:光走一年是一光年吗?光子:你低估我的速度了,只需一瞬间( 二 )
图:当飞船速度无限接近于光速 , 光钟的运行轨迹倾斜角角度无限接近于0
如果把飞船换做为一个光子 , 拥有光速 , 那么它在时间运动上为零 。 它可以一瞬间到达任意地方 , 比如从太阳到达地球 , 但在地球上的人类看来却需要8分多钟 。 实际上 , 不仅仅是如此 , 没有时间的光子 , 还不算悲剧 , 更悲剧的是它连从太阳旅游到地球的这个过程都无法享受 , 无论空间间隔有多远 , 对它来说也是0 。
尺缩效应
体验完地球上视角 , 我们再来看看飞船上的视角 。 这两者之间较大的不同是地球人相对于地球上的环境是静止的 , 但飞船人相对于整个地球在动 , 所以与周围环境产生了相对移动 。 飞船相对周围快速运动 , 周围环境也以同样速度相对于飞船运动 。
图:地球离我而去
如果说地球上60亿人口看着飞船上的光钟走得慢 , 那么此刻飞船人惊呆了 , 它看到了周围环境60亿人口的钟表 , 大楼上的钟表都走的比他的快 , 他似乎比60亿人衰老得更快!
这就是爱因斯坦说的“时空” , 时间和空间本位一体 , 是不可分割的 。 假设当你相对一个空间静止时 , 你的时间流逝是100% , 突然你启动了 , 你在空间中产生运动时 , 你的时间运动就会减小 , 即时间流速变慢 。 对于环境来说 , 因为环境相对于你在进行空间上的运动 , 所以时间上的运动就慢了 。 然而这一切是对于有质量的环境或者飞船来说的!
图:曲率飞船
飞船人相对于环境高速飞行还会有另外一个影响 , 飞船的尺寸和运动方向上的空间距离会收缩 。 因为光速对于任意参照系的观察者来说都是不变的 , 如果飞船的时间较慢 , 那么距离也要相应的缩短 , 这样光速才能保持恒定不变 。 在狭义相对论中所有的推导都基于光速不变原理 。
图:狭义相对论公式
根据钟慢(时间膨胀)尺缩效应我们可以得到 , 速度对应时间和长度的公式 。
图:时间随速度膨胀(左图)和长度随速度收缩(右图) 。
随着飞船运动的速度无限接近于光速 , 飞船的时间会无限趋近于静止 , 同时空间距离会缩小到无穷小 。
光子的视角
图:所有的无质量粒子 , 都以光速运动 。 如果一个物体以光速相对于你运动 , 你会发现它的时钟是静止的 。
从上文的时间膨胀与尺缩效应 , 我们可以得出结果 。 无论飞船如何加速 , 只会让它在靠近光速的道路上越走越近 , 它会经历相对于自己更严重的时间膨胀、长度收缩 。 但是它永远无法达到光速 , 因为只有无静态质量的物体才能达到光速 。 而光子就是时间膨胀的极限——静止 , 长度(距离)收缩的极限——一个点 。
【:光走一年是一光年吗?光子:你低估我的速度了,只需一瞬间】光子没有时间上的运动 , 如果它运动的方向标记为X轴 , 那么X轴由于光速不变原理会收缩成一个点 , 即时空中没有时间t轴 , 也没有x轴 , 只剩下一个平面 , 所以宇宙对它来说是二维的 , 它从太阳到达地球无非就是这个二维平面的一个点 。 它从一个电灯泡中发射出来 , 这个二维平面出现了一个点 , 当它接触到物质被吸收 , 这个点消失 , 对于光子来说这个过程中是没有时间流逝的 , 所以光子一生只经历两件事“出现”与“消失” 。 光年对于我们来说是光走了一年 , 如果你问光子它会呵呵一笑:对于我来说都是不存在的!
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