在物理学的领域,我们有这样的共识:如果一艘飞船能以光一般的速度飞驰,那么这艘飞船就能在极短的时间内穿越巨大的空间,距离不再是难题,似乎一切尽在掌握。

打开网易新闻 查看精彩图片

这听起来不可思议,但其背后的科学原理又是怎样的呢?

时间与空间并非绝对不变,它们是相对的概念。每个人都拥有自己独特的时间流逝,即“个体时间”,亦即你口袋里时钟走过的时长。每个人的个体时间都有其特殊性,换言之,你眼中的一分钟,并非我所经历的一分钟,我们对于时间的感知存在差异。

然而,在我们所生活的这个世界,移动速度相对较慢,与光速相比简直微不足道,因此我们很难察觉彼此时间上的差异。

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,上述现象是时间膨胀和空间收缩效应的生动体现。时间与空间是密不可分的整体,时间膨胀和空间收缩效应会同时发生。

具体而言,速度越快,时间越慢,空间距离也随之缩短。

打开网易新闻 查看精彩图片

举个例子,众所周知,太阳光抵达地球需时约8分钟,但许多人并不了解这“8分钟”的真实含义。对太阳光本身来说,它并非需要8分钟才能到达地球,而是瞬间即可,或者说根本不需时间,因为光本身没有时间的概念。

这意味着,假设光携带着一个时钟,这个时钟是不会走动的,并不是钟表损坏,而是光所经历的时间已经静止。所谓的“8分钟”只是人类所感知的时间,换句话说,在人类眼中,太阳光需要8分钟才能照耀到地球。

这背后的深层含义是,光速实际上是测量宇宙时空的一把标尺。在宇宙中,所有速度都有相对性,唯独光速是个例外,它是绝对的。在真空中,光速不论何种情形,始终保持恒定不变。

打开网易新闻 查看精彩图片

这告诉我们,若能拥有光的属性,便能感受不到时间的流逝。在爱因斯坦的相对论框架下,时间与空间是一体的,如果你感受不到时间,也就无法感受到空间。

人们常有这样的困惑:为何时间与空间是相对的?为何会出现时间膨胀和空间收缩效应?

其答案就在于“光速不变”这一原则。

“光速不变”不仅指光在真空中的速度为每秒30万公里,更关键的是,无论运动状态或参照系如何,真空中的光速始终保持不变。

打开网易新闻 查看精彩图片

换句话说,光速在与其他速度相加后,仍保持不变。光速的这种特质与我们日常生活中的速度观念相悖,毕竟在我们的世界里,速度都是相对的,需要参照某个体系才能定义,速度相加也会导致变化。

例如,若你我以每秒5米的速度相向而行,我们之间的相对速度为每秒10米,这符合我们日常生活的经验。

但光速却不走寻常路,它与其他任何速度相加后,仍旧是光速。例如,你以0.5倍光速奔跑,同时用手电筒发出光,而我静止在地面上。按照常规的相对速度计算,手电筒的光速应是你的速度与光本身速度之和,即1.5倍光速。然而实际情况并非如此,光速仍旧是光速。

打开网易新闻 查看精彩图片

即便你以无限接近光速的速度追赶一束光,你眼中的光速仍为光速!

这意味着,无论你如何奔跑,你和静止的我看到的同一束光的速度都是一样的。

进一步思考,因为速度是距离除以时间,既然你我所见的光速相同,那就意味着一定有什么变了,才能保持光速的恒定。

这些变化的只能是时间和空间,因为速度仅与这两者有关。

也就是说,高速奔跑的你,时间和空间都发生了变化,你的时间和空间会“相互协调”以保持光速的恒定。

具体是如何协调的呢?

就是我们刚才所讲的,通过改变时间和空间,即让时间变慢和空间缩短,这样才能保持光速的不变。

打开网易新闻 查看精彩图片

当然,这只是从理论上进行的抽象分析,也可以通过数学推导得出时间膨胀和空间收缩的公式,这些推导并不复杂,甚至只需初中数学水平。感兴趣的朋友可以尝试自己推导。

从时间膨胀效应角度看,当你的速度无限接近光速,时间便趋于静止。也就是说,无论距离多远,你都不需花费时间。仿佛你可以在一瞬间穿越任何遥远的距离。

打开网易新闻 查看精彩图片

与此同时,空间收缩效应与时间膨胀效应是相辅相成的,它们其实是等价的。从空间收缩效应来看,或许更容易理解。假设你能以无限接近光速的速度飞行,在达到这一速度的瞬间,无论距离多远,对你来说都近在咫尺,即使是宇宙的尽头,也会立即出现在你脚下,你甚至只需简单的一步,就能踏上宇宙的边缘。

在速度相对性的世界里,唯独光速是个例外,像一把尺子一样衡量着宇宙的时空。不管世界如何动荡,光速始终如一。

打开网易新闻 查看精彩图片

我们还应感谢光速,因为如果包括光速在内的所有速度都是相对的,那么描述真实世界就变得几乎不可能,因为我们选择的参照系不同,得到的结果也会不同,我们也就无法了解真实世界的真实面貌。

幸好,光速是绝对的,它像一个“标杆”,我们可以借助绝对的光速来描述变化万千的世界。

这里需要明确,我们通常所说的光速其实是指“光在真空中的速度”,这样的说法并不严谨。光速并非单纯指“光的速度”,它其实是四维时空的内在属性,与四维时空本身有关。只是物理学家们最初发现了光速的特殊性,因此采用了“光速”这一概念。

除了光的速度是光速外,信息传递速度、引力波和胶子的速度同样是光速。

还有一个疑问:为何光的速度始终保持不变呢?

打开网易新闻 查看精彩图片

许多人认为,这是因为光子的静质量为零。这个说法没错,但还有更深层的原因。光子之所以静质量为零,是因为它不会与希格斯粒子相互作用。除了光子,传递强相互作用的胶子也不会与希格斯粒子发生作用。

打开网易新闻 查看精彩图片

希格斯粒子是什么?它被称作“上帝粒子”,由希格斯场激发形成。物理学家认为,希格斯场遍布宇宙每个角落,是它激发出的希格斯粒子赋予了基本粒子以质量。

这意味着什么?

打开网易新闻 查看精彩图片

可以这样通俗理解:所有基本粒子本来都像光子一样,一经产生就以光速飞行,而且必须以光速飞行。但因为希格斯粒子的存在,大多数基本粒子会与之相互作用,从而减速,在减速过程中获得了质量。

而光子和胶子不会与希格斯粒子相互作用,因此只能以光速飞行。也就是说,如果你想以光速飞行,就必须摆脱希格斯粒子的束缚,这对于我们人类来说是不可能的,除非我们能彻底改变身体结构,比如变成全由光子组成的生命体。

打开网易新闻 查看精彩图片

但这样的结构还是人类吗?或者说,真的存在全由光子组成的生命形态吗?

我们尚不得而知,也许未来能创造出这样的生命,但目前我们还做不到。