「闪电侠努力以光速奔跑,他发现自己跑得越快,身体就越重。这难道不是对爱因斯坦狭义相对论的教科书式的解读吗?」
熟悉超级英雄漫画的人都知道,闪电侠的速度超过声速时会产生音爆。为什么当一个物体的速度大于或等于声速时,就会发生“爆炸”呢?我们如何基于这一点来理解爱因斯坦的狭义相对论呢?
我们先讨论爆炸,再来说爱因斯坦。假设你站在田野中,闪电侠以声速(每秒1/5英里)向你跑来。如果他从距你10英里处开始跑,那么他会在50秒后来到你面前。如果他在起点处说“闪电”,然后在距你5英里处说“规则”,你会听到什么呢?如果闪电侠的速度比声速慢,那么“闪电”这两个字会早于他到达距你5英里处,然后他才会说出“规则”。结果是,你会先清晰地听到“闪电规则”这几个字,紧接着闪电侠来到你面前。
如果闪电侠的速度比声速快,他会先于“闪电”一词到达距你5英里处。他在那里说出“规则”后接着朝你跑过来。因为“规则”这个词需要传播的距离较短,所以它会比“闪电”这个词更早地到达你的耳膜。结果是,你会听到跟原来顺序颠倒的词组——“规则闪电”。而且,闪电侠来到你面前后,你才会听到这组词。因为闪电侠的速度超过声速,所以他能比声波更快地到达你面前。
如果闪电侠的速度刚好等于声速,他在起点处说出的“闪电”一词就会跟他一起到达距你5英里处。当他说出“规则”时,这个词会与“闪电”同时从5英里处朝你而来,在25秒后你会同时听到这两个词。结果是,你听到的既不是“闪电规则”,也不是“规则闪电”,而是它们重叠在一起。声音是一种压力波,所以两个词的声波重叠所产生的振动比单个词更大。
即使闪电侠什么都不说或者什么声音都没有,他在奔跑过程中仅是推开空气所引起的扰动也可以制造出压力波,当他从你身边跑过的同时,你会听到如雷鸣般的声音(或者说“音爆”)。如果闪电侠的速度比声速快,也会造成同样的扰动。但在这种情形下,他跑过你身边之后,以声速传播的音爆才会传到你的耳朵里(而闪电侠说的“闪电规则”这几个字则完全被淹没在音爆中)。
射击时的枪声或者猫女挥鞭子的声音,都是子弹或鞭梢的速度比声速快所产生的迷你音爆。
现在的漫画编剧已经意识到,闪电侠制造的这种音爆会伤及无辜。在2004年的《DC:新的疆域》中,白银时代的英雄再次回归。故事发生在20世纪50年代,英雄们初次登场,编剧达尔温·库克描绘了这样一个场景:闪电侠从中城(大概位于美国中西部)跑到了内华达州的拉斯韦加斯。他在一个文本框里写出了闪电侠奔跑过程中的想法:“跑出城市边缘之后我才能突破声障,这是几经探索之后得出的经验,而且不能让飞溅的玻璃伤害行人。”
闪电侠说到做到,就像《闪电侠》第202期(第2册)中描绘的那样。在这个故事里,闪电侠失忆了,他穿着普通人的衣服,不知道自己拥有超级速度。当遭遇街头流氓打劫时,他本能地做出了反应,结果他的极速运动震碎了整个街区的玻璃,周围的建筑也都被严重损坏。
不管你听到的是“闪电规则”还是“规则闪电”,只要你的视力够好,你就能通过闪电侠的口型判断出他到底是以什么样的顺序说出了这两个词。这是由于从闪电侠身上反射的光比声音的传播速度更快(前者的速度是每秒186000英里,而后者的速度是每秒1/5英里)。
我们也是通过比较闪电和雷声间隔的时间,来确定雷暴的距离。
如果闪电侠的速度接近光速,结果又会怎么样呢?
根据爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论(之所以叫“狭义相对论”,是因为其没有考虑重力作用,直到1915年他提出广义相对论时,才将重力因素考虑在内),对于以接近光速运动的物体,其运动距离和时间、质量等方面都会发生奇怪的变化。此时此刻并不适合我们展开讨论相对论,如果要认真地讨论这个问题,一本书都讲不完。所以,我只想简单论证一下以接近光速运动会对物体产生什么样的影响。
狭义相对论可以概括为两个看似简单却富有洞察力的观点:第一,物体的运动速度不可能超过光速(对不起!超人和闪电侠),对于每个人来说光速都是一样的,不管他以多快的速度运动;第二,物理学原理适用于每一个人,不管他是运动的还是静止的。
第一点似乎很奇怪。
假设子弹的速度是每小时1000英里,闪电侠的速度与飞行的子弹一样,在我们看来,对于与子弹做同向同速运动的闪电侠来说,那颗子弹是静止的(正因为如此,他用手一挥就能轻松地拨开子弹)。但是,对于静止不动的你和极速奔跑的闪电侠来说,光速都是每秒186000英里。
就算闪电侠的速度是光速的一半(每秒93000英里),光相对于他的传播速度也不是每秒93000英里,而是每秒186000英里;而与此同时,对站在街角静止不动的你而言,光速也是每秒186000英里。这是为什么呢?
当闪电侠跑向你的时候,他可以将自己视为相对静止的,而你正在朝着他跑去。根据狭义相对论,你和闪电侠两人都得认可光速为每秒186000英里。
为了实现这一点,爱因斯坦认为,从你的角度看,闪电侠会显得更“单薄”(也就是说,他在行进方向上的距离看起来被压缩了),时间对于他来说过得似乎比你慢。从闪电侠的角度看,他手里拿的码尺还是一码长,他的手表还在照常走时,所以他也会对你得出相似的结论(在他看来,你的运动距离被压缩了,时间对你来说过得更慢)。
要想测量奔跑的闪电侠手里拿的标尺有多长,你就要看尺子的前端和后端,计算它们经过某一点的时间。对于两个做相对运动的人来说(比如奔跑的闪电侠和静止不动的观察者),如果他们分别处于不同的时间和空间,对于两件事是否同时发生,他们将很难达成一致的意见。
两个观察者对事件发生的次序存在分歧,这个观点肯定不是爱因斯坦首先发现的,也不是狭义相对论独有的。正如列夫·朗道和G. B. 罗默在《什么是相对论?
》这本著名的小册子中所说,即使两个观察者都是静止的,他们仍可能对事件的发生次序存在分歧,这取决于他们相对于某个物体的位置。(比如,到左边的房子去。哪座房子?谁的左边?我的左边还是你的左边?)在1967年12月的第175期《闪电侠》中,这种模糊性在“宇宙尽头的赛跑”这个故事的高潮部分发挥了关键作用。
外星人强迫超人和闪电侠赛跑,终点是银河系的尽头,从表面上看这是一场因打赌而产生的比赛。
然而,这些外星人隐藏了他们的真实目的,他们的真正意图是摧毁闪电侠和超人。比赛结束后,美国正义联盟的成员们查看了监控器。从安装在终点线左侧的监控器上查看比赛结果的联盟成员宣称超人赢得了比赛,而从终点线右侧的监视器查看结果的人则认为闪电侠是胜利者。这部漫画生动地诠释了狭义相对论的一个基本原理,即当物体高速运动时,不同的观察者对事件的先后次序的意见会有所不同,甚至完全相反。
在1967年,不止一位读者发现,故事的结尾并没有明确的赢家,这其实是一个巨大的骗局。信息的传播速度不可能比光速更快,因此对于事情发生的先后顺序,人们经常会意见不一致。要想让每个人对光的传播速度达成一致的意见,就先要承认物体之间的距离会因为运动变短,时间也会变慢。
当涉及那些能够以光速运动的人物(比如末日巡逻队中的底片人和惊奇队长,后者指20世纪80年代后期复仇者联盟中的那个非裔美国女英雄,她能够将自己的身体变成一系列光子)时,漫画里的情节常常会有漏洞。故事里的其他人看不到这些英雄,因为他们的速度与光速一致,所以光不会从他们身上散射出去。又或者,远远看过去他们就像一道闪电,但离近了就什么都看不到了。
宇宙所允许的最大速度就是光速,当闪电侠越跑越快的时候,你可能会觉得他能突破这个限制,但这是不可能的。其中的原因在于,从一个静止的观察者的角度来看,他跑得越快,进一步加速就越难。根据牛顿第二定律(力等于质量乘以加速度),如果他奔跑的双脚所施加的力保持不变且没有产生相应的加速度,那么他的质量必然在增加。
因此,除了时间变慢、距离缩减之外,他跑得越快,他(相对于我们这些“慢吞吞”的观察者而言)的质量也越大。漫画里曾经提到了这一点。在《闪电侠》第132期里,闪电侠尝试以光速奔跑,但他发现自己其实“慢下来了,我跑得越来越慢,即使我使出全力……”如图1所示,“闪电侠突然意识到一个残酷的事实”,即他无法跑得更快,因为他越来越重。当然,那些了解爱因斯坦狭义相对论的人肯定知道其中的原因。
在图2中,一个外星人向他射出了“重力增大射线”!不考虑上下文的话,图1确实为爱因斯坦狭义相对论提供了一个极好的例证。
在《美国正义联盟》第89期里,闪电侠需要在顷刻之间转移走韩国清津的512000个大人和小孩,让他们躲开即将爆炸的原子弹。为了完成这个壮举,他必须以接近于光速的速度移动。当他成功地拯救了这个城镇的所有人,跪在山顶上时,书中提到了极速运动的后果。
正如文本框里的文字所描述的:“他逐渐从接近光速运动产生的副作用中恢复过来,目光转向被火焰吞噬的清津。”当然,对于闪电侠而言,他是静止的,而他身边的世界正在运动,且质量在增加。
顺便提一下,爱因斯坦在认识到物体动能的增加会带来质量的增加之后,创造出这个伟大的方程。
时间旅行如果说没有什么物体能比光的速度快,那么闪电侠的宇宙跑步机是如何帮他穿越时空的呢?我必须很遗憾地指出,时间旅行是不可逆的。
物体的速度越接近光速,对于静止的观察者而言,时间流逝得越慢。正如下文要讨论的那样,质量会随着速度的改变而改变,并且会遇到一个障碍(我想可以称之为“时间障碍”),这个障碍让物体无法达到或超过光速。所以,时间会变慢,但不可能倒退。然而,如果一个人的移动速度足够快,那么穿越到未来还是有可能的,而且是很久以后的未来,而非一秒钟之后。
在2006年出版的《超级英雄战队》第16期(第5册)中,超级少女突然从21世纪飞到了1000年以后。她一直在追踪一枚外星人的导弹,外星人想征服地球,于是发射了速度惊人的导弹,试图毁灭地球。这枚导弹的飞行速度接近光速,超级少女已经追踪了3天了。最后,她终于追上了这枚导弹,并将其摧毁。而此时,她遇到了生活在3006年的一群超级英雄少年,也就是超级英雄战队,她加入其中,由此开启了一系列冒险之旅。
超级少女和超级英雄战队时不时就会流露出不解的思绪,不知道她是如何追着导弹穿越到1000年之后的。对于她的时空穿越之举,漫画中给出的最终解释是,因为她穿越了“泽塔光束”,这种光束能让人跨越到很遥远的未来。但实际上,爱因斯坦的狭义相对论能为其提供一种更合理的解释。从观察者的角度看,超级少女追上导弹用了3天时间。但对她自己而言,她和导弹基本上是相对静止的,而宇宙正以极快的速度从她身旁经过。
如果在超级少女看来,宇宙的运行速度接近光速,那么她会观察到一个戏剧性的时间膨胀效应。根据爱因斯坦方程,如果超级少女的速度是光速的99.9999999963%,那么在她追踪导弹的这3天,对于地球上静止不动的一个人来说,已经过去了1000多年。当她终于放慢脚步停下来时,她发现自己来到了1000多年之后的世界。
因此,物理上存在一种有效的穿越到未来的方法,但要注意:第一,对于任何大小的物体来说,想要达到这么快的速度需要消耗极高的能量;第二,这是一趟单向旅程,无法让你再回到过去(但在漫画中,“泽塔辐射”最终消失了,超级少女又回到了21世纪的世界,继续在她自己的漫画故事中冒险)。
那么,经常以极快的速度飞回过去的超人又如何呢?
华纳兄弟1978年出品的电影《超人》中有一个这样的场景,为了消除一场毁灭性地震造成的影响(尤其是露易丝·莱恩的意外死亡),超人绕着地球飞得太快以至于颠倒了时间的方向。这可能吗?我们仔细审视一下这个场景,估计出超人在地球上空的高度、飞行轨道的距离、飞行的周数以及需要花费的时间。基于这些数据,我们可以得出结论:超人的速度确实能达到光速,甚至超过光速,但却不能拯救露易丝·莱恩的生命。
他若以如此快的速度运动,就会穿越到遥远的未来,像他的堂姐超级少女那样,也许他能拯救莱恩的子孙后代,但却无法挽救莱恩的生命。
虽然闪电侠不用时常担心距离收缩(其专业术语为“洛伦兹收缩”)的问题,但是时间变慢或者说“时间膨胀”差点儿暴露了他的秘密身份。虽然闪电侠是世界上奔跑速度最快的人,但他的现实身份——巴里·艾伦却有个问题,那就是他每次约会都会迟到。
他的未婚妻爱丽丝·韦斯特总在抱怨巴里太拖拉,希望他能向闪电侠学习,而根本没有意识到他们俩是同一个人。如命中注定一般,爱丽丝的父亲也注意到巴里常常约会迟到,并且如《闪电侠》第141期“放慢时间”中所描述的,他对于巴里的手表走时总是比正常时间慢感到十分好奇。爱丽丝的父亲物理学教授T. H. 韦斯特,怀疑巴里的手表之所以走时慢,是因为他变身成闪电侠行侠仗义时,因高速运动而产生了时间膨胀效应。
韦斯特发现有人抢劫,于是打电话告诉巴里有人正在实施犯罪,并要求巴里把手表的时间校准。韦斯特知道闪电侠肯定会以超快的速度去追赶这些罪犯,所以他打算稍后见到巴里的时候,看一下巴里手表的走时是否慢了。这个方法本来是可以奏效的,但巴里在与韦斯特会面之前又校准了手表的走时,因为巴里觉察到了韦斯特让他校准手表时间的意图。
正如故事所述,巴里说:“我本人作为一名科学家,也非常了解爱因斯坦的相对论,以及超高速运动对时钟的影响!”所以,有时就连物理学教授想要破解这位速度之王的秘密,也会碰钉子。
在理论物理学中,有一种物质的速度可以超过光速,那就是被称为“快子”的粒子,它的速度永远大于光速。在某些情况下,这种粒子甚至可以回到过去(《守望者》中的阿德里安·维特利用这种粒子,使曼哈顿博士失去了预知未来的能力)。
“快子”概念的提出,原本是为了检验狭义相对论的某些结果。据我们所知,这种粒子并不是真实存在的。更重要的是,就算它们像花花草草一样常见,仍然不可能和我们的真实世界存在任何交集,因为在我们的世界中,没有任何物体的速度可以超过光速。闪电侠可以借助他的宇宙跑步机在过去与未来之间穿梭,但是这台跑步机的真正功能不过是让闪电侠做做有氧运动罢了。
超人和闪电侠靠着他们的超能力穿越时空,这当然也未能逃过物理学家的眼睛。在本书的英文版第一版出版之后,有人给我讲述了一个故事,内容是关于超人对时空连续性的干扰。早在20世纪50年代,麻省理工学院的一群物理学专业的学生就已经写信给莫特·韦辛格(当时的超人漫画编辑)。他们抱怨说,在最近一期漫画中,超人明显飞得比光速还快,这与爱因斯坦的理论相矛盾。那么,韦辛格是怎么回复的呢?
据说,他的回答是:爱因斯坦的理论只是理论,而超人才是事实!