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極度燒腦系列:光速限制的世界中,什麼才是真正的現實?
2023/05/09

我們都知道光速是有限的,也就是說,光需要一定的時間才能從一個地方傳播到另一個地方。這意味著我們看到的任何事物都不是它們現在的樣子,而是它們過去的樣子。

例如,當我們看著太陽時,我們實際上看到的是太陽8分鐘前發出的光芒,因為光需要8分鐘才能從太陽到達地球。同樣,當我們看著星空時,我們看到的星星可能已經不存在了,因為它們發出的光可能需要數百萬年甚至數十億年才能抵達我們的眼睛。

這種時間延遲不僅適用于遙遠的天體,也適用于我們身邊的物體。當你看著你面前的椅子時,你其實看到的是椅子6納秒前發出或反射的光線。納秒是十億分之一秒,這個時間非常短暫,以至于人類無法感知。但是,在物理學中,沒有什麼比納秒更短暫或更長久了。

那麼,在這個由光速限制的世界中,什麼才是現實呢?現實是否存在于某個確定的時刻呢?還是說現實只存在于觀察者與被觀察者之間?

為了回答這些問題,我們需要引入一個重要而又神奇的概念:同時性。

同時性指的是兩件或多件事情在同一時刻發生或存在。例如,在日常生活中,我們認為今天早上8點鐘,在北京、倫敦和紐約都同時發生了某些事件。但是,在相對論中,并沒有一個絕對或普遍有效的同時性標準。不同觀察者可能會對同一組事件有不同的同時性判斷。

為什麼會這樣呢?原因就在于光速。

假設有兩個火車站A和B相距300公里,并且有一個火車沿著鐵軌從A開往B。在火車上有一個乘客C,在A站有一個觀察者D,在B站有一個觀察者E。

如果火車恰好在A站和B站之間正中間位置(距離各自150公里)放鞭炮,并且C、D和E都能聽到鞭炮聲音并看到鞭炮閃光(假設聲音和光速相同),那麼他們三人會怎麼想呢?

對于C來說,他會認為鞭炮聲音和閃光同時發生,并且與他自己同時存在。 對于D來說,他會認為鞭炮聲音和閃光先抵達了C再抵達了他自己,并且與他自己稍微滯后了1微秒(百萬分之一秒)。 對于E來說,他會認為鞭炮聲音和閃光先抵達了C再抵達了他自己,并且與他自己稍微滯后了1微秒。

由此可見,C、D和E對于鞭炮事件的同時性有不同的看法。對于C來說,鞭炮事件是現在發生的;對于D來說,鞭炮事件是剛剛發生的;對于E來說,鞭炮事件是即將發生的。這就是相對論中的時間延遲效應。

那麼,在這種情況下,什麼才是現實呢?我們是否可以說C、D和E都有各自的現實呢?或者說,我們是否可以找到一個更高層次的現實呢?

為了回答這些問題,我們需要引入另一個重要而又神奇的概念:時空。

時空指的是將時間和空間合并為一個四維結構的概念。在時空中,每個事件都有一個確定的位置和時間坐標,稱為時空點。不同觀察者可以用不同的方式來劃分時空,并且用不同的方式來測量時空點之間的距離。

在相對論中,有兩種主要的時空:牛頓時空和愛因斯坦時空。

牛頓時空:事件A, B, C發生的順序會依據觀察者的速度而改變,圖中白色的線代表同一時刻

牛頓時空是經典物理學中使用的時空模型。 在牛頓時空中,時間和空間是相互獨立且絕對不變的。所有觀察者都使用相同的時間尺度和相同的空間尺度來測量事件。在牛頓時空中,同時性是普遍有效的,也就是說,所有觀察者都會同意哪些事件是同時發生的。

愛因斯坦時空

愛因斯坦時空是相對論中使用的時空模型。在愛因斯坦時空中,時間和空間是相互依賴且相對變化的。不同觀察者可以使用不同的時間尺度和不同的空間尺度來測量事件。在愛因斯坦時空中,同時性是相對有效的,也就是說,不同觀察者可能會不同意哪些事件是同時發生的。

那麼,在這兩種時空中,什麼才是現實呢?我們是否可以說牛頓時空中有一個絕對的現實呢?或者說,我們是否可以說愛因斯坦時空中有一個相對的現實呢?

為了回答這些問題,我們需要引入最后一個重要而又神奇的概念:光錐。

光錐指的是以某個時空點為頂點,并以光速為邊界的四維錐體。光錐可以分為三個部分:未來光錐、過去光錐和光錐外。

未來光錐指的是從某個時空點出發,并以光速向外擴散所形成的錐體。未來光錐包含了所有可能影響某個時空點的事件,也就是說,所有能夠在有限時間內傳遞信息或物質到達某個時空點的事件。

過去光錐指的是從某個時空點出發,并以光速向內收縮所形成的錐體。過去光錐包含了所有被某個時空點影響的事件,也就是說,所有能夠在有限時間內傳遞信息或物質離開某個時空點的事件。

光錐外指的是既不屬于未來光錐也不屬于過去光錐的部分。光錐外包含了所有與某個時空點無關的事件,也就是說,所有不能夠在有限時間內傳遞信息或物質到達或離開某個時空點的事件。

那麼,在這三個部分中,什麼才是現實呢?我們是否可以說未來光錐中有一個確定的現實呢?或者說,我們是否可以說過去光錐中有一個已知的現實呢?又或者說,我們是否可以說光錐外中有一個無法知曉的現實呢?

為了回答這些問題,我們需要回到我們最初提出的問題:光速是如何塑造現實的?

我們可以這樣回答:光速限制了我們能夠感知和影響的現實范圍。我們只能感知過去光錐中的事件,也只能影響未來光錐中的事件。我們無法感知或影響光錐外的事件,因為它們與我們沒有任何因果聯系。

這就意味著,對于任何一個時空點來說,它所處的現實是由它自己的過去光錐和未來光錐所決定的。不同時空點可能有不同的過去光錐和未來光錐,因此也可能有不同的現實。

換句話說,在愛因斯坦時空中,現實是相對而非絕對的。每個觀察者都有自己的現實,并且沒有一個觀察者可以聲稱自己擁有唯一正確或完整的現實。

這就是相對論給我們帶來的啟示:在一個由光速限制的世界中,沒有一個單一或統一的現實,而是有無數個不同的現實,每個現實都是由觀察者自己的時空位置和運動狀態所決定的。

這就是光速如何塑造現實的奧秘。

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