在宇宙的舞台上,光子扮演着独特的角色,它们的生命似乎仅由两个瞬间组成——诞生与消逝!从人类的视角来看,或许宇宙以光年的尺度展开,然而对于光子而言,它们的宇宙可能并非三维,而是降维至二维,因为它们所行经的并非一条线,而是一个单一的点。让我们通过逐步转换视角,从人类到光子,试图揣摩那被时间与空间压缩的光子的「悲喜人生」。
站在地球的地面,我们有昼夜更替,四季轮回,时间的流逝对我们而言是恒定的——秒即秒。但当一条关于光速不变的观测事实被揭示,世界在我们眼前翻转。
试想,把光子比作一个钟摆,在两面镜子间弹来弹去,每弹一次,便发出「滴答」一声。而若我们带着这样的光钟,跳上快速飞行的飞船,那么在地面上的旁观者看来,这光钟的摆动不再是简单的上下,而是成了斜线运动。
由于光速的恒定,飞船中的光钟斜线轨迹相较于垂直摆动要来得长。于是,当地球上的光钟走过两秒,飞船的光钟可能只走了一秒。如果飞船的速度再提升,光钟的斜线角度将愈发平坦,导致光子往返所需路径更远,结果便是「滴——答」,飞船速度越快,滴答之间的间隔就越长,飞船内的时间流动就越慢。
我们因此得出了一个惊人的结论——「速度越快,时间膨胀越剧烈」!爱因斯坦所谓的「相对论」,正是要告诉我们时间的本质是相对的。
这个论断与我们日常经验大相径庭,毕竟在人类所触及的速度范畴内,无论是超高速的飞机还是地面的汽车,都远不足以引起显著的时间膨胀。因此,在我们的三维宇宙中,时间对于所有人来说基本是统一的,没有显著的相对性差异。
如果飞船持续加速,它的速度会越来越快,向光速逼近,飞船内的时间流动会相应地减慢,直至几乎停滞。
假设飞船真的能达到光速,飞船中的光子在横向(对于飞船速度方向)上的速度为光速,而垂直方向的速度则为零,那么这个光钟将无法从地面的反射镜反射到天花板的反射镜,发出「嗒」的声音,飞船内的时间仿佛凝固。尽管飞船实际上无法达到光速,但我们可以无限接近这一极限。
当飞船的速度接近光速时,光钟的倾斜角度趋近于零。换言之,对于一个真正以光速移动的光子而言,它在时间这一维度上的移动是零,它可以瞬间抵达宇宙的任何角落。尽管如此,对光子来说,无论是跨越太阳系这样的浩瀚空间,对它来说亦或是无物,因为时间对它而言是不存在的。
在飞船上的乘客看来,地球及周围的一切似乎都在高速移动,而时间流动也相应减慢了。全球的时钟,无论是大楼上的大钟还是人手中的腕表,对飞船上的人来说都在加速前进,似乎整个世界比他更快地老去。
这是爱因斯坦的「四维时空」观念的体现,时间与空间不可分割,当一个物体相对静止时,它的时间流逝是正常的,但一旦开始移动,它的时间流动便会减慢。对于移动的飞船,其周围的环境也在相对移动,因此从飞船的角度看,环境的时间流动同样减慢了。
除此之外,移动的飞船还有一个效应——它的长度会沿移动方向收缩。这是因为光速在所有观察者眼中都是恒定的,若飞船的时间流逝较慢,其长度也必须缩短以保持光速不变。在相对论中,所有的推导都基于这一光速不变原理。
据此,我们可以推导出速度与时间、长度的关系公式。随着飞船速度无限接近光速,飞船的时间会几乎停滞,而空间距离会收缩至零。
所有的无质量粒子都以光速移动,若一个物体以光速飞过你,你将看到它的时钟静止,长度收缩。结合时间膨胀与尺缩效应,我们得知无论飞船如何加速,只能让它在逼近光速的过程中体验更强烈的时间膨胀和长度收缩,但永远无法真正达到光速,因为只有无质量的物体才能实现光速。光子是时间膨胀的尽头——静止,长度收缩的极限——一个点。
对于光子来说,没有时间的流逝,它所行进的方向(X轴)会因光速不变原理而收缩为一个点,因此在光子的宇宙中,时间轴和空间轴都不存在,只剩下二维的平面。光子的整个生命过程,不过是在这个二维宇宙中出现与消失的瞬间。对于我们来说的光年,是光经过一年的旅程,但若向光子询问,它可能会不解地回应:「什么是时间?什么是距离?」