用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言幫你理解時(shí)空旅行和光速不變

仇寶廷圖書館 2022-10-13 發(fā)布于山東

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很多人都對(duì)愛因斯坦的時(shí)空旅行感興趣，全球科學(xué)家都證實(shí)時(shí)空旅行確實(shí)理論可行。

但為什么時(shí)空旅行可行，幾乎所有的文章都非常生澀難懂，全篇都是密密麻麻的證明公式，不利于普通人的理解。

于是我今天就用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，把最核心的幾個(gè)東西抽出來，公式省略，寫一篇讓人一看就懂的東西來解釋時(shí)空旅行的原理，做我最擅長(zhǎng)的科普工作。

要理解為什么時(shí)空旅行可行，首先要理解光速不變?cè)?，因?yàn)楣馑俨蛔兯圆糯嬖诹藭r(shí)空旅行的可能。

從字面意思來說，光速不變指的是物體的速度永遠(yuǎn)不可能超越光速，但實(shí)際并不是的，物體的速度是可以超越光速的，但這要看你采用了哪個(gè)參考系。

光速有一個(gè)非常重要的特性，嚴(yán)重顛覆普通人的認(rèn)知，只要你理解這一點(diǎn)就會(huì)消除大部分對(duì)于時(shí)空旅行的誤解。

假設(shè)你在宇宙飛船上，向前發(fā)射了一束光，光以光速，也就是30萬(wàn)公里每秒的速度前進(jìn)，然后你立即啟動(dòng)飛船，以10萬(wàn)公里每秒的速度向前追趕這束光。

請(qǐng)問此時(shí)這束光遠(yuǎn)離你的速度是多少？

按正常人的理解，光向前30萬(wàn)公里每秒，你向前10萬(wàn)公里每秒，所以此時(shí)光遠(yuǎn)離你的速度應(yīng)該是20萬(wàn)公里每秒。

錯(cuò)，此時(shí)這束光遠(yuǎn)離你的速度依然是30萬(wàn)公里每秒。

不管你追趕這束光的速度多塊，哪怕你從10萬(wàn)公里每秒加速到20萬(wàn)公里，30萬(wàn)公里乃至于100萬(wàn)公里每秒，光永遠(yuǎn)比你快30萬(wàn)公里每秒。

在你自己看來，你的速度也許達(dá)到了100萬(wàn)公里每秒，超光速了，但在旁觀者眼里，你還是比光速慢，因?yàn)楣庥肋h(yuǎn)在你前面，且以一個(gè)恒定的速度遠(yuǎn)離你。

所以在你自己的參考系里，是可以超光速的，但在其他人的參考系里，你沒有超光速，也沒有任何人可以超光速。

很奇怪吧，但還有更奇怪的。

如果你在向前發(fā)射這束光后，立即以10萬(wàn)公里每秒后退，遠(yuǎn)離這束光。

理論上說，此時(shí)這束光遠(yuǎn)離你的速度，應(yīng)該是40萬(wàn)公里每秒。

但實(shí)際上并不是，此時(shí)這束光遠(yuǎn)離你的速度還是30萬(wàn)公里每秒。

哪怕你向后不斷加速，加速到30萬(wàn)公里每秒乃至于更高的100萬(wàn)公里每秒，光遠(yuǎn)離你的速度還是30萬(wàn)公里每秒，不會(huì)快一絲一毫。

出現(xiàn)這種奇怪的現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)你擁有速度后，你的時(shí)間和空間的關(guān)系就發(fā)生了扭曲，速度越快則扭曲的程度越嚴(yán)重。

你瘋狂增加你的速度，但光遠(yuǎn)離你或接近你的速度卻是固定的，那你多出來的速度哪去了？

轉(zhuǎn)化成了時(shí)間。

你瘋狂加速，達(dá)到了超光速，速度10倍于光速，10光年的距離你一年就到了，但實(shí)際上你的速度永遠(yuǎn)低于光速，其他人看你還是按低于光速的速度慢慢飛過來的，但其他人過了10年，你這里才過了1年，所以你感覺自己一年就到了，肉體也只衰老了一歲，看起來好像是超光速了。

這就是時(shí)空旅行的理論基礎(chǔ)。

有人說，這都是扯淡，都是歪理邪說，利用大量讓人看不懂的公式反復(fù)推導(dǎo)出來的謬論，沒有任何證據(jù)。

如果沒有證據(jù)，那時(shí)空旅行就是個(gè)假說，不會(huì)被當(dāng)成理論，也不會(huì)那么火。

證據(jù)當(dāng)然是有的，而且很常見。

1971年，為證實(shí)愛因斯坦這一顛覆常識(shí)，怎么看都很扯淡，但偏偏從理論和公式層面怎么都找不出漏洞的光速不變?cè)?，科學(xué)家設(shè)計(jì)出了鐘慢實(shí)驗(yàn)。

人類確實(shí)不能達(dá)到很高的速度，但按愛因斯坦的理論，哪怕速度僅有1米每秒，也會(huì)發(fā)生時(shí)空扭曲，只不過扭曲的程度很微弱而已。

既然如此，那就代表時(shí)空扭曲是可以測(cè)量的。

銫原子鐘，人類最精確的計(jì)時(shí)工具，每經(jīng)過一千萬(wàn)年，誤差最多不超過1秒。

科學(xué)家把四臺(tái)銫原子鐘分別放在兩架飛機(jī)上，然后在地面上放一臺(tái)銫原子鐘作為參考種，在地面上把五臺(tái)銫原子鐘進(jìn)行了校準(zhǔn)。

然后一架飛機(jī)向東飛，一架飛機(jī)向西飛，搭配地球自轉(zhuǎn)獲得一個(gè)很高的速度差值。

繞地球飛一圈，回到原機(jī)場(chǎng)，讓我看看時(shí)間到底有沒有變慢或者是變快，反正無論多小的誤差我都是可以測(cè)出來的。

結(jié)果向東的飛機(jī)，落地后比地面的銫原子鐘慢了59納秒。

向西的飛機(jī)，落地后比地面的銫原子鐘快了273納秒。

和根據(jù)愛因斯坦時(shí)空理論計(jì)算出來的數(shù)值幾乎完全一樣！

這就是鼎鼎大名的鐘慢現(xiàn)象，也是時(shí)空旅行可行的最核心證據(jù)，現(xiàn)在鋪天蓋地的時(shí)空旅行電影都是從這個(gè)實(shí)驗(yàn)被證實(shí)，全球科學(xué)家廣泛接受之后才開始拍攝的。

有人說，這個(gè)什么銫原子鐘，有問題吧，反正我覺得是鐘有問題，或者是測(cè)量有問題，絕對(duì)不是時(shí)間變慢了，這還是在扯淡。

而且就算是真的，又有什么用，卵用沒有啊。

別急，還有證據(jù)。

發(fā)現(xiàn)了鐘慢效應(yīng)后，科學(xué)家利用不同速度下時(shí)間會(huì)發(fā)生改變這一特性，終于解決了太空衛(wèi)星對(duì)地面精準(zhǔn)定位的辦法。

我們都知道要精準(zhǔn)定位一個(gè)點(diǎn)，需要精確描述這個(gè)點(diǎn)和衛(wèi)星之間的距離，而不管用什么手段測(cè)量距離，都必須要使用時(shí)間這個(gè)參數(shù)。

在以前，不管用什么辦法測(cè)量距離，都會(huì)產(chǎn)生極其恐怖的誤差，科學(xué)家百思不得其解。

這個(gè)誤差有多離譜？

同樣的辦法計(jì)算出的坐標(biāo)，每天都偏差11公里之多。

今天算出來的坐標(biāo)點(diǎn)精準(zhǔn)定位在天安門。10天后再測(cè)，能偏110公里之多，定位點(diǎn)都跑到河北了。

最核心的原因，就是導(dǎo)航衛(wèi)星上的時(shí)間流逝速度和地面上不一樣，如果采用同樣的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，就會(huì)得出非常離譜的距離差距。

這個(gè)時(shí)間流速的計(jì)算很復(fù)雜。

假定GPS衛(wèi)星以每小時(shí)1.4萬(wàn)公里的速度繞地球飛行，那么根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度越快則時(shí)間越慢的狹義相對(duì)論，每天衛(wèi)星上的時(shí)間都會(huì)悄悄比地面慢7微秒。

同時(shí)根據(jù)廣義相對(duì)論，任何質(zhì)量都會(huì)扭曲身邊的時(shí)空，質(zhì)量越大則扭曲程度越厲害，而衛(wèi)星的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飛機(jī)，距離地面大概2萬(wàn)公里，遠(yuǎn)離地球，所處時(shí)空受到地球質(zhì)量的扭曲效應(yīng)會(huì)小得多，所以地球表面的鐘每天會(huì)反過來比衛(wèi)星上的鐘慢45微秒。

兩者疊加計(jì)算，導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘每天會(huì)比地面快38微秒，然后折算進(jìn)每分每秒進(jìn)行校準(zhǔn)。

這就是時(shí)空效應(yīng)在衛(wèi)星導(dǎo)航上的應(yīng)用。

時(shí)空時(shí)空，時(shí)間和空間，當(dāng)時(shí)空的扭曲程度不一致時(shí)，如果你非要保持時(shí)間不變，那空間就會(huì)出現(xiàn)巨大的誤差。

如果你要保持空間不變，就必須要修正時(shí)間。

根據(jù)衛(wèi)星的高度和速度，不斷算出衛(wèi)星目前被扭曲的時(shí)間流速，然后每時(shí)每刻不斷修正導(dǎo)航衛(wèi)星的銫原子鐘參數(shù)。

GPS對(duì)地面的定位精度是10米還是1米還是更低，完全取決于工程人員對(duì)銫原子鐘時(shí)間參數(shù)的修正程度。

衛(wèi)星被扭曲的時(shí)間流速算的越精準(zhǔn)，GPS對(duì)地面的定位精度就會(huì)越高。

你手機(jī)上使用的衛(wèi)星導(dǎo)航，以及國(guó)家的軍事導(dǎo)航衛(wèi)星，必須每時(shí)每刻都在修正自己的時(shí)間。

不懂愛因斯坦的時(shí)空旅行理論，或者不認(rèn)可，那你的國(guó)家就永遠(yuǎn)不可能設(shè)計(jì)的出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

每天偏差11公里的定位精度，和每時(shí)每刻都保持在10米乃至于1米的定位精度，這簡(jiǎn)直是天差地別。

衛(wèi)星的速度相對(duì)于汽車和飛機(jī)來說很快，但相對(duì)于光速而言那簡(jiǎn)直是九牛一毛。

如果人類不斷提升物體的速度，那時(shí)空扭曲程度就會(huì)飛速提升。

你的速度越快，“鐘”就越慢。

而且時(shí)空旅行并不取決于運(yùn)動(dòng)的方向，只取決于物體的速度。

因?yàn)闊o論你向哪個(gè)方向飛，光從任意方向遠(yuǎn)離你的速度或者接近你的速度永遠(yuǎn)是光速，這一奇怪的特性導(dǎo)致你向任意方向超高速飛行，時(shí)間都會(huì)發(fā)生巨大扭曲。

超高速度的你，明明感覺自己只過了一年，但留在地面上的親戚卻認(rèn)為你已經(jīng)飛行了十年。

如果你瞬間掉頭，重新向地球飛，依然是超時(shí)空旅行狀態(tài)，時(shí)間不會(huì)因?yàn)槟氵\(yùn)動(dòng)方向截然相反而倒流，你的時(shí)間流速依然你地面親戚塊。

如果你從超高速狀態(tài)不斷減速，那時(shí)間也并不會(huì)倒流，不斷減速只會(huì)導(dǎo)致你的時(shí)間變慢現(xiàn)象不斷的減弱，你的時(shí)間流速開始不斷和地面上的親戚靠攏。

當(dāng)你減速到和地面親戚等同的速度時(shí)，你們之間的時(shí)間流速會(huì)重新變得相等，但并不代表里面的9年時(shí)間差會(huì)回來，這9年時(shí)間就永遠(yuǎn)失去了，莫名其妙的沒了，再也不可能回得來。

超時(shí)空旅行前，你20歲，你親戚也是20歲，然后你用一年時(shí)間跑了10光年。

回地球后，你21歲，但你的親戚已經(jīng)30歲了。

在你看來，你在飛船上只渡過了一年，每天打牌，時(shí)間計(jì)算的清清楚楚，除以運(yùn)動(dòng)的距離10光年，得出自己是在超光速運(yùn)動(dòng)，速度已經(jīng)達(dá)到了10倍光速。

但在地面親戚看來，你始終沒有達(dá)到光速，永遠(yuǎn)比光速低一點(diǎn)，實(shí)際上你是花了10年多一點(diǎn)的時(shí)間才完成了這10光年旅途，他自己老了10歲就是證據(jù)。

這就是時(shí)空旅行，讓不同人的時(shí)間發(fā)生錯(cuò)位。

為了解釋為什么你不斷消耗能量去加速卻永遠(yuǎn)達(dá)不到光速，只會(huì)讓時(shí)間變得越來越慢，間接超光速，人類用質(zhì)增效應(yīng)去解釋。

簡(jiǎn)單的說，但你不斷加速的時(shí)候，只有你自己感覺自己是超光速了，外界看來你只會(huì)越來越接近光速，而隨之帶來的是你的質(zhì)量飛速增加，加速的能量都被轉(zhuǎn)化成了質(zhì)量。

而你所在飛船上的時(shí)間變慢，則是因?yàn)樽陨碣|(zhì)量飛速增加對(duì)周圍時(shí)空的扭曲。

當(dāng)你不斷減速的時(shí)候，質(zhì)量在飛速減小，對(duì)周圍時(shí)空的扭曲也減少，然后時(shí)間流速開始恢復(fù)正常。

所以物體可以超光速進(jìn)行時(shí)空旅行，又不可以超光速，這并不矛盾，也不是愛因斯坦的相對(duì)論在狡辯。

但時(shí)空旅行并不代表能回到過去，理解了原理之后你就會(huì)知道這是完全不可能的事情，那完全都是電影為了凸出藝術(shù)效果而瞎掰的。

無論多快的速度，都只會(huì)讓時(shí)間變慢，越來越慢，但再慢也不會(huì)是負(fù)數(shù)，永遠(yuǎn)是個(gè)正值。

慢到極致，你在飛船里過1年，外界可能已經(jīng)過了幾千年，但你在超光速飛船里也永遠(yuǎn)只能活100年，以你自身為中心的時(shí)間參考系是永遠(yuǎn)不會(huì)變的。

所以才叫鐘慢效應(yīng)，鐘變慢了，外界看似你活了幾萬(wàn)年，其實(shí)你還是只活了100年。

鐘慢效應(yīng)并不能改變宇宙飛船經(jīng)歷的真實(shí)時(shí)間，但可以壓縮時(shí)間。

空間不能變那就扭曲時(shí)間，比如超時(shí)空旅行。

時(shí)間不能變那就扭曲空間，比如人類目前琢磨的所謂蟲洞或空間折疊。

反正時(shí)空是聯(lián)動(dòng)的，想在星空中高速移動(dòng)必須要扭曲至少一個(gè)，所以叫時(shí)空效應(yīng)。

至于為什么無論你向哪個(gè)方向飛，以多快的速度飛，光都會(huì)永恒的以光速C值遠(yuǎn)離你或靠近你，為什么光速會(huì)有如此奇怪的特性？

這個(gè)叫宇宙常數(shù)，沒人知道為什么，科學(xué)家只知道宇宙就是這么運(yùn)轉(zhuǎn)的，目前最頂級(jí)的宇宙常數(shù)就是光速C值，無人可以突破。

但時(shí)間流速可以不同，這個(gè)是切切實(shí)實(shí)存在的，證據(jù)一籮筐，天上的衛(wèi)星和你我手機(jī)里的導(dǎo)航系統(tǒng)就是證據(jù)，這個(gè)時(shí)間流速的差值雖然很微小，但確實(shí)是存在的，且時(shí)時(shí)刻刻都在影響你我的生活。

大量星辰的速度快的難以想象，還有很多星辰的質(zhì)量大的難以想象，這說明宇宙里存在大量時(shí)空嚴(yán)重扭曲的地方，這些地區(qū)的規(guī)則和地球完全不同，甚至連時(shí)間都不同。

而這，僅僅是宇宙神秘面紗的冰山一角，未知的宇宙規(guī)律還不知道有多少。

明白了這些，你才能夠理解宇宙的浩瀚和人類的渺小。

地球只是個(gè)嬰兒搖籃而已，星辰大海才是人類的未來，因?yàn)槟抢锎嬖谥鵁o限可能。

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來自：仇寶廷圖書館 > 《百科》

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