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深層解讀:宇宙為什么要將最大速度限制在光速?

2024-12-20 

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  時間,是速度的柔和調(diào)和者。在速度逐漸攀升至光的速度之際,時間仿佛被按下了暫停鍵;而當(dāng)超光速成為可能,時間便逆流而上。

深層解讀:宇宙為什么要將最大速度限制在光速?(圖1)

  時空并非鐵板一塊,每個人對于時空的感知,受速度影響而各異(實(shí)際上,引力也會對時空產(chǎn)生影響,不過這里不深入探討)。這是理解下文的前提。

  設(shè)想,你置身于一艘無限接近光速的飛船,飛往一光年之外的目的地,你的時空體驗將與地面觀察者的時空截然不同(公式中用t和t0表示)。

深層解讀:宇宙為什么要將最大速度限制在光速?(圖2)

  在觀察者眼里,你經(jīng)過了一年,終于抵達(dá)了終點(diǎn),而對你來說,也許只是幾分鐘,就完成了跨越一光年的旅程。

  根據(jù)牛頓的舊時空觀念,時空是固定且單一的。無論你飛得多快,來回的時間與地面人所經(jīng)歷的應(yīng)一模一樣(即t=t0)。但愛因斯坦向我們揭示了一個事實(shí):這是錯覺。實(shí)際上,人們更傾向于直覺的解讀,即大多數(shù)人心中的想象。

  一年,是觀察者的參照系。而你,處于無限接近光速的狀態(tài),已經(jīng)位于另一時空體系之中。兩個時空體系中的時間體驗自然不同。

  感覺不到,是因為這種差異微乎其微。比如,跑步的你與靜止的旁人相比,每秒間的時間僅慢下一億億分之一秒。

  你們處于不同的空間體系。運(yùn)動中的你,與靜止的旁人相比,引力勢更強(qiáng)。但在遠(yuǎn)低于光速的情況下,這些差異幾乎難以察覺。

深層解讀:宇宙為什么要將最大速度限制在光速?(圖3)

  因為,在你度過一生之前,宇宙早已經(jīng)歷無數(shù)歲月(實(shí)際上遠(yuǎn)不止這些,稍后將討論)。

  答案是,它不會有時間的感知,沒有過去和未來,時間對于它而言是「靜止」的,它也無法感受到宇宙的誕生。因為「誕生」這個概念,本身就是基于時間的。

  因此,如果你希望進(jìn)行時間旅行,目睹宇宙的終點(diǎn),最好的辦法就是乘坐無限接近光速的飛船,不停地飛行。你可能只飛了幾天,地球便已消亡;飛了幾個月,太陽燃燒殆盡;飛了幾年,宇宙步入熱寂;飛了十年,宇宙開始收縮,整個宇宙重新縮成一個奇點(diǎn),而你也消失無蹤。但這一切,對你而言不過是二十年的時光。

  速度,是時間的快進(jìn)鍵。速度越接近光速,時間流逝的就越慢。而達(dá)到和超過光速是不可能的,我們只能無限接近光速。這間接證明了兩個事實(shí):

  因此,你縱馬奔馳,與世人共賞人世間的繁華,實(shí)際上是在按下時間的快進(jìn)鍵,只是這種速度的影響非常微弱,你幾乎難以察覺。但當(dāng)你的速度越來越接近光速時,這種變化就顯得明顯了,大到難以想象。究竟有多大呢?

  于是,第三個驚人問題浮現(xiàn):以光速移動的飛船,內(nèi)部時鐘顯示,恰好清晨9點(diǎn)從地球出發(fā)(無加速,瞬間達(dá)到光速),問:抵達(dá)一光年外的星球時是幾點(diǎn)?

  飛船內(nèi)的人毫無察覺地已經(jīng)到達(dá)了目的地,你以為還未出發(fā),實(shí)際卻已經(jīng)抵達(dá)。你意識的一瞬間,在沒有時間的虛無中可能是永恒,也可能是一剎那,兩者沒有區(qū)別。你意識的一剎那,正是經(jīng)歷了永恒或一瞬的虛無。而對于觀察者來說,卻已經(jīng)度過了一年。

  這是極限狀況:速度等于光速。它意味著無論距離多遠(yuǎn),對你而言,都不需要時間就能到達(dá)。這間接證明了第三個事實(shí):

  在無限接近光速時(未達(dá)到光速),前往任何遙遠(yuǎn)的地方,都是一瞬間(納秒級別),而觀察者可能已經(jīng)度過了無數(shù)年。速度越接近光速,所需時間就越接近零。

  因此,當(dāng)我們無限接近光速時(99.%),即便前往十萬光年外的地方,花費(fèi)的時間也是納秒級別。而觀察者,卻要為你的離開等待十萬年……這可以說是望眼欲穿了。(后文將有數(shù)學(xué)證明,實(shí)際情況比這個比例恐怖得多。)

  電影《星際穿越》中,男主帶領(lǐng)團(tuán)隊前往巨浪星球,往返一趟花費(fèi)了數(shù)十分鐘,回到基地后,留守的黑人已經(jīng)白發(fā)蒼蒼,他說:「我等了你們23年……」

深層解讀:宇宙為什么要將最大速度限制在光速?(圖4)

  t是運(yùn)動參照系中的時間,t0是靜止參照系中的時間(觀察者所見),v是運(yùn)動者的速度,c是真空中的光速。

  當(dāng)v遠(yuǎn)小于c時,t幾乎等于t0,差異可以忽略不計,因此你無法感知。這就是地球上所發(fā)生的一切。牛頓的時空理論正是反映了這種情況。

  當(dāng)運(yùn)動速度v無限接近c(diǎn)時,無論觀察者經(jīng)歷的時間t0多大,運(yùn)動者所經(jīng)歷的時間t都趨向于無限小。這就解釋了為什么「天上一日,人間千年」。

  當(dāng)v=c時,無論t0經(jīng)歷多久,t=0,意味著運(yùn)動者的時間是靜止的。這是不允許的。

  當(dāng)vc時,無論觀察者經(jīng)歷的時間t0如何,運(yùn)動者的時間t都是虛數(shù),對應(yīng)空間的一點(diǎn)。這也是不允許的。

  假如以光速的99.999……%(小數(shù)點(diǎn)后精確到13個9)飛行一光年的距離,運(yùn)動者所感知的時間是1.41033秒。差異之大,在飛船內(nèi)你只需眨一下眼睛便到了。你的細(xì)胞新陳代謝僅過了1.41033秒,而觀察者卻看著你飛行了一年時間。

  也就是說:在100萬億光年的距離中,你感覺只飛了6.307秒便到了。觀察者看著你飛了100萬億年,而你只過了6.307秒,等你到達(dá)時,觀察者早已消失無蹤。因此,「天下武功,唯快不破」確有其理!

  因此:如果你以這樣的速度飛行,你甚至可能連一秒都飛不到,宇宙就已經(jīng)走向終結(jié)了?。ㄓ钪嬷两窦s有140億年的歷史。)

  另外,有人質(zhì)疑,電影中時間變慢是因為黑洞,而非速度。沒錯,你觀察得很仔細(xì)。我們此文主要討論的是速度對時間的影響。事實(shí)上,引力造成的空間曲率變化也會導(dǎo)致時間變慢,在引力極強(qiáng)的情況下,這種變化才會很明顯。而黑洞正是這種狀況。想象一下,你漂浮在黑洞的安全區(qū)域周圍,看著同伴被引力拉向黑洞,會是怎樣的情景?

  答案是:你會看到他動作越來越慢,最終在黑洞視界外靜止。其實(shí)他仍在加速移動,只是你看不見。因為時間和光都被禁錮在黑洞視界,所有墜入黑洞的物體,其影像都會定格在視界上,成為永恒。

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  所以黑洞并非一片漆黑,它通常有一個非常「明亮」的光環(huán),那是它吸取恒星盤的「余暉」。這種光,不一定是可見光,可能是高能輻射。(參考霍金輻射理論,黑洞視界上能量依舊能逸散,會有玻爾茲曼漲落的正負(fù)粒子對,一個被吸入視界,一個逃逸,總量保持守恒。)

  有人會說,以接近光速移動的人和觀察者應(yīng)該有同樣的時間感受,觀察者看到他度過了一年,他自己也應(yīng)該感覺到了一年才對。

  正如前文所述,牛頓的經(jīng)典時空觀認(rèn)為存在一個普適的、單一的時空框架,每個人都在同一時刻中度過相等的時間。然而,這個觀念實(shí)際上是錯誤的。事實(shí)是,不同的參考系(或稱為慣性系)擁有相對的、獨(dú)一無二的時空結(jié)構(gòu)。每一處的物體,其對時間的感知皆有不同,唯有當(dāng)兩者速度接近光速時,這種差異才會顯著到肉眼可見的程度。

深層解讀:宇宙為什么要將最大速度限制在光速?(圖5)

  我們身邊就有一個絕佳的例子,那就是全球定位系統(tǒng)(GPS)。由于衛(wèi)星以極高速度運(yùn)行,時間在其上過得比地面要慢大約每秒八億分之一秒,這個量級微乎其微。但正是這微小的時差,卻能導(dǎo)致定位誤差達(dá)到四百米左右。因此,必須對衛(wèi)星的時鐘進(jìn)行校準(zhǔn),提前設(shè)置快八億分之一秒的時間,即每年快約千分之三秒,這樣用戶才能享受到精準(zhǔn)的定位服務(wù)。

  當(dāng)物體速度接近光速時,其所需的能量消耗將呈現(xiàn)指數(shù)式增長,同時物體自身的動力學(xué)質(zhì)量M也會急劇增大(詳細(xì)可參考愛因斯坦的相對論方程式和質(zhì)能方程式,此處略去)。如果物體速度等同于光速,那么所需的能量及質(zhì)量M將成為無限大;若試圖超越光速,那就需要負(fù)能量了,這在我們的認(rèn)知中是不可能的。因此,任何具有質(zhì)量的物體都不能達(dá)到或超過光速。

  假如一個具有質(zhì)量的物體真的以光速移動,其動力學(xué)質(zhì)量M變?yōu)闊o限大,那將會引發(fā)什么后果?

  在回答這一問題之前,我們需要認(rèn)識到,動力學(xué)質(zhì)量M并不是指靜止質(zhì)量,它是一個數(shù)學(xué)上的等效概念,更精確地說,它其實(shí)就是能量的一種表現(xiàn)形式(質(zhì)能方程式告訴我們,質(zhì)量與能量其實(shí)是一回事,只是兩種不同的表現(xiàn))。

  答案是,這個物體將蘊(yùn)含無窮的能量,它的動力學(xué)質(zhì)量所產(chǎn)生的引力勢阱將深邃至無窮大。那會是什么呢?

  因此,宇宙似乎從各個層面巧妙地阻止了物體達(dá)到光速的情況發(fā)生,巧妙得仿佛是被精心設(shè)計過的……

  在文章的最后,我們還要提及一個關(guān)于接近光速旅行的設(shè)想:如果人類能夠以接近光速的速度飛行,那么飛船內(nèi)將不再需要龐大的生態(tài)維持系統(tǒng)(比如一個完整的生態(tài)系統(tǒng))。因為在這樣的速度下,飛越幾光年或幾百光年的距離不過是一瞬間的事,僅需攜帶小型應(yīng)急生態(tài)系統(tǒng)即可。

  因此,那些描繪擁有巨型生態(tài)系統(tǒng)、森林遍地的星際飛船,如果同時還在進(jìn)行光速飛行,那么就顯得不那么硬科幻了。因為曲率驅(qū)動引擎并沒有加速或減速的概念,更沒有像工質(zhì)引擎那樣的推力感覺,所以根本無需森林那么龐大的生態(tài)系統(tǒng)。倘若我們前往半人馬座α星,帶上一包巧克力和一瓶礦泉水,就足以輕松往返一趟。

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