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时间和长度的相对性,都是为了“迎合”那个“霸道”的光速!

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我们每个人都在时间的不断流逝中度过一生,时间看起来在我们身边无处不在,与我们如影随形,甚至比我们的影子还熟悉。

但时间真的存在吗?很多人对此会感到困惑。

我们生活中的点点滴滴都留下了时间的痕迹,但关于时间的本质,至今没有谁能完全解释清楚,因为时间是一个相当抽象的概念,它看不见摸不着,永远不停地流动着,而且只有一个方向,那就是向前。

如今看来,虽然我们每天都感受着时间,但时间的本质并非像我们想象的那么简单。

那么空间呢?我们自认为非常熟悉的空间,真的如同我们感受的那样吗?其实说到底,我们不了解空间,正如我们不了解时间一样。

举个例子,在我们的传统观念里,空间是不变的,比如说一米就是一米,无论如何变换,无论从任何角度来讲,一米的长度都不会变。

但如今我们知道并不是那样,从不同的角度来讲,一米或许真的不是一米。

空间其实与时间是相辅相成的,两者不可分割,相互交织在一起。这就意味着,如果时间变了,空间(距离)也会跟着改变。

到这里你可能有点懵:怎么会这样?

答案在藏在那么我们每天都看见的东西:光,准确地说是光速,那个我们不能打破的宇宙极限速度。

因为光速不变,所以如果时间膨胀,那么距离(长度)必然会收缩。

上过小学的都知道,速度等于距离除以时间,如果速度不变,时间发生膨胀,距离当然会跟着改变。

下面详细来解释下。

在真空中,光速是30万公里每秒(这里取近似值)。假设你乘坐飞船以87%光速急速飞行(相对地球上的观察者),也就是大约26万公里每秒。

根据爱因斯坦相对论中的时间膨胀,你所经历的一秒钟(你的本证时间)在地球观察者眼里并不是一秒,而是两秒。这意味着什么?

在这两秒时间里,地球观察者看到你飞行的距离是52万公里,但是在你眼里你只飞行了26万公里,两者相差一半。

是不是感觉有点奇怪?其实没什么奇怪的。

这并不意味着你一秒钟飞行了52万公里,你的一秒钟是你的时间,而52万公里并不是你感觉到的飞行距离,而是地球观察者看到你飞行的距离,两个完全不同的参照系。

这也意味着,时间膨胀必然会感随着距离的收缩(尺缩效应),两者是同时进行的,或者说是等价的,而只有这样,才能保证不管在任何参照系下,任何物体都不能超光速飞行。

所以87%光速飞行的你,并不会感觉每秒飞行了52万公里,而仍旧是26万公里。地球观察者看到你飞行的一公里,在你眼里其实只是半公里。

这也是时间膨胀下的尺缩效应。同时也说明了一点:速度与观察者没有什么关系,不过时间和距离与观察者息息相关。

当你以亚光速飞行时,遥远的天体的确距离你更近了,同时,物体本身也会缩短。比如说,在地球观察者来看,亚光速飞行的你身高也收缩了,或许只有身高的一半(不到一米),但如果飞船上还有其他乘客,在他们眼里,你的一切都是正常的,因为你们处于同一个参照系,他们测量你身高的尺子同样会缩短。

还有一个更神奇的现象:假设你能瞬间达到亚光速,你会看到遥远星系(比如说距离地球250万光年的仙女座星系)的距离突然变短,或许只有100万光年甚至更近,这取决于你到底有多接近光速。理论上如果无限接近光速,你会看到仙女座星系就在你眼前,你可以瞬间到达仙女座星系。

是不是有点不可思议?

但确实是这样。这也是为什么光子到达任何地方都不需要时间,或者说,光子可以瞬间到达任何遥远的距离,哪怕是宇宙的边界。

这太违反我们的直觉了,但爱因斯坦的相对论对此早就有非常详细的表述,而且经过一百多年的不断验证,相对论确实符合科学家们对宇宙的观测结果。

而狭义相对论一个最为核心的思想就是:光速不变原理。光速不变并不是说光速在真空中吗,每秒30万公里,而是说在任何运动状态,任何参照系下,光速都是30万公里每秒。

比如说,一艘以90%光速飞行的飞船发出的光的速度仍旧是光速,而不是190%光速。

ε0为介电常数,μ0为磁导率

光速,只与真空的磁导率和介电常数有关,可以认为光速是时空的固有内在秉性,也是我们认知宇宙速度的一把标尺。宇宙中的一切看起来都在变化中,但总要有一个不变的东西当作执行标准,这个标准就是光速。

看起来确实有点奇怪,宇宙为何要用光速当作标尺呢?有时候大自然就是这样不可捉摸,就是这样违反我们的直觉。事实上,随着科学家们不断探索浩瀚宇宙,会有越来越多的现象违反人们的直觉,宇宙中隐藏着太多不为人知的秘密!

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