们还能用数学方法,严格根据光速不变原理计算出时间膨胀和尺缩公式,但这过程不复杂,此处就不赘述。

时间膨胀与尺缩是同时发生的,两者其实是等价的,因为时空本一体,不可分割。



而且,任何事物不仅在空间中移动,也在时间中行进,我们常说的速度指的是三维空间的速度,而非四维时空的速度,两者实则大相径庭。

宇宙万物在四维时空中穿行,空间速度与时间速度间存在某种特定联系。若物体在空间速度为零,即我们所说的静止,那么在时间维度它将以光速行进,时间速度为最快。



而如果物体在空间中有速度,该速度实则相当于在时间维度的速度产生一个分量,导致时间速度减慢。

简单来说,时间和空间的速度会“默契配合”,就像两个物理矢量,最终合成的速度即为光速。



空间速度(即我们常说的速度)越高,时间速度就越慢,意味着时间流逝就越缓慢。反之,速度越低,时间速度越快。如若速度为零,即静止状态,时间流逝最快,也就是光速。

换句话说,宇宙万物其实始终以光速前行!注意,此处的“光速”指的是四维时空的速度,非三维空间的速度。

根据狭义相对论的时间膨胀效应,若物体速度接近光速,时间将趋近于停止,若达到光速,时间便会静止。

不过,“达到光速,时间静止”这种说法并不严谨,因为以光速移动的物体,如光本身,已非狭义相对论所能解释,该理论仅适用于低于光速的物体,一旦超越光速便不再适用。



“达到光速,时间静止”仅是通俗之说,我们当然可以简化理解。但更精准的说法应是“达到光速,时间便不复存在”。

这也是为何我先前会说“在光的视角中,时间概念根本不存在”。向光解释时间,就如同向人类描述不存在的颜色,毫无意义。



由于光不知时间,意味着无论光穿越多远距离,它都无需时间,或者说“只需刹那”,即使抵达宇宙边缘,光也可瞬息即至。

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