在日常生活中,一分钟的时间往往转瞬即逝,看似极为短暂。然而,当我们将视角转换到接近光速的奇妙世界时,情况就截然不同了。
需要明确的是,依据现有的科学理论,光速飞行是无法实现的,所以这里我们假设物体以无限接近光速的速度运动(无限接近光速与达到光速有着本质的区别)。在这种情况下,无论时间间隔多么短暂,无论是一分钟、一秒钟,还是一微秒,从本质上来说,它们所产生的效果并没有什么不同。
想象一下,倘若一个人驾驶着一艘接近光速的飞船飞行一分钟后返回地球,他还能与家人重逢吗?答案是否定的。
这里的 “接近光速” 并非是一个确定的数值,它意味着无限接近,而这种无限接近会导致时间出现无穷无尽的膨胀。随着时间的极度膨胀,在地球上,他的亲人会逐渐逝去,地球可能会走向毁灭,甚至整个宇宙都有可能迎来终结。
或许很多人会心生疑惑:不就是一分钟,仅仅 60 秒而已,怎么会产生如此巨大的影响呢?
这个问题的关键就在于光速。当一个人相对于我们以无限接近光速的速度运动时,从我们的视角来看,他仿佛在追逐着我们世界的时间,直至时间仿佛静止一般。那么,为什么会出现这样奇特的现象呢?
这一切要追溯到 1887 年的迈克尔逊 - 莫雷实验,这个实验有着重大的发现,它奠定了狭义相对论的基础公理之一 —— 光速不变原理。在量子力学的理论框架中,光在没有引力干扰的正常运行状态下,完全不会受到任何事物的影响。这是因为连赋予质量的源头 —— 希格斯场,都无法对光子的运动产生作用,也正因如此,光在运动过程中没有任何束缚。
这一发现极大地颠覆了当时科学家们的认知。实际上,早在麦克斯韦的电磁学方程组中,就可以得出电磁波的速度是一个常数。因为决定其速度值的两个因素都是客观可测量的,而从广义上来说,光就是电磁波的一种,或者说电磁波包含了许多我们肉眼无法看见的光,例如无线电波、微波以及宇宙射线等。
相对性理论最早的奠基者是伽利略。在他的理论中,如果你坐在一艘密闭且匀速行驶的船中,你无法确切判断自己的状态究竟是在做匀速直线运动,还是处于静止状态。这就好比如果我们不观察天空,就无法清楚地意识到,基于地球,我们并非是绝对静止的,而是随着地球一起进行自转和公转。
高铁上的乘客看到的光
然而,“光速不变原理” 却打破了伽利略所提出的相对性。我们还是以伽利略的场景为例,当光参与其中时,它就与时间产生了紧密的联系。假设有一辆高铁匀速驶过站台,站台上站着一位检票员。在一节高铁车厢的正中间,有一个光源突然开启。对于高铁车厢内的乘客而言,光源到车厢前端与后端的距离是相等的,由于光速恒定不变,所以他们会认为光应该同时到达车厢的前端和后端。
检票员看到的光
但同样的情况,在站台上的检票员看来,高铁是处于运动状态的,因此存在相对的运动速度 v,而光速始终保持恒定为 c。这样一来,光向前端移动的相对速度就是 c - v,向后端移动的相对速度则是 c + v。所以,在检票员的视角中,光会先到达车厢的后端,而后才到达前端。同一个事件,在不同的参考系下,发生的时间却不相同,这就打破了事件发生的同时性。换句话说,检票员和乘客处于不同的时间世界中,他们所经历的时间流速是不一样的。
不过,在实际的列车场景中,这种现象很难被观察到。这是因为光速高达 108000 万千米每小时(即 30 万千米每秒),而高铁的最高时速仅为 350 千米每小时,两者的速度差距实在过于悬殊。
现在,让我们回到飞船的例子。假设有小美和小泽,他们各自拥有一个光子钟,分别标记为 A 和 B。光子钟内有一束光在上下两面反射镜之间来回反射,不断发出快速的 “嘀嗒” 声。
当小美带着光子钟 A 登上飞船,开始匀速飞行(这里我们先忽略加速过程),在小泽的眼中,小美的光子钟 A 的光线路径变成了斜线。
由于光速是恒定不变的,也就是说在小泽看来,光子钟 A 中的光子和光子钟 B 中的光子速度是一样的。但是,小泽的光子钟 B 的光只是上下运动,而小美飞船上的光子钟 A 的光却是沿着斜线运动。
很明显,斜线来回的运动轨迹距离要大于直上直下的运动轨迹。所以,在小泽看来,小美的光子钟 A 发出 “嘀嗒” 声的间隔变得较慢,也就是说,小美的时间流逝速度变慢了。从这个角度来看,此刻小美的衰老速度比小泽要慢,小美正变得越来越比小泽年轻。
当小美的飞船从 A 点移动到 B 点,设飞船的速度为 v,光子钟 A 走过的时间为 t',光子钟 B 的时间为 t。
通过三角形勾股定理,我们可以得出 t 与 t' 之间的关系。进而,我们能够得到 t/t' 的比值,这个比值反映了地球走过的时间与飞船上走过时间的变化曲线。在这个曲线中,横轴的单位是飞船的速度 v,刻度范围为(0 - 1 倍)光速。通过分析我们可以发现,当飞船的速度无限接近于光速时,地球与飞船两地的时间间隔比值会趋向于无穷大。
这个比值无穷大意味着什么呢?
这表示地球上过去了一分钟,而在飞船上可能已经过去了几亿分钟、几万亿分钟…… 并且,这个时间差会随着飞船速度无限接近于光速而不断增大。当飞船上的时间间隔无限接近于无穷大时,光子钟 A 中的光将趋向于静止,也就是我们所说的时间凝固。
此时,光子会永远静止在光子钟之中,飞船内的一切也将趋于静止状态。换句话说,当小美乘坐的飞船速度几乎达到光速时,在她弹指一挥间,地球可能就会毁灭,甚至宇宙也会走向终结。在这样的情况下,她又怎么可能再回头去看一眼已经毁灭的地球上的亲人呢?
这就是《狭义相对论》中著名的时间膨胀效应:相对速度越快,时间膨胀效应就越显著!