在探索狭义相对论的奇妙世界时,其中所强调的 “光速飞行” 和 “时间膨胀效应”,常常成为人们热议的话题。然而,不少人对这两个概念总会产生误解,或者理解得不够严谨,往往只是凭借字面意思进行主观的判断,从而偏离了狭义相对论的本质内涵。
首先,从狭义相对论的基本原理出发,我们必须明确一个重要的事实:飞船绝对不会达到光速。狭义相对论告诉我们,任何静质量不为 0 的物体都无法达到光速,这一结论可以通过质量效应公式来清晰地解释(其中 m 为物体质量,m0 为物体静质量,V 为物体运动速度,C 为光速)。
随着物体运动速度 V 不断增大,公式的分母会越来越趋向于 0,根据数学原理,此时物体质量 m 就会越来越大。当 V = C 时,物体质量 m 将变得无穷大。我们可以想象一下,要驱动一个质量无穷大的物体运动,需要的能量将是难以想象的,甚至全宇宙的能量加起来都远远不够。因此,从理论和实际能量需求的角度来看,达到光速是完全不可能的,这就是著名的光速限制原理。
既然达到光速是不可能的,那么我们不妨来探讨一下飞船运动速度非常接近光速时的情形。
当飞船的速度接近光速时,在地面相对静止的观察者眼中,会出现一种奇妙的现象:飞船里的时间确实变慢了。而且,飞船的速度越接近光速,时间变慢的程度就越明显。
从地面观察者的视角看,飞船里的人的动作会变得非常迟缓,甚至一个简单的喝水动作,都仿佛凝固了一般,好久好久都没有变化。然而,有趣的是,飞船里的人却并不会有这样的感觉。相反,在飞船里的人看来,是相对静止的地面观察者的时间变慢了。
在飞船里的人眼中,飞船内的一切都非常正常,时间流逝的速率就如同在地面上一样自然。比如,他可能会觉得时间过得很快,很快就到了中午吃午饭的时候。从早上告别地球的亲人坐上飞船到现在,已经过去了六七个小时,肚子也开始感觉很饿,甚至觉得自己能吃下一头牛,于是先拿起水杯喝点水润润嗓子……。
上述这种情况是很有可能发生的,这正是狭义相对论中所说的 “钟慢尺缩” 效应的体现。这里需要强调的是,时间的同时性具有相对性。飞船里的人和地面观察者处于两个截然不同的参考系中,对于同一事件的观察结果必然是不一样的,他们对事件发生的时间和时间间隔的判定也会存在差异。也就是说,飞船上的人与地球上的人相互观察对方时,都会觉得对方的时间变慢了。但这并不矛盾,因为他们所处的是两个完全不同的参照系,在这种情况下比较他们的判断结果是没有实际意义的。
接下来,我们再进一步把飞船的速度加大。
假设飞船里的人觉得这次加的速非常大,甚至主观认为应该超过光速了(当然,他并没有进行实际测量)。然而,在地面观察者看来,飞船的速度仍然没有达到光速。这一事实深刻地说明了:并不是飞船没有 “达到” 30 万千米 / 秒速度的能力,而是即便从某种假设的情况来说 “达到” 了这个速度,但从任何参考系去观察,飞船依然没有达到光速。
而且,光对于处于这个速度状态下的飞船而言,仍然保持着光速。也就是说,无论飞船的速度如何变化,飞船永远都追不上光。即使我们假设飞船超过了 30 万千米 / 秒的速度(当然,这在现实中是不可能的,我们这样说只是为了更好地理解光速限制原理),光相对于飞船来说,其速度依然是光速。这是对光速限制原理更深层次的认识,这个原理并非是相对论随意规定的,也不是爱因斯坦个人的主观设定,而是宇宙中客观存在的规律。
既然飞船达不到光速,那么在任何参考系中,飞船的时间都不可能是静止的,尽管当速度接近光速时,时间流逝会变得很慢很慢。
而在飞船里的人看来,时间更不会是静止的。现在,我们顺从很多人的想法再进一步延伸探讨一下:即使在地面观察者的想象中,飞船达到了光速(再次强调,这是不可能的,我们这样说是为了更好地诠释相对性原理),并且认为飞船的时间静止了(但实际上,并没有任何确凿的证据能证明飞船达到光速时时间就会静止),
然而,在飞船里的人仍然丝毫不会觉得时间变慢,哪怕是在所谓 “达到” 光速的那一刻。这是因为飞船内的所有东西,包括人在内,相对于飞船这个参考系的速度是静止的。在飞船这个相对稳定的环境中,人并没有感受到时间变慢的迹象。由此可见,即便我们假设飞船以光速运动(当然,这只是一种不可能实现的假设),在地面观察者看来飞船的时间静止了,但对于飞船里的人来讲,时间仍然是正常流逝的,他们的生活节奏和感受与在正常速度下并没有本质的区别。
所以,时间不会静止,只要人还活着,他就仍然会感到肚皮饿,除非他已经失去生命。反过来说,肚皮饿这一现象本身就表明时间在不断变化,因为如果时间静止了,人体的生理活动也应该处于静止状态,肚皮又怎么会产生饥饿的感觉呢?因此,对于 “时间静止了人肚皮会饿吗?” 这个问题,通过我们对狭义相对论的分析,本身就已经有了明确的答案。
上面的探讨只是打个比方,大家千万不要将其当作真实的情况。
实际上,如果飞船真的能够达到光速,也就是真的能追上光,那时间的概念就不再是我们通常所理解的那样了,时间不是静止,而是压根不存在了。请记住,在这种极端的情况下,时间是不存在的。对于乘坐飞船的人以及飞船本身来说,宇宙的一切都发生了根本性的变化,宇宙对于他们而言崩塌了,所有我们熟知的宇宙规律都无法再束缚他们。在这种状态下,不但时间不存在了,空间也同样不存在了。当人都不以时空的方式存在时,自然也就不会感觉到饿了。
综上所述,从狭义相对论的理论基础和实际情况来看,飞船是达不到光速的,时间也是不会静止的。即使我们从理论上假设时间静止了,人的时间也不会静止,人的肚皮照样会饿。
而如果非要假设飞船达到了光速,时间不是静止,而是不存在了,在这种情况下,人自然也就不会感觉到饿了。通过对这些概念的深入剖析,我们能更准确地理解狭义相对论中 “光速飞行” 和 “时间膨胀效应” 的本质,避免因主观臆断而产生误解。