當我們在晴朗的夜裡觀看美麗的夜空時,距離地球遠近不同的星體,共同在蒼穹之上投影出了無比璀璨的畫卷。在這個時候,我們估計都會有個疑問,那些距離地球幾萬幾十萬光年的星體,我們一下子就能夠看到,是不是說明我們的視線速度超過了光速了呢?
什麼是視線
我們通常把看到一個物體,稱之為這個物體進入了我們的視線範圍。從幾何學上,我們把眼睛與物體之間的連接直線稱為視線,衡量視線範圍的指標有兩個:
一是視線長度。就是眼睛與目標物體的距離,當這個距離處在我們能夠看清的範圍之內,那就表明這個物體能夠被我們所看到。決定這個距離數值大小的因素,主要包括周圍環境的明亮程度、物體發光或者反射光線的能力、空氣雜質的含量多少以及我們眼部視功能的健康程序。
二是視角大小。從眼睛本身的生理功能以及兩眼的協調性來看,人眼存在著一個最大視角和最小視角。其中,最大視角是兩眼所能覆蓋視線平角的最大值,上下方向一側約為50度,左右方向一側約為55度,所以人眼的最大視角從上下來看是100度、左右來看是110度。最小視角是人眼所能分辨兩點間的最小距離,這個值與視覺細胞直徑有關係,只有超過這個距離才能在視網膜上成像,其值為1分。
視線與光線的聯繫
我們再來看一下,物體在人眼中成像的原理。當目標物體發生或者反射光源發出的光線之後,通過光的傳輸進入我們的眼睛,經過角膜、晶狀體、玻璃體,會發生相應的穿透、折射現象,最後落在眼睛後方的視網膜上,如果在視網膜上光線能夠聚焦,就會形成清晰的實像。
在眼睛的視網膜上,分布著大量的感光細胞,光線匯聚在感光細胞上面之後,就會激發這些細胞產生相應的光刺激,從而形成特定的神經衝動信號,經神經系統傳輸到大腦皮層中,由大腦皮層上面的視覺中樞神經對這些神經衝動信號進行處理,既而將處理後的信號再以知覺的形式體現出來,我們就能夠判斷出目標物體的亮度大小,以及根據亮度的差異確定物體的形狀、體積、顏色等特點。
從以上人體視物的過程可以看出,我們之所以能夠看清物體,是光線傳輸到我們眼睛之後,通過人體的一系列生理化學反應,轉化為我們可以接受和感知的信息這個過程實現的。人眼的結構是生理基礎,沒有處理光線信息的生理結構或者生理功能不健全,我們也看不到或者看不清物體;而光線的刺激是外在必要條件,沒有光線的傳輸,也就不會引起光刺激信息,這就是我們為何在黑暗的環境中看不到東西的原因。從這個意義上來說,視線是以人眼的角度出發的,強調的是人眼看東西的範圍和能力;光線是從光傳播的角度出發的,是人眼形成視線的必要條件。
另外,能夠引起人眼形成光刺激的光線,只是所有光線頻段中的極小一部分,即可見光,其頻率範圍為380納米到760納米之間,而處在這個範圍之外的伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線和無線電波,我們用眼睛就捕捉不到了。
眼睛看東西能超過光速嗎
通過以上的分析,我們就非常清晰地得出一個結論,那就是人眼看東西是一種被動的接收光線引發的生理反應,也就是說光線的傳輸才是主導因素,光線從光源中發出,只有進入眼睛之後,我們才能看得到光源的存在,因此從根本上來說,人眼看東西並沒有速度,更不要說超光速了。
而我們之所以一下子能夠看到幾十萬光年的星體,是因為這些星體發射出來的光線,是持續在空間中傳輸的,只不過與地球的距離非常遙遠,連光線都需要傳遞幾十萬年而已。
按照狹義相對論的一條基本原理,宇宙空間中任何物體的運動速度都不會超過光速,即無論在什麼慣性參照系中,光線在真空中在各個方向上的傳播速度,都不會因光源的移動或者觀察者的運動狀態而發生任何改變,都保持30萬公裡每秒的恆定值。具體的推導過程可以運用洛侖茲變換進行推導,得出在一個運動參照系下,對另外一個參照系中運動物體的速度,其轉換公式為:V=(u+v)/(1+(u*v/c^2)),因此,即使是兩條相向運動的光束,在其中一條光束上觀看另一條光束的運動速度,其相對速度V仍然等於光速,也不會超過光速。
眼睛看到的天體是假象嗎
雖然光線的運動速度極快,但傳輸一定的距離仍然需要時間。我們在地球上生活,看到的物體狀態,與其實際上的存在狀態並不會發現有差異,原因就在於這些物體距離我們非常近,光線從物體表面傳輸到人眼中所需要的時間幾乎可以忽略不計。
但是對於比較遙遠的星體,情況就會發生變化,比如太陽距離我們平均為149597870公裡,也就是一個天文單位,光線從太陽照射到地球需要8分多鐘,因此我們看到的太陽永遠是8分鐘之前的太陽。織女星距離我們25光年,光線從那裡進入我們的眼睛,需要經過25年,因此我們看到的是它25年前的樣子,同樣,我們用肉眼能夠看到的最近河外星系-仙女座星系,距離我們250多萬光年,我們看到的也只是它250多萬年前的樣子,而這250萬年間它所發生的一切,我們都無從得知。
從以上的分析可以看出,我們眼睛看到東西,是和速度沒有關係的,因為這是我們被動的一項技能,這必須依賴於光線的傳輸。由於光線的傳輸需要時間,越距離我們遙遠的星體,其光線到達地球所經歷的時間就越長,我們看到的它們,越是和現實的差距就越大。因此,從某種意義上來說,我們看到的世界都是過去的世界,都是宇宙的歷史,但這並不說明是假象,只能是客觀事實在時間上的投影而已。