很多人都對愛因斯坦的時空旅行感興趣,全球科學家都證實時空旅行确實理論可行。
但為什麼時空旅行可行,幾乎所有的文章都非常生澀難懂,全篇都是密密麻麻的證明公式,不利于普通人的理解。
于是我今天就用簡單的語言,把最核心的幾個東西抽出來,公式省略,寫一篇讓人一看就懂的東西來解釋時空旅行的原理,做我最擅長的科普工作。
要理解為什麼時空旅行可行,首先要理解光速不變原理,因為光速不變所以才存在了時空旅行的可能。
從字面意思來說,光速不變指的是物體的速度永遠不可能超越光速,但實際并不是的,物體的速度是可以超越光速的,但這要看你采用了哪個參考系。
光速有一個非常重要的特性,嚴重颠覆普通人的認知,隻要你理解這一點就會消除大部分對于時空旅行的誤解。
假設你在宇宙飛船上,向前發射了一束光,光以光速,也就是30萬公裡每秒的速度前進,然後你立即啟動飛船,以10萬公裡每秒的速度向前追趕這束光。
請問此時這束光遠離你的速度是多少?
按正常人的理解,光向前30萬公裡每秒,你向前10萬公裡每秒,所以此時光遠離你的速度應該是20萬公裡每秒。
錯,此時這束光遠離你的速度依然是30萬公裡每秒。
不管你追趕這束光的速度多塊,哪怕你從10萬公裡每秒加速到20萬公裡,30萬公裡乃至于100萬公裡每秒,光永遠比你快30萬公裡每秒。
在你自己看來,你的速度也許達到了100萬公裡每秒,超光速了,但在旁觀者眼裡,你還是比光速慢,因為光永遠在你前面,且以一個恒定的速度遠離你。
所以在你自己的參考系裡,是可以超光速的,但在其他人的參考系裡,你沒有超光速,也沒有任何人可以超光速。
很奇怪吧,但還有更奇怪的。
如果你在向前發射這束光後,立即以10萬公裡每秒後退,遠離這束光。
理論上說,此時這束光遠離你的速度,應該是40萬公裡每秒。
但實際上并不是,此時這束光遠離你的速度還是30萬公裡每秒。
哪怕你向後不斷加速,加速到30萬公裡每秒乃至于更高的100萬公裡每秒,光遠離你的速度還是30萬公裡每秒,不會快一絲一毫。
出現這種奇怪的現象是因為當你擁有速度後,你的時間和空間的關系就發生了扭曲,速度越快則扭曲的程度越嚴重。
你瘋狂增加你的速度,但光遠離你或接近你的速度卻是固定的,那你多出來的速度哪去了?
轉化成了時間。
你瘋狂加速,達到了超光速,速度10倍于光速,10光年的距離你一年就到了,但實際上你的速度永遠低于光速,其他人看你還是按低于光速的速度慢慢飛過來的,但其他人過了10年,你這裡才過了1年,所以你感覺自己一年就到了,肉體也隻衰老了一歲,看起來好像是超光速了。
這就是時空旅行的理論基礎。
有人說,這都是扯淡,都是歪理邪說,利用大量讓人看不懂的公式反複推導出來的謬論,沒有任何證據。
如果沒有證據,那時空旅行就是個假說,不會被當成理論,也不會那麼火。
證據當然是有的,而且很常見。
1971年,為證實愛因斯坦這一颠覆常識,怎麼看都很扯淡,但偏偏從理論和公式層面怎麼都找不出漏洞的光速不變原理,科學家設計出了鐘慢實驗。
人類确實不能達到很高的速度,但按愛因斯坦的理論,哪怕速度僅有1米每秒,也會發生時空扭曲,隻不過扭曲的程度很微弱而已。
既然如此,那就代表時空扭曲是可以測量的。
铯原子鐘,人類最精确的計時工具,每經過一千萬年,誤差最多不超過1秒。
科學家把四台铯原子鐘分别放在兩架飛機上,然後在地面上放一台铯原子鐘作為參考種,在地面上把五台铯原子鐘進行了校準。
然後一架飛機向東飛,一架飛機向西飛,搭配地球自轉獲得一個很高的速度差值。
繞地球飛一圈,回到原機場,讓我看看時間到底有沒有變慢或者是變快,反正無論多小的誤差我都是可以測出來的。
結果向東的飛機,落地後比地面的铯原子鐘慢了59納秒。
向西的飛機,落地後比地面的铯原子鐘快了273納秒。
和根據愛因斯坦時空理論計算出來的數值幾乎完全一樣!
這就是鼎鼎大名的鐘慢現象,也是時空旅行可行的最核心證據,現在鋪天蓋地的時空旅行電影都是從這個實驗被證實,全球科學家廣泛接受之後才開始拍攝的。
有人說,這個什麼铯原子鐘,有問題吧,反正我覺得是鐘有問題,或者是測量有問題,絕對不是時間變慢了,這還是在扯淡。
而且就算是真的,又有什麼用,卵用沒有啊。
别急,還有證據。
發現了鐘慢效應後,科學家利用不同速度下時間會發生改變這一特性,終于解決了太空衛星對地面精準定位的辦法。
我們都知道要精準定位一個點,需要精确描述這個點和衛星之間的距離,而不管用什麼手段測量距離,都必須要使用時間這個參數。
在以前,不管用什麼辦法測量距離,都會産生極其恐怖的誤差,科學家百思不得其解。
這個誤差有多離譜?
同樣的辦法計算出的坐标,每天都偏差11公裡之多。
今天算出來的坐标點精準定位在天安門。10天後再測,能偏110公裡之多,定位點都跑到河北了。
最核心的原因,就是導航衛星上的時間流逝速度和地面上不一樣,如果采用同樣的時間參數進行計算,就會得出非常離譜的距離差距。
這個時間流速的計算很複雜。
假定GPS衛星以每小時1.4萬公裡的速度繞地球飛行,那麼根據運動速度越快則時間越慢的狹義相對論,每天衛星上的時間都會悄悄比地面慢7微秒。
同時根據廣義相對論,任何質量都會扭曲身邊的時空,質量越大則扭曲程度越厲害,而衛星的高度遠遠高于飛機,距離地面大概2萬公裡,遠離地球,所處時空受到地球質量的扭曲效應會小得多,所以地球表面的鐘每天會反過來比衛星上的鐘慢45微秒。
兩者疊加計算,導航衛星上的原子鐘每天會比地面快38微秒,然後折算進每分每秒進行校準。
這就是時空效應在衛星導航上的應用。
時空時空,時間和空間,當時空的扭曲程度不一緻時,如果你非要保持時間不變,那空間就會出現巨大的誤差。
如果你要保持空間不變,就必須要修正時間。
根據衛星的高度和速度,不斷算出衛星目前被扭曲的時間流速,然後每時每刻不斷修正導航衛星的铯原子鐘參數。
GPS對地面的定位精度是10米還是1米還是更低,完全取決于工程人員對铯原子鐘時間參數的修正程度。
衛星被扭曲的時間流速算的越精準,GPS對地面的定位精度就會越高。
你手機上使用的衛星導航,以及國家的軍事導航衛星,必須每時每刻都在修正自己的時間。
不懂愛因斯坦的時空旅行理論,或者不認可,那你的國家就永遠不可能設計的出衛星導航系統。
每天偏差11公裡的定位精度,和每時每刻都保持在10米乃至于1米的定位精度,這簡直是天差地别。
衛星的速度相對于汽車和飛機來說很快,但相對于光速而言那簡直是九牛一毛。
如果人類不斷提升物體的速度,那時空扭曲程度就會飛速提升。
你的速度越快,“鐘”就越慢。
而且時空旅行并不取決于運動的方向,隻取決于物體的速度。
因為無論你向哪個方向飛,光從任意方向遠離你的速度或者接近你的速度永遠是光速,這一奇怪的特性導緻你向任意方向超高速飛行,時間都會發生巨大扭曲。
超高速度的你,明明感覺自己隻過了一年,但留在地面上的親戚卻認為你已經飛行了十年。
如果你瞬間掉頭,重新向地球飛,依然是超時空旅行狀态,時間不會因為你運動方向截然相反而倒流,你的時間流速依然你地面親戚塊。
如果你從超高速狀态不斷減速,那時間也并不會倒流,不斷減速隻會導緻你的時間變慢現象不斷的減弱,你的時間流速開始不斷和地面上的親戚靠攏。
當你減速到和地面親戚等同的速度時,你們之間的時間流速會重新變得相等,但并不代表裡面的9年時間差會回來,這9年時間就永遠失去了,莫名其妙的沒了,再也不可能回得來。
超時空旅行前,你20歲,你親戚也是20歲,然後你用一年時間跑了10光年。
回地球後,你21歲,但你的親戚已經30歲了。
在你看來,你在飛船上隻渡過了一年,每天打牌,時間計算的清清楚楚,除以運動的距離10光年,得出自己是在超光速運動,速度已經達到了10倍光速。
但在地面親戚看來,你始終沒有達到光速,永遠比光速低一點,實際上你是花了10年多一點的時間才完成了這10光年旅途,他自己老了10歲就是證據。
這就是時空旅行,讓不同人的時間發生錯位。
為了解釋為什麼你不斷消耗能量去加速卻永遠達不到光速,隻會讓時間變得越來越慢,間接超光速,人類用質增效應去解釋。
簡單的說,但你不斷加速的時候,隻有你自己感覺自己是超光速了,外界看來你隻會越來越接近光速,而随之帶來的是你的質量飛速增加,加速的能量都被轉化成了質量。
而你所在飛船上的時間變慢,則是因為自身質量飛速增加對周圍時空的扭曲。
當你不斷減速的時候,質量在飛速減小,對周圍時空的扭曲也減少,然後時間流速開始恢複正常。
所以物體可以超光速進行時空旅行,又不可以超光速,這并不矛盾,也不是愛因斯坦的相對論在狡辯。
但時空旅行并不代表能回到過去,理解了原理之後你就會知道這是完全不可能的事情,那完全都是電影為了凸出藝術效果而瞎掰的。
無論多快的速度,都隻會讓時間變慢,越來越慢,但再慢也不會是負數,永遠是個正值。
慢到極緻,你在飛船裡過1年,外界可能已經過了幾千年,但你在超光速飛船裡也永遠隻能活100年,以你自身為中心的時間參考系是永遠不會變的。
所以才叫鐘慢效應,鐘變慢了,外界看似你活了幾萬年,其實你還是隻活了100年。
鐘慢效應并不能改變宇宙飛船經曆的真實時間,但可以壓縮時間。
空間不能變那就扭曲時間,比如超時空旅行。
時間不能變那就扭曲空間,比如人類目前琢磨的所謂蟲洞或空間折疊。
反正時空是聯動的,想在星空中高速移動必須要扭曲至少一個,所以叫時空效應。
至于為什麼無論你向哪個方向飛,以多快的速度飛,光都會永恒的以光速C值遠離你或靠近你,為什麼光速會有如此奇怪的特性?
這個叫宇宙常數,沒人知道為什麼,科學家隻知道宇宙就是這麼運轉的,目前最頂級的宇宙常數就是光速C值,無人可以突破。
但時間流速可以不同,這個是切切實實存在的,證據一籮筐,天上的衛星和你我手機裡的導航系統就是證據,這個時間流速的差值雖然很微小,但确實是存在的,且時時刻刻都在影響你我的生活。
大量星辰的速度快的難以想象,還有很多星辰的質量大的難以想象,這說明宇宙裡存在大量時空嚴重扭曲的地方,這些地區的規則和地球完全不同,甚至連時間都不同。
而這,僅僅是宇宙神秘面紗的冰山一角,未知的宇宙規律還不知道有多少。
明白了這些,你才能夠理解宇宙的浩瀚和人類的渺小。
地球隻是個嬰兒搖籃而已,星辰大海才是人類的未來,因為那裡存在着無限可能。
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