假設(shè)一個光子在太陽上誕生后就徑直奔向地球,經(jīng)過8分鐘多的旅程到達地球,被一片樹葉吸收了,參與光合作用變成了化學(xué)能,這個光子的生命也就結(jié)束了。在我們地球上的人看來,這個光子的生命就是這8分鐘多時間。但其實光子自身的體驗是:從出生開始,原地坐著不動,時間一點沒過,生命就結(jié)束了。也就是說,它還不知道自己怎么死的,就死在了出生的時刻。這就是光子悲催的一生。
其中涉及到兩個時空點:一個是光子在太陽上誕生的那個時空點,記為A,另一個是光子在地球上生命結(jié)束的時空點,記為B。所謂時空點,就是指定空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)的一個點,這種點具有絕對的意義。AB兩個時空點的總時空距離為0。在地球上看,AB兩個時空點之間既有空間距離,又有時間距離,是空間距離和時間距離相抵消了,所以造成總時空距離為0。因為兩個時空點之間的總時空距離在任何慣性系下都是不變的,而在光子參考系下看,AB兩點間的空間距離為0,因此,在光子參考系下,AB兩點間的時間距離也為0。所以,光子誕生時的那個時空點,和光子生命結(jié)束時的那個時空點,在光子參考系下的空間距離和時間距離都是0。因此,光子誕生后,自己的體驗就是:原地坐著沒動,時間也一點沒過,生命就結(jié)束了。夠悲催吧?
再說幾點疑問。
首先,要達到光速,我們自己的靜止質(zhì)量必須為零。這就是說,我們的肉體是不可能達到光速的。因為按照質(zhì)速關(guān)系公式,一個靜止質(zhì)量大于零的物體,運動速度趨向于光速時,質(zhì)量趨向于無窮大。
其次,靜止質(zhì)量為零的東西(比如光子)以光速運動時,它的質(zhì)量是大于零的,這個質(zhì)量是運動時的質(zhì)量。這個以光速運動?xùn)|西,在外界看來,可以風(fēng)光無限,進行很多旅行。比如我們看到幾億光年之外的一顆星星,實際上就是光子從幾億光年之外來到地球。在我們看來,它進行了長達幾億年的長途旅行,不光走的路程長,活得也夠長的。但是,在這個光子自己看來,它出發(fā)的時刻,跟它到達地球的時刻,是同一個時刻!時間一點沒過,位置也一點沒動,當(dāng)下就死了。不同慣性系下的時間和空間不同,在光子參考系下,光子自身的體驗就是一出生就死去。而地球則是從無窮久遠的過去,無窮遠的地方,以光速運動了無窮久的時間,才到達光子這里。地球到達光子這里時,光子出生并死亡。而光子的母親(某恒星)則從光子誕生并死亡的時刻出發(fā),遠離光子而去,以光速運動了無窮久的時間,運動到了無窮遠的地方。這就是光子參考系下的世界。
這是狹義相對論的結(jié)論,是用洛倫茲公式計算出來的結(jié)果。光子參考系就是這么特殊而怪異。
澄清一個常見的誤解:
●問:我以光速遠離地球1光年,我比地球年輕一歲。在我的參考系下,地球遠離我一光年,所以地球比我年輕一歲,為什么會這樣?
●答:對狹義相對論的誤解都是由字面理解造成的,所以一定要畫出時空圖來,用洛倫茲公式具體計算時空點的空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)。
如上圖所示,“我以光速遠離地球運動了1年”這句話涉及到三個時空點:出發(fā)時的時空點A,空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)都是0;一年后的地球,記為時空點B,空間坐標(biāo)為0,時間坐標(biāo)為1年;1年后的你自己,記為時空點C,空間坐標(biāo)為1光年,時間坐標(biāo)為1年。這都是地球參考系下的坐標(biāo)。
時空點是具有絕對意義的。同一個時空點在不同的慣性參考系下具有不同的時間坐標(biāo)和空間坐標(biāo),通過洛倫茲公式來進行換算。可以用平面解析幾何來做類比。平面上每一個點的存在都具有絕對意義,但是它在具有旋轉(zhuǎn)關(guān)系的兩個不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)不同。洛倫茲公式的地位就類似于平面解析幾何中的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換公式。
在地球參考系下,時空點B和C位于同一時刻。也就是說,在地球上的人看來,時間過了1年,你這個光子也運動了1年。
但是,在你這個光子參考系下,B和C這兩個時空點位于不同時刻!具體講,在你自身參考系下,C和A這兩個時空點是重合的,而B這個時空點位于無窮久遠的未來,空間上位于空間坐標(biāo)軸負方向無窮遠處。也就是說,在你看來,地球相對于你以光速運動,并且要運動無窮久的時間,運動到無窮遠的地方,才到達時空點B。
因此,在地球參考系下,你比地球年輕1歲,是對的。這是因為在地球參考系下,B和C位于同一時刻,地球人從時空點A運動到B,過了本征時間一年,你從時空點A運動到C,過的本征時間是0。所謂“本征時間”,就是以自身為參考系時,自身所度過的時間。
但是后一句話“在我的參考系下,地球遠離我1光年,所以地球比我年輕1歲”是錯的!在你這個光子參考系下,時空點C和A重合,時間一點沒過,而時空點B位于無窮久遠的未來。所以你要和哪個時空點進行比較?當(dāng)然是和同時刻的時空點進行比較。而你的時間一點沒過(C和A重合),所以與你同時刻的地球人仍然位于時空點A。你和地球人的時間都是一點沒過,誰也不比誰年輕。
如果你的運動速度不是光速,而是接近光速,比如0.9999倍的光速,那么就是時鐘佯僇問題了。如下圖所示。
此時,在你自身參考系下,時空點B不是位于無窮久遠的未來,而是位于有限遠的未來,空間上也不是位于空間坐標(biāo)軸負方向無窮遠處了,而是位于空間坐標(biāo)軸負方向有限遠處。在你自身參考系下,時空點C也不再和時空點A重合了,而是位于點A上方0.014年處(縱軸為時間軸),也就是說你的本征時間過了0.014年。在你自身慣性系下,B和C仍然處于不同時刻。與C處于同一時刻的地球所在時空點記為D,換算到地球慣性系下,D位于0.014×0.014年的時刻。也就是說,在你自身慣性系下,地球在遠離你運動,速度大小也是0.9999倍光速(但方向是負的),運動了0.014年,到達時空點D,地球過的本征時間是0.014×0.014年。因此,在地球人看來,你過的時間慢;在你看來,地球人過的時間慢。并不矛盾,因為同時性不一樣,比較的是不同的時空過程。地球人比較的是AB和AC兩段時空過程,你比較的是AC和AD兩段時空過程。