如果有人问:“你现在的运动速度是多少?”
如果你正安稳地坐在凳子上,大概率会如此作答:“我的运动速度为 0。”
不过,倘若将视野放得更为开阔,你或许会意识到,事情远非这么简单。
虽说相对于地面,你处于静止状态,可地球却始终处于运动之中。地球赤道处的自转速度高达 1600 公里 / 小时;除了自转,地球还以 107000 公里 / 小时的速度绕着太阳公转。
这还不是全部,太阳系同样绕着银河系旋转,速度为 828000 公里 / 小时,而银河系在广袤的宇宙空间里,也以每小时 216 万公里的速度持续前行。如此看来,我们在宇宙空间中的运动路径极为复杂,且速度快得超乎想象。
但你以为这就是全部了吗?实际上,这样的认知虽没错,却忽略了至关重要的一点。
通常情况下,提及运动,我们的思维极易局限于空间范畴,而将时间抛诸脑后。在牛顿所处的时代,空间、时间、物质与运动之间,被视作相互独立、毫无关联。
空间和时间能够脱离物质单独存在,换言之,即便宇宙中空无一物,不存在任何物质,空间和时间依旧会照常存在。它们仅仅为物质的存在与运动搭建了一个平台,而物质的存在及运动,并不会对空间和时间产生任何改变。
这就如同一个舞台,有无演员登台,演员在舞台上表演何种节目,对于舞台本身而言,都无关痛痒,不会造成任何影响。
然而,爱因斯坦的出现,彻底颠覆了这一传统观念。
他提出,时间和空间并非相互独立,而是一个不可分割的整体,被称为四维时空。时空的存在,离不开物质(能量);同样,物质(能量)的存在与运动,反过来也能够改变时空的结构。总之,这几者相互依存,彼此影响。
尤为关键的是,爱因斯坦将时间这一看不见、摸不着的抽象概念,转化成了如同空间一般真实存在的维度,与我们日常熟知的前后、左右、上下维度并无二致。
遗憾的是,作为身处三维空间的人类,我们根本无法直接看到时间这个维度,它仿佛虚无缥缈。但奇妙的是,我们却能真切地感受到时间的悄然流逝。
时间维度与空间维度存在着显著区别:在空间里,我们既能向前行进,也可向后倒退,既能向上攀升,也能向下坠落;但时间的流逝,却好似被安装了单向阀,只能朝着一个方向前进,我们无法让它倒流,过去发生的事情,也无法再次重现。
说到这儿,想必你看过经典科幻电影《星际穿越》。
影片中,男主最后进入黑洞,来到了五维时空。在这个更高维度的时空里,时间如同空间维度一样真实可触,男主甚至能够随意查看并改变过去发生的事情,还能给女儿墨菲传递信息。所以,从科学的角度来看,我们一直坚信时间是真实存在的,并且在更高维度中,它就是一个与空间维度类似的 “实体”。
尽管在我们所处的四维时空中,无法让时间倒流,也无法看到过去发生的事情,但爱因斯坦的相对论却赋予了我们一项神奇的能力 —— 左右时间的流逝速度。
其中的时间膨胀效应表明,当一个物体在空间中的运动速度加快时,它在时间维度中的移动速度就会相应减慢。
也就是说,当物体在空间中处于静止状态时,其在时间中的运动速度不会受到影响,会以正常速度前行。这就好比你驾驶汽车在一条笔直公路上匀速向西行驶(类比在时间中移动),此时若你转向西北方向,并保持速度不变,那么你的速度便会在向北(空间)方向产生一个分量,进而导致你在向西(时间)方向的移动速度减缓。
随着你在向北(空间)方向的速度分量越来越大,你在向西(时间)方向的运动速度就会持续降低,甚至有可能降为零,即时间停止。
在狭义相对论下,运动速度与时间膨胀效应之间存在着特定关系。
如相关图示所示,横轴代表空间中的速度,竖轴代表时间流逝速度。当物体在空间中的运动速度为 0 时,时间的流逝速度为 1;当速度达到 0.5 倍光速时,时间流逝速度减慢至原来的 0.9 倍;而当速度达到光速时,时间的流逝速度变为零。
由此可见,物体的运动可拆分为两个部分:空间运动与时间运动,即物体在时空中的速度。
当物体在空间中静止不动时,它便只在时间维度中运动;当物体在空间中开始运动,其在时间中的运动就会向空间产生一个分量,致使在时间中的移动速度变慢;当物体在空间中的运动速度达到光速时,时间便会彻底停止。
所以说,我们在时空这个整体中的运动速度恒定为光速,只不过这个速度会在空间维度产生分量,进而导致时间流逝变慢。只是时间维度中的运动,对我们而言,不像在空间中运动那般,能带来风驰电掣的直观感受。
当然,在现实宇宙中,只要是具有质量的物体,其在空间中的运动速度只能无限接近光速,绝不可能达到,更无法超越。
但有一些无质量粒子,如光子和胶子,它们却能够在空间中达到光速,并且在时间维度中停止运动。对于它们来说,不存在时间分量,因为在空间中,它们已经达到了速度上限,根本不会在时间中运动,这就好比一辆汽车,始终朝着北方疾驰。
以光子为例,它没有寿命,不会发生衰变,能够 “永生”,原因就在于它没有时间概念,除非被其他物质吸收。
例如,我们常说现在接收到的太阳光是 8 分钟前发出的,这是从我们人类的视角得出的结论;但对于光子自身而言,从太阳出发抵达地面并被吸收,仅仅是一瞬间的事情。
从诞生到消失,它根本没有经历时间的流淌。大爆炸产生的光子(微波背景辐射),在我们看来,已经有 138 亿年的历史了;但对光子而言,它仿佛刚诞生就被我们的仪器探测到了。
甚至对于光子来说,宇宙的起始与终结,似乎都发生在同一时间点,在它的 “认知” 里,宇宙刚诞生便已走向死亡。这便是在空间中达到光速的神奇之处,时间停止流动,没有时间的感知。
或许,这正是宇宙限制有质量物体在空间中达到光速的原因,这种现象实在太过神奇。
综上所述,尽管我们无法在空间中达到光速,但实际上,我们始终在时空中以光速穿梭,只不过这个速度主要体现在时间维度上。在时空这一结构中,一切事物的运动速度都是恒定不变的。