光走一年的距離,真的要一年時間?光:只是一瞬間

薛定諤的貓 2021/08/31 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

我們知道光的傳播速度是3X10^8m/s,是自然界最快的運動速度,因此為了將宇宙中星系之間的距離格式化,于是我們就以光在真空中行走一年的速度定義為宇宙的長度單位,稱之為光年。那麼今天的問題來了,光走一光年的距離真就要花一年嗎?

什麼是光年

光年,有「年」字聽起來像是個時間單位,然而這是個貨真價實的長度單位,是測量宇宙間天體距離的。因為宇宙間天體距離十分遙遠,用千米為單位計算十分的麻煩,光是寫數字的紙張就能堆滿一箱子,因此為了便于計算光年這個單位就應運而生了。那麼光年這個單位是什麼時候開始使用的呢?

17世紀以前, 科學家們認為光的傳播是不需要時間的,光是暫態性的。直到1676年丹麥科學家O.C.羅默首先提出光的傳播需要時間的設想。因為早前他在探測木衛一躲到木星的另一面的時間間隔是變化的,因此他猜想光的傳播需要時間,才導致每次木星掩衛的間隔時間不同。但是當時的他人微言輕,所以他的觀點並不為主流認可。18世紀,科學技術的進步。

推動天文事業的發展,天文學家們觀測的現象越多,主流學界開始認可光是有傳播速度的19世紀上半葉,德國天文學家率先發明並使用「光年」,作為天文學上測量單位。光年,從此登上了天文學的舞臺。

光年,指的是光在真空行走一年的距離。那麼光年有多長呢?光在真空中,一秒行走3X10^8米,換算下來就是30萬公里,一年是365天,二者相乘,一光年就是9.46萬億公里。地球上最快的飛機速度是1萬1260公里/小時,換算下來要飛越一光年的距離要耗費9萬5800年。假如用常見的客機來飛越一光年的距離則需要用122萬年。 即使是用目前最快的太空船朱諾號(26萬5000公里/小時),要飛越一光年需花費4073年的時間。4000多年的時間,夠人類再一次進化了。由此可見,宇宙之龐大,需要用光年這樣的長度單位來計算星系距離。

那麼光走一光年的距離真的需要花費一年的時間嗎?

鐘慢效應告訴你,光真的不用走一年

按我們的理解,光年是光在真空中行進一年的距離,但實際上宇宙並非是真空的,宇宙中存在著眾多的天體、宇宙塵埃、隕石等等物體,光在行進過程中並非是一帆風順,一個不小心就要變換路線。

其次,宇宙並非一成不變,宇宙一直在膨脹,並且離我們越遠的星系遠離我們的速度越快,我們所看見的宇宙都是過去的記憶。 宇宙一直膨脹,雖然對光的傳播速度影響有限,但須知九層之台,起于累土,積少成多還是對光的行走速度有所拖累。因此,在我們看來光走一年的時間是不夠的。但這是從人類角度來看的,就飛馳在宇宙中的光而言,走完一光年的距離不過是一瞬間的事。為什麼這麼說呢?這就要說到愛因斯坦的相對論了。

在愛因斯坦的相對論中,時間與空間是不可分割的整體,一起組成了時空這個維度, 使我們的空間變成四維空間。既然時空是不可分割的整體,那麼物體的運動速度變得越來越快的時候,它周圍的時間就會變得越來越慢。這叫做鐘慢效應,也稱之為時間膨脹,是物理學中的現象。

為了驗證鐘慢效應,科學家們做了無數的實驗。他們把兩個銫原子鐘分別放在兩架向西和向東的客機上,和美國海軍天文臺的時鐘對比。最後發現這兩個時鐘都比天文臺的鐘慢,證實速度越快,時間走得越慢。因此當光以光速(真空中的最高速度)前進時,時間就像靜止了一樣,因此飛行一光年,對于光來說就是一瞬間的事。

但事實上宇宙中並不存在以光速運動的物體,因為在運動過程中物體的質量會隨著速度的增加而增加,當物體的速度到達光速時,本身的質量將達到無窮大。而宇宙中並不存在無窮大的能量,退一步說,即使有也不可能用在一個物體身上。因此,任何質量為0的物體,其速度是無法達到光速的。 而光量子,作為光的最基本單位,從出生起就在以光速運動,所謂的速度與質量的限制也就不存在了。

相對論告訴我們,時間的流逝在不同參考系中是不一樣的。比如說一對孿生兄弟,哥哥在太空船中執行任務,弟弟還留在地球上,當宇航員飛行一年回來之後,發現地球已經過了好幾年,弟弟也老了很多。這就是因為太空與地球時間流速的不同。飛行速度越快,時間流逝得越慢。因此,生活在宇宙空間站的人們要將時間調整為地球時間。

由于時間的相對性,所以一光年的距離對于光就只是一瞬間,只不過人類為了好計算,從我們的角度人為的將其規定為光走一光年需要1年的時間。不過由于光具有波粒二象性,所以光具有波的性質,在不同介質中傳播速度不同,在水中的速度比真空中要慢,因此走一光年要花更長的時間。

既然存在時間的相對性,那科幻小說中的星際穿梭就成為不可能了嗎?以目前來看確實不可能。因為存在光速質量無限大和時間不同步問題。即使當我們的飛船克服了光速問題,但是當我們飛行一周之後,回來就可能發現星球已經毀滅或者正在步入衰竭期。因此就目前而言,這還只能停留在小說幻想層面。

和光年一樣的宇宙單位有哪些?

天文單位,指的是地球到太陽的平均距離,縮寫符號是AU,1AU等于149,597,870.7公里。2012年在第28屆國際天文學大會上正式使用。光秒,一個從光速不變理論延伸出的天文單位,一光秒等于299,792,458米。秒差距,用于測量太陽系以外的天體之間的長度,同在28屆大會上確立,其數值為3.08567758149137×1016米。

 

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