如果無限接近光速,不管多遠的距離都可瞬間到達,果真如此嗎?
當個體以無限接近光的速度運動時,確實瞬間可至任何地點。
自從愛因斯坦的《狹義相對論》橫空出世,人類對時間的理解被完全顛覆——每個人的時間並非同步,即時間具有相對性。這一相對性直接與觀察者移動速度掛鉤。若個體擁有充足的能量,使得自己無限接近光速,便能獲得光的屬性之一——時間靜止。(此處不討論人類是否能承受這種狀態)。先簡略論述再行證明。
譬如,我們觀察到太陽發出的光需時8分20秒才抵達地球,但對光而言,這不過是剎那之間的事。你所見的光經8分多鐘抵達地球,不過是你的主觀時間流逝,而光的“時間”則彷彿靜止不動,這並非它的“時鐘”失靈,而是它處於時間的凍結狀態。換言之,光速本身就是時空的尺度。若人能擁有光的特性,時間對他而言將不復存在。在愛因斯坦的觀念中,時間與空間本是一體,因此在瞬間橫越宇宙的每一角落是可能的。
接下來,我將從兩方面闡述“時間膨脹”如何發生:
(1)運用勾股定理揭示速度與時間膨脹的聯繫。
(2)從量子力學視角——探究被忽略的光子。
我們探究光如何實現瞬間移動。邁克爾遜-莫雷實驗爲我們提供了實證,該實驗易於理解:兩位科學家制作了一臺干涉儀。
一束光從光源射出,經分光鏡分成兩束垂直的光,一束垂直向上,經反射後朝下;另一束原方向的光也經鏡面反射後朝下。在儀器靜止時,兩束光路程相同,故同時抵達干涉屏。
若儀器向右移動,根據伽利略的相對性原理,水平方向的藍光速度會減少,或直觀地說,儀器移動使得藍光的路程變長,導致藍色光較晚抵達。
但宇宙中不存在完全靜止的物體,若物體靜止,組成它的分子、原子、電子也在不斷運動,因此實驗結果應該是:兩束光不同時抵達。然而,實驗結果卻出乎意料,兩束光依舊同時抵達,並未形成干涉條紋。
此實驗表明,光速並不遵循伽利略的相對性原理,不會出現速度的疊加或減少。簡言之,逆風的光不會更快,順風的光不會更慢,這就是光速不變原理。
因此,飛船向右移動時,其中的光並不會產生向右的加速度。如附圖,飛船內的人看光是垂直向上的,而飛船外的人看光的路徑是斜線。
在三角形中,斜邊總長於直角邊。飛船上的人看飛船的時間爲t(船)=直角邊除以光速,地球上的人看飛船的時間爲t(地球)=斜邊除以光速。由於光速不變,可以得出t(地球)>t(船),即兩人對同一事件的時間感知不同。
將飛船的軌跡、飛船內光的軌跡及地球上光的軌跡連接起來,便可得到一個三角形,利用勾股定理可以得出地球上的時間與飛船的時間關係,這一比值稱爲洛倫茲因子。
在相對論中,除了時間,質量、尺寸、速度等亦具有相對性。質量的增加意味着v必須小於c,除非m0爲零,即靜質量爲零,物體才能達到光速。然而,人類有質量,故無法達到光速。
修正因子體現了高速運動物體物理性質的改變,見附圖。從圖中可以看出,當物體速度無限接近光速時,兩地時間比值(t/t')趨向無窮大。
因此,若飛船速度無限接近光速,則t'(或飛船時間)趨向於零,即時間凝固,個體便具有光的屬性,實現一觸即達。
例如,當t=190億年時,地球人認爲需要190億年才能到達的地方,對飛船而言,時間t'趨向於零,即瞬間即可抵達。愛因斯坦的《廣義相對論》闡述了質量使時空彎曲,產生引力場,而光遵循的類光測地線也會隨之彎曲,因此引力彎曲的時空裡時間流逝的速度也會變化。
宇宙中存在希格斯場,賦予基本粒子質量。除了光子,基本粒子在希格斯場中運動時會獲得一定勢能,從而具有質量。光子由於不與希格斯場作用,靜質量爲零,因此除了引力,它不受其他有質量物體的影響。
由此可見,若物質想實現一觸即達,必須免疫希格斯場的束縛。而人由原子構成,原子由電子、原子核構成,它們又由質子、中子構成,質子中子又由夸克構成,這些粒子的質量皆來自希格斯場中的勢能。因此,人類無法達到光速。除非不再是人,而是由光子構成。
當物體獲得巨大能量以抗衡內部粒子所受的場束縛,就能無限接近光速,實現瞬移。然而,物體是否會因此“解體”,則不得而知。