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通俗科普:宇宙為何有光速限制?如果超過光速會發生什麼?
2023/10/20

我們都知道,光速是宇宙中的速度極限,任何物體和信息的傳播速度都不可能超過光速,那麼宇宙為何有光速限制?不限制不行嗎?如果物體和信息的傳播速度超過光速會發生什麼?


簡單講,光速極限是四維時空的內在秉性。宇宙有光速限制,光速與時間密不可分,速度可以讓時間變慢,甚至讓時間暫停(達到光速時間暫定)。如果超過光速,意味著時間倒流。

如何理解上面的事實?我們需要明白一點。

時間和空間(簡稱時空)是相對的,并不是絕對的,也就是說,即使是地球上的你我(即使我們兩人面對面),感受到的時空流逝速度都是不一樣的。影響時間的并不僅僅是速度,還有引力(這篇文章只討論速度對時間的影響,引力的影響以后再討論)。

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按照愛因斯坦狹義相對論中時間膨脹的詮釋,如果你以無限接近光速的速度飛行,你可以瞬間到達任何遙遠的距離,你只需要幾秒鐘甚至更短的時間到達成千上萬光年之外的地方(取決于你到底有多麼接近光速)


但是對于地球上的我這個觀察者來講,你想要到達一光年外的地方,仍舊需要飛行一年,這里的一年只是我的感受,對于你來講,可能只需要幾秒鐘就到達了。


也就是說,你的幾秒鐘就相當于我的一年!

這種相對時空觀徹底顛覆了我們的傳統認知。傳統的牛頓絕對時空觀告訴我們,無論在什麼情況下,時間流逝速度都是絕對不變的,這也符合大部分人的生活習慣,畢竟我們每天感覺到的時間流逝速度都是一樣的。


之所以我們會有「絕對時空觀」的錯覺,主要原因還是我們生活在低速世界,速度對時間的影響幾乎可以忽略不計,我們也感覺不到,差異非常小。

這里有一個極端的情況。

如果你能夠無限接近光速飛行,意味著你的時間趨于靜止,結果可能是非常瘋狂的:你不可能度過自己的一生,甚至只能活幾秒鐘就死去了。因為時間膨脹因素,你的幾秒鐘相對于宇宙來講已經過去了無限長的時間,宇宙早就毀滅了。

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如果宇宙都毀滅了,你當然也不可能存在了!

網絡上有人經常會問這樣的問題:如果光子能像人類那樣有自我意識,光子會看到什麼呢?會有什麼樣的感覺呢?

實際上這種問題是沒有意義的。對于光子來講,無所謂「時間」的概念,對于光子來講,時間是完全暫停的,沒有過去和將來的概念,有的只是現在。光子可以瞬間(不需要時間)到達任意遙遠的距離(注意這里是以光子自身來講的,不是以我們為參照系)。


也就是說,只要你的速度足夠快,就可以在非常短的時間里(比如幾秒鐘)跨越上萬光年甚至更遠的浩瀚距離。

光速和時間的這種關系證明了兩點:

宇宙萬事萬物的存在離不開四維時空,光速是四維時空的速度限制(或許存在更高維度的時空,那里的最低速度就是光速,誰知道呢?)。


還有一點:我們只能無限接近光速飛行,不能達到甚至超越光速。因為一旦超越光速,你將脫離四維時空,意味著你將不屬于這個世界。而你本身就是這個世界的一部分,兩者本身就是矛盾的,所以你不可能超越光速。

雖然狹義相對論誕生一百多年了,但仍舊有不少人無論如何不相信它是真的。實際上,狹義相對論中的時間膨脹效應早已深入到我們日常生活中,比如平時我們經常用的導航,就是時間膨脹的實際應用。

由于天上衛星的高速運動,時間會變慢(當然還有引力作用,這里先略過不講),要想讓地面和衛星上的時間保持一致,必須對衛星上的時鐘進行微調,不然的話,衛星導航會完全失效。因為即便是非常微弱的時間差異,累積起來也會有很大影響。

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最后再說一點,速度不僅僅會影響時間的流速速度,還會影響物體的質量,空間長度等,具體的公式如下:


速度越快,物體質量就越大,空間長度就會縮短(尺縮效應),時間流逝速度就會變慢。

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