如果你超光速行走會看到什麼景象(圖文解析)
如果你超光速行走會看到什麼景象(圖文解析)
狹義相對論告訴我們,你運動得越快,時間流逝得越慢,而當運動的速度等於光速時,時間就停止流逝了。那麼超過光速呢?
許多人就認為,此時時間就開始倒流,也就是説超光速旅行意味着回到過去。在許多科幻作品中常會出現這種情節。
寫於1923年的一首關於狹義相對論的打油詩,就形象地體現了這種觀點:“有位叫布萊特的年輕姑娘,她行走的速度遠勝於光,她以相對論的方式,從某一天出發,卻已於前晚歸來。 ”
但狹義相對論也告訴我們,要把一個比光運動慢的物體加速到光速,你需要無限多的能量,更別提要超光速了,而回到過去常常會破壞因果關係,例如所謂的祖父悖論:如果你回到過去,並殺死你的處在幼年的祖父,那麼你怎麼會在之後出生並長大後回到過去殺死你的祖父呢?所以説,超光速旅行是一件不可能的事情。
不過,讓我們暫時假設一下,如果可以進行超光速旅行,那麼究竟會發生什麼呢?時間真的會發生倒流嗎?
最近,美國密歇根理工大學的物理學家羅伯特·涅米羅夫,利用一個非常簡單的模型對此進行了研究。對於相對論這麼複雜的問題來説,即使簡單的模型也含有如下一系列設定:
設定1:離地球10光年遠的地方有一顆X行星,正在以相對於地球為0.1c(c為光速)的速度遠離地球。
設定2:有一艘宇宙飛船從地球上的發射台上起飛,以恆定的速度駛向X行星;抵達X行星後立刻再次起飛,以相同的恆定速度返回地球,並停在離發射台不遠的停機坪上。相同的速度,指的是飛船去程時相對於地球的速度,與返程時相對於行星X的速度大小相同。這意味着,飛船返程時相對於地球的速度大小需要使用狹義相對論來計算。
設定3:為了計算的方便,飛船發射時的時刻設為0。
設定4:討論中所説的時間和距離都是相對於在地球上的觀察者而言的。
涅米羅夫對飛船在近光速、等光速、超光速等不同速度下的情形進行了計算。他的研究結果呈現出的是一個超乎想象的世界。
【0.1-1c:沒什麼奇怪之處】
不管怎樣,飛船的速度必須大於0.1c,否則追不上X行星。我們先來考慮飛船的速度為0.5c的話,看會出現什麼情況。
如果地球和X行星的距離一直不變,飛船隻需要20年就能抵達目的地,但由於X行星正在1/10光速的速度遠離地球,飛船需要25年才能追上它。抵達時,飛船與地球的距離將變為12.5光年。
鑑於光的傳播需要時間,地球上的你需要再過12.5年才能看到飛船抵達X行星。也就是説,飛船離開地球37.5年後,你才能在天文望遠鏡裏看到飛船降落在X行星的情況。
之後飛船立即返回,其速度相對於X行星仍是0.5c,但根據狹義相對論,相對於地球來説速度不是變為0.4c(0.5c減去0.1c),而是會變為0.4211c,這樣返程時間將變為29.69年,而飛船總共旅行的時間為54.69年。
但不管怎樣,地球上的你會看到,飛船就是直接離開了,抵達X行星,然後返回地球,不會看到有什麼奇怪之處。
【1c:事情開始變得有點怪異】
如果飛船的速度是光速呢?很顯然,根據狹義相對論,飛船在往返中相對於地球的速度都將是光速。
經過計算,飛船抵達X行星需要11.11年,抵達時與地球的距離當然變為11.11光年。鑑於光的傳播需要時間,地球上的你需要再過11.11年,即總共22.22年,才能看到飛船抵達X行星,而飛船從X行星返回地球需要11.11年。
飛船總共旅行的時間為22.22年。
這時候,事情開始變得有點怪異。過了22.22年,你才會看到飛船抵達X行星,但同時也會看到飛船返回了地球並降落在停機坪上。
這是因為飛船抵達X行星的光信號,會與飛船一起以同樣的速度(即光速)抵達地球。
【1-10c:“魅影”飛船的出現】
如果飛船進行超光速旅行會是什麼情況呢?計算顯示,飛船進行超光速旅行時,會導致返程所需的時間小於去程所需的時間。
如果飛船的速度是5c的話,那麼飛船會在發射後的2.041年抵達離地球有10.20光年遠的X行星。由於相對論效應,飛船返回地球的速度,相對於地球來説將變為9.8c,所以回來的時間變短,只需再過1.041年就回到地球了。飛船總共旅行的時間為3.082年。
但對於地球上的你來説,事情變得十分詭異。首先,你會看見飛船很正常地離開了地球。過了3.082年,你還會在天空中看到這艘飛船正飛往X行星,但同時你會看見停機坪上突然憑空產生兩艘同樣的飛船,其中一艘停留在停機坪上,另一艘會立刻離開地球並倒着飛往X行星。
之所以會出現這種古怪的現象,是因為飛船跑得比光快。飛船返回地球之後,你不僅會看到停在停機坪上的飛船,而且還能看見飛船離開時產生的影像(也就是你之前也能在天空中看到的飛船),還有就是能看見飛船返回時產生的影像(一艘從停機坪上飛往X行星的飛船)。
其中,飛船返回時產生的影像,看起來如同倒着播放的錄像一樣,或者可以説這艘飛船似乎在逆着時間行駛。
為什麼這麼怪異?這是因為飛船跑得比光快,在飛船返回時產生的所有影像中,接近地球的會先傳到的地球上,遠離地球的會後傳到地球上,所以你會看到飛船先出現在停機坪,然後起身離開,倒着飛往X行星。
總之,飛船一旦抵達停機坪,飛船的影像就會從1個變為3個,但需要注意的是,飛船的真身只有那艘停在停機坪上的飛船,其餘的就只是影像,或者可以説是飛船的“魅影”而已。
在發射之後的12.24年,你才會看見那艘從發射台起飛的飛船抵達了X行星,另外你也會看見從停機坪倒着飛向行星X的飛船也抵達了X行星,並於前面的影像合二為一。也就是説,這兩個影像同時抵達了地球。那麼,之後會發生什麼?
因為之後再也沒有什麼影像傳到地球上,所以這兩個影像在合二為一之後就消失了,只留下停機坪上那個飛船的影像(如果飛船回來之後就始終停在停機坪上)。
兩種圖像融合到一起並消失,有點類似與粒子與反粒子遇到一起併發生湮滅。
【10c:返程時間變為0】
如果飛船的速度更快的話,返回所需要的時間就會越來越短。
當速度為10c時,飛船需1.010年抵達離地球有10.10光年遠的X行星,而返程時間則變為0,也就是説飛船一旦抵達X行星,它會立即跑到地球的停機坪上。
此時,返回時飛船相對於地球的速度變為了無窮大。
不過,對於地球上的你來説,事情還是與前面的類似。首先,你會看見飛船時候很正常地離開了地球。過了1.010年,你還會在天空中看到這艘飛船正飛往X行星,但同時你會看見停機坪上突然憑空產生兩艘同樣的飛船,其中一艘停留在停機坪上,另一艘會立刻離開地球並倒着飛往X行星。當時間為11.11年時,天空中的兩艘“魅影”飛船在X行星上融合到一起並消失。
等一下,再怎麼怪異,上面也沒有出現回到過去的現象啊?別急,我們再把飛船的速度增加一下。
【10-19.95c: 具有負能量的飛船出現】
如果飛船的速度繼續增大,返程時間將變為一個負數,這意味着飛船是逆着時間回到地球上的。
返程時相對於地球的速度雖然是一個正常的數,但是速度的方向將變為遠離地球的方向。
那麼,飛船是怎麼逆着時間回到地球上的?
如果飛船的速度大於10c,卻小於19.95c(隨後我們就會明白19.95c意味着什麼),那麼事情將是這樣的:一艘飛船從地球上的發射台升空並前往X行星。過了一段時間之後,在停機坪那裏
如果你超光速行走會看到什麼景象(圖文解析)
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許多人就認為,此時時間就開始倒流,也就是説超光速旅行意味着回到過去。在許多科幻作品中常會出現這種情節。
寫於1923年的一首關於狹義相對論的打油詩,就形象地體現了這種觀點:“有位叫布萊特的年輕姑娘,她行走的速度遠勝於光,她以相對論的方式,從某一天出發,卻已於前晚歸來。 ”
但狹義相對論也告訴我們,要把一個比光運動慢的物體加速到光速,你需要無限多的能量,更別提要超光速了,而回到過去常常會破壞因果關係,例如所謂的祖父悖論:如果你回到過去,並殺死你的處在幼年的祖父,那麼你怎麼會在之後出生並長大後回到過去殺死你的祖父呢?所以説,超光速旅行是一件不可能的事情。
不過,讓我們暫時假設一下,如果可以進行超光速旅行,那麼究竟會發生什麼呢?時間真的會發生倒流嗎?
最近,美國密歇根理工大學的物理學家羅伯特·涅米羅夫,利用一個非常簡單的模型對此進行了研究。對於相對論這麼複雜的問題來説,即使簡單的模型也含有如下一系列設定:
設定1:離地球10光年遠的地方有一顆X行星,正在以相對於地球為0.1c(c為光速)的速度遠離地球。
設定2:有一艘宇宙飛船從地球上的發射台上起飛,以恆定的速度駛向X行星;抵達X行星後立刻再次起飛,以相同的恆定速度返回地球,並停在離發射台不遠的停機坪上。相同的速度,指的是飛船去程時相對於地球的速度,與返程時相對於行星X的速度大小相同。這意味着,飛船返程時相對於地球的速度大小需要使用狹義相對論來計算。
設定3:為了計算的方便,飛船發射時的時刻設為0。
設定4:討論中所説的時間和距離都是相對於在地球上的觀察者而言的。
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