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一個光子的命運,它將如何度過“一生”?_光速

狹義相對論,即使已經存在了100多年,仍然是關於宇宙本質最令人困惑和發現之一。我們在地球上習慣的牛頓物理定律,在幾乎所有的條件下都是有效的,但在接近光速的情況下就不成立了。時鐘以不同的速度執行,距離會發生變化,物體本身的顏色也會根據它們相對於你的速度而變化。然而,與此同時,相對論宣稱,對於所有的觀察者來說,物理定律都是相同且不變的,無論它們的運動如何。那麼這對光子意味著什麼,它本身以光速運動?

讓我們想象一下在三種情況下會發生什麼:對於靜止的人,對於接近光速的人,光子本身。

1)。一個處於靜止狀態的觀察者。你在那裡,相對於你周圍的環境,在休息,看著你面前的宇宙。你的時鐘以它一貫的速度滴答作響。你看看你所處的環境,你所看到的時鐘都在以與你相同的速度執行。物體看起來就是它們實際的顏色,它們實際的大小,沒有什麼是違反直覺的。不管你是向後看還是向前看,一切似乎都是如此。

這是你對這個世界的傳統體驗。在地球上,典型的人類速度與光速相比微不足道。即使在以聲速飛行的飛機上,你也只能以光速的0.0001%飛行。從相對於你周圍的靜止位置,你看到三維宇宙的方式是一致的。

2)。接近光速的觀察者。這就是事情開始變得奇怪的地方。想象你以接近光速的速度,在一個特定的方向上,相對於靜止的環境。你會注意到的第一個區別是時間。和你一起走的時鐘仍然以你過去的速度走。但是環境中的時鐘呢?他們似乎都跑得很慢。

原因很簡單:空間和時間不是獨立的實體,而是不可分割的相互關聯的實體。宇宙中的每一個物體都在時空中運動,所以它的總運動加起來就是一個特定的值。當你相對於空間靜止時,你的運動是100%通過時間的,時間以每秒一秒的速度通過每個人。但是當你通過空間增加你的運動,你通過時間減少你的運動。相對於您,環境的時鐘似乎執行得很慢,因為整個環境似乎在移動。

宇宙飛船到達目的地的旅行時間,如果它以等於地球表面重力加速度的恆定速率加速,如果有足夠的時間,你可以去任何地方。相對於您的環境高速移動還會產生許多其他影響。長度和距離沿著你的運動方向收縮,這是相對性的相似要求。因為對於所有參照系中的所有觀察者來說,光速必須是不變的,如果時間過得更慢,那麼距離需要縮小,以便光速保持不變。

除了長度的收縮和時間的膨脹,還有另一個效應在起作用:紅移和藍移。在你移動的方向,光的波長看起來被壓縮了,看起來更藍;而相反的方向,你接收到的任何光線都會被拉長,波長更長,顏色更紅。

你走得越快,這些影響就越嚴重。物理物體的距離收縮越來越嚴重,甚至帶電粒子產生的電場也沿其運動方向收縮。時間膨脹得更厲害。而且紅移和藍移在超高速下是如此嚴重,以至於大爆炸留下的光子,其能量目前僅相當於3k,當它們通過E = mc^2在足夠高的藍移下與質子碰撞時,也能自發地產生新的粒子。

時間的膨脹(L)和長度的收縮(R)表明,當你越接近光速時,時間似乎跑得越慢,距離似乎越小。當你接近光速時,時鐘會向完全不經過的時間膨脹,而距離會縮小到無窮小。3)。以光速運動的觀察者。這才是真正的麻煩所在。如果你只是一步步地接近光速,你只會經歷更嚴重的時間膨脹,長度收縮,以及相對於你自己的紅移和藍移。當你靠近蘋果時,蘋果會呈現出黃色、藍色和紫色;當你遠離香蕉時,香蕉會呈現橙色、紅色。

但如果你真的達到光速——如果你是一個光子,你就會體驗到這種速度——時間和空間就不會再像你過去習慣的那樣運轉。如果你以光速相對於你周圍的環境運動,那麼你周圍的環境就會顯得與你毫不相干。因為它的運動看起來是以光速進行的,所以不可能有額外的運動讓光子相對於你的周圍運動。

所有的狹義相對論方程都以光速分解。時間不會隨著環境而流逝。沿運動方向的所有距離都縮小到零。紅移和藍移的數量是無限的。

基於這一點,直覺可能很誘人,因為沿著你的運動方向的距離收縮到零,宇宙對你來說就變成了二維的。這個時間不會過去——所以它是永恆的——它看起來就像一個平面:無限長度的收縮。因此,一個光子,看到你用桌上的香蕉代替了一個蘋果,會同時體驗兩者的存在。

但現實中發生的事情或許更令人吃驚。

事實證明,光子不能看到或體驗任何東西。時間確實不經過光子:在相對論中,它代表我們所說的零測地線。它從起始點到終止點:從發出它的地方到另一個吸收它的地方。這就是所發生的無論它是發射/吸收,發射/反射,散射相互作用,還是與另一個粒子的任何形式的相互作用。

當你問一個光子會“看到”什麼時,你是在假設某物有可能與光子相互作用,而光子也有可能以某種方式體驗到這種相互作用。然而,在它存在的過程中,它所經歷的只是兩件“事情”:創造它的互動作用和破壞它的互動作用。是否有光子在破壞後仍然存在。光子所經歷的一切都是光子旅程終點的兩個事件。

這就是為什麼我們要求在慣性參照系中進行相對論計算。如果我們使用比光速慢的參考系,而不是從光子的參考系出發,我們可以計算出光子的紅移或藍移。從慣性參照系,我們可以計算它的發射和吸收點之間的距離,但不能從光子的參照系。我們可以從任意慣性參照系計算它的光傳播時間,但不能從光子參照系計算。

問題是光子的參照系不是慣性參照系:在慣性參照系中,存在不依賴於系統外部任何物體運動的物理定律。然而,對於光子來說,它所遵循的物理規則完全依賴於它外部發生的一切。光從光子的參照系無法計算出任何有意義的東西。

這是因為光子——以及所有以光速運動的粒子——缺乏靜止質量。靜止質量是在慣性參考系中需要的質量!光子根本看不見宇宙,因為看需要與其他粒子、反粒子或光子相互作用,一旦這種相互作用發生,光子的旅程就結束了。

根據任何光子,它的存在是瞬時的。它通過相互作用而存在,又通過另一種相互作用而消失。這可能是遙遠的恆星或星系的輻射,它到達你的眼睛,不管它是我們自己的太陽還是數百億光年以外的物體。當你以光速運動時,時間就不再流逝,你的生命只會持續一瞬間。

物理學家經常開玩笑說,時間是我們必須防止所有事情同時發生的東西。但真正的笑話是在任何物體上,它是如此不幸地以光速體驗宇宙。如果你這麼不幸,你就什麼也看不見、聽不見、感覺不到了。你根本無法體驗存在。

責任編輯:

Reference:大中國

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