光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

光子一生就是個悲劇,也可以說它並沒有一生,而只是發生兩個瞬間,生的瞬間和死的瞬間!光年只是在我們看來的,對於光子來說宇宙並非三維空間,它的行進路線並非是一條線,而是一個點,所以它的世界相當於少一維,為二維宇宙!下面我們從人的視角一點點過渡到光子視角,從而感受一下光子悲劇的一生!

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:光速的定義,在真空中傳播為299792458米/秒

速度時間膨脹

作為地球上的人類,地球自轉一圈是我們的24小時,地球公轉一圈是我們的一年四季。我們的時鐘走過一秒鐘,對於我們來說就是一秒鐘。原本理所應當的事情,一條光速不變的觀測事實被發現後,我們的世界發生了翻天覆地的變化。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:如果我們把一個光子當作鐘擺,在兩面鏡子上來回反射,假設光子撞擊反射鏡會發出“嘀嗒、嘀嗒”的聲音。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:當地球上的人,帶著一個光鐘上了快速的飛船,對於地球上的觀察者來說,光鐘的路線由上下襬動,變成了斜線擺動。

由於光速不變,飛船上光鍾斜線的執行軌跡要大於光鐘上下來回擺動的運動軌跡。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:可見如果(左側)地球上光鐘的頻率是“嘀——-嗒,嘀——-嗒”,那麼(右側)飛船上的光鍾則是“嘀————嗒”,“嘀————嗒”。

當地球上光鍾走過2秒,飛船上的光鍾才走過1秒。如果飛船的速度再快一點,飛船上光鍾斜線的傾斜角就會越小,從而導致,光子到達反光鏡的路線更長,於是我們就會得到“嘀——————嗒”,也就是說飛船速度越快,嘀嗒的間隔就會越大,飛船上的鐘就會走的越慢!我們可以得出一個震驚的結論“速度時間膨脹”,速度越快時間膨脹得越快!這就是愛因斯坦要告訴我們的“時間是相對的”。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:反常識的時間膨脹得到反常識的年齡

這個結論比較反常識,這是因為在我們的傳統世界觀中,人類所涉及到的速度與光速相比起來實在太小兒科了,就算是我們的超音速飛機也只能達到0。0001%光速,你看道路上的汽車,博爾特的速度,高鐵都遠遠無法產生時間膨脹的顯著效果,所以三維宇宙中的時間對於人類來說都是一致的,並沒有明顯的相對性時間差。

接近光速的飛船

如果飛船以恆定的加速度加速,那麼它的速度會越來越快,隨著他不斷的接近光速,飛船人相對於地球,時間流速也會越來越慢,直至無限接近於靜止的狀態。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:地球上的光鍾與飛船上的光鐘速度分解

假設飛船可以達到光速,那麼飛船上光鍾中的光子橫向上的分速度則為光速,豎直方向上的分速度則為0,那麼這個光鍾從地面反射鏡出發時發出“嘀”之後,再也會執行到頂面的反射鏡,則無法發出“嗒”,由此可以得出飛船的時間靜止了。不過,飛船並無法加速到光速,但我們可以使飛船無限接近於光速。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:當飛船速度無限接近於光速,光鐘的執行軌跡傾斜角角度無限接近於0

如果把飛船換做為一個光子,擁有光速,那麼它在時間運動上為零。它可以一瞬間到達任意地方,比如從太陽到達地球,但在地球上的人類看來卻需要8分多鐘。實際上,不僅僅是如此,沒有時間的光子,還不算悲劇,更悲劇的是它連從太陽旅遊到地球的這個過程都無法享受,無論空間間隔有多遠,對它來說也是0。

尺縮效應

體驗完地球上視角,我們再來看看飛船上的視角。這兩者之間較大的不同是地球人相對於地球上的環境是靜止的,但飛船人相對於整個地球在動,所以與周圍環境產生了相對移動。飛船相對周圍快速運動,周圍環境也以同樣速度相對於飛船運動。

圖:地球離我而去

如果說地球上60億人口看著飛船上的光鍾走得慢,那麼此刻飛船人驚呆了,它看到了周圍環境60億人口的鐘表,大樓上的鐘表都走的比他的快,他似乎比60億人衰老得更快!

這就是愛因斯坦說的“時空”,時間和空間本位一體,是不可分割的。假設當你相對一個空間靜止時,你的時間流逝是100%,突然你啟動了,你在空間中產生運動時,你的時間運動就會減小,即時間流速變慢。對於環境來說,因為環境相對於你在進行空間上的運動,所以時間上的運動就慢了。然而這一切是對於有質量的環境或者飛船來說的!

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:曲率飛船

飛船人相對於環境高速飛行還會有另外一個影響,飛船的尺寸和運動方向上的空間距離會收縮。因為光速對於任意參照系的觀察者來說都是不變的,如果飛船的時間較慢,那麼距離也要相應的縮短,這樣光速才能保持恆定不變。在狹義相對論中所有的推導都基於光速不變原理。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:狹義相對論公式

根據鐘慢(時間膨脹)尺縮效應我們可以得到,速度對應時間和長度的公式。

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:時間隨速度膨脹(左圖)和長度隨速度收縮(右圖)。

隨著飛船運動的速度無限接近於光速,飛船的時間會無限趨近於靜止,同時空間距離會縮小到無窮小。

光子的視角

光年是光走一年的距離,但是一光年的距離光真的需要走一年嗎?

圖:所有的無質量粒子,都以光速運動。如果一個物體以光速相對於你運動,你會發現它的時鐘是靜止的。

從上文的時間膨脹與尺縮效應,我們可以得出結果。無論飛船如何加速,只會讓它在靠近光速的道路上越走越近,它會經歷相對於自己更嚴重的時間膨脹、長度收縮。但是它永遠無法達到光速,因為只有無靜態質量的物體才能達到光速。而光子就是時間膨脹的極限——靜止,長度(距離)收縮的極限——一個點。

光子沒有時間上的運動,如果它運動的方向標記為X軸,那麼X軸由於光速不變原理會收縮成一個點,即時空中沒有時間t軸,也沒有x軸,只剩下一個平面,所以宇宙對它來說是二維的,它從太陽到達地球無非就是這個二維平面的一個點。它從一個電燈泡中發射出來,這個二維平面出現了一個點,當它接觸到物質被吸收,這個點消失,對於光子來說這個過程中是沒有時間流逝的,所以光子一生只經歷兩件事“出現”與“消失”。光年對於我們來說是光走了一年,如果你問光子它會呵呵一笑:對於我來說都是不存在的!