速度是时间的快进键,而光速则是时间的暂停键。当我们在无限接近光速的飞船上航行,时间的流逝会减慢到几乎停滞,而空间的距离似乎在一眨眼间便被跨越。这一现象背后的奥秘,是物理学家们长期探讨的主题,而关键在于理解一个基本事实:

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时空并非固定不变,而是会随着个体的速度差异而变化(引力也会造成影响,但这里不赘述)。这是理解接下来所有论述的基石。

设想你在一艘无限接近光速的飞船里飞向一光年外的目的地,你所经历的时空,与地面上的观察者所经历的,是截然不同的。

观察者看着你穿越星际,似乎只过了一年,你却感觉自己只过了几分钟,轻而易举地跨越了巨大的空间距离。

牛顿的经典时空理论认为,时空是唯一且绝对的。无论你飞行多快,与地球的时间流逝应该是同步的。然而爱因斯坦却告诉我们,这是错误的。然而这种看法,却符合我们大多数人的直观认知。

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在此,你可能会提出两个疑问:

如果是一光年的距离,怎么可能一瞬间就到达?

一年是观察者的时间尺度,而你处于接近光速的飞行状态,已经处于另一个时间参考系中。两个体系下的时间体验并不相同,速度是造成这种差异的原因。

为什么我们日常感受不到彼此时间的差异?

之所以感受不到,是因为这种差异微乎其微。举例来说,以跑步速度的差异,一秒钟内时间只慢了一亿亿分之一秒。

不同的空间参考系同样影响着你。处于运动状态的你,所经历的引力势能比静止的人大。但在远低于光速的速度下,这些微小的差异几乎察觉不到。

理解了这些,我们再来探讨速度与时间的联系:

将时间放大,如果在一艘无限接近光速的飞船中度过一生,会是怎样的情景?

最令人震惊的回答是:你甚至可能无法完成一生的旅程……

因为在你一生的航行中,宇宙可能已经历经百亿年的变迁。

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另一个引人入胜的问题:如果光子有知觉,它会如何看待宇宙

答案是,对于光子而言,时间仿佛是“暂停”的,它没有过去和未来,而且无法感知宇宙的诞生,因为“诞生”的概念本身基于时间。

因此,如果你想进行时间旅行,或者想见证宇宙的终结,最佳的途径便是驾驶一艘无限接近光速的飞船持续飞行。你可能只飞了几天,地球已经不复存在;飞了几个月,太阳燃尽了燃料;飞了几年,宇宙走向了热寂;飞了十年,宇宙开始收缩,回到一个奇点,而你也不复存在。然而整个过程,你只经历了二十年。所以:

速度是时间的快进键,具体快进的程度取决于你接近光速的程度。达到光速时,时间停止;超过光速时,时间倒流。然而,达到或超过光速是不可能的,我们只能无限接近光速。这间接证明了两个事实:

我们的存在离不开时空;

不能“回到过去”,但可以“到达未来”。

因此,光速与时间的精确关系便是:光速是时间的暂停键。

所以,当你骑马奔腾、享受世间繁华的时候,其实就相当于按下了时间的快进键,只是这种效应极其微小,你完全察觉不到。但如果骑马的速度越来越接近光速,这种效应就会变得显而易见,巨大无比。巨大到什么程度呢?

于是,又出现了第三个劲爆问题:以光速航行的飞船,其内部时钟显示,恰好在早上9点出发(没有加速,瞬间达到光速),问:到达一光年外的星球时是几点?

答案是,还是早上9点。

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飞船上的人完全不自知地已经到达目的地,你以为还没出发,实际上已经到了。你意识模糊的一刹那,在没有时间概念的虚无中,可能是永恒,也可能是一瞬间,两者无异。而观察者则真实地度过了一年。

这是速度等于光速的极端情形。这意味着无论距离多远,对你来说,都无需时间即可到达。这进一步说明了第三个事实:

在无限接近光速的速度下(没有达到光速),无论去到多远的地方,都是一瞬间(纳秒级),而观察者则可能度过了100亿年。这种接近程度越高,时间越不需要,实际所花费的时间就越接近零。

因此,在我们无限接近光速时,即便去到10万光年之外的地方,所需时间也仅是纳秒级别。而观察者,则悲催地等待了你10万年……可以说非常令人望眼欲穿。

就像《星际穿越》中的情节,男主带领队伍去巨浪星球,往返一趟用了几十分钟,回到飞船后,留守的老黑已经白发苍苍,哀叹道:“我苦苦等了你们23年……”

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现在,我们继续探讨狭义相对论中的慢钟效应公式。

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公式中,t是运动参考系的时间,t0是静止参考系(观察者)的时间,v是运动者的速度,c是光速在真空中的速度。

从公式中可以得出四点:

当v远小于c时,t几乎等于t0,差异可以忽略不计,因此你无法察觉。这正是地球上发生的一切。牛顿的时空理论就体现了这种情况。

当运动速度v无限接近c时,无论观察者经历多长时间t0,运动者经历的时间t都趋于无穷小。这正是“天堂一日,人间千年”的道理。

当v=c时,无论观察者经历多久,运动者的静止时间t始终为零,这不允许发生。

当v>c时,无论观察者经历多长时间,运动者的时间t都是虚数,对应空间一点。同样不允许发生。

通过计算一些数据,可以直观感受:

如果以光速的99.999……%(小数点后精确到13个9)飞行一光年的距离,运动者感受到的时间是1.41033秒。可见差异之大。在飞船中眨个眼的功夫就到了。你身体细胞的新陈代谢仅仅经过了这1.41033秒,而观察者则看着你飞了一年。

时间对比:1年 VS. 1.41033秒。

如果接近光速的99.999……%(小数点后精确到20个9)呢?

那么将是:时间对比:100万亿年对比6.307秒。

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也就是说:100万亿光年的距离,你在里面感觉只飞了6.307秒就到了。观察者看着你飞了100万亿年,而你在里面只过了6.307秒,等你到的时候,观察者早已灰飞烟灭。所以,“天下武功唯快不破”是至理名言!

因此:如果你以这个速度飞行,你大概一秒都飞不到,宇宙就消失了!(宇宙至今才138亿年历史。)

此外,有人质疑,电影中的时间变慢是因为黑洞,而非速度的原因。是的,你很聪明。这篇文章主要探讨的是速度对时间的影响。事实上,引力造成的空间曲率变化也会导致时间变慢,这种变化仅在引力非常巨大的情况下才会非常明显。黑洞就是这样的例子。想象一下这样的画面:你悬浮在黑洞的安全区周围,看着你的伙伴被引力拉向黑洞,整个过程会是如何?

答案是:你会看到他越来越慢、越来越慢,最终在黑洞视界停滞。实际上,他还在加速运动,只是你看不见了。因为时间和光被束缚在黑洞视界,所有落入黑洞的物体,其影像都会被困在视界上,成为永恒。

因此,黑洞并非全黑,它往往有一个非常“亮”的光环,那是吞噬恒星盘的“余晖”。这个亮,不一定是可见光,而是高能辐射。

以上主要讨论了光速和时间的关系。

关于参考系的问题,有人会问:以接近光速运动的人和观察者应该是感受到相同的时间才对,观察者看他走了一年,他自己也应该感受到走了一年才对。

实际上,这是牛顿的旧时空理论,它认为时空系是唯一的,每个人经历的时间感是相同的,然而这是错误的。