探讨科学之谜,譬如光速旅行的奇想,无疑是科普教育的一大挑战。
以光速旅行为例,假设你能在一分钟内以光速穿梭,且不论你如何达成这一速度,也不论是否真能如此飞行,咱们暂且认为你拥有这样的能力。想象你飞了一分钟之后重返地球,会是怎样的景象?时间又流逝了多久?
首先,我们得清楚这一分钟是你在飞船内的感知时间,而非地面或外界的分钟,否则这个问题本身就失去了意义。
再者,短短的一分钟内,你是如何从地球出发、达到光速并返回的?你必然会经历减速、转向、再加速的过程,因为一直保持光速是不可能的。
假设你省略了转向的减速加速过程,直接以光速旅行,并且在一分钟内奇迹般地回到了地球(虽然我们并不清楚这怎么可能),那这时的地球又会是何种境况?
答案是,你根本无法回到地球,因为那里已经不复存在。更精确地说,你无法回到任何地方,因为连宇宙都已不存,你又怎能去向何方?若连宇宙都消失了,你又怎能存在?
至此,你或许会困惑不解:只是短暂离开了一分钟,为何地球就消失了呢?
这便涉及了狭义相对论中的时间膨胀原理。
时间膨胀原理指出,速度越快,时间过得越慢。当然,狭义相对论也指出有静质量的物体无法达到光速,因此,在假设你速度极其接近光速的情况下,你的时空感知几乎为零,似乎整个宇宙都浓缩成了一个点,触手可及。
其实这是长度收缩效应,与时间膨胀原理是相互关联的,它们必然会同时出现,因为时空本是一体。
因此,在你以光速飞驰的一刹那,你可以穿越任何远方,若宇宙有尽头,你也能一瞬间穿越它,这并非夸张,而是事实。
与此同时,在你光速飞驰的一刹那,你根本无需一分钟,整个宇宙就已历经无限久的时间,意味着它已走向终结。宇宙都已不存,你自然无法返回地球。
简单来说,以光速旅行的你,已无时间与空间的界限。没有时空,自然也就不存在于四维时空,所以在你光速飞驰的一瞬间,你已不再属于四维时空,仿佛飞出了这一维度,最终去向何方,则不得而知,可能是更高的维度,但谁又说得准呢?肯定不是四维时空。
然而你本是四维时空的组成部分,怎可能脱离它呢?这就造成了逻辑上的矛盾,再次证明你不可能以光速飞行。
同时也揭示了,由于光永远以光速移动,因此光同样没有时间与空间的概念,换句话说,光子也不属于四维时空,或者我们可以通俗理解,光速是四维时空的界限,超过它便是进入其他维度。只要在四维时空内,便无法超越光速,想要超光速,就得“离开”四维时空。
既然无法光速飞行,我们再来看看亚光速飞行会如何。
根据时间膨胀的公式,如果你的速度是光速的50%,时间会膨胀到原来的1.15倍。也就是说,你离开一分钟,地球时间仅过了1.15分钟。只有速度非常接近光速时,时间膨胀效应才会明显。
例如,当你的速度达到光速的99%,时间会膨胀到原来的7.09倍。而速度为光速的99.99%时,时间膨胀约70倍。
不过,随着速度越接近光速,你会发现加速越来越困难。何故?
因为质增效应告诉我们,速度越快,物体的质量越大,加速需要更多能量。但若要加速到光速,则需要无穷大的能量,整个宇宙的能量也不足以达成,这显然不可能。
结语
我们应停止幻想光速旅行,因为自然界已设定了速度上限。不过幸运的是,自然界还是为我们开了一扇窗——虽然无法以绝对速度超光速,但我们可间接实现超光速,利用时空的伸缩性,操控时空,从而实现超光速旅行。时空的超光速移动并不违反相对论,就像宇宙一直在超光速膨胀一样。
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