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光走一年是一年的时间吗? 光子: 你低估我的速度了, 只需一瞬间

时间:2020-05-17 18:45:28 点击:

  核心提示: 光子一生就是个悲剧,也可以说它并没有一生,而只是发生两个瞬间,生的瞬间和死的瞬间!光年只是在我们看来的,对于光子来说宇宙并非三维空间,它的行进路线并非是一条线,而是一个点,所以它的世界相当于少一维,...

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光子一生就是个悲剧,也可以说它并没有一生,而只是发生两个瞬间,生的瞬间和死的瞬间!光年只是在我们看来的,对于光子来说宇宙并非三维空间,它的行进路线并非是一条线,而是一个点,所以它的世界相当于少一维,为二维宇宙!下面我们从人的视角一点点过渡到光子视角,从而感受一下光子悲剧的一生!

图:光速的定义,在真空中传播为299792458米/秒

速度时间膨胀

作为地球上的人类,地球自转一圈是我们的24小时,地球公转一圈是我们的一年四季。我们的时钟走过一秒钟,对于我们来说就是一秒钟。原本理所应当的事情,一条光速不变的观测事实被发现后,我们的世界发生了翻天覆地的变化。

图:如果我们把一个光子当作钟摆,在两面镜子上来回反射,假设光子撞击反射镜会发出“嘀嗒、嘀嗒”的声音。

图:当地球上的人,带着一个光钟上了快速的飞船,对于地球上的观察者来说,光钟的路线由上下摆动,变成了斜线摆动。

由于光速不变,飞船上光钟斜线的运行轨迹要大于光钟上下来回摆动的运动轨迹。

图:可见如果(左侧)地球上光钟的频率是“嘀---嗒,嘀---嗒”,那么(右侧)飞船上的光钟则是“嘀------嗒”,“嘀------嗒”。

当地球上光钟走过2秒,飞船上的光钟才走过1秒。如果飞船的速度再快一点,飞船上光钟斜线的倾斜角就会越小,从而导致,光子到达反光镜的路线更长,于是我们就会得到“嘀------------嗒”,也就是说飞船速度越快,嘀嗒的间隔就会越大,飞船上的钟就会走的越慢!我们可以得出一个震惊的结论“速度时间膨胀”,速度越快时间膨胀得越快!这就是爱因斯坦要告诉我们的“时间是相对的”。

图:反常识的时间膨胀得到反常识的年龄

这个结论比较反常识,这是因为在我们的传统世界观中,人类所涉及到的速度与光速相比起来实在太小儿科了,就算是我们的超音速飞机也只能达到0.0001%光速,你看道路上的汽车,博尔特的速度,高铁都远远无法产生时间膨胀的显著效果,所以三维宇宙中的时间对于人类来说都是一致的,并没有明显的相对性时间差。

接近光速的飞船

如果飞船以恒定的加速度加速,那么它的速度会越来越快,随着他不断的接近光速,飞船人相对于地球,时间流速也会越来越慢,直至无限接近于静止的状态。

图:地球上的光钟与飞船上的光钟速度分解

假设飞船可以达到光速,那么飞船上光钟中的光子横向上的分速度则为光速,竖直方向上的分速度则为0,那么这个光钟从地面反射镜出发时发出“嘀”之后,再也会运行到顶面的反射镜,则无法发出“嗒”,由此可以得出飞船的时间静止了。不过,飞船并无法加速到光速,但我们可以使飞船无限接近于光速。

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!



作者:不详 来源:网络
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