不用任何公式,用白话就能说明:光速离开一年,地球上过了多久?

曾经这是一个很容易回答的问题,拿出光速的钟慢效应公式简单一算就知道了,但这样并不能说明问题,因为这个公式是狭义相对论中延伸出来的,属于暴力解决型,要让大家透彻理解这个问题,还真有点不容易,也许广义相对论可以。

牛顿的绝对时空观到底说了什么?

大神牛顿发现了三大运动定律和万有引力定律之后,一直试图解释引力是靠什么传递的,他借用了亚里士多德的以太的概念,来解释天体之间万有引力的传递。牛顿认为时间和空间是两个独立的概念,彼此之间没有联系,两者具有绝对性,尽管科学界对此也将信将疑,但苦于实在找不到引力传递已经反驳牛顿验证的方式,另外也看在三大运动定律和万有引力定律在天体观测中都解决了大量实际问题份上,大家就先信了牛顿的鞋,因此牛顿的以太说支持下的绝对时空观。

但好景不长,科学界的发现总是不断的挑战绝对时空观, 1859年法国天文学家勒威耶发现的水星进动问题首先就触碰到了牛顿的绝对时空观,因为怎么计算都发现水星应该和观测到的轨迹不一致,它肯定在太阳周围绕弯路了,但也缺少证据。

1887年的迈克尔逊莫雷实验则推翻了以太假说,当然科学界不会如此武断,这个实验断断续续到二十世纪初仍然在激烈讨论中。

如何通俗的来理解爱因斯坦的广义相对论

简单的说,广义相对论认为是质量改变了空间的结构,使得水星在太阳周围的弯曲空间中“迷路”了,这就是以绝对时空为依据计算和实际观测之间差异的根源,表面似乎只解决了水星进动问题,但事实上却是将牛顿的绝对时空观直接拉下了神坛。

广义相对论认为,时空是一个不可分割的整体,质量在改变空间的同时也改变了时间,这个结论是震撼的,比如说我们两个带着校准好的原子钟,旅行去了一个地方,回来却发现两个钟不一致了,这不是挑战认知么?事实上就是这样,能改变时间的不止是质量,还有速度。

广义相对论的时空观认为,时间和空间不是独立的概念,它们之间的纽带是速度,速度越快在单位时间内跨越的距离就越远,但就时空结构而言,这个速度有一个上限,那就是光速!光速就是时空的结构特性,也许我们可以简单的理解为,空间的距离就代表着时间,而这个衡量尺度就是光速!

因此当我们话题中的速度达到光速时,衡量空间的尺度就依然有效,但时间却处在了比较尴尬的地位,因为你会发现似乎不需要时间光速就能跨过这个尺度,当然这是针对光速旅行者而言,因为根据相对论时空观,观测者所处的位置时间仍然正常流逝,而对于观测者而言,光速旅行者已经永生,但这个理论却并不适用光速旅行者,因为光速旅行者的计时工具中时间依然在流逝,但这个时间与外界时间已经不再同步。

我们无法将一个停滞时间中的过去的一段时间换算成观测者所处的时空中的时间,因为这将出现一个除数为0的算式,所以对于这个问题:"光速离开地球一年,再以光速返回,那么地球上过去了多长时间?"需要寻求答案时,将会非常困难,因为这不可换算!

科幻小说和电影中描述

对于时间的描述,科幻小说《三体》中星环号载着死神程心以极度接近光的速度到达目的地,只用了52小时就跨过了在地球人看来需要287年才能到达距离,而事实上地球真正经过的时间就是287年,这就是速度的魅力!

关于质量影响时间,《星际穿越》中的形容是很透彻的,卡冈图雅黑洞附近的米勒行星受到引力影响,时间变慢,而轨道上的老黑却是普通时间,如果不是以广义相对论理解,那么这剧情就是BUG,但各位肯定不会这样认为。而最终库伯被关闭的五维空间丢到了土星附近,很多朋友问,库伯的宇航服内氧气有限,为什么被巡逻飞船发现是还没死?当然这是剧情需要,但从另一个角度来解释,黑洞内受到巨大引力影响,这是一个只能用理论物理来讨论的世界,时间?也许不需要的,外界多久都可以,对于库伯就像刚刚发生。