光會經歷時間嗎?三個關於時間和空間的相對論問題!

2020-12-03 前瞻網

這張圖顯示了一股噴流以接近光速的速度從黑洞中噴射出來。當物體接近光速時，時間的行為就會變得非常奇怪。來源：NASA/JPL-Caltech

我們根本就不太理解時間這個概念。

每個人都會經歷時間——確切地說是每天都會經歷——但是我們對時間這個概念缺乏嚴格和全面的理解。不過我們也確實知道一些事情，尤其是當我們用狹義相對論和廣義相對論的視角來看待時間的時候。愛因斯坦的研究成果教會了我們很多東西：空間和時間是相互聯繫的，你永遠不能比光運動得更快，我們的宇宙有一個有限的年齡，不同的觀察者會經歷不同的時間長度。

所有這些發現都引出了一些有趣的問題。是時候進行一下綜述了。

宇宙多大了?

根據我們目前最有把握的估計，我們的宇宙已經有137.7億年的歷史。但當考慮上狹義相對論的時候，我們知道，每個人測量時間的方式都不同，這取決於他們的速度。而在地球上的我們，繞著太陽旋轉，太陽又繞著銀河系旋轉，銀河系又在星系間真空中穿梭，所以，在不同星系，不同恆星的不同行星上，對時間流逝的視角應該會非常不同。那也就是說，我們怎麼可能確定宇宙的「真實」年齡呢?

訣竅就在這裡。的確，根據狹義相對論，不同的觀察者有不同的時間尺度。但是我們的整個宇宙並不是完全由狹義相對論描述的，我們用來理解宇宙物質的工具是由狹義相對論的老大哥廣義相對論提供的。當我們從廣義相對論的角度來看宇宙的歷史時，我們就會發現宇宙有著一段歷史。

我們的宇宙隨著時間而膨脹，現在的宇宙比以前的宇宙要大，比將來的宇宙要小。特定的時間點和特定的宇宙大小之間有著直接的聯繫。這使我們能夠建造一個相當於宇宙時鐘的東西，一個已經滴答滴答走了130億年的時鐘。

是的，地球在宇宙中的運動也稍微影響了這個時鐘，但有了廣義相對論這個工具，我們可以去掉這些微小的影響，然後計算出「真實」宇宙的年齡，當然了，在宇宙其他地方的觀察者也完全可以這樣做(前提是假設他們也發展出了了廣義相對論，但這是他們的事情了)

光也會經歷時間嗎?

移動的時鐘會走得慢。你在空間中運動得越快，在時間中運動得就越慢，這是愛因斯坦狹義相對論最令人驚奇的結論之一，它也是將時空之間的獨特關係可視化的一種方法。這種「時間膨脹」效應在你日常生活中經常體驗的速度下是完全不明顯的，只有當你接近光速時，時間才會變得不穩定。

那麼，如果你的速度越來越接近光速的時候時間對於你來說會變慢的話，那麼光本身呢?光以宇宙的最高限速運動，難道光就不會經歷時間嗎?

有點這麼個意思，但也不完全是。我們對時間和空間之間關係的認識依賴於狹義相對論。雖然這個理論產生了各種各樣瘋狂的結果，但它其實基於一些非常簡單的想法，其中最重要的是物理定律普遍性的概念：如果一個現象對一個觀察者適用的話，從根本上說，這個現象也適用於所有觀察者。

而通過麥克斯韋方程，我們知道，在物理學中光速是恆定的。每個觀察者(不管他們的速度如何)都會測量到速度一樣的光速。

所以，如果我們想把狹義相對論的知識應用到光速運動中的話，我們會遇到一個小問題。為了問出「光是如何經歷時間的?」這個問題，你必須把自己置於一個場景中，在這個場景中你與一束光一起運動，這束光對你來說是靜止的。

但我們的物理定律不允許有這樣的事情發生，所以與一束光同行這樣的情景並不存在，而沒有這樣的場景，狹義相對論就會崩潰，沒有狹義相對論，你就無法測量空間和時間之間的關係。

所有這些扭曲的思想實驗最終得到的是什麼結果呢?並不是說光不會經歷時間，而是我們對時間的概念並不適用於光。

光甚至不知道時間為何物。

哪個雙胞胎才是對的?

現在有一對雙胞胎，哥哥坐著火箭以接近光速的速度進行太空旅行，弟弟則乖乖呆在家裡。在返回地球這個無聊的行星之前，進行太空旅行的哥哥繞著銀河系旋轉，玩的不亦樂乎，而弟弟則在地球上無無聊聊地洗衣服。

根據哥哥的說法，這次太空旅行可能只花了幾周或幾個月的時間，算是一次長途旅行，不錯，但是長不到哪裡去。不過對弟弟來說，他卻忍受了數年，甚至是數十年的極度孤獨。

這個部分並不令人驚訝，移動的時鐘走得很慢，諸如此類的說法我們已經有所耳聞。根據弟弟的說法，哥哥以接近光速的速度移動，因此經歷的時間更慢。

但且慢，哥哥也可以說他才是靜止的，而整個宇宙，包括弟弟才是在一直運動的，這完全沒毛病，畢竟，相對論就是相對的，沒有人的觀點是特別的。所以根據哥哥的說法，弟弟應該不會老才對。

那麼到底是誰贏得了這場關於年齡的爭論?

孤獨、缺乏冒險精神、待在地球上弟弟贏了，因為他沒有「轉身」。只要哥哥保持在一個方向上運動，他們的視角就是完全對稱的，每個人都有自己獨特的視角，他們都可以說自己的視角是正確的。但一旦火箭減速、停止並掉頭，這種對稱性就會被打破，他們的視角就不再是對稱的了。火箭上的哥哥會看到可怕的現實在一眨眼間追上他：在地球上的弟弟會突然變得十分蒼老，而他們對此無能為力。

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