事实上,这个问题的核心是“观察者时间”和“光时间”的混淆,而答案就在于爱因斯坦的狭义相对论“时间相对论”。要理解这一点,有必要澄清两个重要问题:什么是光年?为什么“感觉”到光的时刻与我们看到光的时刻不同?首先,我们必须澄清,光年是距离单位,而不是时间单位。它的定义很简单。光在真空中以每秒299,792,458米的速度传播一个地球年(约365天)的距离约为94,600亿公里。
因为宇宙太大了,所以我们用光年来表示宇宙的规模。例如,距离我们太阳系最近的恒星比邻星距离我们约4.22光年。如果用公斤来表示,这个数字就变得难以想象。因此,“光行一年”是对“观察者的观点”的描述。人类为了计算方便而给予光年。这里的“一年”是我们(静止或缓慢移动的观察者)感知的时间。然而,光的“时间感”与我们完全不同。这给我们带来了狭义相对论的核心结论之一。换句话说,你移动得越快,时间过得越慢。这就是“时间延迟效应”。
例如,如果您乘坐以接近光速飞行的航天器飞往比邻星,从地球上看大约需要 4.22 年才能到达。然而,从你自己的角度来看,飞船内部的时间变慢了,可能只需要几天,甚至几个小时,就可以到达比邻星(具体时间取决于飞船接近光速的程度)。速度越接近光速,时间膨胀效应就越明显。当速度达到光速时,时间的流逝就“停止”了。光子以精确的速度传播光。根据相对论,当物体的速度等于光速时,它的“本征时间”(物体本身感受到的时间)趋于于零。换句话说,从光的“视角”来看,无论航班飞行多远,从出发到到达都没有时间流逝,似乎结束于“瞬间”。
例如,人们观察到光从太阳到地球大约需要8分钟,但光本身没有这8分钟;一旦“离开”,就“到达”。同样,在我们看来,旅行一光年的距离需要一光年,但在光时间内,这种飞行根本不需要时间。一个常见的误解是:“如果光的时间停止了,是否意味着光不会老化?”事实上,这是事实。光子没有“寿命”的概念。早期宇宙发出的光(例如宇宙微波背景辐射)在它自己的时代仍然是“新生”d 空间,尽管它已经旅行了 138 亿光年。因为那个时间从未过去。我们可以观察这些古老的灯光。因为他们在我们的时间尺度上走了 138 亿年。那么为什么会出现这个“观察者时间”,和“光时间”有什么区别呢?基本上,这是因为空间和时间是相对的,而不是绝对的。
虽然经典物理学认为“时间是平等流动的,对每个人来说都是一样的”,但相对论表明,当运动状态发生变化时,时间和空间就会“扭曲”:速度改变了时间的流动,质量扭曲了空间的结构(类似地,前面提到的黑洞扭曲了时空)。光作为宇宙中唯一以光速运动的粒子,自然表现出最极端的时间相对论。也就是说,时间停止,距离在透视上“缩小”(即“长度收缩效应”;当你接近光速时,沿光速方向的长度物体的运动减弱,当达到光速时,长度变为零)。简单概括一下,“1光年”就是我们人类在地球时间中测量的“观测时间”。而且由于光本身的“固有时间”为零,因此光传播的距离“不需要很多年”。
这并不是矛盾,而是相对论揭示的空间和时间的本质,即时间和空间并不是独立存在的。它们相互缠绕并根据运动速度而变化。我给她蒙上面纱,光的质量就是这个时空游戏“创造规则”的东西。理解这个谜团不仅有助于澄清光年的定义,还可以直观地感受到理论的奇妙。在宇宙尺度上,时间和距离之间的关系比我们日常认识的要复杂得多。这些看似“反直觉”的定律构成了我们理解宇宙的基础。
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