有位朋友提出一个奇怪的问题:假如我正在和某人通话,突然自身以光速运行,通话质量会如何?
怎么会突然自身以光速运行呢?时空通讯只能假定这位大侠是乘坐在光速飞船里。尽管所谓的光速飞船永远只能是一个梦想,但也不妨来个时空通讯科普解梦。
这个某人是谁?你与某人有多远?你所谓的光速运行是朝什么方向?
“某人”是谁是你的隐私,这里不讨论。
但你与“某人”有多远以及你突然以光速运行是朝那个方向走似乎值得分析一番。
你与某人通话我只能理解为现在的电话。现在的电话用的是电波,不管是无线电还是有线电,不管是微波还是长波中波,都是光波的一种形式,其传播速度都是光速。
你突然以光速离开,离开的速度也是光速。
光速是我们这个世界迄今认识到的最高速度,没有比光速更高的速度了,在真空中传播的速度为每秒约30万公里。
你与某人的通话距离当然就很重要了,比如你如果是在月球与某人通话,月球距离地球平均约38.4万公里,是光速1秒多点的距离,因此你与他通话就有1秒多钟的延滞,你在地球说一句话,你月球那位“某人”要1秒钟后才能够听到。
而如果你的那位“某人”在太阳系最远的行星海王星上,那里距离我们约45亿公里,光速需要走15000秒,也就是约4.17个小时。
你在地球上说一句话,你哪位“某人”要过4个多小时才能够听到,在等他或她回话,就要8个多小的等候了。
现在问题是你提出个突然以光速运行,是朝着你那位“某人”运行呢?还是背着那位某人运行呢?或者是既不背着又不向着,而是横着运行呢?
在给出答案之前,我想先说说声波的性质。
声波有频率,就是每秒钟震动的次数。根据频率不同,分为次声波、可闻声波、超声波。
人能够听到的声波为可闻声波,频率在20Hz~20000Hz之间。20Hz以下频率称为次声波,20000Hz以上频率为超声波。次声波和超声波人是听不到的。
声波还有波长,波长计算公式为:λ=c/f
就是波长λ等于波速c除以频率。
人对声波频率感知范围为20Hz~20000Hz之间,声音在空气中的传播速度约340米/秒,这样得出人感知的声波等于λ=340/20~20000=17m~0.017m。
也就是说人说话或者能够听到的声音波长在17米到0.017米之间,我们取一个10米波长值来作为你和“某人”打电话的声音,那么你突然以光速离开或者靠近或者横着移动会是一个什么效果呢?
这里我们要了解一下生波的多普勒效应。
声波的多普勒效应早在1842年,就由奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒提出,并被验证,因此,这个效应就以其名字命名。
我们在生活中常常可以体验声波的多普勒效应:当一列火车或汽车鸣笛向你开过来时,你听到的声音会变高;而离你而去时,听到的声音就变低。
这是因为声波在运动中频率会发生变化,即波在波源向观察者移动接近时,接受频率会变高;而波源远离时,接受频率会变低。观察者也就是接听者移动也是一样的结论。
波源或者观察者移动速度与频率的关系表达式为:f=(u+v)/λ或f=(u-v)/λ
式中,f为接收到的频率(Hz),u为波速(m),v为观察者或波源移动速度(m),λ为原有波源波长。
后来人们发现各种波都具有多普勒效应,电磁波也不例外。
我们现在使用的手机也是如此,当向基站移动时,频率变高,反之频率变低。因此在远距离通信以及高速移动物体通信时,必须考虑多普勒效应影响。
如人类发射到太空的各种探测器和卫星,都需要根据多普勒效应予以调整,地面基站才能够接收到清晰的信号。
光波也有多普勒效应,但光波的频率变化是通过眼睛观测而不是耳朵听到的,因此表现出来的是颜色变化,科学家们观测远方的恒星,如果像我们运动,看到的谱线就是想紫光方向移动,称为蓝移;如果远离我们而去,则谱线向红光方向移动,称为红移。
宇宙在膨胀就是根据星光普遍红移确定的。
下面我们来说说在光速移动状态下,通话会发生什么情况。
根据题意突然以光速运行的假设,可能会有三个结果,即向声源靠近,也可以认为向接听者靠近,接听者所能听到的声音频率为:
根据f=(u+v)/λ公式计算:
f=(340+300000000)/10=30000034Hz
这个频率是30MHz,也就是每秒震动3000万次,是超高频率的超声波;而且根据波长公式,这种频率声波波长只有0.0000113米了。
根据前面交代的人类能够听到声波频率和波长,这种频率和波长的声音人是无法听到的。
那么如果声源以光速远离呢?
根据f=(u-v)/λ公式计算:
(340-300000000)/10=-29999966Hz
声波在20Hz以下就叫次声波,是人无法听到的,次声波最小的频率就是大于0到20Hz之间,这里的计算结果为负,而且负得很多,就是次声波也做不成了。
这种声音是不存在的,也就是没有声音,怎么能够给听到呢?
那么以光速横移呢?离开的速度就可能不是光速了,但快慢要看平移的角度,但这个速度也减不了多少,除非你距离“某人”有1光年距离,才可能对离开的速度有较大影响。
现在我们假定按一半光速来计算,看看多普勒效应是什么结果。
(340+150000000)/10=15000034Hz
(340-150000000)/10=-14999966Hz
得出的结果也不是人能够听到的。
因此即便按照这种经典的理论,在光速离开或者接近声源时,你根本就无法与“某人”通话,也无法听到他的回声。除非接听者不是人。
当然这些在光速面前都是扯淡,如果光速离开,电波与光速同步,是追不上的,声音永远也无法到达你的耳膜。
现在来说说突然光速运行假设不成立的理由。
爱因斯坦狭义相对论认为,任何有静质量的物体都无法达到光速,别说一艘飞船和乘员,就是一只蚂蚁,一个质子和电子也不行。
100年来科学家们通过各种观测发现和实验,已经无数次的证明了这个理论的正确。
在大型加速器里,人们用巨大的能量加速微小的质子或者各种粒子,再大的能量也只能使质子或粒子束接近光速,而无法达到光速。
而且越接近光速能量和质量越趋于无限大。这就证明了爱因斯坦关于物质达到光速,动质量将达到无穷大的论断。
无穷大是什么意思?就是一个质子要达到光速,动用全宇宙的能量也做不到,因为宇宙质量和能量都不是无穷的。
这就是一个悖论。
光速限制表达式为:E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)
这个公式表达的是,静止质量为m的粒子以速度v运动时所需的能量。
从中,我们可以得出,速度越高所需能量越大,当v趋近于光速c时,能量趋于无穷大。
时间膨胀效应也将使通话无法进行。
狭义相对论告诉我们,在高速运动的参照系中,会发生时间膨胀,产生尺缩钟慢效应。
狭义相对论速度时间膨胀计算公式为:t‘=t/√[1-(v/c)?]
式中,t‘是速度时间膨胀效应值;t是低速系观测者第一个时钟时间记录;v是第二个时钟相对第一个时钟的移动速度;c为光速。
时间膨胀效应已经在太空航行中得到无数的验证,证明这个理论是正确的。
GPS定位卫星如果不按照时间膨胀效应来调校原子时钟,就无法与地面时间对应,而使导航定位失之毫厘谬以千里;发射的太空探测器和各种卫星,如果不用这个理论调校,也不能精准导航和计算航线,无法到达目的地。
时间膨胀效应告诉我们,在高速惯性系里的时间与观测者的时间不一致的,高速系中的时间速度越快,时间越慢。达到光速,时间停止,空间为零。
光速系中的体验者似乎时间没有过1秒,世上已过千年万年甚至亿年,这就是光速的多普勒效应。
在这样一个不同的时间参照系中,你觉得还能够相互通话吗?你在地球上说的一句话,在1亿年后能够传达到光速飞船里吗?那时“某人”已经到哪去了?你不知,我也不知。
因此光速极限理论和时间膨胀理论告诉我们,达到光速运动只能是痴人说梦或者幻想,而假设的光速运动中也不可能与外界通话。
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