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【物理科普】为什么空间与时间是一种幻觉

环球物理  · 公众号  · 物理  · 2017-03-25 23:05

正文



我们活在时间里,走在空间中,然而对时间与空间的感知却是一种幻觉。在本质上,根本没有时间、空间这回事(这需要你仔细研读本篇文章及做深入思考)。这是为什么呢?

为了明白时间与空间的虚幻性,我们要理解“相对论”,以及相对论是如何带给我们“时间变慢,空间收缩”奇异现象的?虽然理解相对论比较费脑力,但却是一件不可思议和十分有趣的事情。

爱因斯坦最早对相对论的思考起始于14岁那年他问老师的一个看起来十分简单的问题:“如果我以光速飞行,我的脸在镜子里就看不见了吗?”为了说明爱因斯坦要表达的是什么意思,我先做几点小说明:

是光子反射让我们看到自己的脸

记得我在十岁时,一次一位小朋友提出了一个问题:“世界上什么东西最快?”结果有说马的,有说鹰的,也有说火箭的。最后大家统一了答案:只有眼睛最快。为什么呢?因为在你一眨眼的瞬间就可以看到远处的大山。这一眨眼的时间是非常短暂的,理由就这么简单。

这个现象现在看来也是完全正确的,只不过那时不知道是“光”的速度快而已。就是说,那时我们以为看到山,是因为我们的眼睛“够”到了山,所以说眼睛去“够”的速度很快。实际上,不是人的眼睛去“够”到山,而是山上反射的太阳光射到了眼睛里。所以,实际的速度是光的速度。

更清楚地说,我们可以想象光是像乒乓球一样的粒子,而之所以你能看到青山,不是青山放射出“光子”射进眼睛里,而是由太阳放射出来的“光子”先射到青山上,再反射到你的眼睛里的。如果没有阳光我们什么也看不到。实际上,我们永远看不到一个不发光的物体,我们看到的永远是这物体对太阳光的反射,而不是物体本身。比如,大家都知道月球本身不发光,我们看到的月光是被月球反射的太阳光。

所以,我们之所以会从镜中看到自己的脸,是由灯光或阳光照射过来的光子射到脸上,光子再反射进镜子中,然后光子从镜中又反射进眼睛里,这样我们就看到了自己的“脸”。

光速不变原理

在爱因斯坦创建相对论以前,人们已经证明了光在任何一个运动系统中的速度都是每秒30万公里。这一定理就被称为“光速不变原理”,相对论就是以这一定理为基础创建出来的。这一定理说的是一个什么现象呢?

现在想象你站在一处小型的火车站站台上,一辆火车以每秒30米的速度由西向东行驶。而你的一位朋友坐在火车上,这时他用手向东扔一只乒乓球,这只乒乓球的速度是每秒3米。对于站在站台上的你看到这只乒乓球的速度是“火车30米/秒+3米/秒=33米/秒”,就是你看到是乒乓球是以每秒钟33米的速度向东运动的。而你的朋友在火车中看到乒乓球则是以每秒钟3米速度相对于他在运动。

假设一位航天员静止在太空中,他看到地球以465米/秒的速度向东转动,那么在他看到这只乒乓球则是向东以498米的速度在运动(乒乓球的速度3米/秒+火车速度30米/秒+地球转动速度465米/秒=乒乓球的速度498米/秒)。这样的物体速度简单相加的定理是经典牛顿力学的。也是大家很容易理解的。

而光速不变原理的意思是,假如这个乒乓球换成为“光子球”的话,那么相对于你、火车上的朋友、航天员都会看到“光子球”是以每秒钟3米的同一速度在向东运动。这一点让人感觉到不可能,但事实就是如此。

经典牛顿力学与光速不变原理的冲突之处

由以上理解为基础,爱因斯坦提出了一个矛盾的问题:假设爱因斯坦坐在一艘以光速运动的飞船上,面前3米处立有一面镜子,那么,

第一,如果按照牛顿的理论(为了便于理解,我们将光速30万公里/秒缩短为“3米/秒”),即如果“光子球”以每秒钟3米速度在也以速度为3米/秒的宇宙飞船上运动的话,光子球的速度应该被简单相加为“飞船3米/秒+光子球速度3米/秒=6米/秒”。就是说,光子球的运动速度应该是每秒钟6米。这样光子球就可以追上爱因斯坦的面前的镜子,也会在反射回爱因斯坦的眼睛里,他就可以看到自己的脸了。

第二,如果按照人们实际测定的,无论相对于谁,“光子球”永远以每秒钟3米的速度在运动的话,那么当爱因斯坦坐着飞船以光速运动时,飞船、他、镜子都以每秒3米的速度运动,进而一个从他脸上反射的光子也以3米/秒的速度运动,结果就会发生“爱因斯坦、镜子、光子球”都会以同一个速度、同步并行地向一个方向运动。这样的话,从爱因斯坦脸上出发的“光子球”也就永远无法追上前面的镜子,既然光子球追不上前面的镜子,也就无法再从镜子中反射到爱因斯坦的眼睛里。这样爱因斯坦就永远无法看到自己的脸了。

所以,因为牛顿定理被认为完全正确,而光速恒定性也是正确的,这两个理论结合到一起就产生了矛盾。虽然爱因斯坦提的问题十分简单,但连老师也无法给出正确的答案。

结果,爱因斯坦最终找到了解决这一矛盾的关键点,也最终证明了,如果他以光速运动的话,那么他可以看到自己的脸,但却会发生奇异现象。这又是怎么回事呢?

问题答案:时间会变慢,空间会收缩

首先想象一下,爱因斯坦乘坐一艘以光速三分之二速度(假定光速为每秒钟运动3米),即每秒钟2米速度运动的宇宙飞船上,从你面前向东运动。

在飞船上,距离爱因斯面前3米处立着一面大镜子,这个镜子的目的就是让爱因斯坦能够通过镜子看到自己的脸。

在这时你看到,一个如乒乓球样的光子以每秒3米的速度由太阳发出,射到了爱因斯坦的脸上。然后这个光子就以每秒3米的速度向爱因斯坦面前的镜子出发。这时候发生了一件奇怪的事情:你看到这个光子球相对于你来说,是每秒钟走3米的速度在前进;而同时你也看到,爱因斯坦乘坐的飞船相对于你以每秒钟2米的速度在前进。

在你的时间里,你看到这个光子球,一秒钟后就越过了爱因斯坦的脸一米的距离,这一点很清楚,大家也都能理解。所以,你会看到,你的时间过了3秒钟后,这个光子才以爱因斯坦的脸为起点,相对于爱因斯坦的脸走了3米的距离,而后射到了爱因斯坦面前3米处的镜子上。

而关键点就在这里了:在你看来,这个光子球在以每秒钟2米的速度运动的宇宙飞船上,需要3秒钟的时间才能相对于宇宙飞船中爱因斯坦的脸运动3米的距离。而这时,爱因斯坦也看到这个光子在他自己面前运动了3米的距离。就是说,你的时间是过了3秒钟后,宇宙飞船上的光子球相对于你运动了9米的距离。而爱因斯坦却看到,这个光子球,在自己面前只走了3米的距离,而时间却只过了1秒钟。

所以,在你看到这个宇宙飞船中的光子相对于你、在你面前、运动了3秒钟的时间,走了9米的距离,你测量到的光速是“9米÷3秒钟”=速度为“每秒钟走3米”。而关键点是,爱因斯坦却感到只过了一秒钟,光子在飞船上相对于他自己走了3米距离。由此爱因斯坦测量到的光速也是每秒钟走3米。

所以发生了什么事了呢?很简单,你的时间过了3秒钟,而爱因斯坦只过了一秒钟。爱因斯坦的时间变慢了。在你感觉到在3秒钟的时间里,宇宙飞船以每秒2米的速度共计走了6米。而爱因斯坦却感觉只过了一秒钟,而飞船的速度是每秒钟走2米,这样爱因斯坦感到飞船只走了2米。相对于爱因斯坦来说,他的空间也缩短了。

而这就是相对论带给我们的,当一个人以一个高速度运动的话,这个人的时间将变慢,而空间会缩短。(这里要说明一下:宇宙中没有任何物体能够以光速运动,只能以接近于光的速度运动。而爱因斯坦那个问题——想象自己以光速运动,只是一个假设的思维。实际如果一个人真的能够以光速运动的话,对于他来说时间将停止,空间也等于不存在)。

相对论带给我们一个超越常识的现象就是,不是爱因斯坦主观感觉上的时间过了1秒钟,他的生命生理新陈代谢过程、墙上的钟、手上的表都会慢下来,也就是说他真的会比你更年轻2秒钟。

我们是一只苹果虫吗?

当咬一口苹果,有时你会发现一只苹果虫,而那只虫子也在惊讶地发现着你。因为在你没咬开这只苹果之前,这只虫子会以为它自己就是宇宙中心,每肯一小口苹果,它都会认为已经为自己扩展出一小块宇宙空间。

苹果虫有自己感知到的气味、味道和纹理,也许还有自己的游戏和艺术。但对于苹果树、田野、汽车、甚至月球来说,根本毫无所知。

就算在几百年前,人类还以为地球是平的,而且是宇宙中心,也以为宇宙就这么大。当惊讶发现地球是围绕太阳旋转的时候,人们还固执认为“这就是一切了”。直到近一百年,当发现原来宇宙中拥有那么多的恒星和星系时,却突然迷茫了。

一切没有尽头,因为没有人能够保证,今天的我们不是“苹果虫”。下面,就看一下我们的“宇宙苹果”有多大,以及时间—空间是如何虚幻的。

对宇宙空间的度量







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