揭秘光速的“霸道”:時間和空間為何是相對的?
更新于:2025-04-03 09:21:28

我們的一生彷彿被一股綿綿不絕的洪流牽引著,我們稱之為時間。它似乎如影隨形,與我們形影不離,甚至比影子還要親切。

然而,時間真的切實存在嗎?許多人對這個問題感到疑惑不已。

我們的一生被時間的腳步所刻劃,然而關於時間的本質,至今沒有人能夠徹底道明,因為時間是一個極為抽象的概念,我們無法觸及,它永無止境地流轉,永遠向前邁進。

如今我們所認識到的,雖然每天都在體驗時間的推移,但時間的本質遠比我們想像的複雜。

那麼空間又如何呢?那個我們自以為瞭若指掌的空間,真的如同我們感知的那樣真實嗎?其實歸根結底,我們對於空間的理解,同我們對時間的理解一樣無知。

打個比方,在我們的傳統認知中,空間是靜止不變的,例如一米的長度,無論你怎麼變化角度,它的長度始終是一米。

然而事實可能並非如此,從不同的角度來看,一米的長度可能並不真的是一米。

空間實際上與時間息息相關,兩者密不可分,交織成一個整體。這意味著,一旦時間發生變化,空間(亦即距離)也會隨之改變。

這可能讓你感到困惑:怎麼會有這種事?

答案隱藏在我們日常所見之物中:光,或者說是光速,那個橫貫宇宙的恆定速度極限。

因為光速恆定不變,所以如果時間被拉長,距離(長度)自然會隨之縮短。

小學生,速度等於路程除以時間,若速度保持不變,時間被拉長,距離自然會變化。

讓我們來更詳細地解釋一下。

在真空中,光速為每秒30萬公里(此處為約數)。假設你乘坐一艘以87%光速飛行的飛船(相對於地球上的觀察者),即約每秒26萬公里的速度飛行。

根據愛因斯坦的相對論,你所經歷的一秒鐘(你的固有時)在地球上的觀察者看來並不是一秒,而是兩秒。這又意味著什麼呢?

在這兩秒中,地球上的觀察者看到你飛過了52萬公里,但在你看來,你只飛了26萬公里,兩者相差了一半。

聽起來是不是有點不可思議?其實並非如此。

這並不意味著你在一秒內飛過了52萬公里,你的一秒鐘是你的時間,而52萬公里並不是你所感覺到的飛行距離,而是地球上的觀察者所見的你飛行的距離,這是兩個完全不同的參照系。

這也說明,時間的膨脹必然伴隨著距離的收縮(尺縮效應),兩者同時發生,或者說是等價的,只有這樣,才能確保在任何參照系中,沒有任何物體能夠超過光速。

因此,以87%光速飛行的你,並不會感覺每秒飛過了52萬公里,而依然是26萬公里。地球上的觀察者所見的一公里,在你看來實際上只相當於半公里。

這也是時間膨脹下的尺縮效應。同時這也表明:速度與觀察者無關,但時間和距離卻與觀察者密切相關。

當你以亞光速飛行時,遠處的天體實際上離你更近了,同時,物體本身也會縮短。例如,在地球上的觀察者看來,亞光速飛行的你的身高也收縮了,可能只有身高的一半(不到一米),但如果飛船上還有其他乘客,在他們看來,你的一切依然正常,因為你們處於相同的參照系中,他們用來測量你身高的尺子也會相應縮短。

還有一個更奇妙的現象:假設你能瞬間達到亞光速,你會看到遙遠的星系(比如距離地球250萬光年的仙女座星系)的距離突然縮短,可能只有100萬光年甚至更近,這取決於你到底有多接近光速。理論上,如果無限接近光速,你會看到仙女座星系彷彿就在眼前,你可以瞬間到達。

這聽起來是不是有點不可思議?

但這就是事實。這也是為何光子可以不花時間到達任何地方,或者說,光子可以瞬間到達無論多麼遙遠的距離,哪怕是宇宙的盡頭。

這與我們的直覺完全相悖,但愛因斯坦的相對論對此早有詳盡的闡述,並且經過一百多年的不斷驗證,相對論與科學家們對宇宙的觀察結果高度吻合。

狹義相對論的核心思想之一便是:光速不變原理。光速不變不僅僅指光速在真空中的速度為每秒30萬公里,而是指在任何運動狀態、任何參照系中,光速都是每秒30萬公里。

例如,一艘以90%光速飛行的飛船所發出的光的速度依然是光速,而不是190%光速。

光速與真空的磁導率和介電常數有關,可以視為時空固有的內在性質,亦是我們認知宇宙速度的一把尺規。宇宙萬物似乎都在不斷變化,然而必須有一個不變的基準存在,而這個基準就是光速。

看似頗為奇特,為何宇宙要以光速作為衡量標準呢?有時大自然就是這般難測,這般違背我們的直覺。實際上,隨著科學家們對廣闊宇宙的不斷探索,將會有越來越多的現象違背我們的直覺,宇宙中隱藏著無數的秘密!