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光從太陽到地球要8分鐘?光子:你低估我的速度了,只需一瞬間

科學 科學美少男

“ 時間對於光子 ”是沒有意義的,世界對於它來說太小,時間於它完全凝固,然而在我們的眼裡,它似乎又沒有那麼厲害,或許你不夠了解它。

   

光從太陽到地球要8分鐘?光子:你低估我的速度了,只需一瞬間

 

光子8分鐘的旅程

夕陽西下,其實是八分鐘前的夕陽。想象一下承載日落光影的光子從太陽出發,直到它映入眼簾,被你視網膜上的感光細胞分子吸收的這個過程,從我們的角度來看光子在太空中旅行了8分多鐘,對於光子自身來說它的旅程並沒有時間。

   

光從太陽到地球要8分鐘?光子:你低估我的速度了,只需一瞬間

 

為了讓你更容易理解,我們體會一下光子如何能夠在一個瞬間到達地球的方案。

縮短空間間隔,我們在一張白紙上標註A點為太陽,B點為地球,想象一下我們把空間摺疊起來。例如:愛因斯坦的時空隧道(蟲洞),摺疊時讓A點與B點相連接,然後拿著筆把A點穿透到對面的B點。

   

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方案二,加快速度,從而縮短時間間隔,把8分鐘縮短到一瞬間,還要保證在地球上的人看來還是走了8分鐘,也就是出現“相對時間”,有點抽像,下面詳細解釋。

當然,以上兩個方案綜合一下也是可以的。

很多人可能知道光速是恆定的,不會加速,也不會減速,光子似乎也沒有摺疊空間的能力,那麼光子是如何做到的?

16歲的愛因斯坦

   

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早在他16歲就發表過論文《磁場裡以太的狀態研究》,其中就提到一個問題:“如果我也以光速運動,那麼光在我眼裡是什麼樣的?會靜止不動嗎?”

   

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愛因斯坦在論文中自答出自己的觀點:“根據麥克斯韋的理論,無論我以什麼樣的速度運動,釋放出來的光波對於我來說都是以光速運動。”可見愛因斯坦早在發表《狹義相對論》的10年前就已經知道了光速不變原理,對經典物理光在以太介質中傳播的理論提出了質疑。

光速為何恆定不變?

   

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光速不變原理,這個特徵源於光子靜止質量為零。物質由比質子、中子更小的粒子構成,稱為基本粒子,電子就是其中之一。

   

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在量子場論中,空間與粒子之間存在各種場,例如電磁場。粒子在場中運動就會發生四種相互作用,使物質具有了質量。這意味著質量與能量是等價的,它們之間的關係就是質能方程E=mc^2,說直白點,質量是能量的另一種形式。

   

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不過,粒子所表現出來的大部分質量並非粒子本本體質量,自身質量源於希格斯場,粒子在希格斯場中運動具有了一定的勢能,因此才有了自身的質量。

   

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我們如果把希格斯場比作海洋,夸克子在海洋中運動被海水束縛,使夸克具有了一定勢能,於是夸克便有了質量。

   

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質量之源希格斯場在光子面前就是空氣,光子不食人間煙火,一旦出現會沿著一個方向不知疲倦的運行下去,不受任何束縛,因此它擁有了絕對的速度。

   

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鐘慢尺縮

   

光從太陽到地球要8分鐘?光子:你低估我的速度了,只需一瞬間

 

1905年,對於愛因斯坦來說是一個奇蹟年,那年他26歲,發表了他在16歲就提出疑問的答案《狹義相對論》,還有質能方程與其他2篇論文。

   

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《狹義相對論》基於光速不變原理,其中鐘慢尺縮囊括了光子以上的三個方案:

動鍾變慢(縮短時間間隔方案):有兩個同步的時鐘,一個與我相對靜止,一個被帶上飛船,當飛船勻速運動,你會發現飛船上的時鐘走得比靜止的時鐘要慢,並且飛船飛的越快,時鐘慢得越厲害,當飛船無限趨近於光速,時鐘幾乎靜止了。

   

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圖:速度與時間的關係

同樣是從太陽到地球,速度越快鍾走得越慢,而對於光速的光子來說,它的時間是靜止的,時間間隔是一瞬間。動鍾變慢也意味著一開始同步的靜止時鐘和運動時鐘,當運動狀態發生了改變,時間就不再同步,而是相對的。

尺縮效應(縮短空間間隔方案):除了運動狀態與時間,空間也一樣。由於動鍾走得較慢,時間發生了膨脹。舉個例子,地面上的人認為高速飛船需要8小時才能從太陽飛回地球,對於飛船與駕駛員來說,實際上飛船上的鐘走了1個小時就到地球了。

   

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而飛船勻速直線飛行,速度相同,雙方看到飛行的時間卻不同,說明在駕駛員眼裡地日的距離並沒有那麼長,由於飛船高速運動空間間隔縮短了,而且飛船的速度越快,縮短的程度就越大。

   

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圖:速度越快尺寸收縮程度就越大

如果飛船無限接近於光速飛行,它就能無限的接近光子的空間觀,世界在它眼裡似乎縮成了一個點。當太陽A點與地球B點,這兩個點縮成了一個點之後,空間間隔為零,就似乎是把白紙上的兩個點疊在了一起。

   

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方案三“綜合”:鐘慢與尺縮效應是高速運動引起的,當光子以光速運動,那麼以上兩個方案是同時進行的。

光子說:我只需要一瞬間

光子從太陽到地球,在我們眼裡用了8分鐘,但對於它自己來說只不過是用了零時間跨越了零距離。對於它來說世界是零維的點,它只不過是在這個點中一閃一閃,瞬間出現又瞬間消失,沒有時間間隔,也沒有空間意義。

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