图:当飞船速度无限接近于光速 , 光钟的运行轨迹倾斜角角度无限接近于0
如果把飞船换做为一个光子 , 拥有光速,那么它在时间运动上为零 。它可以一瞬间到达任意地方,比如从太阳到达地球,但在地球上的人类看来却需要8分多钟 。实际上,不仅仅是如此,没有时间的光子,还不算悲剧,更悲剧的是它连从太阳旅游到地球的这个过程都无法享受,无论空间间隔有多远,对它来说也是0 。
尺缩效应
体验完地球上视角,我们再来看看飞船上的视角 。这两者之间较大的不同是地球人相对于地球上的环境是静止的,但飞船人相对于整个地球在动 , 所以与周围环境产生了相对移动 。飞船相对周围快速运动,周围环境也以同样速度相对于飞船运动 。
图:地球离我而去
如果说地球上60亿人口看着飞船上的光钟走得慢,那么此刻飞船人惊呆了 , 它看到了周围环境60亿人口的钟表,大楼上的钟表都走的比他的快,他似乎比60亿人衰老得更快!
这就是爱因斯坦说的“时空”,时间和空间本位一体,是不可分割的 。假设当你相对一个空间静止时,你的时间流逝是100%,突然你启动了,你在空间中产生运动时,你的时间运动就会减?。?即时间流速变慢 。对于环境来说,因为环境相对于你在进行空间上的运动,所以时间上的运动就慢了 。然而这一切是对于有质量的环境或者飞船来说的!
图:曲率飞船
飞船人相对于环境高速飞行还会有另外一个影响,飞船的尺寸和运动方向上的空间距离会收缩 。因为光速对于任意参照系的观察者来说都是不变的 , 如果飞船的时间较慢,那么距离也要相应的缩短 , 这样光速才能保持恒定不变 。在狭义相对论中所有的推导都基于光速不变原理 。
图:狭义相对论公式
根据钟慢(时间膨胀)尺缩效应我们可以得到,速度对应时间和长度的公式 。
图:时间随速度膨胀(左图)和长度随速度收缩(右图) 。
随着飞船运动的速度无限接近于光速,飞船的时间会无限趋近于静止,同时空间距离会缩小到无穷小 。
光子的视角
图:所有的无质量粒子,都以光速运动 。如果一个物体以光速相对于你运动,你会发现它的时钟是静止的 。
从上文的时间膨胀与尺缩效应,我们可以得出结果 。无论飞船如何加速,只会让它在靠近光速的道路上越走越近,它会经历相对于自己更严重的时间膨胀、长度收缩 。但是它永远无法达到光速,因为只有无静态质量的物体才能达到光速 。而光子就是时间膨胀的极限——静止 , 长度(距离)收缩的极限——一个点 。
光子没有时间上的运动,如果它运动的方向标记为X轴 , 那么X轴由于光速不变原理会收缩成一个点,即时空中没有时间t轴,也没有x轴,只剩下一个平面,所以宇宙对它来说是二维的,它从太阳到达地球无非就是这个二维平面的一个点 。它从一个电灯泡中发射出来,这个二维平面出现了一个点,当它接触到物质被吸收 , 这个点消失,对于光子来说这个过程中是没有时间流逝的,所以光子一生只经历两件事“出现”与“消失” 。光年对于我们来说是光走了一年 , 如果你问光子它会呵呵一笑:对于我来说都是不存在的!
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