问题

一光年的距离,如何确认光子是真的跑了一年?对光来说,时间不是停止了吗?

回答
这个问题触及到了光速、时间膨胀以及我们如何度量宇宙距离的几个核心概念,而且确实很容易让人产生误解,特别是关于“光速下时间停止”这个说法。我们来把它掰开了揉碎了聊聊。

首先,咱们得明确,“一光年”这个概念本身是怎么来的。它不是“测量”光子跑了多久才诞生的单位,而是用“光行进的速度”乘以一个“时间段”来定义出来的“距离单位”。就好像我们说“一小时的路程”是根据汽车的速度和时间的乘积来定义的,而不是等汽车跑了一小时后,我们再去测量它跑了多远。

所以,“一光年”的定义是:光在真空中,不间断地行进一年的时间所走过的距离。

这里面有两个关键点:

1. 光速是恒定的: 这是物理学中的一个基本原理,爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,光在真空中的速度(大约每秒30万公里)对于所有惯性参照系来说都是相同的,不会因为观察者的速度而改变。这个速度就是宇宙中最快的速度上限。
2. 时间的定义: 我们用来定义“一年”这个时间段,是基于地球围绕太阳公转一周所经历的时间,这是我们人类在地球上约定俗成的时间测量单位。

那么,你提到的“对光来说,时间不是停止了吗?”这一点,确实是相对论里的一个非常深刻的结论,但我们需要准确理解它。

根据狭义相对论的“时间膨胀”效应,一个物体运动的速度越接近光速,它的时间流逝就会相对于静止的观察者来说变得越慢。当一个物体的速度达到光速时,理论上,它的时间流逝会相对于静止观察者来说趋于零,也就是“停止”了。

但是,这并不意味着光子“感觉不到”时间流逝。 这句话听起来有点哲学,我们换个角度说:

从外部观察者的角度(比如我们): 我们看到光从一个地方发出,经过我们设定的一年时间,到达了另一个地方。这“一年”是我们地球参照系中的时间。我们测量的是“光跑了多久才跨越这个距离”。
从光子的角度(如果它有意识的话): 如果我们真的能从光子的角度来看待这个问题,那情况就非常奇特了。由于光速运动,它的“固有时间”(即它自身参照系中的时间)会根据相对论的公式计算,趋近于零。这意味着,从光子的“视角”来看,它发出时和它被某个物体吸收时,这两个事件之间几乎没有时间间隔。它“瞬时”就完成了从A点到B点的旅程。

所以,我们如何“确认”光子跑了一年呢?

这不是去“捕捉”一个正在旅行的光子,然后问它“你跑了多久”,而是基于我们对物理定律的理解和实验验证:

1. 我们设定标准: 我们先定义好一个时间长度(比如一地球年),然后测量光在真空中以恒定光速行进了多久。这个距离就是一光年。
2. 测距是通过光速的往返: 实际上,我们测量遥远天体距离的方法,很多时候是利用光速的往返。比如,我们向一个天体发射激光信号,然后测量信号到达该天体并反射回来所花费的时间。假设信号往返用了10秒,那么这个天体距离我们就是光速乘以5秒(因为光速是单程的)。
3. 天文观测的验证: 我们看到一个遥远的星系发出的光,可能在100万年前就发出了,经过100万年的旅行到达了我们的望远镜。我们看到的是它100万年前的样子,而这个“100万年”就是它发光的那一刻到我们观测的这一刻所经历的时间流逝,当然这是以我们地球参照系来计算的。我们知道这个星系距离我们大约100万光年,是因为我们测量了它发出的光线到达我们所需的时间,或者通过其他更加复杂的测距方法(如视差法、标准烛光法等)来估算距离,然后根据光速来反推需要多少时间。

关键在于,我们确认的是“光从这个点到那个点,以光速走了多远的距离”,而这个距离的单位是基于“光行进一个特定时间”来定义的。 我们并不是真的去“证明”某个特定的光子在它自己的时间里真的“度过了”一年。

就好比你和你的朋友约定,如果我给你寄一封信,你收到后立即回信,我们来计算这“通信往返”需要多久。我们计算的是“你收到信、回信、信再寄到我手里”这个过程所经过的地球时间。而对你来说,你可能在收到信的那一刻就写了回信,对于你“写回信”这个动作本身,时间间隔很短。但对于整个“信息传递”的旅程而言,它经历了你我之间约定的时间。

所以,一光年的概念,是我们基于对光速的精确测量和对时间的理解,来定义的一个衡量宇宙尺度的方式。它衡量的是空间上的距离,而这个距离是用“光行进一个标准时间段”来丈量的,而不是去验证光子自身对时间的感知。

或许可以这么理解:光子本身在它自己的参考系中没有时间概念,它的旅程是瞬时的。但我们作为宏观世界的观察者,用我们的时间单位来衡量光从一个地方到另一个地方所跨越的物理距离,这个距离的单位就叫做“光年”。我们确认的是这个物理过程的“时长”,而不是光子内在的时间流逝。

网友意见

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如果光子带着一个时钟,这个时钟确实是停止的,但奇怪的地方是,这个1年,是地球上的时钟走动的距离,而不是光子本身的时钟。

这里有个很奇怪的地方需要多说明一下。时钟度量的是物体在时空中的运动距离,完全可以类比汽车里程表度量了汽车在地球表面的运动距离。(如果懂相对论的数学表述,时钟跟汽车里程表,基本可以看做一类东西,这里只接受就好了)

有了类比,题主的问题可以重新表述如下:

2辆同时出厂的汽车A跟B,A出厂后一直停在那,里程表没动。B开出去又开回来,里程表变动了1公里。

如果,B车的司机,这时候对你说,我的里程表变动了1公里,那么A车的里程表变动值应该也是1公里,你会不会觉得B的思维短路了?

但很不幸的是,在时间这个问题上,几乎所有人都像B那样思维。

在牛顿时代,物理中的时空确实像B展现的那样,不管2辆汽车在时空中沿着怎样的路径运动,只要起始跟终点都一样,那么汽车的里程表变动值就是一样的,这是一个很奇怪的结论,但牛顿力学就是建立在这么一个奇怪结论之上的。

相对论时代,事情才变得正常了。2辆汽车在时空中沿着不同的路径运动,不同的时空路径,里程表的变动值是不一样的。


上边的类比,不是想说明什么物理理论,而是希望在脑中形成这么一个概念:时间的变化值,取决于时钟在时空中的具体运动路径,运动路径不同,时钟的变化值也不同,完全类似汽车的里程表跟汽车运动的关系。

有了这种概念,现在就好说了。

假设光子开跑的时空点是A,跑了一段时间,遇到镜面返回来,碰触镜面的时空点是B,返回地球的时空点是C。

地球上的时钟,走过的是AC这条直线路径,度量的时空长度是2年。

光子的时钟,走过的是AB+BC这条折线路径,度量的时空长度是0年。(时空中长度定义是用平方差来定义的,里程表的长度是平方和,这是时钟跟里程表的唯一区别)


现在,就可以引出下边的概念了:“物理时间”跟“坐标时间”。

物理时间:物理时钟测量的时间变化,很明显,这个时间只能测量时钟所在的时空曲线的时间,时钟之外的别人的时空,是无法测量的。就像汽车的里程表,只能测量自己汽车的运动距离。在这个概念下,2年跟0年是没有任何关系的。

坐标时间:以地球做参照系,AB跟BC是对称的,这样就可以给B一个坐标数值,(1,1),这个1,就是坐标时间(假设光速为1)。这就像某个汽车把自己走过的直线作为坐标轴横轴,垂直方向作为坐标轴纵轴,然后度量别的汽车的坐标。

题目中的1年,就是这样一个坐标时间。

物理时间,跟参照系无关,因为这是物理时钟的变化数值。类比汽车里程表的变化。

坐标时间跟参照系有关。类比汽车坐标系下的坐标。

相对论中,不同的参照系,坐标时间怎么变化也容易说明。假设光速为1,那么洛伦兹变换会非常简单,变换参照系的时候,只需要将AB压缩1/a,BC拉长a倍就可以了,这样就可以得到别的参照系下B时空点的坐标数值。


20190227更:

A、B两辆汽车从同一点出发,A汽车沿着直线运动了1公里,B汽车沿着曲线运动了2公里,再次见面的时候,B汽车能说A汽车的里程表慢了吗?

不能。A只是走的距离短,而不是里程表慢,这是完全不同的2件事。

时间也是一样的,相对论中就不应该存在时间变慢这个说法,2个时钟变动不一样,只是因为2个时钟在时空中走的路径不同,仅此而已。

详细分析参见:

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