“光年”雖然有一個“年”字,但它卻是長度單位,根據定義,以真空中的光速(299792458米/秒)直線前進一年的距離就是一光年(注:這裡的年是指儒略年,即31557600秒),也就是9460730472580800米。
光走完一光年的距離需要多少時間?
光的傳播速度其實並不是固定的,例如當光在水中傳播時,其速度約為真空光速的四分之三,而當光在玻璃中傳播時,其速度更是隻有真空光速的大約三分之二,總的來講,光在真空中的傳播速度是最快的,
因此我們可以認為,在理想狀態下(即在真空中傳播),光走完一光年的距離需要一年的時間。在經典物理體系中,這無疑是唯一的正確答案,然而自從愛因斯坦提出相對論之後,情況就變得不一樣了。
光走完一光年的距離真的需要一年嗎?
愛因斯坦在相對論中指出,時間並非我們想象中的那樣一成不變,它會因為物體的運動速度而改變,具體來講就是一個物體的運動速度越快,它經歷的時間就越短,這被稱為“鐘慢效應”。
上圖為描述“鐘慢效應”的公式,其中△T、△t、v、c分別指運動物體經歷的時間、靜止參考系經歷的時間、運動物體的速度以及真空中的光速。
據此我們可以計算出,當一個物體的運動速度達到真空中的光速之時,它經歷的時間就為零,意思就是說,在這種情況下,無論靜止參考系經歷了多少時間,該物體經歷的時間都為零。
根據以上所述,我們先假設光一直在真空中傳播,然後就可以推測出:對於靜止參考系來講,光走完一光年的距離確實是需要一年的時間,但對於光來講,其實只是一瞬間(因為光經歷的時間為零)。需要指出的是,儘管“鐘慢效應”讓人感到難以接受,但在過去的日子裡,這種現象卻得到了科學家的證實。
在1971年的時候,物理學家喬.哈夫勒(Joe.Hafele) 與理查德.基廷(Richard.Keating)精心設計了一個“原子鐘飛行實驗”,在實驗中,他們將精度極高的銫原子鐘放到兩架飛機裡,然後讓飛機在赤道附近做環球飛行,一架向東、一架向西,在飛行完成之後,再將飛機上的銫原子鐘上記錄的時間與留在地面上的銫原子鐘進行比較。
實驗結果表明,飛機上的銫原子鐘與地面上的銫原子鐘所記錄的時間確實出現了微小的差異,這與根據相對論計算出的理論值基本相符。在此之後,“原子鐘飛行實驗”又被多次重複,實驗結果也同樣如此。
除此之外,一種被稱為“μ-介子”的微觀粒子也表明了“鐘慢效應”確實存在,“μ-介子”極不穩定,其半衰期僅為2.22微秒,它們可以在實驗室中製造,也可以在宇宙射線與地球大氣層相互作用時生成。
科學家發現,與在實驗室中的處於低速狀態的“μ-介子”相比,那些由宇宙射線生成的“μ-介子”的半衰期要高出大約5倍,為什麼會這樣呢?這是因為那些由宇宙射線生成的“μ-介子”的運動速度高達0.98倍光速,並因此產生了非常明顯的“鐘慢效應”。
由此可見,“鐘慢效應”是客觀存在的,這就意味著,假如我們乘坐一艘以光速飛行的宇宙飛船離開地球,就能夠像光一樣在一瞬間走完一光年的距離,當然了,這只是對於坐在飛船中的我們來講,而在地球上的其他人看來,我們依然需要一年的時間。
值得一提的是,就算不能製造出光速飛船(在相對論體系中,任何具有靜止質量的物體都無法被加速到光速),未來的人類仍然可以利用“鐘慢效應”來大幅降低星際航行時所需要的時間。
如上圖所示,在物體的運動速度不斷接近光速的時候,由“鐘慢效應”造成的“時間縮短倍數”會迅速增加,對於運動的物體來講,當它的速度達到0.8倍光速時,其走完一光年的距離大約需要0.6年的時間,而當它的速度達到0.99999999999999倍光速時,其走完一光年的距離就僅需大約4.6秒。
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