如果无限接近光速,不管多远的距离都可瞬间到达,果真如此吗?
当个体以无限接近光的速度运动时,确实瞬间可至任何地点。
自从爱因斯坦的《狭义相对论》横空出世,人类对时间的理解被完全颠覆——每个人的时间并非同步,即时间具有相对性。这一相对性直接与观察者移动速度挂钩。若个体拥有充足的能量,使得自己无限接近光速,便能获得光的属性之一——时间静止。(此处不讨论人类是否能承受这种状态)。先简略论述再行证明。
譬如,我们观察到太阳发出的光需时8分20秒才抵达地球,但对光而言,这不过是刹那之间的事。你所见的光经8分多钟抵达地球,不过是你的主观时间流逝,而光的“时间”则仿佛静止不动,这并非它的“时钟”失灵,而是它处于时间的冻结状态。换言之,光速本身就是时空的尺度。若人能拥有光的特性,时间对他而言将不复存在。在爱因斯坦的观念中,时间与空间本是一体,因此在瞬间横越宇宙的每一角落是可能的。
接下来,我将从两方面阐述“时间膨胀”如何发生:
(1)运用勾股定理揭示速度与时间膨胀的联系。
(2)从量子力学视角——探究被忽略的光子。
我们探究光如何实现瞬间移动。迈克尔逊-莫雷实验为我们提供了实证,该实验易于理解:两位科学家制作了一台干涉仪。
一束光从光源射出,经分光镜分成两束垂直的光,一束垂直向上,经反射后朝下;另一束原方向的光也经镜面反射后朝下。在仪器静止时,两束光路程相同,故同时抵达干涉屏。
若仪器向右移动,根据伽利略的相对性原理,水平方向的蓝光速度会减少,或直观地说,仪器移动使得蓝光的路程变长,导致蓝色光较晚抵达。
但宇宙中不存在完全静止的物体,若物体静止,组成它的分子、原子、电子也在不断运动,因此实验结果应该是:两束光不同时抵达。然而,实验结果却出乎意料,两束光依旧同时抵达,并未形成干涉条纹。
此实验表明,光速并不遵循伽利略的相对性原理,不会出现速度的叠加或减少。简言之,逆风的光不会更快,顺风的光不会更慢,这就是光速不变原理。
因此,飞船向右移动时,其中的光并不会产生向右的加速度。如附图,飞船内的人看光是垂直向上的,而飞船外的人看光的路径是斜线。
在三角形中,斜边总长于直角边。飞船上的人看飞船的时间为t(船)=直角边除以光速,地球上的人看飞船的时间为t(地球)=斜边除以光速。由于光速不变,可以得出t(地球)>t(船),即两人对同一事件的时间感知不同。
将飞船的轨迹、飞船内光的轨迹及地球上光的轨迹连接起来,便可得到一个三角形,利用勾股定理可以得出地球上的时间与飞船的时间关系,这一比值称为洛伦兹因子。
在相对论中,除了时间,质量、尺寸、速度等亦具有相对性。质量的增加意味着v必须小于c,除非m0为零,即静质量为零,物体才能达到光速。然而,人类有质量,故无法达到光速。
修正因子体现了高速运动物体物理性质的改变,见附图。从图中可以看出,当物体速度无限接近光速时,两地时间比值(t/t')趋向无穷大。
因此,若飞船速度无限接近光速,则t'(或飞船时间)趋向于零,即时间凝固,个体便具有光的属性,实现一触即达。
例如,当t=190亿年时,地球人认为需要190亿年才能到达的地方,对飞船而言,时间t'趋向于零,即瞬间即可抵达。爱因斯坦的《广义相对论》阐述了质量使时空弯曲,产生引力场,而光遵循的类光测地线也会随之弯曲,因此引力弯曲的时空里时间流逝的速度也会变化。
宇宙中存在希格斯场,赋予基本粒子质量。除了光子,基本粒子在希格斯场中运动时会获得一定势能,从而具有质量。光子由于不与希格斯场作用,静质量为零,因此除了引力,它不受其他有质量物体的影响。
由此可见,若物质想实现一触即达,必须免疫希格斯场的束缚。而人由原子构成,原子由电子、原子核构成,它们又由质子、中子构成,质子中子又由夸克构成,这些粒子的质量皆来自希格斯场中的势能。因此,人类无法达到光速。除非不再是人,而是由光子构成。
当物体获得巨大能量以抗衡内部粒子所受的场束缚,就能无限接近光速,实现瞬移。然而,物体是否会因此“解体”,则不得而知。