從國(guó)際空間站拍攝到的地球和太陽(yáng)。太陽(yáng)發(fā)出的光抵達(dá)地球需要多于八分鐘的時(shí)間。（? NASA/ISS)

從太陽(yáng)輻射出的光子，在抵達(dá)地球之前需要經(jīng)歷1.5億公里廣闊的空間。在沒(méi)有任何阻礙物的情況下，光子以光速傳播到地球需要大約八分鐘的時(shí)間。這就意味著，從我們的角度來(lái)看，我們看到的太陽(yáng)總它的過(guò)去（即約八分鐘以前的它），而不是它即時(shí)的樣貌。換句話說(shuō)，如果太陽(yáng)瞬間消失，我們無(wú)法從它輻射出的光或它的引力立刻得知，只有在八分鐘后我們才會(huì)知道。但是，從光子的角度來(lái)看呢？我們知道，當(dāng)你以接近光速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論就開(kāi)始發(fā)揮作用了。但是，光子并不是以接近光速傳播，而是正好以光速傳播。所以，當(dāng)太陽(yáng)輻射出光子到達(dá)地球的時(shí)候，光子認(rèn)為自己經(jīng)歷了多長(zhǎng)的時(shí)間呢？

如果你的直覺(jué)告訴你是八分鐘，那么我們就得好好聊聊這個(gè)問(wèn)題了。當(dāng)然，從我們的角度來(lái)說(shuō)，光子確實(shí)是經(jīng)歷了八分鐘才到達(dá)地球。

現(xiàn)在，假設(shè)你家附近有一家超市，距離你家800米，你走過(guò)去需要花八分鐘。也就是說(shuō)，對(duì)于你來(lái)說(shuō)，當(dāng)你從家里出發(fā)抵達(dá)超市的時(shí)候，你已經(jīng)老了八分鐘。如果超市的店員一直看著你走到超市，她也會(huì)得到同樣的結(jié)果，覺(jué)得你老了八分鐘。如果我們認(rèn)為牛頓定義的時(shí)間概念——即絕對(duì)時(shí)間——是真理的話，那么，不管在宇宙中的任何人，任何地方，在所有的情況下都會(huì)體驗(yàn)相同時(shí)間的流逝。但如果情況真是如此的話，光的速度就不會(huì)是常數(shù)了。

用手電筒照亮黑暗的世界。（? pixabay user StockSnap）

想象一下你靜止的站在地上，你用手電筒朝前方的一個(gè)物體照明，該物體離你一光秒（也就是光在一秒內(nèi)傳播的距離）?，F(xiàn)在，想象你同樣拿著手電筒照射該物體并且開(kāi)始奔跑起來(lái)。你跑的越快，你就會(huì)預(yù)期光傳播的越快：它以光靜止時(shí)的速度加上你奔跑的速度在傳播著。

為什么必須是這樣？

現(xiàn)在，想象你有一個(gè)時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘不是齒輪驅(qū)動(dòng)的那種，而是由兩個(gè)鏡片和一個(gè)光子組成的，光子會(huì)在鏡片之間上下彈跳。如果你的光鐘是靜止的，那么你會(huì)看到光子會(huì)一直上下往返，并沒(méi)有什么特別之處。但如果你的光鐘是在運(yùn)動(dòng)，此時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

一個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的光鐘相對(duì)于一個(gè)靜止的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)時(shí)間流逝的更慢。（? John D. Norton）

很明顯，如果光是常數(shù)，那么它就需要更久的時(shí)間完成一次往返。但如果時(shí)間的走時(shí)率對(duì)于每個(gè)人、每個(gè)地方以及任何情況都是一樣的，那么我們會(huì)看到光的傳播速度可以是任意快的。更糟的是，如果某樣?xùn)|西運(yùn)動(dòng)的足夠快，接著你往相反的方向打開(kāi)手電筒，我們會(huì)看到光幾乎是靜止的。

但是光并沒(méi)有表現(xiàn)出這些行為，因此我們知道這個(gè)簡(jiǎn)單的圖景是錯(cuò)誤的。

真空中的光沿任何方向、對(duì)任何慣性系都是以光速在傳播的。（? pixabay user Melmak）

直到1905年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，他意識(shí)到如果真空中的光速是一個(gè)常數(shù)，那么邁克爾遜-莫雷的實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)度縮短和時(shí)間延緩的現(xiàn)象都將得以解釋。也就是說(shuō)如果某樣?xùn)|西運(yùn)動(dòng)的越快——越接近光速——那么跟該物體一起運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者，相比于一個(gè)靜止的觀測(cè)者，他感受到的距離和時(shí)間都縮短了。

由于時(shí)間延緩的作用，在空間站上的宇航員要比留在地球上的人更年輕一點(diǎn)點(diǎn)。（? NASA）

事實(shí)上，當(dāng)你花八分鐘走到你家附近的超市時(shí)，根據(jù)狹義相對(duì)論，你所佩戴的手表上的時(shí)間——假設(shè)它超精準(zhǔn)并且在你出發(fā)前與店員的手表校準(zhǔn)了——要比店員的手表慢2納秒！雖然在大多數(shù)情況下，相對(duì)論的效應(yīng)都小到可以忽略不計(jì)，但它總是在發(fā)揮作用。如果我們不考慮狹義相對(duì)論的效應(yīng)，那么GPS也將無(wú)法精確的定位。

這其中的原因是空間和時(shí)間不再是獨(dú)立的，而是交織在一起形成所謂的時(shí)空。這個(gè)想法首先是由愛(ài)因斯坦的老師閔可夫斯基提出來(lái)的。

時(shí)空的彎曲。（? LIGO）

當(dāng)你在空間中運(yùn)動(dòng)的夠快，你所花的時(shí)間也越少，這也是為什么你走去店里的時(shí)候，你的時(shí)間要比店員的慢，因?yàn)槟阍诳臻g的運(yùn)動(dòng)速度要比她快，所以你的時(shí)間要過(guò)的比她慢。事實(shí)上，如果你以接近光速（光速的99.9999999%）運(yùn)動(dòng)到超市的時(shí)候，店員的時(shí)間流逝要比你快22000倍。

時(shí)間延緩（左邊）和長(zhǎng)度收縮（右邊）。當(dāng)速度越來(lái)接近光速的時(shí)候，時(shí)間變得越來(lái)越慢，距離變得越來(lái)越短。（? Wikimedia Commons user Zayani & JRobbins59）

通過(guò)上面的討論，我們現(xiàn)在回到光子本身。對(duì)于一個(gè)觀測(cè)者而言，所有用來(lái)描述它的公式都會(huì)告訴我們一個(gè)無(wú)限大的答案，因?yàn)樗靡怨馑賯鞑?。但是無(wú)限并不意味著物理失效；它們有時(shí)候意味著物理行為的不直觀。當(dāng)光子以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這意味著：

• 光子不會(huì)有質(zhì)量；如果有質(zhì)量那么它以光速傳播時(shí)就會(huì)攜帶無(wú)限大的能量。所以光子必須是無(wú)質(zhì)量的。

• 光子不會(huì)感受到自己在空間中傳播，因?yàn)楣庾觽鞑シ较虻木嚯x都會(huì)收縮成一個(gè)點(diǎn)。

• 光子不會(huì)感受到時(shí)間的流逝，整個(gè)旅途中對(duì)于它來(lái)說(shuō)都是瞬時(shí)的。

從我們角度看，光從太陽(yáng)傳播到地球需要八分鐘的時(shí)間；而從光子的角度看，這是瞬時(shí)的。（? Wikimedia Commons user LucasVB）

對(duì)于地球上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，我們接收到太陽(yáng)輻射出來(lái)的光子是八分鐘之前的。雖然我們能感受到這八分鐘時(shí)間的流逝，但是光子本身并沒(méi)有體驗(yàn)到任何時(shí)間的流逝。

當(dāng)我們觀測(cè)宇宙中遙遠(yuǎn)的星系時(shí)，從銀河系上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，星系輻射出來(lái)的光子要花幾十億年的時(shí)間才能到達(dá)我們。在這個(gè)過(guò)程中，膨脹的宇宙導(dǎo)致空間的拉伸，光子的能量也因此迅速減少，即宇宙紅移。盡管對(duì)于我們來(lái)說(shuō)這是一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的旅途，但對(duì)于光子來(lái)說(shuō)它并沒(méi)有感知我們所感知的時(shí)間：它只是簡(jiǎn)單的被輻射出來(lái)，然后瞬時(shí)被吸收了，沒(méi)有體驗(yàn)到任何的時(shí)間流逝。就我們目前所知，光子是永遠(yuǎn)不會(huì)老去的。

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