时间和空间的概念因光子的存在,会表现出独特的一面。

对光子而言,时间是没有意义的。



由于它的速度达到了光速,在光子的 “感知” 中,整个世界如同一个紧密压缩的微小点,时间仿佛完全凝固。

然而,在人类的日常视角下,光子的这种特性并不那么显而易见,这或许源于我们对光子的了解还不够深入。

当我们欣赏夕阳西下的美景时,实际上看到的是八分钟前太阳发出的光。

那些承载着日落壮丽光影的光子,从太阳出发,历经漫长旅程,最终被我们视网膜上的感光细胞分子吸收。



从人类的时间尺度来看,光子在太空中穿梭了 8 分多钟;但从光子自身的 “视角” 出发,这段旅程几乎没有花费任何时间。

为了更好地理解这一现象,我们可以设想两种让光子瞬间抵达地球的方案。

第一种方案是缩短空间间隔。

我们可以在白纸上标记 A 点代表太阳,B 点代表地球。借助爱因斯坦提出的时空隧道,也就是虫洞,将空间进行折叠,使 A 点与 B 点直接相连。这就好比用笔将 A 点穿透到对面的 B 点,原本遥远的距离瞬间拉近。



第二种方案是加快速度,以此缩短时间间隔。

让光子从太阳到地球的 8 分钟行程,在其自身 “感受” 中缩短到一瞬间,同时确保地球上的观测者看到的依然是 8 分钟的行程。这一概念引入了 “相对时间” 的范畴,理解起来较为抽象,下面将展开详细解释。当然,这两种方案也可以综合运用。



然而,我们知道光速是恒定不变的,光子既无法加速,也不能减速,更没有折叠空间的能力。

那么,光子究竟是如何实现瞬间跨越漫长距离的呢?

爱因斯坦在 16 岁时发表的论文《磁场里以太的状态研究》中,提出了一个极具前瞻性的问题:“如果我以光速运动,光在我眼中会是什么样子?它会静止不动吗?”



在论文中,爱因斯坦根据麦克斯韦的理论给出了自己的观点:无论自身以何种速度运动,释放出来的光波在他眼中始终以光速运动。



这表明,早在发表《狭义相对论》的 10 年前,爱因斯坦就已经洞察到光速不变原理,并对经典物理学中光在以太介质中传播的理论提出了挑战。

那么,光速为何恒定不变呢?



这一特性源于光子静止质量为零。

物质由比质子、中子更小的基本粒子构成,电子便是其中之一。在量子场论中,空间与粒子之间存在着各种场,如电磁场。



粒子在场中运动时会产生四种相互作用,这些相互作用赋予了物质质量。根据质能方程 E=mc²,质量与能量本质上是等价的,质量可看作是能量的另一种表现形式。

实际上,粒子所表现出的大部分质量并非其本身的质量,粒子的自身质量源于希格斯场。



当粒子在希格斯场中运动时,会获得一定的势能,从而拥有了质量。



可以将希格斯场想象成一片海洋,夸克在其中运动时,如同被海水束缚,进而获得势能,产生质量。



但希格斯场对光子而言,就如同空气一般,几乎不会对其产生束缚。



光子自产生起,便沿着一个方向永不停歇地运行,不受任何阻碍,因此得以拥有绝对的速度。

1905 年,对于爱因斯坦来说是具有里程碑意义的一年。这一年,年仅 26 岁的他发表了《狭义相对论》,给出了 16 岁时提出问题的答案,同时还发表了质能方程及其他两篇论文。



《狭义相对论》以光速不变原理为基石,其中的钟慢尺缩效应完美地解释了光子的奇妙特性:

动钟变慢:设想有两个同步的时钟,一个与我们相对静止,另一个被带上飞船。当飞船匀速飞行时,我们会发现飞船上的时钟走得比静止的时钟慢,而且飞船速度越快,时钟变慢的现象就越明显。当飞船速度无限趋近于光速时,时钟几乎停止走动。



同样以太阳到地球的距离为例,速度越快,时钟走得越慢。对于以光速运动的光子来说,它的时间是静止的,时间间隔几乎为零。这意味着,原本同步的时钟,在运动状态发生改变后,时间不再同步,而是呈现相对状态。

尺缩效应:不仅运动状态会影响时间,空间也会受到影响。由于动钟变慢,时间发生膨胀。例如,地面上的人认为高速飞船从太阳飞回地球需要 8 小时,但对于飞船和驾驶员来说,飞船上的时钟只走了 1 小时就抵达了地球。



飞船以匀速直线飞行,速度相同,但双方观测到的飞行时间却不同,这表明在驾驶员眼中,太阳与地球之间的距离并没有那么远。随着飞船速度的增加,空间间隔会不断缩短。当飞船速度无限接近于光速时,它将无限接近光子的空间观,整个世界在它眼中仿佛缩成了一个点。



此时,太阳所在的 A 点和地球所在的 B 点几乎重合,空间间隔趋近于零。



钟慢和尺缩效应是物体高速运动所引发的。当光子以光速运动时,这两种效应会同时出现。

所以,光子从太阳到地球的过程,在人类眼中需要 8 分钟,但对光子自身而言,它在零时间内跨越了零距离。

在光子的 “世界” 里,一切都浓缩在一个零维的点中,它在这个点中瞬间出现又瞬间消失,既不存在时间间隔,也没有空间上的意义。

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