撼动时空的速度

撼动时空的速度
2020年08月06日 15:59 新浪科技综合

  来源:《看不见的光》

  我们已经知道,作为量子的光子有一个非常奇特的性质——如果没有观察者,光就不存在。然而,无论是可见光还是不可见光,光还有一个更加不可思议的特点。光带来的许多神奇效应都与其速度有关,这或许是科学领域中最著名的速度。要知道,高速运动和强大的万有引力会促使很多奇妙的现象出现,这些因素既会影响光,也会影响其他事物。例如,在超高速运动的情况下,时间会减慢(如果你从事的是一份很无聊的工作,那这可不是什么好事),距离会缩短。这个现象被称为“时间膨胀”,科幻作品经常提及。例如,2014年轰动一时的电影《星际穿越》(Interstellar)中就有这样的情节,在外星球表面的宇航员只经历了几个小时的旅程,而他们仍在地球轨道上的同事却老了几十岁。不过,人们对物体之间距离缩短的现象似乎没什么热情。

  19世纪末,洛伦兹率先提出了一个著名的关系式,以此点明时间和空间没有可以界定的边界。几年后,爱因斯坦在解释这个问题时采用了同样的数学方法,于是反映时间空间具体变化的关系仍然被称为洛伦兹变换。从这组关系式可以推算出一些惊人的结果。例如,如果你以99%的光速运动,那么宇宙会突然变成现在的1/7 ;原本距离你14光年的星星(例如,夏季大三角中的牛郎星)会瞬间离你只有2光年远,你在有生之年还有希望到达那里;以这样的速度运动,客厅会缩小到不足1米宽。

  如果你的速度再快一点,就会出现更神奇的效果。假设你乘坐的火箭以 99.9999999%的光速行驶,膨胀系数为22361,那么当火箭上的时间走过1年之后,地球已经经历了223个世纪。不仅如此,任何距离都会按照同样的比例缩小。1年之内你就能到达银河系的中心,而乘坐当今最快的火箭到达银河系中心则至少需要4亿年。有如此广阔的天地任你驰骋,你的社交圈也会大大地拓展开来。你可以将下次聚会的地点选在银河系中心的黑洞附近。

  然而可惜的是,到了那时就没人陪你玩了。地球上的时间依旧按照原来的速率流逝。等你再回来的时候,聚会就真的结束了。你只经历了两年,老了两岁,地球却度过了近5万年的岁月。全世界的地形地貌会彻底改变,人类的风俗语言可能已经变得让你无法理解,甚至某些物种都已演化。你会成为真正意义上的“赶不上时代的人”,比起时尚的流行变迁,眼前的一切更加超乎你的想象,没被当成怪物关进动物园就算是幸运的了。

  说到接近光速时空间和时间发生的变化,为了让一切简单而直观,你要记 住,对你来说时间总是正常地流逝,永远不会改变。如果你有幸活到85岁高龄, 那么不管运动的速度如何,你经历的都是实实在在的85年。只不过用天文望远镜观察你的那些人变老的程度会有所不同,在他们眼中你老得很慢,即使你自己并没有这样的感觉。关键在于,时间流逝得不太正常的总是“别人”,绝对不会是你自己。

  但是你确实会感受到空间缩小了。以接近光的速度运动时,你与前方目的地的距离的确缩短了,所以你能更快地到达那里。此外,在接近光速的情况下,无论你的火箭指引向哪里,宇宙中的一切物质看起来都位于正前方。

  这里要解释一下:这是行差原理。在雨中快步行走时,我们需要将伞向前倾斜一些才能避免淋湿;在暴风雪中驾车行驶的过程中,雪片给人的感觉好像是从正前方直接打过来的,后车窗似乎完全接触不到雪。这些都是行差的例子, 它是指物体的位置出现了偏差。光也会发生类似的现象。地球以每秒29.78千米的速度绕太阳运动,我们身在地球,公转改变了夜空中星星的位置,让它们稍稍偏离了本该出现的地方。如果公转速度加快,那么这种效果还会加剧。如果这个速度一直增加,那么在逼近光速度时,宇宙中的一切物质看起来都位于我们的正前方。此时,从火箭的前挡风玻璃望出去,我们看到的是一颗耀眼的“星星”,实际上那是宇宙中所有物质聚集起来形成的一个明亮的球;从后窗望去,我们看到的是一片漆黑,此时空间已经严重变形,以至于在这个方向上什么都没有。

  简而言之,由于我们自身的公转运动,星星的位置才会被改变!

  光就像一位充满幻想、技艺精湛的魔术师。它在真空中的传播速度为每秒 299792458米,我们通常提到的光速就是这个数字。介质的密度越高,光传播的速度就越慢。在玻璃中,光速约为每秒200000000米;在水中,光速约为每秒255000000米。所以,阳光透过窗格射入人眼的过程是这样的:在经过玻璃的时候,光会突然变慢,穿过玻璃之后,又会立刻加速。光在钻石中的速度是最慢的,不同颜色的可见光在钻石中的穿行速度各不相同。正是这种速度的差异造就了钻石璀璨晶莹、光彩夺目的外观。

  尽管尝试过很多次,可是直到几个世纪前才有人计算出了光速。它实在是太快了,难以测量。意志坚定的“自然哲学家们”(当时人们都这样称呼科学家)可不是没有努力研究、勇往直前过。1629年,荷兰科学家艾萨克·比克曼(Isaac Beeckman)想了个办法,在距离火药远近不同的地方分别放置几面大镜子。他点燃火药,让助手们同时观察火药发出的强光和镜子反射的光。因为光经过镜面反射到达人眼需要走过更长的距离,所以火药的光和反射的光之间存在时间差。那么他们捕捉到两次闪光之间的延迟了吗?当然没有。 

  3年后,伽利略也向这项任务发起了挑战。这位蓄着古怪胡子的天才站在一 个山顶上,他让助手拿着一盏灯,站在约1.6千米以外的另一个山顶上。伽利略打开手中的灯,当助手看到他的灯光时,立即打开自己的灯。然后,伽利略记录下他看到助手做出“回应”所需要的时间。通过测量时间和两灯之间的距离,便可以确定光速。

  事实上,光在两个山顶之间往返的时间大约为二十万分之一秒。伽利略啊,你自求多福吧。他总结道:“即便不是瞬时的,(光的)速度也是极其快的。”最后他断定,光的传播速度至少比声音快了10倍。(其实是近100万倍,因为声音在1秒钟内传播的距离大约只有340米。) 

  丹麦天文学家奥勒·罗默(Ole Rømer)最终得到了第一台还算过得去的光速测量仪器——这回总算是不用上山跋涉了。1675年,31岁的他解释了为什么每当地球朝着木星运动,木星的4颗巨型卫星都仿佛在其轨道上莫名地加速的现象。他认为这是合理的,因为在此时,木星和地球之间的距离比之前更近,木星卫星的光到达我们眼睛所花的时间变短,所以我们觉得它们在木星周围运动得更快了,那画风就像快放的卓别林电影。可惜罗默不知道地球和木星之间的精确距离,尽管如此,他计算出的光速误差仍在25%以内。 

  我们现在用来测定光速的仪器最早是由法国科学家莱昂·傅科(Léon Foucault)在19世纪中叶发明的。它的工作原理是先将光束打在一面快速旋转的镜子上,让它反射到远处固定的镜子,然后再反射回来。在光传播的过程中,旋转的镜面会略微改变它的角度,使得最终反射回来的光产生些许位置的变化。已知镜子的转速(傅科的镜子转速为每秒500转)以及各个镜子之间的距离,再加上从光学检测设备的分度尺上读取的光路偏移量,就可以确定光速,结果可以精确到百万分之一。我也亲自测量过,现在的科研人员基本上都做过这个实验。

  光速确实超级快,但是我们已经知道了它的具体数值,它并非大得没边儿。要是此时此刻,古希腊人也能与我们分享这个小小的奇迹就好了——我们测出了宇宙中的极限速度!

  在太阳系诸行星中,木星周围的辐射水平最高。奇怪的是,一年中有一半的时间, 它的4颗卫星在其轨道上的运行速度看起来比另外半年要快。1675年,丹麦天文学家奥勒·罗 默利用这一特殊现象,在一定的精度范围内确定了光速。| 图源:美国国家航空航天局/喷 气推进实验室

  我们将光速引入现代技术和科学实验,从中得到了不少新的发现。例如,一些大学的研究项目向阿波罗宇航员在月球留下的三面反射镜发射激光,人们发现,反射回来的光总有2.5秒左右的延迟。精确的测量结果还能让我们计算出月球与地球之间距离的变化,而且误差不超过2.5厘米。实验结果表明,月球正在以每年3.8厘米的速度不断远离我们。

  想象自己骑在一个光子上吧。借着光速,我们在1秒钟里就可以绕地球转上8圈。只要1个小时,我们就能到达木星。但是要想前往最近的恒星(比邻星),我们还需要骑着光子跑上4.3年。唉——要是想去最近的螺旋星系,我们必须乘着光速前进250万年。

  时间缩短了又会怎么样呢?如果我们以光速行走千分之一秒会怎样?那我们就从纽约来到了华盛顿。以光速行走百万分之一秒,我们就可以穿过3个足球场。以光速行走十亿分之一秒,我们就前行了30厘米。

  这些数据很有意思,它们说明在观察距离你一两米开外的物体时,你看到 的其实是它们十亿分之几秒之前的样子。例如,当你观察坐在房间另一头(6米之外)的一个朋友时,看到的并不是她此时此刻的样子,而是她在亿分之二秒之前的状态。

  因为图像或者信息传递的速度不能超越光速,所以我们永远也无法获知宇宙中各个地方的最新情报。事实上,我们一般也不会做出这方面的尝试。相反,我们把“信息到达人眼的瞬间”定义为“现在”。我们会说:“看看木星和土星在夜空中擦身而过的画面吧!”而不会特地补充一句:“看看我们刚刚接收到的它们1小时前擦身而过的画面。”

  如果看得更远的话,我们眼中的事物和实际情况间的差距会更大。当我们 能看到138亿光年之外的地方时,我们就差不多看到了宇宙诞生之初的画面。那里是可观察到的现实的边界,在这个边界之外,我们什么都看不见,什么也没法知道。

  这个极限速度是无法突破的。我们观察涡状星系中的恒星时,只能看到它 们3500万年前的样子,没有办法了解它们当前的状态。如果此刻涡状星系中有外星人在用超级望远镜观察我们,那么它们是看不到人类社会的,因为直到3300万年前,地球上才出现人类。用不可见光来进行探测也无济于事。无线电和电视信号,还有探测人体温度的红外线都会面临同样的限制,因为它们也是以光速传播的。正因如此,当下没有任何技术或者手段能让我们提前接收外星文明发来的激光或者无线电信号。

  光速最有趣的一面可能在于,对于光子来说,时间是完全冻结的。如果你能拥有它的速度,就会立刻感觉自己在宇宙中无所不在。

  这是因为光的传播与我们的运动方式完全不同。我们觉得自己运动时同时经历了时间和空间的变化。而我们坐着不动,相对于周围物体不发生空间位移 的时候,我们仍然要经历一天的24个小时,即使我们也不希望时间过去。运动时,我们的空间位置会变化,时间也在流逝。我们运动得越快,穿过的空间就越大,消耗的时间则会减少。事实上,仔细想想,这是件令人惊讶的事,因为从旁观者的角度看,我们的时间变慢了。以接近光的速度运动,我们就能在极其辽阔的空间里漫游,却几乎不需要花什么时间。你穿过的空间越多,经历的时间就越少。你无法做到既穿过大片的空间又耗费大量的时间。爱因斯坦的理论要指出的正是这个,尽管那之后的一个世纪,大多数人仍然没能领会到它的深远意义。

  光就是这种现象最极端的表现。光子只会在空间产生位移,根本不会耗费时间。因此,它们不花时间就能穿越整个宇宙,也就是说,从它们的角度来看,根本不存在距离上的分隔。如果用相机对准窗外的天空,那么在闪光灯亮起的瞬间,光就已经沿着它的方向到达了宇宙的另一端。

  这确实非常奇怪又难以想象。然而,不论谁来观测,光总是以恒定的速度运动。事实上,它比我们曾经认为精准无比的东西(例如时钟)更加可靠。难怪《圣经》开篇就写了“要有光”,东方也有宗教将终极现实称为“净 光”(clear light)。经师们可能隐约察觉到,光所属的领域,要比我们日常生活所处的时空更加稳定。

  总有一天,我们会弄清楚如何利用光速扭曲时间,去探索更加广阔的宇宙。这趟穿越广阔空间的高速旅行唯一的麻烦在于,等你回来的时候,地球早已经历了漫长的岁月。你的子孙后代可能早已经进化,不再是你所认识的人类。不会再有人被你的笑话逗乐,你离开的记录早在几千年前就已经遗失,你也无法用自己的语言和他们正常交流。

  这既是好事也是坏事。在不违反任何科学定律的前提下,你不仅到达了遥不可及的地方,还活着见证了地球的千秋万代。不过,或许你会做出更明智的选择:永远不再回来。

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