在探索宇宙的極限時,速度似乎成了時間的調節器。正如光速是宇宙中時間的暫停鍵,一旦達到這一速度,時間便彷彿停止了流逝。當超越了光速,時間開始逆流。
要深入理解這一現象,先要認識到一個至關重要的現實:
時間和空間並非恆定不變,而是會根據觀察者的運動速度而改變,這是一個關鍵的事實。換句話說,每個人感受到的時間和空間都是獨一無二的(引力的作用同樣會改變時空,這裡先不展開)。這一原則是理解以下所有內容的基礎。
假設你在一艘正以接近光速飛行的飛船上,朝著一光年外的目的地進發,你所體驗的時空與留在地球上的觀察者是不同的。
對觀察者而言,他們見證了你飛越了一年的時光,最終抵達了目標。而對你來說,卻彷彿只過幾分鐘,一眨眼的工夫便跨越了一光年的距離。
牛頓的古典力學認為,時間和空間是固定不變的,無論是多快的速度,往返一趟的時間應當與地面上的人所經歷的完全一致。然而,愛因斯坦則告訴我們,這種觀點是錯誤的。儘管如此,這仍是一個最符合直覺、也是大多數人所期待的景象。
讀到這裡,你或許會提出以下疑問:
之前提到的例子中,一光年的距離不是需要一年嗎?為何飛船幾乎是瞬移到了目的地?
答案在於觀察者的參考系。當你接近光速飛行時,你身處的是另一個時間流逝速度不同的參考系。因此,你和觀察者感受的時空是不同步的。
如果平時我們感覺不到彼此的時空差異,這是為何?
這種差異之所以難以察覺,是因為它極其微小。微小到一個跑步的人,相對於靜止的旁觀者,每秒的時間只慢了億億分之一秒。
同樣的,你和旁觀者所處的空間參考系也不同。一個運動的個體所處的引力勢比靜止者更大。但在遠低於光速的情況下,這種引力差異同樣難以察覺。
理解了這些,我們再來探討速度與時間的關係:
若你在一艘無限接近光速的飛船中度過一生,會發生什麼呢?
答案令人震驚:你可能連一生都過不完……
因為在你一生的光景中,宇宙可能已經歷了百億年的滄海桑田(實際上遠不止這些)。
再來探討一個令人拍案叫絕的問題:如果光子有意識,它所感受到的宇宙是什麼樣子?
答案是,光子沒有時間感,沒有過去與未來的區別,它的時間對於我們來說是“暫停”的,它也無法感受到宇宙的誕生與終結,因為“創生”這個概念本身就建立在時間的基石之上。
因此,如果你想體驗時間旅行,目睹宇宙的末日景象,最佳的途徑就是乘坐一艘無限接近光速的飛船持續飛行。你可能只飛了幾天,地球就已經不復存在;飛了幾個月,太陽也燃燒殆盡;飛了幾年,宇宙迎來了熱寂;飛了十年,宇宙開始收縮,回到大爆炸前的一個奇點,你也隨之消失。然而,這一切在你的時間里僅僅過去了二十年。所以:
速度彷彿是時間的快進鍵。你接近光速的程度,決定了時間流逝的速度。當速度等同於光速,時間便靜止;超過光速,時間開始倒退。儘管達到或超過光速是不可能的,但我們仍可以無限接近光速。這間接表明瞭兩個事實:
我們的存在,與時空緊密相連;
無法回到過去,但可以“前進”到未來。
因此,光速與時間之間的確切關係是:光速是時間的暫停鍵。
所以,當你騎馬賓士、享受人世間的繁華,其實就相當於按下了時間的快進鍵,只是這種影響非常微小,以至於我們幾乎無法察覺。然而,當你的速度越來越接近光速,這種變化就會變得十分顯著。顯著到什麼程度呢?
第三個勁爆的問題隨之而來:一艘以光速運動的飛船,在早上9點鐘準時從地球出發(無需加速,瞬間達到光速),那麼到達一光年外的星球是幾點鐘呢?
答案是早上9點鐘。
飛船上的人甚至還未意識到已經出發,就已經到達了目的地。你意識模糊的那一剎那,對於沒有時間概念的虛無而言可能是永恆,也可能是一瞬間,兩者並無二致。你意識空白的那一刻,就是經歷了這樣一段永恆或一瞬的虛無。而留在地球上的觀察者則經歷了整整一年的等待。
這是速度達到極限的場景:速度等同於光速。它意味著無論距離多遠,對你而言,都不需要時間便可到達。這再次表明瞭一個事實:
當接近光速時(未達到光速),前往任何遙遠的地方,都是一瞬間(納秒級),而觀察者可能已經度過了億萬年。越接近光速,所需時間就越接近零。
因此,當我們無限接近光速時,即便前往十萬光年遠的星球,所需時間也僅是納秒級的。而觀察者則需要苦苦等待十萬年……可以說令人望眼欲穿。(數學證明顯示,實際情況遠比這個比例更為驚人。)
就像在《星際穿越》中,男主角帶領隊伍前往巨浪星球,一個來回只花費了幾十分鐘,而留守在地球上的夥伴已經白髮蒼蒼,並說:“我苦苦等待了你們23年……”
現在,我們用一個公式來進一步闡釋:
狹義相對論中的慢鐘效應公式。
其中,t代表運動參考系的時間,t0代表靜止參考系(觀察者)的時間,v代表運動者的速度,c代表光速。
從公式中我們可以看出四點:
當v遠小於c時,t幾乎等於t0,差異微乎其微,因此我們幾乎感覺不到。這就是地球上所發生的一切。牛頓的時空理論正是反映了這種情形。
當運動速度v無限接近光速c時,無論觀察者經歷的時間t0多長,運動者經歷的時間t都趨近於零。這正是“天堂一日,人間千年”的含義。
當v等於光速c時,無論t0經歷多久,運動者的時間t均為零,即運動者的靜止時間停止。這種情況是不可能發生的。
當v超過光速c時,無論觀察者經歷的時間t0如何,運動者的時間t都是虛數,對應著空間中的一個點。同樣,這種情況也是不允許發生的。
通過一些計算,我們可以直觀地感受到這種差異:
假設以光速99.999……%(小數點后精確到13個9)的速度飛行一光年的距離,運動者感受到的時間是1.41033秒。可見這種差異有多麼巨大。在飛船中的你只需眨一下眼睛便可以到達目的地。你的細胞代謝只經歷了這1.41033秒,而觀察者卻看著你飛越了一年的時間。
時間對比:1年對比1.41033秒。
如果接近光速的99.999……%(小數點後20個9)呢?
那麼對比將是:100萬億年對比6.307秒。
這意味著,100萬億光年的距離,在你的感受中只過了6.307秒就飛越了。觀察者看則看到了100萬億年,而你只經歷了6.307秒。等你到達時,觀察者早已不復存在。因此,“天下武功,唯快不破”確實是至理名言!
所以,如果你以這個速度飛行,你甚至一秒都飛不到,宇宙就可能已經走向滅亡了!(宇宙至今僅有140億年的歷史。)
還有人質疑說,電影裡時間變慢是因為黑洞的作用,而非速度。的確,我們在這裡主要探討的是速度對時間的影響。事實上,引力所造成的空間曲率變化也會導致時間變慢,這種現象在引力極其巨大的情況下才會表現得尤為顯著。黑洞正是這樣一個例子。設想一下,你漂浮在黑洞的安全區域,注視著同伴被引力拉向黑洞。你會看到他越來越慢、越來越慢,最終停滯在黑洞的視界上。實際上,他仍在加速運動,只是你再也看不到他了。因為時間和光都被束縛在黑洞視界,所有落入黑洞的物體,其影像都將永遠定格在視界上,成為永恆的畫面。
因此,黑洞並非全然黑暗,它通常有一個非常明亮的光環,這是吸積盤恆星的餘暉。這種光不一定是可見光,而可能是高能輻射。(參考霍金輻射理論,黑洞視界上仍有能量能夠逃逸,會有量子漲落產生的正負粒子對,其中一個被吸入視界,另一個逃逸,