牛顿的经典力学体系,体现的是绝对时空观,也就是说时间和空间是绝对的,你感受到的一秒与我感受到的一秒是完全一样的。
绝对时空观非常符合我们的日常生活经验,也与我们的预期完全相符。
不过,当爱因斯坦的相对论横空出世之后,绝对时空观完全被颠覆。
爱因斯坦告诉我们,时间和空间并不是绝对的,两者是相辅相成不可分割的。
严格来讲,每个人感受到的时间流逝速度都是不一样的,也就是说,你的时间只是你的时间,并不是我的时间,因为时间和空间都是相对的。
时间的这种相对性与不同参照系下物体的运动速度快慢息息相关。
简单来讲就是,速度越快,时间流逝得越慢。
这就是时间膨胀效应或者钟慢效应。
如果你的时间无限接近光速,时间就会戛然而止。
有人可能会提出这样的疑问:太阳光到达地球大约需要8分钟的时间,太阳光以光速飞行,它的时间为什么没有停止?
注意,这里的8分钟只是在人类眼里,也就是以人类或者地球为参照系。
但是对于太阳光来讲,是不需要时间的,一瞬间就能到达地球。
所谓的8分钟只是我们的时间过去了8分钟,而如果太阳光携带一个表,它的时间就是静止的,在我们眼里是静止的,表的指针一动不动,彻底凝固了。
如果我们人类也能以光速飞行,我们的时间相对外界也彻底静止了,无论跨越多么遥远的距离,都可以瞬间到达。
光速为何如此霸道?为何拥有如此不可思议的特性?
这一切都是基于光的一个特性:光速不变原理,这个原理也是狭义相对论诞生的基本前提之一,另一个前提是相对性原理。
如何理解光速不变原理?
用通俗的语言解释是这样的,光速不会与其他任何速度叠加,或者说光速与其他任何速度叠加之后仍旧是光速。
举个例子,我静止在地面上,你以0.5倍光速离开地球,在我眼里你身上发出的光的速度并不是光速加上飞行的速度,并不是1.5倍光速,而仍旧会是光速。
那么,光速不变原理是如何推导出时间膨胀公式的呢?其实很简单,只是个简单的几何运算。
假设你乘坐一艘飞船飞行,如果一粒光子在飞船内从上到下来回运动,飞船里的你会看到光子是垂直运动,但是对于飞船外的我来讲,由于光速是不变的,我会看到光子的轨迹是条斜线。
在直角三角形中,斜边更长。
对于飞船里的你来讲,飞船的时间就是直角边s除以光速c。
但是在我眼里,地球上的时间t等于三角形的斜边s除以光速c,很显然,你的时间变慢了。
那么你的时间到底变慢多少呢?根据勾股定律,很容易用一个公式表示:
结果就是下面的公式,也就是时间膨胀公式,推导过程并不复杂,初中数学水平就可以推导出来,这里就不再详述了:
由于时间和空间是一体的,所以除了时间不一样之外,空间和质量也不一样。
除了时间膨胀,还会出现尺缩效应,质增效应等。
从公式中可以看出,当你的速度无限接近光速时,时间无限膨胀,飞船的时间变得无穷小,无限接近停止。
既然时间都停止了,也就表明不管多远的距离,你都可以瞬间到达,哪怕是宇宙的边缘,也是一眨眼的功夫。
但是狭义相对论也表明,有静质量的物体是不可能达到光速的,只能尽可能接近光速。
而静质量为零的物体,比如说光子,生下来就是光速,而且必须以光速飞行,没有任何加速过程。
那么光子的静质量为什么是零呢?物体是如何获得质量的呢?
这里不得不提到希格斯场和希格斯粒子。
宇宙中充满了希格斯场,希格斯场的扰动就形成了希格斯粒子,也被称为上帝粒子,正是它赋予了万物以质量。
基本粒子本来是没有质量的,本来都应该像光子那样以光速飞行,但正是因为希格斯粒子的存在,基本粒子会与希格斯粒子发生作用,会获得一定的势能,也就拥有了质量。
而光速不会与希格斯粒子发生作用,所以光子的静质量为零,以光速飞行。
理论上讲,任何物体想要达到光速,必须摆脱希格斯场的束缚,不会希格斯粒子发生作用。
但这是不可能的,因为万物都是由最基本的粒子组成的,比如说夸克,夸克的质量就是与希格斯粒子发生作用获得的。
组成人体的基本粒子都会受到希格斯粒子的束缚,所有我们无法以光速飞行。
当然,如果非得以光速飞行,也不是不可能,把我们的身体结构全部改成光子就行了,不过这样一来我们就不是我们了,生命也就不存在了!
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