光速难以接近
光速很快,大约每秒30万千米,是目前人类已知的最快速度。如果以光速运动,你可以用1秒钟多一点的时间到月亮上摸一把,也可以在眨眼之间环游地球。但这是不可能实现的,因为物理学定律告诉我们——除了光,没有任何物体的速度能够达到光速。
实际上,人类想要获得接近光速的速度也是不太可能的。仅仅1%的光速——大约每小时1000万千米,就要比商用飞机快1万多倍。最快的飞机——美国宇航局研制的X系列超音速飞机,其时速可以达到每小时1万千米,这样的高速度令人瞩目,但也只有光速的0.001%。目前,速度最快的人造物体是美国宇航局制造的帕克太阳探测器,2018年从地球发射升空后,它掠过太阳灼热的大气层,在太阳引力的帮助下达到了53.5万千米的时速——但仍然只有光速的0.05%。
为什么人类连1%的光速都很难达到?简而言之,是因为能量的限制。物体会因为运动而具有相应的能量,这就是物理学中的动能。为了让速度更快,你需要增加动能,速度提升两倍就需要4倍的能量,速度提升3倍则需要9倍的能量。以此类推。要让一个体重50千克的成年人达到光速的1%,就需要给他提供200万亿焦耳的能量——相当于200万美国人一天的用电量。科学家还无法设计出如此高能高效的飞行燃料以及相应的动力引擎。
色彩斑斓的世界
虽然我们难以提升速度,但可以假设光速变慢很多——两者产生的效果相同,都将使速度接近光速。那么,接下来会发生什么呢?
在物理学中,爱因斯坦的狭义相对论解释了速度怎样影响时空。所以,当速度接近光速时,我们可以立刻目睹到狭义相对论的有趣效应。
首先,物体颜色会发生变化。当人类的速度接近光速时,我们看到的物体的颜色不再是一成不变的,它的变化取决于我们相对于物体的运动方向。
我们知道,光是一种波,光的波长(也就是波峰与波峰之间的距离)决定了光的颜色和频率。根据多普勒效应,当我们朝着波源运动时,波峰会更快地向我们靠近,使我们接收到的波长变短,反之,当我们背离波源运动时,接收到的波长会变长。所以,当我们以接近光速的速度靠近物体时,会看到它的颜色变蓝变紫,远离物体时,会看到它的颜色变红。
其次,视野的亮度也会发生变化。下雨时我们常常会有这样的经验——身体的前方会比背后淋得更湿,这是因为我们走进雨中,身体的前半部分会承受更多的雨滴,而落到身体后半部分的雨滴要比静止不动时少。在物理学中,光不仅是波,也是粒子,世界中的光子,就像一滴滴的光雨。所以,当我们以接近光速的速度前行时,会有更多的光子进入眼睛,结果视野就更加明亮了,但回头看一眼,我们又会发现一切都变暗了。
长寿的旅行者
物理学中,光速是一个恒定不变的常量,但时间和空间并不是常量,时间可以变缓,空间可以扭曲——这仍然是狭义相对论带来的效应。
打个比方,准备两个对齐时间的钟表,一个放在地球上,另一个由我们携带,随我们以接近光速的速度运动。那么过一段时间后,这两个钟表经过的时间就会出现差异,由我们携带的钟表的时间过得慢,这就是狭义相对论中的钟慢效应。实际上,钟慢效应已经在人造卫星上被科学家观测到了。由于卫星运动越快,卫星上的时钟走得越慢,科学家需要不断地对卫星上的原子钟进行校准,否则,卫星导航就不能用了。
当速度越接近光速时,钟慢效应就会越明显,如果我们完全达到光速,那么我们周围时间的流逝速度相对于地球时间来说就变成了0。假设有甲乙两个双胞胎兄弟,现在让甲待在地球上,乙乘坐宇宙飞船以接近光速的速度在太空旅行,然后返回地球,当他回到地球的时候就会发现,自己比甲年轻。
因为光速旅行的时间会变慢,如果是以0.9999C旅行的话,那么相对论因子大约为70,也就是说,飞船上的1年等于地球上的70年。当甲乙两人分开的时候是20岁,那么等乙返回的时候,就会发现自己才21岁,而甲都变成了一个90岁的老头了。
在现实中,我们当然无法感受到钟慢效应的奇妙,但假设光速变慢很多,那么我们就可以通过星际旅行来逃过地球时间的“筛汰”。
怪异扭曲的空间
另外,当光速变慢很多时,我们还能感受到狭义相对论中的尺缩效应。即,我们静止时测量接近光速运动的物体,或者我们以接近光速运动时测量静止的物体,会发现物体的长度变短。
但尺缩效应比较复杂,因为如果光速变慢,我们的眼睛收到的信息会有延迟,这又可能会让物体在视觉感官上变得更长。
比如,一辆接近光速行驶的汽车,它的尺寸应该是缩短的,速度越快,就越短。然而,当汽车迎面驶来时,汽车前端所反射的光比后端反射的光运动的距离要短,因此整辆汽车反射到人眼中的光,汽车前端的光比汽车后端发出的时间要晚,这会让汽车的前端看起来更靠近我们,导致整辆汽车看上去更长了。同理,当汽车背离我们行驶时,汽车后端看起来会更靠近我们,也会使整辆汽车看上去更长了。
所以,假设光速变慢很多,那么我们或者物体的运动速度接近光速时,由于视觉的延迟加上尺缩效应,会使物体看起来可能变长、可能变短或者可能变弯——这将建立起一个怪异扭曲的地球空间,不知那时世界各地,又会诞生怎样的奇异景观。
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