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首页  »  中科院物理所  »  假如你是一束光,你会体验到时间的流逝吗?

摘要: ?如果你真的是一个光子,并且以光速运动,你会发现你感受到的时间、距离以及宇宙完全是反直觉的。


从国际空间站拍摄到的地球和太阳。太阳发出的光抵达地球需要多于八分钟的时间。(? NASA/ISS)


从太阳辐射出的光子,在抵达地球之前需要经历1.5亿公里广阔的空间。在没有任何阻碍物的情况下,光子以光速传播到地球需要大约八分钟的时间。这就意味着,从我们的角度来看,我们看到的太阳总它的过去(即约八分钟以前的它),而不是它即时的样貌。换句话说,如果太阳瞬间消失,我们无法从它辐射出的光或它的引力立刻得知,只有在八分钟后我们才会知道。但是,从光子的角度来看呢?我们知道,当你以接近光速运动的时候,爱因斯坦的狭义相对论就开始发挥作用了。但是,光子并不是以接近光速传播,而是正好以光速传播。所以,当太阳辐射出光子到达地球的时候,光子认为自己经历了多长的时间呢?


如果你的直觉告诉你是八分钟,那么我们就得好好聊聊这个问题了。当然,从我们的角度来说,光子确实是经历了八分钟才到达地球。


现在,假设你家附近有一家超市,距离你家800米,你走过去需要花八分钟。也就是说,对于你来说,当你从家里出发抵达超市的时候,你已经老了八分钟。如果超市的店员一直看着你走到超市,她也会得到同样的结果,觉得你老了八分钟。如果我们认为牛顿定义的时间概念——即绝对时间——是真理的话,那么,不管在宇宙中的任何人,任何地方,在所有的情况下都会体验相同时间的流逝。但如果情况真是如此的话,光的速度就不会是常数了。



用手电筒照亮黑暗的世界。(? pixabay user StockSnap)


想象一下你静止的站在地上,你用手电筒朝前方的一个物体照明,该物体离你一光秒(也就是光在一秒内传播的距离)。现在,想象你同样拿着手电筒照射该物体并且开始奔跑起来。你跑的越快,你就会预期光传播的越快:它以光静止时的速度加上你奔跑的速度在传播着。


为什么必须是这样?


现在,想象你有一个时钟,这个时钟不是齿轮驱动的那种,而是由两个镜片和一个光子组成的,光子会在镜片之间上下弹跳。如果你的光钟是静止的,那么你会看到光子会一直上下往返,并没有什么特别之处。但如果你的光钟是在运动,此时会发生什么?



一个以光速运动的光钟相对于一个静止的观测者来说时间流逝的更慢。(? John D. Norton)


很明显,如果光是常数,那么它就需要更久的时间完成一次往返。但如果时间的走时率对于每个人、每个地方以及任何情况都是一样的,那么我们会看到光的传播速度可以是任意快的。更糟的是,如果某样东西运动的足够快,接着你往相反的方向打开手电筒,我们会看到光几乎是静止的。


但是光并没有表现出这些行为,因此我们知道这个简单的图景是错误的。



真空中的光沿任何方向、对任何惯性系都是以光速在传播的。(? pixabay user Melmak)


直到1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,他意识到如果真空中的光速是一个常数,那么迈克尔逊-莫雷的实验,长度缩短和时间延缓的现象都将得以解释。也就是说如果某样东西运动的越快——越接近光速——那么跟该物体一起运动的观测者,相比于一个静止的观测者,他感受到的距离和时间都缩短了。



由于时间延缓的作用,在空间站上的宇航员要比留在地球上的人更年轻一点点。(? NASA)


事实上,当你花八分钟走到你家附近的超市时,根据狭义相对论,你所佩戴的手表上的时间——假设它超精准并且在你出发前与店员的手表校准了——要比店员的手表慢2纳秒!虽然在大多数情况下,相对论的效应都小到可以忽略不计,但它总是在发挥作用。如果我们不考虑狭义相对论的效应,那么GPS也将无法精确的定位。


这其中的原因是空间和时间不再是独立的,而是交织在一起形成所谓的时空。这个想法首先是由爱因斯坦的老师闵可夫斯基提出来的。



时空的弯曲。(? LIGO)


当你在空间中运动的够快,你所花的时间也越少,这也是为什么你走去店里的时候,你的时间要比店员的慢,因为你在空间的运动速度要比她快,所以你的时间要过的比她慢。事实上,如果你以接近光速(光速的99.9999999%)运动到超市的时候,店员的时间流逝要比你快22000倍。



时间延缓(左边)和长度收缩(右边)。当速度越来接近光速的时候,时间变得越来越慢,距离变得越来越短。(? Wikimedia Commons user Zayani & JRobbins59)


通过上面的讨论,我们现在回到光子本身。对于一个观测者而言,所有用来描述它的公式都会告诉我们一个无限大的答案,因为它正好以光速传播。但是无限并不意味着物理失效;它们有时候意味着物理行为的不直观。当光子以光速运动时,这意味着:


  • 光子不会有质量;如果有质量那么它以光速传播时就会携带无限大的能量。所以光子必须是无质量的。

  • 光子不会感受到自己在空间中传播,因为光子传播方向的距离都会收缩成一个点。

  • 光子不会感受到时间的流逝,整个旅途中对于它来说都是瞬时的。



从我们角度看,光从太阳传播到地球需要八分钟的时间;而从光子的角度看,这是瞬时的。

? Wikimedia Commons user LucasVB)


对于地球上的观测者来说,我们接收到太阳辐射出来的光子是八分钟之前的。虽然我们能感受到这八分钟时间的流逝,但是光子本身并没有体验到任何时间的流逝。


当我们观测宇宙中遥远的星系时,从银河系上的观测者来说,星系辐射出来的光子要花几十亿年的时间才能到达我们。在这个过程中,膨胀的宇宙导致空间的拉伸,光子的能量也因此迅速减少,即宇宙红移。尽管对于我们来说这是一个非常遥远的旅途,但对于光子来说它并没有感知我们所感知的时间:它只是简单的被辐射出来,然后瞬时被吸收了,没有体验到任何的时间流逝。就我们目前所知,光子是永远不会老去的。

来源:原理

编辑:Aprilis


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