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一光年就是光飛行一年的距離,但光飛行一光年的距離并不需要一年
2022/11/18

光年,并不是時間,而是距離,指的是光飛行一年的距離,大約9.46萬億公里。一光年的距離對于生活在地球上的人類來講遙不可及,但由于宇宙實在太浩瀚了,用公里這種單位描述宇宙實在不方便,所以只能用更大的單位光年,實際上即使是光年,在浩瀚宇宙面前也顯得很渺小。

光年的概念,其實一點也不難,很好理解。不過我還是需要較真一下,因為只有較真了,才能明白光的背后藏著很多奧秘:一光年指的是光飛行一年的距離,但一光年的距離真的需要光飛行一年時間嗎?

這種問題看起來有點繞嘴,也有點抬杠的味道,但其實并不是這樣的。光年確實是光飛行一年的距離,這沒有錯,但一光年的距離真的不需要光飛行一年。

該如何理解?

首先,我們需要明白一點:光飛行一年的距離是一光年,這里的「一年」時間對于我們人類來講,而不是「光的一年」!明白這點很重要。

愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,物體隨著速度的增加,時間流逝的速度會變慢,這被稱為「時間膨脹效應」。任何具有靜質量的物體都無法達到光速,只有無限接近。如果物體的速度達到光速了,意味著物體其實已經變成光子了,不再是「物體本身」了。

擁有靜質量的物體為何不能達到光速,看看狹義相對論中的質增公式就知道了:

公式中的m是質量,m0是靜質量,V運動速度,c為光速。從公式可以看出,當V無限接近光速時,物體質量會接近無限接近無窮大,這意味著需要無窮多的能量才能推動維持物體的速度,顯然這是不可能發生的,尤其是對于有限的宇宙來講更加不可能。

狹義相對論是基于兩個假設得出的公式,其中一個重要假設就是光速不變原理,光速在任何參照系下都是光速。我們都知道,當我們說到「速度」時,必須有一個參照系,否則速度就沒有了意義。但是,光速就是如此特殊,它不需要參照系(或者在任何參照系下都是光速),光速其實是時空的內在固有秉性,嚴格來講光速并不是指光的速度,而是麥克斯韋方程組導出來的一個常數,是四維時空的固有屬性,只與真空的磁導率和介電常數有關。

一不小心說得太多了,回到正題。

明白了光速的這種特性,我們就知道對于光來講為什麼沒有時間的概念了。說白了,無論光飛行多遠的距離,對于光自身來講都是瞬間到達的,即便是穿越直徑為930億光年的可觀測宇宙,也是一瞬間就可以完成。

但在我們人類眼里,并不是這樣的,一光年的距離光仍舊需要飛行一年。這既是狹義相對論中參照系選擇不同而造成的不同結果。

這樣說不太好理解,下面就用亞光速來舉例子,就很好理解了!

如果你乘坐一艘亞光速飛船離開地球,你經歷的一年與地球上的我的一年并不是一個概念,本證時間(各自的時間)是一樣的,也就是說你體驗到的一年與我體驗到的一年長度是一樣的,這并不矛盾,因為參照系的選擇不同造成的結果,也體現了時間的相對性和同時的相對性。

也就是說,對于兩個不同的參照系來說,對同一個事件的時間觀察結果是不一樣的。

舉個例子。比鄰星距離地球大約4.3光年,如果你乘坐亞光速飛船(假設非常接近光速)飛往比鄰星,地球上的我來看,你需要大約4.3光年多一點的時間到達比鄰星,但對于飛船上的你來講,遠遠不用4.3光年。

當你亞光速飛行時,時空變化就非常明顯,尺縮效應也體現得非常明顯,地球與比鄰星(阿爾法星)之間的距離就不再是4.3光年,會比4.3光年短,距離短多少取決于你到底有多接近光速。 理論上分析,比鄰星完全有可能就在你眼前,你瞬間就可以到達比鄰星,當然前提是你必須無限接近光速飛行。

當然,也可以用速度越快所用時間就越短來詮釋,時間膨脹效應與尺縮效應是對等的,因為時間和空間本來就是有機的整體,不可分割。

這里牽扯到一個問題,類似于「雙生子佯謬」。

地球上的我眼里來看,你飛到比鄰星需要4.3年,而你感覺自己遠遠不用4.3光年,我會看到你的時鐘變慢了,并且你的一切動作都變慢了,就像電影里的慢動作播放一樣。

當然,由于速度是相對的,你看到我的效果也是一樣,你會看到我的時鐘也變慢了,我的一切動作也都變慢了。

那麼,到底誰的時間變慢了?兩者看起來有些矛盾。

其實一點也不矛盾。因為你和我處于兩個不同的參照系,我們兩人觀察到的結果都只能代表各自的參照系,無論什麼結果都不會發生矛盾,我們兩人觀察到的結果都是對的。

那麼,為何說亞光速飛行的你會變得更年輕呢?

所謂的「年輕」也是相對的,也就是說,你和我必須重新回到同一個參照系,才有資格比較誰更年輕。如果我們兩人一直處于兩個不同的參照系(永遠不返回地球),討論「誰更年輕」就沒有意義了。所以,你必須重新回到地球,然后再去比較到底誰更年輕。

如果你想返回地球,一定會經歷減速和假設的過程,這個過程其實才是真正的改變了時間,減速和加速過程讓你的時間變慢了。我地球上的我并沒有經歷減速和加速過程。

有一個公式可以計算出你的時間相對我的時間到底變慢了多少,這個公式就是:

最后強調一點,在任何參照系里,自我感覺到的時間(本證時間)都是一樣的,沒有任何區別。

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