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深度科普:如果光速飛行,無(wú)論多遠(yuǎn)都能瞬間到達(dá),為何會(huì)這樣?

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首先需要澄清一個(gè)事實(shí),人類無(wú)法觸及光速這一極限,實(shí)際上,任何具有靜質(zhì)量的物體同樣無(wú)法做到這一點(diǎn)。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論明確指出了這一現(xiàn)象,其公式如下所示:



其中m是運(yùn)動(dòng)中的物體質(zhì)量,m0代表其靜止質(zhì)量,V為物體運(yùn)動(dòng)的速度,C代表光速。當(dāng)V逐漸逼近C時(shí),公式中的平方根部分趨近于零,因此物體的質(zhì)量m將趨近于正無(wú)窮大。換句話說(shuō),就算動(dòng)用了全宇宙的能量去加速一個(gè)物體,使其達(dá)到光速也是不可能的。因此,任何具有靜質(zhì)量的物體都無(wú)法達(dá)到光速。

根據(jù)狹義相對(duì)論,隨著物體速度逐漸接近光速,其經(jīng)歷的時(shí)間會(huì)顯著變慢(這種慢不是主觀感受上的,而是客觀時(shí)間流逝的減慢)。這種現(xiàn)象可以通過(guò)以下公式表達(dá):



其中,△t′是運(yùn)動(dòng)物體感受到的時(shí)間跨度,而△t是靜止觀察者(比如地球)所經(jīng)歷的時(shí)間。V為物體速度,C為光速。當(dāng)V→C時(shí),公式中的平方根項(xiàng)趨近于零,導(dǎo)致△t′趨近于零。由此可見,時(shí)間的同時(shí)性實(shí)際上具有相對(duì)性。對(duì)地面上的觀察者來(lái)說(shuō),一段漫長(zhǎng)的時(shí)間可能只對(duì)應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)物體上經(jīng)歷的一個(gè)短暫瞬間。此外,高速運(yùn)動(dòng)的物體上的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn),前方的距離L也縮短了,公式如下:



其中L0是靜止觀察者所測(cè)得的距離。因此,盡管高速運(yùn)動(dòng)的物體上的觀察者主觀上并未感到時(shí)間減慢,但由于距離縮短,他們會(huì)感覺(jué)仿佛瞬間就抵達(dá)了目的地。而對(duì)地面上的觀察者而言,距離并未縮短,而是物體上的時(shí)間變慢了。不管是哪種觀點(diǎn),高速運(yùn)動(dòng)的物體的確似乎用極短的時(shí)間就完成了長(zhǎng)距離的旅行,不同觀察者所感受到的時(shí)間流逝速度存在顯著差異。

假設(shè)我們?cè)噲D突破相對(duì)論的極限,設(shè)想一個(gè)人真的達(dá)到了光速,將會(huì)怎樣?許多人會(huì)認(rèn)為,隨著物體速度越來(lái)越接近光速,時(shí)間流逝的速度也越來(lái)越慢,那么達(dá)到光速時(shí),時(shí)間就完全靜止了。



因?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)論的公式,當(dāng)V=C時(shí),公式中的平方根項(xiàng)將等于零,這意味著△t′和L都將變?yōu)榱恪嚯x為零,無(wú)需時(shí)間,那怎么可能不感覺(jué)快速呢?他甚至連“瞬間”都不需要,因?yàn)椤八查g”本身也包含著時(shí)間段,大約為0.36秒。在地面觀察者的眼中,這個(gè)以光速移動(dòng)的人似乎是瞬間穿越了任何距離,而動(dòng)作卻凍結(jié)在了光速的那一刻。

然而,上述的這些情景僅僅是我們的想象,因?yàn)檫@些推論已經(jīng)超出了相對(duì)論的討論范疇,我們?cè)跄芾^續(xù)使用相對(duì)論的結(jié)論來(lái)解釋呢?實(shí)際情況又是如何呢?讓我們嘗試描繪一下:如果人達(dá)到了光速,那他就不再是通常意義上的人,而是成為了光的一部分。

光速是區(qū)分時(shí)空的一個(gè)重要界限,一旦越過(guò)這個(gè)界限,時(shí)間就失去了意義。這意味著,當(dāng)人達(dá)到光速,不是時(shí)間靜止,而是時(shí)間根本就不存在了。以光速移動(dòng)的物體(包括這個(gè)人)不再遵循通常的時(shí)空法則,而是以一種我們尚不明了的方式存在。



對(duì)于這個(gè)人來(lái)說(shuō),宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)已經(jīng)不復(fù)存在,他成了一個(gè)真正的宇宙流浪者,一個(gè)不再受物質(zhì)束縛的“神”。到了這一步,已經(jīng)不是瞬間到達(dá)的問(wèn)題,而是沒(méi)有了“感知”這一概念。如果你認(rèn)為這是神話,無(wú)法接受,那么就請(qǐng)勿幻想以光速進(jìn)行旅行。

最后,我們?cè)俅螐?qiáng)調(diào)相對(duì)論中的“時(shí)間膨脹”概念,這個(gè)現(xiàn)象已經(jīng)在我們的日常生活中得到了證實(shí),至少有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn):

首先是電子鐘實(shí)驗(yàn)??茖W(xué)家們將兩只同步設(shè)置的高精度電子鐘放在飛機(jī)上,并留下一只在地面靜止。當(dāng)飛機(jī)繞地球一圈后,對(duì)比兩只鐘的時(shí)間顯示,可以發(fā)現(xiàn)飛機(jī)上的電子鐘比地面上的慢了微小的時(shí)間。

另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是關(guān)于原子鐘的??茖W(xué)家通過(guò)鋰原子的電子躍遷頻率制造原子鐘,一只在正常狀態(tài)下測(cè)量電子躍遷頻率,另一只在對(duì)鋰原子加速的狀態(tài)下測(cè)量。結(jié)果表明,加速狀態(tài)下的鋰原子的電子躍遷頻率發(fā)生了負(fù)時(shí)移,也就是說(shuō),時(shí)間似乎變慢了。

這些現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)表明,相對(duì)論中的時(shí)間膨脹原理在我們現(xiàn)實(shí)生活中的確是成立的。

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