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深度科普:光速離開地球一分鐘,返回后地球過去了多久?

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先說答案:如果你真的能以光速飛行,你將再也返回不了地球,因?yàn)榧幢闶悄愕臅r(shí)間只過去了一分鐘,地球也早已不存在了。別說地球了,整個(gè)宇宙都不存在了。這意味著你必須飛出宇宙才行,至于飛向哪里我們不知道,但肯定與這個(gè)宇宙無關(guān)了。



但你存在的基礎(chǔ)就是這個(gè)宇宙,你本身就是宇宙的一部分,宇宙都沒有了,你肯定也就不存在了。矛盾就出現(xiàn)了,從這點(diǎn)上來分析,你想要光速飛行也是不現(xiàn)實(shí)的。這就像試圖提著自己的頭發(fā)離開地面一樣,看似充滿想象力,實(shí)則違背了最基本的物理法則。

事實(shí)上,從科學(xué)角度進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)分析,人類也無法達(dá)到光速,只能無限接近光速飛行。當(dāng)你無限接近光速飛行時(shí),要想再加速就需要無窮大的能量,甚至整個(gè)宇宙的能量都不行。這聽起來像是天方夜譚,但背后卻蘊(yùn)含著現(xiàn)代物理學(xué)最深刻的奧秘。

為何會(huì)這樣,需要首先從光說起,因?yàn)楣饩褪沁@么特殊。

在我們的日常生活中,速度的概念早已深入人心。比如,我們開車時(shí),儀表盤上都會(huì)顯示車速,實(shí)際上車的速度是默認(rèn)為地面為參照系。當(dāng)我們說高鐵時(shí)速 350 公里,是相對(duì)于鐵軌和地面;飛機(jī)巡航速度 900 公里每小時(shí),是相對(duì)于地球大氣層。



在傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)體系里,速度具有鮮明的相對(duì)性,一個(gè)物體的速度必須依賴于另一個(gè)物體作為參照系才有意義,這種思維方式在低速宏觀世界里屢試不爽,也讓我們對(duì)速度有了根深蒂固的直觀認(rèn)知。

但是,19 世紀(jì)偉大的物理學(xué)家麥克斯韋,通過一組精妙絕倫的方程組推導(dǎo)出一個(gè)可以計(jì)算出光速的公式。這個(gè)公式中并沒有提到參照系,光速只與真空的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān),與參照系無關(guān)。



這一發(fā)現(xiàn)打破了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的固有認(rèn)知。介電常數(shù)描述的是真空對(duì)電荷的 “容納” 能力,磁導(dǎo)率則反映真空對(duì)磁場(chǎng)的 “傳導(dǎo)” 特性,這兩個(gè)常數(shù)像宇宙密碼一般,將光速牢牢鎖定在 299792458 米 / 秒,無論觀察者處于何種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這一數(shù)值都巋然不動(dòng)。

正是對(duì)麥克斯韋方程組的癡迷瘋狂研究,讓愛因斯坦有了靈感(當(dāng)然,也并不是如此簡(jiǎn)單)。1905 年,年僅 26 歲的愛因斯坦大膽提出了:光速不變?cè)?,?qiáng)調(diào)光速是絕對(duì)的,不需要任何參照系。也就是說光速與任何速度疊加之后仍舊是光速。



這一原理徹底顛覆了人類對(duì)速度的傳統(tǒng)認(rèn)知,想象一下,你站在以 0.5 倍光速飛行的飛船上向前發(fā)射一束光,按照傳統(tǒng)速度疊加法則,地面觀察者應(yīng)該看到光以 1.5 倍光速前進(jìn),但愛因斯坦卻斷言,無論是飛船上的你還是地面上的觀測(cè)者,看到的光速依然是恒定的 299792458 米 / 秒,這聽起來簡(jiǎn)直不可思議,卻成為了狹義相對(duì)論誕生的基石。

“光速不變?cè)怼?這個(gè)基本前提,是狹義相對(duì)論誕生的基礎(chǔ)。

而之后科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)也驗(yàn)證了 “光速不變?cè)怼?這個(gè)前提的正確性,比如說著名的 “邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)”。1887 年,兩位美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷精心設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),他們?cè)噲D尋找傳說中承載光傳播的 “以太” 介質(zhì)。



按照當(dāng)時(shí)的主流理論,地球在以太中運(yùn)動(dòng),就像船在河流中航行,順著地球運(yùn)動(dòng)方向和逆著地球運(yùn)動(dòng)方向的光速應(yīng)該存在差異。他們利用精密的干涉儀,將一束光分成兩束,分別沿著相互垂直的方向傳播,再讓它們相遇產(chǎn)生干涉條紋。

如果光速存在差異,干涉條紋就會(huì)發(fā)生移動(dòng)。然而,無論他們?nèi)绾握{(diào)整實(shí)驗(yàn)條件,在不同季節(jié)、不同時(shí)間重復(fù)實(shí)驗(yàn),都沒有觀測(cè)到預(yù)期的條紋移動(dòng),這就像在黑暗中尋找不存在的幻影,最終證明了光速在各個(gè)方向上都是相同的,以太并不存在,也為光速不變?cè)硖峁┝藞?jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

狹義相對(duì)論強(qiáng)調(diào),我們固有思維里關(guān)于 “時(shí)間和空間是絕對(duì)的” 的觀點(diǎn)其實(shí)是錯(cuò)誤的,時(shí)間和空間是相對(duì)的,兩者都會(huì)隨著速度的變化發(fā)生相應(yīng)改變。其實(shí),“時(shí)間和空間是相對(duì)的” 這句話比較容易理解,只要你接受 “光速不變?cè)怼?就行。

因?yàn)樵诓煌瑓⒄障迪掠^察到的光的速度都是一樣的,參照系不同(也就是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同),都能得到相同的光速,這說明肯定有其他東西隨著參照系的不同而發(fā)生改變,以保持光速的絕對(duì)不變。



“其他東西” 正是時(shí)間和空間。狹義相對(duì)論表明,時(shí)間和空間不僅僅是相對(duì)的,兩者也是一體的,就是所謂的 “時(shí)空”,兩者是一個(gè)有機(jī)的整體,是不可分割的。

為了更好地理解這一概念,我們可以想象一個(gè)科幻場(chǎng)景:一艘星際飛船以接近光速的速度掠過地球,飛船上的宇航員透過舷窗觀察地球上的景象,會(huì)發(fā)現(xiàn)地球在飛船前進(jìn)方向上變得扁了,就像被無形的大手壓縮過一樣,這就是 “尺縮效應(yīng)”;同時(shí),飛船上的時(shí)鐘滴答聲與地球上的時(shí)鐘相比,會(huì)變得格外緩慢,宇航員吃一頓飯的時(shí)間,地球上可能已經(jīng)過去了好幾天,這就是 “時(shí)間膨脹效應(yīng)”(鐘慢效應(yīng))。

時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)是同時(shí)出現(xiàn)的,是平行關(guān)系。因?yàn)闀r(shí)間和空間是一體的,所以兩者必須同時(shí)出現(xiàn)。



利用上面的時(shí)間膨脹公式,我們可以很容易計(jì)算出來當(dāng)我們乘坐飛船以亞光速飛行時(shí),飛船的時(shí)間究竟會(huì)變慢多少。當(dāng)飛船的速度達(dá)到 0.99 倍光速時(shí),飛船飛行一分鐘,地球上大約過了 70 分鐘!如果速度達(dá)到 0.999999 倍光速時(shí),飛船飛行一分鐘,地球上大約過了 120 個(gè)小時(shí)!如果速度更快,無限接近光速飛行,飛船的時(shí)間就會(huì)趨于停止,而地球的時(shí)間將會(huì)無限加快。

最終就會(huì)像文章開頭所說的那樣,飛船上的一分鐘,地球也會(huì)過去無限多的時(shí)間,地球早就滅亡了!這不僅是簡(jiǎn)單的數(shù)字游戲,更揭示了宇宙中隱藏的深刻規(guī)律。

想象一下,當(dāng)宇航員以 0.999999 倍光速離開地球,進(jìn)行為期一年的星際旅行,返回時(shí)卻發(fā)現(xiàn)地球上已經(jīng)過去了 43800 年,人類文明或許早已滄海桑田,曾經(jīng)熟悉的一切都消失在歷史的長(zhǎng)河中,這種時(shí)間尺度的巨大差異,讓我們深刻感受到了時(shí)空的相對(duì)性和宇宙的浩瀚神秘。

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