为什么爱因斯坦认为光速最快(爱因斯坦凭什么说光速是宇宙之中最快的)
为什么爱因斯坦认为光速最快(爱因斯坦凭什么说光速是宇宙之中最快的)
2024-11-22 09:39:53  作者:帮助客户  网址:https://m.xinb2b.cn/tech/zlu454417.html

在之前的文章《找不到超光速粒子是因为看不见?这想法是错误的!》中,我提到了美籍科学家爱因斯坦确定光速是宇宙之中速度上限。我当时在文章之中这样归纳说:

任何物体穿越时间和空间的合速度,总是无一例外的、精确无比的等于光的速度。

如果我们穿越一个绝对时空,要么耗费更多的速度穿越空间,要么耗费更多的速度穿越时间,但是穿越时空的合速度保持不变,依然是光速。

对于一个被激发的光子本身来说,它的全部速度就是穿越了空间,而穿越时间的速度为0。光子太快了,穿越空间的速度达到最上限,则相应的,穿越时间的速度就没有了。在这里,空间的位移占去了这个光子在绝对时空中的全部速度。

即:

时间位移 空间位移=光速

时间位移大,则空间位移小,二者相加,等于光速

时间位移小,则空间位移大,二者相加,等于光速

如果空间位移一下子全部填满,则就没有时间位移的丝毫位置,这时候,时间位移为0,即时间处于静止状态。假设给一个光子身上安装计时器,则计时器不会走动的。


爱因斯坦

在上述的文章之中,我提到了一个词汇——绝对时空。搞清楚这个“绝对时空”的概念和内涵,有助于我们理解光速的本质。

世界线和绝对时空

想弄清楚什么是绝对时空,首先,我们要学习一个词汇——世界线。这个“世界线”的概念,是爱因斯坦第一个提出来的。那么,它是什么样的意思呢?爱因斯坦当年提出了相对论,但相对论又包括了狭义相对论和广义相对论。爱因斯坦是首先提出了狭义相对论。在他的狭义相对论里面,有一个核心思想,就是时空是绝对的。但是,相当于不同的观察者,可以观测到的物质的运动速度,是相对的。

这是什么意思呢?比如,观察者A和观察者B,他们由于参照系统的不同,他们得出的结论是不同的。但是时空是绝对的,虽然得出的结论不同,但其实他们经历的时空是绝对的、一致的。

我举一个例子,从地球飞往比邻星,以现在的航天器的速度,正常需要8万年。但是如果我们乘坐一艘接近光速的相对论飞船,在这艘飞船的乘客来说,他们感觉到自己仅仅用十几天就完成全部旅程。一个是观测到8万年,一个是观测到十几天,观察者不同,但是实际上,两拨人都经历了一个绝对的时空距离。

对于不同的观测者,时空是绝对的,可以体验到物质的运动速度是相对的,所以一拨感觉速度慢,一拨感觉速度快。同样的,不但他们体验到的物质的运动速度是相对的,他们分别消费的时间也是相对的。而我们所处的宇宙空间是一个三维的时空结构,如果再加入时间,就形成了一个四维的时空结构。任何一个物体一旦经过这个四维的时空结构,就发生了一种结合,即空间路径与时间消耗的结果。爱因斯坦将之称之为“世界线”。他认为,穿越“世界线”,其实就是穿越了绝对时空。


四维时空

我举一个例子,一个光子从地球出发,它飞向距离太阳最近的恒星——比邻星,这个光子的运行速度为光速,所以它从地球到比邻星所要经历的路程距离为4.22光年,即光在4.22年中走过的路径长度。我们再假设我们乘坐旅行者二号前往比邻星,而旅行者二号的飞行速度是光速的八千分之一,这样,我们到达比邻星之后,实际上我们经历的旅程是和前面提到的那个光子是一样的,都是4.22光年路径,但是,我们在路途上消费的时间是光子的八千倍。这样,爱因斯坦就认为,一个光子,或者是一艘光速八千分之一的飞船,它们经历的“世界线”是一模一样的。


孤独的旅行者二号

我可以打个比方。现在有一只逗留在塔尖的鸽子,我们现在去观察这只鸽子,以我和鸽子站在的那个塔尖为参照物,这只鸽子是静止不动的。在我们来看,这只鸽子并没有穿越空间,而仅仅是穿越了时间。要注意:即使鸽子是“一动不动的,它依然在“运动”,也在“穿越”,但这不是在空间之中的“运动”或者“穿越”,而是在“时间”之中的“运动”和“穿越”。我们可以这样说:这只鸽子在穿越时间,它在时间里面运动。但是,这只鸽子并没有在空间里面“运动”“穿越”。


鸽子此刻在“穿越时间”

总之,不是穿越空间,就是穿越时间,或者二者同时穿越。不存在对空间和时间都不穿越的情况。一切都是“运动”的。而在上面的这个例子里面,我们知道这只鸽子的“全部运动”情况,就是它仅仅穿越了时间

这时候,我们继续观察这只停留在塔尖的鸽子,随着我们的等候,这只鸽子可能是肚子饿了,于是它终于决定振翅起飞,前往某处觅食。于是,在我们的视线之中,这只鸽子开始远离塔尖。请注意,在之前,这只鸽子也是“运动”的,但是它仅仅穿越了时间,而现在情况有了很大的变化。现在,这只鸽子一旦发生了与塔尖的位移,对于它来说,就立即发生了两种“运动”。一种,是这只鸽子在穿越空间,一种,是这只鸽子在穿越时间。


鸽子在同时穿越空间和时间

我们标记一下:这只鸽子在同时穿越时间和穿越空间。

即:穿越空间 穿越时间=一只鸽子在位移时的实际经历

重点来了!我们要注意到一个事实,这只鸽子是同时穿越空间和时间的,在此刻,这只鸽子用一部分时间换取了穿越的空间。同时,这只鸽子穿越时间的运动速度减慢了,这只鸽子如果有感觉,就会感觉到它飞行的时候经历的时间流逝会变慢。

为什么说这只鸽子穿越时间的运动速度减慢了?因为之前鸽子在没有穿越空间的时候,它仅仅在穿越时间,可以说,它的运动“填满”了时间(什么都不做,等于一瞬间即到达,自然最快),而随着变化,这只鸽子自然穿越时间的运动速度会降低。

互补性原则:互为补充,总量不变

这里,涉及到一个物理学上的“互补”概念。在爱因斯坦看来,时空是一体两面,穿越空间是一种运动,穿越时间也是一种运动,这两种运动是互补的,一种运动的量值的增加,则意味着另外一种运动的量值的减少,但总量不变。如果仅仅穿越时间,相当于这种运动“填满”了时间,则对空间就没有立锥之地,空间为0。现实的例子就是这只鸽子站在塔尖纹丝不动,则说明它穿越时间为全部,穿越空间为0。

反过来说,如果仅仅穿越了空间,则“挤占”了留给时间的所有的量,则时间为0。现实例子就是光子穿越了全部空间,穿越时间为0。

由于互补性的原则:一个量多出来,则另外一个量就要减少。

这样:穿越空间的量多,则穿越时间的量少;穿越空间的量少,则穿越时间的量多。

依据以上的互补性原则,爱因斯坦提出了一个推导,也是被证实的理论原则,即:

任何物质,它们穿越空间和穿越时间的合速度,都是等同于一个恒定的数值。

爱因斯坦指出,这个恒定的数值就是——光速。

即:任何物质,它们穿越空间和穿越时间的合速度,都是等同于光速。


光速是上限,是时空合速度

爱因斯坦还指出,任何物质在运动或者传递信息的时候,都不能超越光速。光速就是宇宙之中一切物质运动的速度上限。这个观点,已经得到了全世界科学界的集体认同。

在过去,有很多自媒体的新闻报道,说观测到中微子的运行速度超越了光速,后来发现这只是一场乌龙,是观测出了问题。还有说所谓的量子纠缠现象可以“超越光速n倍”,但是对于量子纠缠我们是无法控制它的,因为一旦人为的试图去干扰、控制它,纠缠态就会立即消失、中断。既然无法控制它,所以我们无法利用量子纠缠给我们传递任何信息,而不能传递信息的“超光速”是伪超光速,是没有任何意义的。所以说,量子纠缠并没有违反相对论的原则。


量子纠缠无法控制

此外,还有宇宙空间的加速膨胀,是可以轻松“超光速”的。但是,空间本身并不是通常意义的物质,在空间的结构之中,并不包含费米子。而费米子是传递力的粒子,缺少了费米子,则意味着无法传递任何信息。空间结构之中由于缺乏费米子这类的信介粒子,所以空间根本无法传递信息。不能传递信息的“超光速”,是不违反相对论原理的,没有任何物理学意义上的价值。

好,我们再复习一下之前的知识。请牢记:

任何物质穿越空间和穿越时间的合速度,都是精确的等同于光速。即任何物质穿越“世界线”的速度与光速是等同的。任何一个物体,不管是什么存在,鸽子、老鹰、人类、宇宙飞船、恒星、质子......它们在绝对时空中,要么提供更多的速度穿越空间,要么提供更多的速度穿越时间——它们同时穿越空间和时间——但是它们穿越时空的合速度是不变的,而这个不变的合速度的数值,就是光速。对于光子来说,由于它可以一瞬间到达,所以光子的全部速度就用于穿越空间,依据互补性原则,如果一下子“填满”了空间,则时间就被挤占到没有丝毫立锥之地,则时间为0。不是吗?空间位移是占到全部,则时间位移则为0。这意味着,对于这个光子来说,它自身如果可以感觉时间的流速,则它是感觉不到任何时间过程的,因为到哪里都是瞬间抵达。这个光子把它穿越“世界线”的全部速度,都运用在了空间位移之上,所以时间位移就不占丝毫。

以上,就是爱因斯坦的狭义相对论对光速的论断。

作者:怀疑探索者

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