看到题目的第一眼,你可能有点懵圈,没有明白到底什么意思。

题目本身确实有些绕嘴,甚至看起来有些自我矛盾,但其实一点也不矛盾,一切都源于光的特殊性,光与一般的物体有着本质区别。

光,在我们身边无处不在,但其实光一生下来就很“悲剧”,因为光的一生就是一瞬间,从生到死就是短短一瞬间,为何这样说?


(资料图片仅供参考)

因为对于光来讲,它是没有时间的。严格来讲,光并不属于我们的三维世界。光的飞行路线看起来是一条线,其实只是一个点。

之所以上面描述的事实与我们的日常所见有很大不同,就是因为看待光的视角不同造成的。下面就让我们一起从不同的视角来感受光的悲壮一生。

光速不变和时间膨胀

日常生活经验告诉我们,时钟走过一秒就是一秒,时钟走过的一秒在任何人眼里都是一样的,都是一秒,时间是绝对的。这就是我们的日常生活体验,我们也会认为是理所当然的,但是光速不变原理改变了这一切,也完全颠覆了我们的传统时空观。

如何理解光速不变原理?

假设有一个光子钟,它的结构很简单,由两面镜子和一个光子组成。。两面镜子平行放置,光子在镜子之间来回运动,发出滴答的声音来计时。

现在,你带着光子钟坐上飞船以亚光速飞行,对于你来讲,光子的运动轨迹是垂直的,但是对于地球上的我来讲,看到的光子运动轨迹是一条斜线。

这一切都是基于光速不变,光速与任何速度叠加之后仍旧是光速,而不会增加或者减少。

正是因为光速是不变的,那么在我眼里,沿着斜线运动的光子飞行一个回合,也就是滴答一声的时间,要比你看到光子滴答一声的时间要长。

原因很简单,因为斜边的长度大于直角边,而光子的速度又是不变的,而时间等于距离除以速度。

也就是说,在地球上的我时间过去了两小时,你的时间可能只过去了一小时甚至更短,这取决于飞船的速度。如果飞船的速度足够快,那么你的时间会更短。

这就是时间膨胀原理,也被称为钟慢效应。速度越快,时间的流逝就相对越慢。在光速不变原理和相对性原理的基础上,爱因斯坦提出了著名的狭义相对论。

钟慢效应非常违反我们的直觉,我们在日常生活在根本感受不到这种效应,其实也很正常,因为我们生活中经历的速度与光速相比实在太慢了,完全可以忽略不计。如此慢的速度产生的钟慢效应根本感受不到,所以我们会认为时间对于每个人来讲都是一样的,是绝对的。

但是钟慢效应确实存在,而且当速度达到亚光速时,就会明显地体现出来。随着速度越来越高,钟慢效应会越来越明显,如果速度无限接近光速,时间就趋于停止。

想象一下,如果你乘坐的飞船速度达到光速,光子钟中的光子的飞行轨迹在你眼里仍旧是上下垂直的,但在我眼里,光子轨迹的斜线会达到极限,最终也变成了一条平行线飞行,永远不会到达上下两个镜面,也就不会发出滴答的声音。

也就是说,在我眼里,飞船里的时间静止了,那里就像是电影一样按下了暂停键。

当然,飞船本身是无法以光速飞行了,爱因斯坦的狭义相对论早就表明了这点,拥有静质量的飞船只能尽可能接近光速飞行,但不可能达到光速。

但是对于光子来讲就不一样了,它生下来就是光速,而且没有任何加速过程。所以,对于我们来讲,光子本身就没有时间概念,或者说光子的时间是静止的,对于我们来讲的“永远”,在光子眼里就是一瞬间。

再回过头来看题目,就会明白,为什么光子飞行一年的距离不是一光年了,而是一瞬间。事实上别说是一光年了,哪怕是一千亿光年的距离,光子都可以瞬间到达。

除了钟慢效应之外,在空间的尺度上还会出现尺缩效应,因为根据爱因斯坦相对论,时间和空间是一体的,两者不可分割。

尺缩效应, 顾名思义,高速运动的物体在运动方向上的距离会变短。

钟慢效应和尺缩效应是同时出现的,两者其实也是等价的。因为正如刚才所说,时间和空间是一体的。如果速度达到光速,不仅仅在时间上会静止,运动方向上的空间距离也会变得无限短。

也就是说,只要达到光速,不管多远的距离,都会变得无限短,无限近。也就等于没有了距离,任何浩瀚的距离都是近在咫尺。从这个角度来也能解释光子为何能在一瞬间飞行一光年了,因为在光子眼里不但没有时间,连空间距离也不存在了。

假设你能以光速飞行,那么对于你来讲,在你光速飞行启动的一瞬间,整个宇宙都来到你的面前,不管什么你都触手可及。

所以,光年的距离只是相对我们而言,在我们眼里光子飞行一年的距离就是一光年,但对于光子来说,如果光子有智慧,它甚至不明白光年的定义,因为对于它来讲,不存在时间概念,所以光子无法理解到底什么是光年!

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