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光年是光行走一年的距離,但光飛行一年根本不需要年,只需一瞬間

2024-10-10科學

在宇宙的舞台上,光子扮演著獨特的角色,它們的生命似乎僅由兩個瞬間組成——誕生與消逝!從人類的視角來看,或許宇宙以光年的尺度展開,然而對於光子而言,它們的宇宙可能並非三維,而是降維至二維,因為它們所行經的並非一條線,而是一個單一的點。讓我們透過逐步轉換視角,從人類到光子,試圖揣摩那被時間與空間壓縮的光子的「悲喜人生」。

站在地球的地面,我們有晝夜更替,四季輪回,時間的流逝對我們而言是恒定的——秒即秒。但當一條關於光速不變的觀測事實被揭示,世界在我們眼前翻轉。

試想,把光子比作一個鐘擺,在兩面鏡子間彈來彈去,每彈一次,便發出「滴答」一聲。而若我們帶著這樣的光鐘,跳上快速飛行的飛船,那麽在地面上的旁觀者看來,這光鐘的擺動不再是簡單的上下,而是成了斜線運動。

由於光速的恒定,飛船中的光鐘斜線軌跡相較於垂直擺動要來得長。於是,當地球上的光鐘走過兩秒,飛船的光鐘可能只走了一秒。如果飛船的速度再提升,光鐘的斜線角度將愈發平坦,導致光子往返所需路徑更遠,結果便是「滴——答」,飛船速度越快,滴答之間的間隔就越長,飛船內的時間流動就越慢。

我們因此得出了一個驚人的結論——「速度越快,時間膨脹越劇烈」!愛因史坦所謂的「相對論」,正是要告訴我們時間的本質是相對的。

這個論斷與我們日常經驗大相徑庭,畢竟在人類所觸及的速度範疇內,無論是超高速的飛機還是地面的汽車,都遠不足以引起顯著的時間膨脹。因此,在我們的三維宇宙中,時間對於所有人來說基本是統一的,沒有顯著的相對性差異。

如果飛船持續加速,它的速度會越來越快,向光速逼近,飛船內的時間流動會相應地減慢,直至幾乎停滯。

假設飛船真的能達到光速,飛船中的光子在橫向(對於飛船速度方向)上的速度為光速,而垂直方向的速度則為零,那麽這個光鐘將無法從地面的反射鏡反射到天花板的反射鏡,發出「嗒」的聲音,飛船內的時間仿佛凝固。盡管飛船實際上無法達到光速,但我們可以無限接近這一極限。

當飛船的速度接近光速時,光鐘的傾斜角度趨近於零。換言之,對於一個真正以光速移動的光子而言,它在時間這一維度上的移動是零,它可以瞬間抵達宇宙的任何角落。盡管如此,對光子來說,無論是跨越太陽系這樣的浩瀚空間,對它來說亦或是無物,因為時間對它而言是不存在的。

在飛船上的乘客看來,地球及周圍的一切似乎都在高速移動,而時間流動也相應減慢了。全球的時鐘,無論是大樓上的大鐘還是人手中的腕表,對飛船上的人來說都在加速前進,似乎整個世界比他更快地老去。

這是愛因史坦的「四維時空」觀念的體現,時間與空間不可分割,當一個物體相對靜止時,它的時間流逝是正常的,但一旦開始移動,它的時間流動便會減慢。對於移動的飛船,其周圍的環境也在相對移動,因此從飛船的角度看,環境的時間流動同樣減慢了。

除此之外,移動的飛船還有一個效應——它的長度會沿移動方向收縮。這是因為光速在所有觀察者眼中都是恒定的,若飛船的時間流逝較慢,其長度也必須縮短以保持光速不變。在相對論中,所有的推導都基於這一光速不變原理。

據此,我們可以推匯出速度與時間、長度的關系公式。隨著飛船速度無限接近光速,飛船的時間會幾乎停滯,而空間距離會收縮至零。

所有的無品質粒子都以光速移動,若一個物體以光速飛過你,你將看到它的時鐘靜止,長度收縮。結合時間膨脹與尺縮效應,我們得知無論飛船如何加速,只能讓它在逼近光速的過程中體驗更強烈的時間膨脹和長度收縮,但永遠無法真正達到光速,因為只有無品質的物體才能實作光速。光子是時間膨脹的盡頭——靜止,長度收縮的極限——一個點。

對於光子來說,沒有時間的流逝,它所行進的方向(X軸)會因光速不變原理而收縮為一個點,因此在光子的宇宙中,時間軸和空間軸都不存在,只剩下二維的平面。光子的整個生命過程,不過是在這個二維宇宙中出現與消失的瞬間。對於我們來說的光年,是光經過一年的旅程,但若向光子詢問,它可能會不解地回應:「什麽是時間?什麽是距離?」