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用简单的语言帮你理解时空旅行和光速不变
仇宝廷图书馆
>《百科》
2022.10.13 山东
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很多人都对爱因斯坦的时空旅行感兴趣,全球科学家都证实时空旅行确实理论可行。
但为什么时空旅行可行,几乎所有的文章都非常生涩难懂,全篇都是密密麻麻的证明公式,不利于普通人的理解。
于是我今天就用简单的语言,把最核心的几个东西抽出来,公式省略,写一篇让人一看就懂的东西来解释时空旅行的原理,做我最擅长的科普工作。
要理解为什么时空旅行可行,首先要理解光速不变原理,因为光速不变所以才存在了时空旅行的可能。
从字面意思来说,光速不变指的是物体的速度永远不可能超越光速,但实际并不是的,物体的速度是可以超越光速的,但这要看你采用了哪个参考系。
光速有一个非常重要的特性,严重颠覆普通人的认知,只要你理解这一点就会消除大部分对于时空旅行的误解。
假设你在宇宙飞船上,向前发射了一束光,光以光速,也就是
30
万公里每秒的速度前进,然后你立即启动飞船,以
10
万公里每秒的速度向前追赶这束光。
请问此时这束光远离你的速度是多少?
按正常人的理解,光向前
30
万公里每秒,你向前
10
万公里每秒,所以此时光远离你的速度应该是
20
万公里每秒。
错,此时这束光远离你的速度依然是
30
万公里每秒。
不管你追赶这束光的速度多块,哪怕你从
10
万公里每秒加速到
20
万公里,
30
万公里乃至于
100
万公里每秒,光永远比你快
30
万公里每秒。
在你自己看来,你的速度也许达到了
100
万公里每秒,超光速了,但在旁观者眼里,你还是比光速慢,因为光永远在你前面,且以一个恒定的速度远离你。
所以在你自己的参考系里,是可以超光速的,但在其他人的参考系里,你没有超光速,也没有任何人可以超光速。
很奇怪吧,但还有更奇怪的。
如果你在向前发射这束光后,立即以
10
万公里每秒后退,远离这束光。
理论上说,此时这束光远离你的速度,应该是
40
万公里每秒。
但实际上并不是,此时这束光远离你的速度还是
30
万公里每秒。
哪怕你向后不断加速,加速到
30
万公里每秒乃至于更高的
100
万公里每秒,光远离你的速度还是
30
万公里每秒,不会快一丝一毫。
出现这种奇怪的现象是因为当你拥有速度后,你的时间和空间的关系就发生了扭曲,速度越快则扭曲的程度越严重。
你疯狂增加你的速度,但光远离你或接近你的速度却是固定的,那你多出来的速度哪去了?
转化成了时间。
你疯狂加速,达到了超光速,速度
10
倍于光速,
10
光年的距离你一年就到了,但实际上你的速度永远低于光速,其他人看你还是按低于光速的速度慢慢飞过来的,但其他人过了
10
年,你这里才过了
1
年,所以你感觉自己一年就到了,肉体也只衰老了一岁,看起来好像是超光速了。
这就是时空旅行的理论基础。
有人说,这都是扯淡,都是歪理邪说,利用大量让人看不懂的公式反复推导出来的谬论,没有任何证据。
如果没有证据,那时空旅行就是个假说,不会被当成理论,也不会那么火。
证据当然是有的,而且很常见。
1971
年,为证实爱因斯坦这一颠覆常识,怎么看都很扯淡,但偏偏从理论和公式层面怎么都找不出漏洞的光速不变原理,科学家设计出了
钟慢实验。
人类确实不能达到很高的速度,但按爱因斯坦的理论,哪怕速度仅有
1
米每秒,也会发生时空扭曲,只不过扭曲的程度很微弱而已。
既然如此,那就代表时空扭曲是可以测量的。
铯原子钟
,人类最精确的计时工具,每经过一千万年,误差最多不超过
1
秒。
科学家把四台铯原子钟分别放在两架飞机上,然后在地面上放一台铯原子钟作为参考种,在地面上把五台铯原子钟进行了校准。
然后一架飞机向东飞,一架飞机向西飞,搭配地球自转获得一个很高的速度差值。
绕地球飞一圈,回到原机场,让我看看时间到底有没有变慢或者是变快,反正无论多小的误差我都是可以测出来的。
结果向东的飞机,落地后比地面的铯原子钟慢了
59
纳秒。
向西的飞机,落地后比地面的铯原子钟快了
273
纳秒。
和根据爱因斯坦时空理论计算出来的数值几乎完全一样!
这就是鼎鼎大名的钟慢现象,也是时空旅行可行的最核心证据,现在铺天盖地的时空旅行电影都是从这个实验被证实,全球科学家广泛接受之后才开始拍摄的。
有人说,这个什么铯原子钟,有问题吧,反正我觉得是钟有问题,或者是测量有问题,绝对不是时间变慢了,这还是在扯淡。
而且就算是真的,又有什么用,卵用没有啊。
别急,还有证据。
发现了钟慢效应后,科学家利用不同速度下时间会发生改变这一特性,终于解决了太空卫星对地面精准定位的办法。
我们都知道要精准定位一个点,需要精确描述这个点和卫星之间的距离,而不管用什么手段测量距离,都必须要使用时间这个参数。
在以前,不管用什么办法测量距离,都会产生极其恐怖的误差,科学家百思不得其解。
这个误差有多离谱?
同样的办法计算出的坐标,每天都偏差
11
公里之多。
今天算出来的坐标点精准定位在天安门。
10
天后再测,能偏
110
公里之多,定位点都跑到河北了。
最核心的原因,就是导航卫星上的时间流逝速度和地面上不一样,如果采用同样的时间参数进行计算,就会得出非常离谱的距离差距。
这个时间流速的计算很复杂。
假定
GPS
卫星以每小时
1.4
万公里的速度绕地球飞行,那么根据运动速度越快则时间越慢的狭义相对论,每天卫星上的时间都会悄悄比地面慢
7
微秒。
同时根据广义相对论,任何质量都会扭曲身边的时空,质量越大则扭曲程度越厉害,而卫星的高度远远高于飞机,距离地面大概
2
万公里,远离地球,所处时空受到地球质量的扭曲效应会小得多,所以地球表面的钟每天会反过来比卫星上的钟慢
45
微秒。
两者叠加计算,导航卫星上的原子钟每天会比地面快
38
微秒,然后折算进每分每秒进行校准。
这就是时空效应在卫星导航上的应用。
时空时空,时间和空间,当时空的扭曲程度不一致时,如果你非要保持时间不变,那空间就会出现巨大的误差。
如果你要保持空间不变,就必须要修正时间。
根据卫星的高度和速度,不断算出卫星目前被扭曲的时间流速,然后每时每刻不断修正导航卫星的铯原子钟参数。
GPS
对地面的定位精度是
10
米还是
1
米还是更低,完全取决于工程人员对铯原子钟时间参数的修正程度。
卫星被扭曲的时间流速算的越精准,GPS对地面的定位精度就会越高。
你手机上使用的卫星导航,以及国家的军事导航卫星,必须每时每刻都在修正自己的时间。
不懂爱因斯坦的时空旅行理论,或者不认可,那你的国家就永远不可能设计的出卫星导航系统。
每天偏差
11
公里的定位精度,和每时每刻都保持在
10
米乃至于
1
米的定位精度,这简直是天差地别。
卫星的速度相对于汽车和飞机来说很快,但相对于光速而言那简直是九牛一毛。
如果人类不断提升物体的速度,那时空扭曲程度就会飞速提升。
你的速度越快,“钟”就越慢。
而且时空旅行并不取决于运动的方向,只取决于物体的速度。
因为无论你向哪个方向飞,光从任意方向远离你的速度或者接近你的速度永远是光速,这一奇怪的特性导致你向任意方向超高速飞行,时间都会发生巨大扭曲。
超高速度的你,明明感觉自己只过了一年,但留在地面上的亲戚却认为你已经飞行了十年。
如果你瞬间掉头,重新向地球飞,依然是超时空旅行状态,时间不会因为你运动方向截然相反而倒流,你的时间流速依然你地面亲戚块。
如果你从超高速状态不断减速,那时间也并不会倒流,不断减速只会导致你的时间变慢现象不断的减弱,你的时间流速开始不断和地面上的亲戚靠拢。
当你减速到和地面亲戚等同的速度时,你们之间的时间流速会重新变得相等,但并不代表里面的
9
年时间差会回来,这9年时间就永远失去了,莫名其妙的没了,再也不可能回得来。
超时空旅行前,你
20
岁,
你亲戚也是
20
岁,然后你
用一年时间跑了
10
光年。
回地球后,你
21
岁,但你的亲戚已经
30
岁了。
在你看来,你在飞船上只渡过了一年,每天打牌,时间计算的清清楚楚,除以运动的距离
10
光年,得出自己是在超光速运动,速度已经达到了
10
倍光速。
但在地面亲戚看来,你始终没有达到光速,永远比光速低一点,实际上你是花了
10
年多一点的时间才完成了这
10
光年旅途,他自己老了
10
岁就是证据。
这就是时空旅行,让不同人的时间发生错位。
为了解释为什么你不断消耗能量去加速却永远达不到光速,只会让时间变得越来越慢,间接超光速,人类用质增效应去解释。
简单的说,但你不断加速的时候,只有你自己感觉自己是超光速了,外界看来你只会越来越接近光速,而随之带来的是你的质量飞速增加,加速的能量都被转化成了质量。
而你所在飞船上的时间变慢,则是因为自身质量飞速增加对周围时空的扭曲。
当你不断减速的时候,质量在飞速减小,对周围时空的扭曲也减少,然后时间流速开始恢复正常。
所以物体可以超光速进行时空旅行,又不可以超光速,这并不矛盾,也不是爱因斯坦的相对论在狡辩。
但时空旅行并不代表能回到过去,理解了原理之后你就会知道这是完全不可能的事情,那完全都是电影为了凸出艺术效果而瞎掰的。
无论多快的速度,都只会让时间变慢,越来越慢,但再慢也不会是负数,永远是个正值。
慢到极致,你在飞船里过
1
年,外界可能已经过了几千年,但你在超光速飞船里也永远只能活
100
年,以你自身为中心的时间参考系是永远不会变的。
所以才叫钟慢效应,钟变慢了,外界看似你活了几万年,其实你还是只活了
100
年。
钟慢效应并不能改变宇宙飞船经历的真实时间,但可以压缩时间。
空间不能变那就扭曲时间,比如超时空旅行。
时间不能变那就扭曲空间,比如人类目前琢磨的所谓虫洞或空间折叠。
反正时空是联动的,想在星空中高速移动必须要扭曲至少一个,所以叫时空效应。
至于为什么无论你向哪个方向飞,以多快的速度飞,光都会永恒的以光速
C
值远离你或靠近你,为什么光速会有如此奇怪的特性?
这个叫宇宙常数,没人知道为什么,科学家只知道宇宙就是这么运转的,目前最顶级的宇宙常数就是光速
C
值,无人可以突破。
但时间流速可以不同,这个是切切实实存在的,证据一箩筐,天上的卫星和你我手机里的导航系统就是证据,这个时间流速的差值虽然很微小,但确实是存在的,且时时刻刻都在影响你我的生活。
大量星辰的速度快的难以想象,还有很多星辰的质量大的难以想象,这说明宇宙里存在大量时空严重扭曲的地方,这些地区的规则和地球完全不同,甚至连时间都不同。
而这,仅仅是宇宙神秘面纱的冰山一角,未知的宇宙规律还不知道有多少。
明白了这些,你才能够理解宇宙的浩瀚和人类的渺小。
地球只是个婴儿摇篮而已,星辰大海才是人类的未来,因为那里存在着无限可能。
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