关于光速旅行,时间膨胀的一些迷思

• December 31, 2021 • Read: 312 • 手札

星空是美丽的,但隐藏在这美丽背后的……却是最为深沉的绝望以及无力。那些星星就那样挂在那里,看似触手可及,但我们知道,那其实是用尽一个人类个体一生时间都无法跨越的遥远距离。而宇宙星海的残酷也在这一点之上被体现的淋漓尽致。

知道的越多,这宇宙便越令人感到敬畏,走过的路途越远,宇宙的广袤便越令人感到无力。到达距离我们最近的南门二恒星系,即三体星半人马座α三合星,需要跨越4.22光年的漫长旅途,在乐观预期的未来,我们也许可以航行出几十乃至上百光年的距离,但是……

仅仅一个银河系便有十万光年的直径。
和银河系最近的大河系距离银河系有二百五十万光年。
可见宇宙的半径为一百三十七亿光年。

光速真的很慢。爱因斯坦美妙的质能方程E=mc²告诉我们,要把一个具有静止质量m的物体加速到光速c,需要给它提供无穷大的能量E。也就是说,随着一个正质量物体的速度无限趋近于光速,他需要的能量就越是趋近于无穷大。而在这可观测宇宙中禁锢住我们的真空光速c的值却是仅有299792458m/s=299792.458km/s…… 光一秒钟能够绕地球七圈半,从我们的眼光来看快到难以置信,但以宇宙的眼光来看,却像是尘海中的一条极缓的线。

电磁波的速度是光速,而随着脚步踏向星海,通讯延时的问题将不仅困扰着每个人自己,也会困扰着太阳系之中的所有人类。如果人类文明的脚步已经踏在了冥王星的冰冷土地之上,那么地球和冥王星之间的双程通讯延时最短也会增加到令人唏嘘的十个半小时,这一定会严重的阻碍人们之间的交流。

信息的交流困难必然会导致心理和生理之上的互相隔离。科幻小说中有这么一种推论的描述:“我们发现,在地球,火星基地,木星基地,土星基地这四个较大的人类聚居圈之中出生的人们已经对于其余的地方有了很深的心理隔阂。人们往往会对自己的出生地拥有较深的认同感,对于整个人类文明却只有一个宽泛的概念,并没有多少认同。同样,在政坛之中,出生于不同地方的人们会天然的形成属于自己的小圈子,而不同的小圈子在关于人类文明的总体资源分配、政策倾斜等方面时常会爆发激烈的冲突。他们看起来就像是国家时代不同国家的领导人一般,而不像是一个统一的人类政府的地区领导人。”
这就是由于交通不便以及通讯延时所造成的后果。如果这两者可以解决任何一个的话,想来人类文明断然不会形成这种局面。

但宇宙是个很有意思的家伙,他限定了磐石般坚固的速度上限(光速不变原理),但同时又巧妙地为时间赋予了似乎违背认知的弹性变化。我们生活在宏观低速的世界中,速度导致的质量、时间变化,都被c隐藏在了极其微小的数值中而难以察觉,然而一旦我们的速度开始接近光速,时间就会在光速不变的稳固压制下发生有趣的变化。

在高速运动的参考系中,我们能够算得这样一个例子成立:假设当飞船的运动速度达到1/2光速时,飞船上的人每过1秒,我们却觉得他们已经过了1.15秒,同时我们自己也一样过了1.15秒。同理,飞船上每过10年时,我们自己却过了11.5年。爱因斯坦说,飞船上人的时间膨胀了,所以才过的这么慢。当物理学家穷尽所有测量方法都得到这一结果时,他们就说,在一定意义上,运动物体的时间本身变慢了。而时间的变化,无论是数学的推算还是导航卫星时钟的偏差,都能够令人心悸地证明它的存在。

就像质能方程一般,时间与速度的关系亦可对应,宇宙似乎故意设置了光速不变这一看似违反常理的规则,在宏观的尺度上一手抹消了相对速度之间的差异——无论你相对于谁运动,测得的光速永远恒定。

这就给光速旅行带来了这么一幅场景:当哥哥乘坐光速飞船以一半光速离开地球,10年后又回到故乡,弟弟已然在大地上度过了11.5年。让我们速度更快一些,若是哥哥的飞船能够很快加速到99.5%光速,10年后在星际空间绕一圈再回来,就会面对时间膨胀后带来的,已是经历100年人生后的弟弟。亦不知到那时,仍年轻的哥哥面对已然步入暮年的弟弟,是否会相顾无言,幻如星际穿越中的库珀一家。

但对于寿命在弹指百年间的生命来说,这就像是宇宙给予我们满足好奇心而光速旅行的慈悲施舍。只要能够尽可能地接近光速,飞船自身的时间就会呈指数型地变慢。我们可以花费仅仅数小时、乃至数十分钟,就能到达太阳系的邻居——比邻星,但代价就是在你之外的时间已然匆匆流淌了近五年。飞船中的你在地球上的人看来,做着近乎无法察觉的慢动作;而在你的眼中,地球上的人又如同幻灯片般闪过,就这样在你的十分钟闪过了他们的数年光阴。

我想,在这么一副绘卷下,如果宇宙中真的有其他历史悠久的文明,那么他们一定会经历过孤独的旅行。在技术发展刚越过那条线,就迫不及待地用那有限的空间,匆匆去满足他们心中对于星空的好奇心,而参与到这场旅行的「少数」们,又会是怀着怎样的心情,抛去自己之外飞速流逝的时光不顾,又会有怎样的尽头在等待着这些时间之外的旅客们呢?

毕竟对于他/我们来说,已是“斧柯已烂矣”……

Last Modified: January 3, 2022