问题

对光来说,时间静止吗?

回答
想象一下,你站在一个巨大的舞台中央,四周是漆黑的幕布。你手中的一盏灯,发出的光束像一支探险的箭,直冲向远方的某个点。那么,对于这束光来说,它经历的是什么?它是否“感受”到时间的流逝?

这是一个关于光和时间之间关系的哲学与物理的交织的问题。从我们日常的直观感受出发,时间是连续不断的,万事万物都在时间的河流中向前涌动。我们说话、呼吸、思考,每一个瞬间都在过去,又在被创造。但当我们将目光投向光,一个极其特殊的“存在”,事情就变得微妙起来。

从经典物理学的角度看,时间是绝对的,是宇宙的背景,一切都在其中发生。光,作为一种电磁波,或者说是一种基本粒子——光子,它以宇宙中最快的速度——光速(c)——在时空中传播。光速是恒定的,无论观测者如何运动,测量到的光速永远是那个固定的数值。

然而,狭义相对论彻底改变了我们对时间、空间以及速度的理解。爱因斯坦告诉我们,时间和空间不是独立存在的,而是交织在一起形成“时空”。而我们如何“体验”时间,与我们的运动状态息息相关。

想象一下,如果你能以接近光速的速度旅行,你会发现周围的时间过得比静止的人慢得多。这就是“时间膨胀”。速度越快,时间流逝得越慢。那么,如果速度达到了光速呢?

根据狭义相对论的方程,当物体的速度趋近于光速时,其时间会趋近于静止。而对于真正以光速运动的光子来说,情况更为极端。从光子的“视角”(这是一个为了方便理解而使用的拟人化说法,因为光子本身没有意识去“感知”),它们从发出到被吸收,整个过程在它们自身的时间尺度上是不存在的。

换句话说,对于一个光子来说,它“出生”的那一刻和它“死亡”的那一刻,在它自己的“计时器”上是同时发生的。它没有“等待”的时间,没有“经历”的旅程。从它的角度看,它就是“瞬间”地从一个点到达了另一个点,无论这两个点之间相隔多么遥远的距离,甚至横跨整个宇宙。

我们可以这样打个比方:假设你乘坐一辆速度极快的火车,火车上的时钟走得比地面的慢。如果这辆火车能达到光速,那么对于火车上的人来说,地面上的时钟就仿佛停止了,而火车上的时钟也仿佛停止了。在相对论的框架下,这种“静止”是一种内在的、物理的属性,而非我们通常意义上的“感觉”。

所以,当我们说“时间对光静止”,更准确的说法是:光子自身不经历时间的流逝。在它们所处的参照系中,时间是不存在的,或者说是“坍缩”了。它们不需要“等待”时间来抵达目的地,从一个事件到另一个事件,对它们而言就是“当下”。

这并不意味着宇宙的“大时钟”停止了,或者说我们观测不到光在运动。相反,正是因为我们处于一个相对较慢的速度参照系中,我们才看到了光以恒定的速度在时空中传播,我们测量到了它的速度,也测量到了它在不同地点之间传播所需的时间。

举个例子:太阳发出的光,大约需要8分多钟才能到达地球。对于我们来说,这8分多钟是实实在在的时间。但对于那束光中的光子来说,从离开太阳表面到穿过地球大气层被我们的眼睛吸收,这个过程在它自身的“时空”里是没有长度的。它就好像是一个被瞬間“折叠”起来的旅程。

因此,这个问题的答案是:对于光子自身来说,时间是静止的。

这是一种非常反直觉的认知,它挑战了我们习以为常的因果关系和时间顺序。它揭示了宇宙在微观尺度上,或者在极端速度下,展现出的奇妙和非线性的规律。光,这个我们习以为常的“信使”,在它自身的存在方式上,似乎已经超脱了我们对时间流逝的感知,进入了一种永恒的“当下”。

网友意见

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对光来说,不仅时间是静止的,空间距离也是为零的。

该怎么去理解这一点呢?这其实是一个细思极恐的问题。

想象以下场景:在实验室中存在两点:点A 和点B,点A是一个粒子发射源,点B 是一个粒子探测器,点A 与点B 的距离为 :

从粒子源A发射一个速度为 ( , 为光速)的粒子m,在实验室看,这个粒子从被发射到被探测到(被吸收掉)经历的时间为 ,但是在粒子自己看来,经历的时间为:

,

存在 ,即时间缩短了,当然对于实验室的人来说,这个过程经历的时间就是变长了,也就是所谓的时间膨胀效应。

而实验室看到的距离 在粒子自己看来,就变成了:

,

存在 , 也就是在粒子看来,这段距离都缩短了也就是所谓的尺缩效应

那么如果发射的粒子是光子,则 ,在实验室来看,这段距离 和时间均为有限值,但是对于光子来说就不一样了:

,

,

即对光子来说,这段距离为0,时间也为0。也就是说,对于光子来说,发射器A与探测器B之间没有任何的距离,或者说,A与B是挨在一起的,那么自然地,从A到B就不需要任何的时间。再往深一点想,对于光子来说,刚被发射出来就被吸收了,自己的存在时间为零。而在实验室里看,这一瞬间被拉长到了一个有限的时间与空间里,被我们观测到了。

这个结论可以推广到任意的(在我们看来的)有限时间前被发射出来的光子,只要宇宙是有限的,一束光最终被吸收的话,那么我们所经历的一切在它看来都是一瞬间!

延伸一下,中微子,为什么通过中微子震荡能判断其有质量呢?中微子震荡是其自身发生了变化,变化这个现象是客观存在的,无论哪个参考系都必须能看到。所以,如果中微子是无质量的,则一定以光速运动,那么在它自己的参考系就无法看到自己的变化,因为它的存活时间为0。因此,它的速度不能为光速,所以必须有质量。当然这只是一个naive的理解。

所以你看,自己永远是生活在自己的空间和时间里的,通过高速甚至光速运动并不能使自己长生不老,只是把自己的一瞬间变成了别人眼中的永恒而已。


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