乍一看,好像有些前后矛盾,又有些绕嘴,就像绕口令一样。其实并不矛盾,本质上考验的是我们对相对论的理解程度,还有光的特殊性。
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光飞行一年的距离的确是一光年,但以光年的距离光的确不需要飞行一年,不但不需要一年,光甚至不需要任何时间就飞行一光年,哪怕是。为什么?
原因很简单,因为对于光来讲,根本就不存在时间,也可以理解为“光的时间是静止的”,即便是跨越可观测宇宙,也是一瞬间的事情。
根据爱因斯坦的狭义相对论,物体的速度越快,时间就越慢,这也是时间膨胀效应。如果物体的速度达到光速,意味着时间静止。
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但拥有静质量的物体速度不可能达到光速,只能尽可能接近光速。而一旦达到光速,意味着物体就不复存在,物体就会变为光,以光的形式存在了。
所以,在达到光速的情况下,并不是说时间变慢,而是时间压根就不存在了。
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拥有静质量的物体为何不能达到光速呢?从狭义相对论推导出来的质增效应可以看出,物体的速度越大,质量就会越大,当物体的速度无限接近光速时,质量就会变得无穷大,想要物体继续加速就需要无穷多的能量才可以做到,整个宇宙的能量都做不到这点,显然这是不可能的。
题目中描述的关键在于参照系的选择不同。我们通常所说的“一光年是光飞行一年的距离”,是以地球为参照系来定义的,其实这就是简单的速度乘以时间计算出来的距离,当然就是一光年。
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而“光飞行一光年的距离并不需要一年”这种观点也没有错,是以光自身为参照系来定义的。也就是说,对于光本身来讲,是没有时间概念的,所以无论光飞行多远的距离,都是一瞬间的事情。
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还有一个常见的例子,我们常说“太阳光到达地球需要大约8分钟时间”,这里的8分钟就是简单的数学计算结果,是以地球为参照系计算出来的。太阳与地球距离为1.5亿公里,光速为每秒30万公里,距离除以速度得到的时间就是大约8分钟。
不过对于太阳光本身来讲,它到达地球并不需要任何时间,可以瞬间到达地球,因为太阳光是没有时间概念的。
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说白了,光其实是四维时空的界限,在界限的里面,也就是低于光速的世界,就是我们经历的四维时空,时刻都经历着时间。而在界限的另一面,也就是“超光速世界”,完全是另一个我们无法理解的世界。而光速本身意味着时间静止,没有时间。
其实这就是狭义相对论一再强调的“相对”,在不同的参照系下,观察同一事件的结果可能是不一样的。
狭义相对论中不仅仅是时间膨胀效应,还会出现尺缩效应,也就是空间上的距离变短了。速度越快,距离就越短。
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举个例子,距离太阳最近的恒星为比邻星,也被称为阿尔法星,大约4.2光年。你乘坐一艘飞船以亚光速离开地球飞向比邻星。
对于地球上的我来讲,我会看到你飞行了4.2年之后才能到达比邻星,这也是简单的数学计算结果。
但是对你本人来讲,根本不需要4.2年时间就能到达比邻星。因为飞船的速度达到了亚光速,就会出现明显的尺缩效应。在你眼里,4.2光年的距离会变短,具体有多远取决于飞船的速度,速度越是接近光速,这个距离就越短。
如果飞船的速度无限接近光速,地球与比邻星的距离会变得无限短,好像就近在咫尺一样,飞船刚一启动就能到达比邻星。
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爱因斯坦早就强调过,时间和空间是有机的整体,两者可以看做一个事物,不可分割。所以时间膨胀效应和尺缩效应反映出来的本质是一样的,两者也是同时出现的,是等效的。
当飞船的速度无限接近光速时,意味着时间趋于停止,既然时间都停止了,当然可以在无限短的时间里跨越任何浩瀚的星际距离。这与尺缩效应是一个道理。
那么,如何计算时间到底膨胀多少呢?狭义相对论可以推导出时间膨胀公式。
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从公式中可以看出,当飞船的速度达到光速的0.999999倍时,时间会膨胀707倍。也就是说飞船上的一年,相当于地球上的707年!
不管是时间膨胀还是尺缩效应,都必须建立在两个不同的参照系之间,不同的参照系之间的对比才能体现出时间膨胀效应和尺缩效应。
在某一个参照系下,是不会感受到时间膨胀效应的。比如说不管你所在的飞船的速度有多快,你本人都是感觉不到时间变慢的,你的感觉与呆在地球上的感觉不会有任何不同,因为你感受到的只是自己的时间,也就是本征时间。
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所以,光就是如此特殊,一旦达到光速,意味着就没有了时间概念,这时候狭义相对论也不再适用了,狭义相对论只适用于四维时空低于光速的世界!
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