在探讨人类的星际旅行以及时间奥秘时,有一点需要首先明确:根据目前的科学认知,光速飞行是不可能实现的,因此,在这里我们以无限接近光速的情形来理解所谓的 “光速飞行”。
依据爱因斯坦狭义相对论中的 “时间膨胀原理”,速度与时间之间存在着一种奇妙的关系:速度越快,时间流逝得就越慢。
我们似乎有理由认为,如果人类能够以接近光速的速度一直运动下去,或许就能够实现 “长生不老”。这一观点乍听起来颇为合理,仿佛为我们找到了一条通往永恒生命的道路。
然而,这实际上只是一种误解。倘若如此简单就能实现长生不老,那我们可就真的掌握了一项了不起的绝技。那么,为什么时间膨胀效应并不能真正地延长我们的寿命呢?另外,我们常常听到的 “双生子佯谬” 又是怎么一回事呢?
为了更好地理解这些问题,我们不妨设想这样一个场景:有一对双胞胎 A 和 B,让 B 乘坐一艘接近光速的宇宙飞船前往外太空旅行,设定旅行时间为 10 年。当 B 返回地球时,会发现地球上的 A 比自己老了许多。这看起来似乎是 B 的寿命得到了延长,事实真的如此吗?接下来,我们就深入探讨一下这个问题。
在牛顿经典力学所构建的绝对时空观中,人们普遍认为时间在不同的地点、不同的参考系下,都是连续且稳定地流逝着。无论物体的运动状态如何,不同个体所感受到的彼此时间流逝速度都是相同的。在这种绝对时空观里,时空就像是一个为万物提供运动的舞台,它静静地存在着,既不参与物体的运动,也不会受到物体运动的影响。
然而,狭义相对论却为我们揭示了一个截然不同的世界。狭义相对论指出,一个惯性系的运动,会导致其他惯性系下的观察者看到该惯性系中的时间发生膨胀,也就是时间流逝的速度减慢。这里需要特别注意的是,“相对论” 之所以被称为 “相对论”,其核心就在于该理论下的所有效应都是相对于其他观察者而言的。
我们以一个光子钟为例来进一步说明。在一艘宇宙飞船中,我们在其底部和顶部各放置一块反光镜,然后发射一个光子。当宇宙飞船处于静止状态时,无论是飞船内的你,还是外部的观察者,看到的光子运动情况都如上图左所示,此时并不存在所谓的时间膨胀效应。
但是,当宇宙飞船以高速飞行时,情况就发生了变化。在飞船内部的你看到的光子运动,依然是像左边那样上下震荡。然而,外部的观察者却不这么认为。
在他们眼中,光子从底部出发到达顶部,再返回底部所经历的路径变长了,相应地也就需要更长的时间。所以,从外部观察者的视角来看,飞船内的时间变慢了。但对于飞船内的你来说,一切都显得那么正常,你的手表依然像往常一样走动,你所经历的一小时还是一小时,也就是说,即便你以接近光速的速度飞行,你的寿命并不会因此而延长,该活一百岁还是只能活一百岁。
不仅如此,外部的观察者还会发现,飞船内你的动作也变慢了,就好像在观看一部慢动作电影。而在飞船里的你,却丝毫没有察觉到自己的动作有任何变化,一切都和往常一样自然。
反过来,飞船上的人也会观察到类似的效应,他们会觉得地球上的时间也变慢了。这就产生了一个疑问:既然双方都看到对方的时间变慢了,而各自又感觉自己的生活没有任何变化,那么相对论的时间膨胀效应究竟有什么意义呢?难道对任何一方都没有实质性的影响吗?
这其实就是著名的 “双生子佯谬”。
对于乘坐接近光速飞船外出旅行的 B 和待在地球上的 A 来说,由于速度是相对的,A 和 B 在观察对方时,都会认为对方以接近光速的速度远离自己。因此,A 会觉得 B 的时间变慢了,同样,B 也会觉得 A 的时间变慢了,双方都认为对方变得更年轻了。那么,究竟谁的观点才是正确的呢?
如果 A 和 B 永远不再相遇,那么从各自的参考系来看,他们的观点都是正确的。
然而,一旦 B 返回地球与 A 相遇,情况就有所不同了。在这种情况下,B 的说法是错误的。在狭义相对论中,并非所有的观察者都能享有同等的效应。只有处于惯性系的观察者,也就是没有经历过加速运动的观察者,才会相互享有同等的效应。
我们知道,B 在乘坐宇宙飞船远离地球的过程中,必然要经历加速;而在返回地球时,又要先减速、掉头,然后再加速。在这个加速和减速的过程中,B 所处的参考系就不再是惯性系,也就不能享有相对论所赋予的同等效应。
而地球上的 A 所处的参考系相对稳定,可近似看作惯性系,所以 A 的观点是正确的。也就是说,当 B 返回地球时,B 确实会比 A 年轻。如果 B 一直以接近光速的速度远离地球而不返回,那么对于 A 和 B 来说,他们所观察到的相对论效应并不会对彼此产生实际的影响。
这意味着,A 和 B 如何看待对方并不重要,关键在于他们必须重新回到同一参照系,这种比较才具有实际意义。否则,如果 A 和 B 永远不回到同一参照系,从各自的角度出发,他们的观点都是合理的。那么,B 究竟会比 A 年轻多少呢?我们可以通过下面的公式来进行计算:
现今宇宙处于加速膨胀的状态,对于那些以接近光速远离我们的遥远星系,我们在观察它们时也会发现相对论效应。同样地,如果这些星系上的外星人观察我们,也会看到类似的现象。但实际上,我们彼此之间并没有真正相互影响到对方的生活,大家依然各自按照自己的节奏过着正常的生活。
最后,需要强调的是,狭义相对论只适用于惯性系。对于非惯性系,则需要运用广义相对论来进行诠释。不过,通过不断变换参照系,我们仍然可以尝试用狭义相对论来理解非惯性系中的一些现象,只是这种理解相对来说会更加复杂。