从国际空间站拍摄到的地球和太阳。太阳发出的光抵达地球需要多于八分钟的时间。从太阳辐射出的光子,在抵达地球之前需要经历1.5亿公里广阔的空间。在没有任何阻碍物的情况下,光子以光速传播到地球需要大约八分钟的时间。这就意味着,从我们的角度来看,我们看到的太阳总是它的过去(即约八分钟以前的它),而不是它即时的样貌。
换句话说,如果太阳瞬间消失,我们无法从它辐射出的光或它的引力立刻得知,只有在八分钟后我们才会知道。但是,从光子的角度来看呢?我们知道,当你以接近光速运动的时候,爱因斯坦的狭义相对论就开始发挥作用了。但是,光子并不是以接近光速传播,而是正好以光速传播。所以,当太阳辐射出光子到达地球的时候,光子认为自己经历了多长的时间呢?
如果你的直觉告诉你是八分钟,那么我们就得好好聊聊这个问题了。
当然,从我们的角度来说,光子确实是经历了八分钟才到达地球。现在,假设你家附近有一家超市,距离你家800米,你走过去需要花八分钟。也就是说,对于你来说,当你从家里出发抵达超市的时候,你已经老了八分钟。如果超市的店员一直看着你走到超市,她也会得到同样的结果,觉得你老了八分钟。
如果我们认为牛顿定义的时间概念——即绝对时间是真理的话,那么,不管在宇宙中的任何人,任何地方,在所有的情况下都会体验相同时间的流逝。但如果情况真是如此的话,光的速度就不会是常数了。
想象一下你静止的站在地上,你用手电筒朝前方的一个物体照明,该物体离你一光秒(也就是光在一秒内传播的距离)。现在,想象你同样拿着手电筒照射该物体并且开始奔跑起来。
你跑的越快,你就会预期光传播的越快:它以光静止时的速度加上你奔跑的速度在传播着。为什么必须是这样?现在,想象你有一个时钟,这个时钟不是齿轮驱动的那种,而是由两个镜片和一个光子组成的,光子会在镜片之间上下弹跳。如果你的光钟是静止的,那么你会看到光子会一直上下往返,并没有什么特别之处。但如果你的光钟是在运动,此时会发生什么?
很明显,如果光是常数,那么它就需要更久的时间完成一次往返。但如果时间的走时率对于每个人、每个地方以及任何情况都是一样的,那么我们会看到光的传播速度可以是任意快的。更糟的是,如果某样东西运动的足够快,接着你往相反的方向打开手电筒,我们会看到光几乎是静止的。但是光并没有表现出这些行为,因此我们知道这个简单的图景是错误的。
直到1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,他意识到如果真空中的光速是一个常数,那么迈克尔逊-莫雷的实验,长度缩短和时间延缓的现象都将得以解释。也就是说如果某样东西运动的越快——越接近光速——那么跟该物体一起运动的观测者,相比于一个静止的观测者,他感受到的距离和时间都缩短了。由于时间延缓的作用,在空间站上的宇航员要比留在地球上的人更年轻一点点。
事实上,当你花八分钟走到你家附近的超市时,根据狭义相对论,你所佩戴的手表上的时间——假设它超精准并且在你出发前与店员的手表校准了——要比店员的手表慢2纳秒!虽然在大多数情况下,相对论的效应都小到可以忽略不计,但它总是在发挥作用。如果我们不考虑狭义相对论的效应,那么GPS也将无法精确的定位。这其中的原因是空间和时间不再是独立的,而是交织在一起形成所谓的时空。
这个想法首先是由爱因斯坦的老师闵可夫斯基提出来的。
当你在空间中运动的够快,你所花的时间也越少,这也是为什么你走去店里的时候,你的时间要比店员的慢,因为你在空间的运动速度要比她快,所以你的时间要过的比她慢。事实上,如果你以接近光速(光速的99.9999999%)运动到超市的时候,店员的时间流逝要比你快22000倍。通过上面的讨论,我们现在回到光子本身。
对于一个观测者而言,所有用来描述它的公式都会告诉我们一个无限大的答案,因为它正好以光速传播。但是无限并不意味着物理失效;它们有时候意味着物理行为的不直观。当光子以光速运动时,这意味着:光子不会有质量;如果有质量那么它以光速传播时就会携带无限大的能量。所以光子必须是无质量的。光子不会感受到自己在空间中传播,因为光子传播方向的距离都会收缩成一个点。
光子不会感受到时间的流逝,整个旅途中对于它来说都是瞬时的。
从我们角度看,光从太阳传播到地球需要八分钟的时间;而从光子的角度看,这是瞬时的。对于地球上的观测者来说,我们接收到太阳辐射出来的光子是八分钟之前的。虽然我们能感受到这八分钟时间的流逝,但是光子本身并没有体验到任何时间的流逝。当我们观测宇宙中遥远的星系时,从银河系上的观测者来说,星系辐射出来的光子要花几十亿年的时间才能到达我们。
在这个过程中,膨胀的宇宙导致空间的拉伸,光子的能量也因此迅速减少,即宇宙红移。尽管对于我们来说这是一个非常遥远的旅途,但对于光子来说它并没有感知我们所感知的时间:它只是简单的被辐射出来,然后瞬时被吸收了,没有体验到任何的时间流逝。就我们目前所知,光子是永远不会老去的。