面对这道题目,不少读者或许会心生困惑:我们怎么可能会以光的速度行进呢?特别是在爱因斯坦相对论明确表明没有任何物体的速度能够超越光速的情形之下。
是不是觉得有些摸不着头脑?
请别感到惊奇,实际状况的确如此,正如题目所讲。在此需要着重强调的是,“四维时空”这一概念极为关键,它是我们探讨的前提。我们必须领会四维时空与三维空间的根本差别,不然确实会让人感到迷惑不解。
在我们的日常当中,速度是一个常见的概念。众多驾驶员常常驾车出行,市区行驶的限速通常是 60 公里/小时,而高速公路的限速通常为 120 公里/小时。
这些速度实际上都属于“空间速度”,或者说是在“三维空间”里的速度,但我们通常不会特意指出“三维空间中的速度”,因为我们默认的认知就是处于三维空间。
那么,速度是如何界定的呢?
即便是小学生也明白,速度是通过距离(位移)除以时间来计算的。依据这个公式,速度自然有快有慢。爱因斯坦的狭义相对论也确实强调:任何物体的速度都不可能超过光速。
在这样的背景下,很多人对于“所有事物在四维时空中以光速移动”感到难以理解。
正如之前所提及的,不理解的根本缘由在于对“四维时空”和“三维空间”的混淆,或者说,这是爱因斯坦相对论与牛顿经典力学之间的差异。
再次着重指出,狭义相对论是在四维时空(闵可夫斯基时空)的背景下提出的,四维时空中的基本单元是事件,也就是连续发生的事件。每个事件都涵盖了时间和空间两个要素:一个时间坐标和三个空间坐标。
在四维时空中,时间和空间是平等的、不可分割的整体。
我们平常所说的速度是三维空间中的速度,不包含时间维度。然而,由于狭义相对论是在四维时空背景下展开的,而非三维空间,所以四维时空中的速度定义与三维空间中的速度定义大不相同。那么应当如何定义呢?
基本的计算方式是相同的,类似于三维空间中速度的计算方法,四维时空中的速度能够通过一个点到另一点的“时空距离”除以时间来得出。
因此,要计算四维时空中的速度,我们必须了解“时空距离”(时空位移)和“时间”的概念。
倘若你之前了解过“时空图”(或者世界线)的概念,那么理解四维时空的速度会更加轻松。如果没有,这里将以简单易懂的方式进行阐释。
在四维时空中,一个事件由四个坐标来表示,例如我们能够用事件 p1(x1,y1,z1,t1)来表示,同理用 p2(x2,y2,z2,t2)来表示另一个事件。从 p1 移动到 p2 即为四维时空中的位移(时空距离)。
这和三维空间中的位移有着本质的不同。在三维空间中,我们只有空间上的位移,例如我们经常提到从一个地点到另一个地点的移动。而在四维时空中,我们有三个空间坐标和一个时间坐标。
来做一个思维实验。
你此刻正安安静静地坐在沙发上阅读这篇文章,从空间(三维空间)的角度来看,你的坐标没有发生变化。但从四维时空的角度来看,在你阅读这篇文章的过程中,时间坐标一直在变化,意味着时间在持续流动。
假设你早上 8 点坐在沙发上开始阅读,20 分钟后读完,即 8 点 20 分结束阅读。
那么“早上 8 点坐在沙发上”和“早上 8 点 20 分坐在沙发上”就是两个不同的时空点,也是两个不同的四维事件。
尽管从表面来看,你一直坐在沙发上没有移动(三维空间中的静止),但实际上你一直在“运动”,这种运动正是你在四维时空中的移动。
读到这里,你可能开始有所领会了。让我们继续。
在沙发上“静止”(三维空间中的静止)的你,速度为零。但在四维时空中,你的时间坐标持续变化,一直在运动,所以你的速度肯定不是零。那么三维空间中静止的你的速度究竟是多少呢?
许多人可能已经有了预感:你的速度恰好是光速。
继续进行思维实验:闭上眼睛,想象自己在时间的长河中疾驰,“时光一去不复返”正是这个道理。我们每个人不仅在空间中移动,也在时间中持续前行。
而且,我们能够在空间中保持静止(虽然不是绝对的),但在时间维度中,我们绝对无法静止。
想要在时间维度中静止该怎么办?或许有人已经知道答案了:除非你在空间维度以光速移动!
我们越来越接近答案了。
在空间维度以光速移动时,时间就静止了。这不正是爱因斯坦狭义相对论中描述的“时间膨胀”(钟慢效应)吗?
时间膨胀指出:速度(空间速度)越快,时间就越慢。反之亦然:速度越慢,时间就越快。
速度的最慢极限是多少?当然是零。速度为零代表空间上的静止。速度为零时,时间流逝速度最快,即为光速!
也就是说:即便你坐在沙发上纹丝不动(空间上的静止),在时间维度上你依然以光速移动!
简单来讲,想要让时间变慢,就需要在空间上快速移动。想要让时间流速加快,只需要让空间速度尽量减慢就行。
在四维时空中,速度必须保持为光速。可以这样理解:在四维时空中,空间速度和时间速度的“矢量之和”始终保持光速不变。
空间速度和时间速度,就像我们在学习数学时常常计算的速度叠加一样。在三维时空中,不同方向上的两个速度叠加后的速度会发生变化,但在四维时空中,空间速度和时间速度叠加之后的速度总是等于光速,保持恒定!