超光速真的可以讓時(shí)間走得更慢？得了絕癥能不能坐飛船躲一躲？

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在正式開始本文之前，大家先來看一下著名的雙生子佯謬：

假若地球上有一對(duì)雙胞胎，一個(gè)留在地球生存，另一個(gè)則坐著接近光速的宇宙飛船在太空飛行。當(dāng)一段時(shí)間過后（地球上數(shù)十年）太空旅行的人回到地球，此時(shí)地球上的人們會(huì)發(fā)現(xiàn)太空旅行回來的人要比留在地球的人年輕得多。

于是有人就提出：假設(shè)患了癌癥是不是就可以通過乘坐飛船，讓自己的時(shí)間過得慢一點(diǎn)，等到哪天地球上有了治療癌癥的手段再飛回來呢？

以上這兩個(gè)假設(shè)是否成立呢？或者是否具備理論成立的可能？

答案是：理論上是可能的，而這個(gè)理論的基礎(chǔ)就是愛因斯坦的相對(duì)論。一提到相對(duì)論，很多人就對(duì)它有著莫名的恐懼，因?yàn)樗_實(shí)顛覆了我們的常識(shí)難以理解。

這篇文章咱們就一起以最簡(jiǎn)單易懂的方式來一起探究一下時(shí)間與光速的關(guān)系吧，其實(shí)就是經(jīng)典物理運(yùn)動(dòng)學(xué)和相對(duì)論的激烈碰撞。

相對(duì)論真的難理解，為了寫這篇文章大叔也是花了四天時(shí)間，希望大家能夠多多支持！

相對(duì)運(yùn)動(dòng)

有這么一個(gè)場(chǎng)景：一個(gè)人在一輛高速運(yùn)動(dòng)的交通工具上用手電筒向前打出一束光（光速度為C），在這個(gè)交通工具的另外一頭（相隔一段距離L）有一個(gè)接收裝置，問光從手電筒發(fā)出后多久能夠到達(dá)接收點(diǎn)？

這個(gè)題咱們先不解，咱們先看看類似的問題（高中最愛考的相對(duì)運(yùn)動(dòng)題）。

其實(shí)這個(gè)題在我們上初中或者高中已經(jīng)做過無數(shù)遍了，這個(gè)題就相當(dāng)于問你在一輛飛馳的火車（速度V1）車尾上向前奔跑（速度V2），問多久能夠跑到車頭（距離車尾L）。

此時(shí)肯定就有學(xué)霸回答了：打死我都是L/V2，這個(gè)時(shí)間與火車的速度沒半毛錢關(guān)系。不論是從奔跑者的視角來看，他自己想對(duì)于火車的速度就是V2（火車的速度對(duì)于他來說就是靜止的），所以從車頭跑到車尾時(shí)間L/V2。又或者從第三視角（火車外面的人）來看，由于人從車尾跑到車頭火車也會(huì)向前行進(jìn)一段距離（S），在第三視角看來人其實(shí)是跑動(dòng)了L+S這么遠(yuǎn)的距離才到達(dá)車頭的。但是此時(shí)跑動(dòng)人的速度也變成了V2+V1（火車速度加成），假設(shè)花費(fèi)時(shí)間是t那么就有下面的等式：

(V2+V1)*t = L+S ;

化解等式就是V2*t + V1*t = L + S，而V1*t就是S ，所以時(shí)間t = L/V2；

看吧，不管以哪個(gè)視角來算，時(shí)間都是一樣的都是L/V2，奔跑者和第三視角的人時(shí)間都是一樣的。

恩，此時(shí)如果是課堂回答問題老師一定會(huì)給這位學(xué)霸大大的贊，沒毛??！

但是，現(xiàn)在回到前面那個(gè)問題手電筒光的那個(gè)問題。在這個(gè)問題上，可就會(huì)顛覆你的常識(shí)了。在交通工具上的人觀測(cè)到的是手電筒光經(jīng)過時(shí)間L/C后到達(dá)另一端，然而在第三視角看來光卻是經(jīng)過(L+S)/C，S為光束達(dá)到另一端時(shí)間內(nèi)交通工具行駛的速度。（這里大家肯定會(huì)疑惑光速不應(yīng)該變成C+V（交通工具速度）嗎？別急往下看）

很明顯(L+S)/C是絕對(duì)要大于L/C的，也就是說同樣是光從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，交通工具內(nèi)的人經(jīng)歷的時(shí)間與第三視角經(jīng)歷的時(shí)間居然不一樣？

或許你還覺得有點(diǎn)難以理解，那么我這樣假設(shè)你應(yīng)該就能很好地理解了：假設(shè)這個(gè)交通工具的速度能夠超越光速，那么第三視角的我們會(huì)看到什么？手電筒的光永遠(yuǎn)無法達(dá)到另一端，甚至反而會(huì)倒退，也就是說光速變成負(fù)的了。

光速不變，時(shí)間倒流

這里注意了，最最最關(guān)鍵的點(diǎn)來了。

為什么會(huì)造成這種現(xiàn)象？造成兩個(gè)問題不同答案唯一的變量就是一個(gè)是人（物體）、一個(gè)是光。對(duì)，沒錯(cuò)就是光的原因。

這里有一個(gè)很重要的概念：光速不變。不管在任何參考系中光速都是C，它不會(huì)因?yàn)楣庠幢旧淼倪\(yùn)動(dòng)以及觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化，它就是恒定的，這也是為什么物理界將光速定義為一個(gè)常數(shù)的原因。也就是說當(dāng)你在一個(gè)快速運(yùn)動(dòng)的物體上發(fā)射一束光，不管你從何種角度去觀測(cè)，光速都是C。因此才會(huì)造成交通工具內(nèi)的人經(jīng)歷的時(shí)間與第三視角經(jīng)歷的時(shí)間居然不一樣的現(xiàn)象。大家不必糾結(jié)光速為什么不變，這個(gè)結(jié)論是無數(shù)科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過的，就是這樣，這也是相對(duì)論的基礎(chǔ)。

再回到前面的假設(shè)，假設(shè)交通工具的速度超越光速，前面在不知道光速不變理論的情況下我們假設(shè)成光速變成負(fù)的了。但是現(xiàn)在我們知道了光速是恒定的，那怎么解釋呢？答案只能是時(shí)間變成負(fù)的。這也是為什么會(huì)出現(xiàn)超光速會(huì)讓時(shí)間倒流說法的原因。

顛覆三觀的實(shí)驗(yàn)-空間縮短

正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)，成為近代物理學(xué)的一個(gè)開端，在物理學(xué)發(fā)展史上占有十分重要的地位。后世無數(shù)科學(xué)家都在為解釋他的這個(gè)實(shí)驗(yàn)而努力，最終愛因斯坦在前人的基礎(chǔ)上拋棄靜止參考系以太、以光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對(duì)論，提出了空間縮短的概念。

這是個(gè)什么樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？這個(gè)實(shí)驗(yàn)的初始是建立在經(jīng)典相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論上，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們認(rèn)為存在絕對(duì)靜止參考系以太存在，于是便想通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論及干涉理論計(jì)算地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)速度。

假設(shè)以太相對(duì)于太陽靜止，儀器在實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系中相對(duì)于以太以公轉(zhuǎn)軌道速度V向右運(yùn)動(dòng)，光源發(fā)光經(jīng)分光鏡分光成兩束光，光束1經(jīng)反光鏡M1（水平放置）反射再經(jīng)分光鏡投射到觀測(cè)屏。光束2經(jīng)反光鏡M2（豎直放置）反射再經(jīng)分光鏡投射到觀測(cè)屏，與光束1形成干涉條紋。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上，當(dāng)時(shí)邁克爾遜和莫雷認(rèn)為水平和垂直方向光束從發(fā)射到接收到的時(shí)間必然會(huì)有差。于是有了下一步，在形成干涉條紋后，將裝置整體旋轉(zhuǎn)90度，則光束1和光束2到達(dá)觀測(cè)屏的時(shí)間互換，使得已經(jīng)形成的干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)。再通過測(cè)量這個(gè)移動(dòng)的距離便能換算出地球地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)速度。

咱們先不管科學(xué)家們是如何計(jì)算地球速度的，咱們只關(guān)注一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是。實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是光束1和光速2返回發(fā)射點(diǎn)（接收點(diǎn)）的時(shí)間是一樣的。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可是讓一群學(xué)霸懷疑人生了，抓耳撓腮近20年。為什么？我們計(jì)算一下就知道了（這里涉及的所有速度都是相對(duì)以太來講的，也就是當(dāng)時(shí)的絕對(duì)靜止參考系，光速就是C）。

根據(jù)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)物理，在水平裝置上光束從發(fā)射到被接收需要經(jīng)過的時(shí)間應(yīng)該為用兩段時(shí)間相加：

t1 = t1 = L/(C-V) ，t2 = L/(C+V)，t水平= t1+t2 ；

在垂直裝置上，從第三者視角看光線其實(shí)是按照?qǐng)D中虛線路徑走的，所以時(shí)間t垂直為：

2L/(√(C-V))

我們將兩個(gè)式子通分化簡(jiǎn)可以得出

t水平 = 2*L/C/(1-V/C)

t垂直 = 2*L/C/(√(1-V/C))

只要大家有初中數(shù)學(xué)知識(shí)都知道，以上兩個(gè)時(shí)間是不可能相等的(除非V=0也即裝置絕對(duì)靜止)。從以上兩個(gè)式子可以看出兩個(gè)信息

1、t垂直是明顯要小于t水平的2、超光速不可能存在（1-V/C為負(fù)值，根號(hào)內(nèi)的數(shù)字絕對(duì)不可能為負(fù)），否則一切物理邊界將被打破。

然而實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果卻是t水平 = t垂直，當(dāng)時(shí)的一眾科學(xué)家們覺得這真的難以置信，于是人們?cè)诓煌攸c(diǎn)、不同時(shí)間多次重復(fù)了邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)，并且應(yīng)用各種手段對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，精度不斷提高但是試驗(yàn)結(jié)果卻沒有一丁點(diǎn)改變。

明明在數(shù)學(xué)上不可能相等的兩個(gè)式子最終結(jié)果實(shí)驗(yàn)卻是相同的，這如何解釋？難道要顛覆發(fā)展了數(shù)千年的數(shù)學(xué)體系？

這自然不可能，于是在1887年到1905年之間，人們?cè)?jīng)好幾次企圖去解釋邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)。.喬治·菲茨杰拉德說是量桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)由于電荷和磁場(chǎng)的作用下縮短了：

物質(zhì)是由帶電荷的粒子組成，一根相對(duì)于以太靜止的量桿的長(zhǎng)度，將完全由量桿粒子間取得的靜電平衡決定，而量桿相對(duì)于以太在運(yùn)動(dòng)時(shí)，量桿就會(huì)縮短，因?yàn)榻M成量桿的帶電粒子將會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而改變這些粒子之間的間隔平衡。這一來，邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)所使用的儀器，當(dāng)它指向地球運(yùn)動(dòng)的方向時(shí)就會(huì)縮短，而縮短的程度正好抵消光速的減慢。

洛侖茲說不僅長(zhǎng)度收縮了，時(shí)間也變慢了，這樣導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向上的光速保持不變，這便是光速不變的最早模型。并且提出了著名的洛侖茲變換公式。

這個(gè)時(shí)候有一位一把大胡子的科學(xué)家聽到洛侖茲的解釋兩眼放光，他就是著名的愛因斯坦。愛因斯坦認(rèn)為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太、以光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對(duì)論。他認(rèn)為長(zhǎng)度縮短并不是物體實(shí)質(zhì)性地縮短，而是空間縮短，這種空間縮短不具有任何實(shí)質(zhì)性的物理意義。并且更重要的是，愛因斯坦首次提出了時(shí)間膨脹的說法。

怎么說呢？

我們拿垂直方向的光束來說，假如在裝置內(nèi)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你發(fā)現(xiàn)光走一個(gè)來回的時(shí)間就是2*L/C，而以我們的第三視角來看，它就是按三角形的路徑走的，我們觀測(cè)到的時(shí)間也即是 2*L/C/(√(1-V/C))，毫無疑問這個(gè)數(shù)是大于2*L/C的，并且隨著裝置運(yùn)動(dòng)速度V的增大而增大。

也即是說，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度越接近光速那么對(duì)于裝置外的第三視角來說，時(shí)間膨脹得越厲害。所以，假如你發(fā)現(xiàn)自己得了癌癥，你可以選擇乘坐超光速飛船躲避一段時(shí)間，等到地球有了先進(jìn)的治療手段再回來。不過目前地球上最先進(jìn)的飛船是“新地平線”探測(cè)器。速度大概是每小時(shí)58536公里，距離光速還差的老遠(yuǎn)老遠(yuǎn)，因此這點(diǎn)時(shí)空膨脹壓根可以忽略。

μ介子實(shí)驗(yàn)，打消你的疑慮可能有的朋友看到這里仍舊無法接受，但是有一個(gè)實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)可以證明運(yùn)動(dòng)對(duì)于時(shí)空的改變。

有一種叫μ介子的物質(zhì)，在人類觀測(cè)看來他的壽命只有2.2微秒，但是它的運(yùn)動(dòng)速度卻是極快，能夠接近光速。物理學(xué)家也在實(shí)驗(yàn)室里做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們利用回旋加速器把一些μ介子的運(yùn)動(dòng)速度提升至接近光速，再把另外一些μ介子放在靜止的盒子里作對(duì)照，實(shí)驗(yàn)結(jié)果果然驗(yàn)證了相對(duì)論所，那些在加速器里高速運(yùn)動(dòng)的μ介子壽命更長(zhǎng)。


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作者：百家號(hào)講理老大叔

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