科学:光子会变老吗?

2015-10-12 14:04:47 来源:星空天文网

“每个人都有梦;我希望能活到黎明,但我明白我最多只有三个小时。然后就是黑夜,但这又何妨。死很简单。它不需要阳光。就这样吧,让我死在星光下。”——维克多·雨果

光子会变老吗?真相惊掉下巴

光的传递需要时间,但是对于光子本身来说,时间的流逝方式又是怎样的?换句话说,光子是否会变老?

光从太阳出发到达地球需要大约8分钟,但是对于光子本身来说,它所经历的时间并不是8分钟。8分钟只是相对于我们而言的。

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在日常生活中,如果我们去便利店需要8分钟,那么当我们到达目的地后,我们就会经历8分钟。在店员眼里,你也经历了8分钟。如果我们遵循的是牛顿对时间的定义——时间是绝对的——那么无论在宇宙何处,时间的流逝速度都是绝对相同的。

如果是这样,那么光速就不是恒定的了。

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如果你对着一个目标打手电,并同时冲向它,那从手电出发的光速就会高于手电在静止状态下的速度。

下面这幅动图演示了一个光子计时器。在上下两面镜子间,有一个光子在作往复运动。如果镜子在X轴上是静止的,那么光子每反射一次所用的时间是恒定的。但是假如镜子在X轴上发生了运动,那么它用去的时间要比镜子静止时长得多。

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更有甚者,如果你带着手电朝与光相反的方向快速运动,光速有可能会变成0。因此假如时间是绝对的,那么光速就会因物体的运动而随时发生变化。

但事实并非如此,真空光速是恒定的。这种看法显然不对。

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1905年,爱因斯坦的狭义相对论指出,迈克尔逊-莫雷实验以及长度收缩和时间膨胀现象,可以用真空中光速的恒定性进行解释。这意味着,如果物体运动的速度接近光速,“御光”而行者的空间和时间长度,与静态的外部观察者相比会明显缩短。

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事实上,根据爱因斯坦的相对论,假如手表都绝对精确且保持完美同步,当你漫步了8分钟后,你将比店员的手表领先大约2纳秒到达店中。在大多数情况下,相对论产生的效应极其微小,但始终都在发生。

这是因为物体并不仅在空间中运动,也不仅在时间中向前;空间和时间是时空统一体中相互关联两个部分。

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这一事实最早是由爱因斯坦曾经的老师——赫尔曼·闵可夫斯基意识到的。1908年他曾经说过:

我想和你讲述的看法深受实验物理之惠,也是从它的土壤中成长起来的。这种看法是颠覆性的。空间和时间本身注定将淡出为侧影,只有这二者的联合体才可被称为是独立的现实。

宇宙万物的存在和运动,都离不开时空统一体。而且无论你怎么运动,都是相对于时空统一体的运动。

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如果你在空间中较快地运动,那你所需的时间也会较少:你到达便利店所用的时间要比店员的等待时间少大约2个纳秒,就是因为你在空间中的运动速度比她要快。速度越快,所用时间就越少,时钟就越慢。无论便利店有多远,如果你的速度接近光速的99.9999999%,店员等待的时间都将是你所用时间的22000倍。

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前往猎户座的相对论之旅。Alexis Brandeker

明白了这些,让我们再来看光子。光子的运动速度不是接近光速,而是光速本身。所有在光速条件下描述观察者所见的方程给出的答案都可以被冠以“无限”两字。但无限并不总意味着物理学有错,它经常会指物理学上一些有违直觉的结果。比如当我们以光速运动时,发生的这些事:

你将失去所有质量;如果你曾经拥有质量,那它就会变成一道拥有无限能量的光。但你的质量是零。

•你将无法体验到在空间中穿行的过程。沿着你前进方向的距离长度会收缩成一个点

•你也无法体验到时间的流逝;对你而言,整个旅程就是一瞬间。

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对于地球上的观察者而言,来自太阳的光到达我们眼中用了8分钟(8分20秒左右)。如果我们有能力“观察”光子,那它就是以光速穿越了整个旅程。但是假如我们在光子上“安装”一个时钟,那它就是停摆的。

当我们观察遥远的星系时,情况也是一样。

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来自这些星系的光用了几十亿年才到达我们眼中。在这个过程中,宇宙在不断膨胀,空间在不断拉伸,光子的能量也在宇宙红移过程中被持续削弱。但无论这段旅程有多么不可思议,光子本身是体验不到我们所谓的时间的:它出发后瞬间就被吸收了,它跨越浩瀚空间完成这次旅行不需要时间。

光子不老。

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