假如光速仅有10米/秒,世界会变成什么样?

假如光速仅有10米/秒,那爱因斯坦的相对论效应就将在我们的日常生活中随处可见了!




决定了,今早去跑步吧!你猛吸一口气后正向前冲……突然一阵诡异的晕眩袭来,令你一个趔趄摔倒在地,犹如一只瘫在沥青地上的水母。在向医生确认过并无大碍后,为了搞清楚状况,你起身试探性地走了几步。无可置疑的是,身边的房屋都变得扭曲并向你倒来,而街道的尽头却显得越发遥远!

你稍稍提速,试图消除这一错觉,却发现偏离感反而加剧了。“好吧,既然如此我索性全力冲刺看看!”刹那间,你眼前的世界变得无比明亮,并且视野中的景象自中心呈现出奇幻的紫罗兰色,逐渐往边缘过渡至暗红色调。




令人眩晕的幻象

同时你发现自己的双腿正以某种怪异的方式闪现于鼻子底下:明明直勾勾地盯着前方奔跑,却能在视野下方看见双腿,仿佛自己被折成了两段!道路的两旁都是满脸惊讶的行人,更诡异的是,这些行人在你刚跑起来的时候就已经在你的身后了!

难怪刚刚在起步奔跑时会感到眩晕。好吧,既然你肯定读过了标题,也没必要再跟你卖什么关子了:原本的光速已被除以29945879.2,现在的光速仅为10米/秒。听上去简直就是在说笑?而且这跟奇怪的幻象又有什么关系呢?

其实光线与雨滴有些相似:当你静止不动,“雨滴”会垂直洒落在你头顶;而越是跑得快,迎面而来的“雨滴”也就越多。换句话说,当你跑步前进时,你相当于汇集了那些本该落在你身前的“雨滴”,它们最终都倾斜着掉落到你身上。

同理,越接近光速(物理学上以c表示),照到你脸上的光线也就越多。这就是“相对论性畸变”。

当你停止不动 1 ,只有你正前方及其两侧的物体反射出的光线(小图蓝色箭头所示)可以进入你的视野(小图虚线前方的范围)。
当你行走时 2 ,你能感受到身前的光线向你汇聚过来(物体扭曲变形)。
从碎步小跑 3 到全力冲刺 4 ,情况会显著变糟:光线的强烈偏移使你开始看见那些原本应该在你身后,甚至是在你头顶或鼻子上方的一些物体(小图红色箭头)。
所以,在图像下方那个看起来有点诡异的东西其实……是你自己的腿!需要注意的是,你身前物体反射的光线在你视野中所占据的空间会越来越少,从而产生这些物体越来越小、越来越远的假象。

畸变的结果就如你之前所见,影像都往视野中央蜷缩:这也解释了为何位于视野中心位置的物体有所减小并看起来正逐渐远去,而那些原本不在视野范围内的物体却映入了视野边缘。并且集中在你面前的光线如同一个放大镜,使所见的影像更为明亮。

至于色彩变化的现象,则与声音有所相似:当声源离你越近,声音也就更为尖锐;反之则越低沉。这也是为什么当一辆汽车从远处驶来,经过你面前又远去时,你会听到声音相应地从低沉变得尖锐,继而回归低沉。

对于光线来说,“越尖锐”意味着“越蓝”,“越低沉”则“越红”。所有这些现象刚才都出现过,只是你未曾有过清楚认识,现在再尝试碎步小跑至“亚光速”就一目了然了。

可见光颜色随光波频率变化

“嘿!那我们现在可以试试超过这该死的光速了吧?”当你拼尽全力提速至9米/秒(也就是32千米/时,目前光速的90%),光线变得实在太刺眼,你觉得仿佛所有的阳光都直奔你而来。这是因为光线过度“偏蓝”而变成了紫外线——对于想在严冬中享受太阳浴的人来说倒不错!

同时一个非比寻常的现象猛然引起了你的注意……就在你成功保持准光速奔跑的那几秒钟时间里,你路过了市政厅前的喷泉、驯马场和公园的秋千,它们都按原本所设想的那样被渲染上了奇异的色彩并扭曲变形。

然而诧异不止于此:喷泉的水带着一种奇特的庄严感喷涌而出并落下;旋转木马以极为缓慢的速度在旋转着;孩子们无比平静地荡着秋千,而秋千看起来就像被卡了在半空中……没错,一切都仿若置身于一部慢镜头电影中!




声音和光线并不一样

停一停!就在你停下脚步打算喘口气的瞬间,周围的一切都加速恢复到了原来的正常状态。在此引出一个小小的说明:约在一个多世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦就曾指出声波(例如扬声器里传出的音乐)和光线间有着一个巨大的差异。

声波的本质是空气的振动,其传播速度为340米/秒。如果你朝着扬声器跑去,声波到达你的速度就会略快于它原本的传播速度,这是因为你的运动会使风迎面吹来,此时声波依然在空气中以340米/秒的速度传播,假设空气以约10米/秒的相对速度朝你而去,那么你迎面遇上的声波速度实际可达350米/秒。

至此没什么不妥,然而爱因斯坦所言,光线即使在真空中也能传播!显然在这种情况下就不存在风推着光线前进的可能了,所以光线的传播速度对你来说肯定始终如一,即使你像个疯子一样对着光源狂奔,光速也不会改变。爱因斯坦还提出,虽然光速是恒定不变的,但时间和距离却并非一成不变。没错!不要觉得不可思议,耐心看下去自然会明白。




慢动作致意

当你在人行道上驻足时,顺手跟从旁驶过的公交车上的乘客打个招呼吧。总会有人回复你的善意,只是他们的手挥舞得非常非常缓慢……物体的运动会减缓时间的流逝,且会压缩物体的长度:由于公车在道路上行驶,故而车上乘客的活动也由此被放慢。那么在他们眼中,你是否就如同老式默片中的一个加速运动的人物形象呢?

并非如此,对于车上的乘客来说(他们的情况与你奔跑的时候相同),不过是你与城市中所有其他物体在朝公车的反方向运动罢了!


试着想象一辆以5米/秒,即半光速(别忘了我们假设的光速为10米/秒)行驶的公共汽车。假如车上有一位乘客携带着一根2.2米高的巨大管子,管子两端都装上了平面镜,且有一束光线反射其中,那么光束在镜子间来回往复时会发生什么呢?
从乘客的视角来看 2 ,行人以 5 米 / 秒的速度朝公车相反的方向运动;而光线传播经过的距离则是管子长度的两倍,即 4.4 米,而非行人视角的 5 米左右。于是矛盾就出现了:如果我们假设光速是恒定不变的,那么对于车上乘客来说,时间仅过去了 0.44 秒;同样的时间换到行人视角,公交车就只驶离了 2.2 米
如果行人在公车经过自己面前的瞬间打开手电筒 3 ,0.5 秒后,手电筒发出的光到达 5 米之外的一个指示牌上,是公车行驶距离(2.5 米)的两倍远。
然而对于车上乘客来说 4 ,光线从发出至到达指示牌仅过去了 0.44秒,所以乘客眼中指示牌相距行人只有 4.4米。从这两种视角推算出的光速是一致的:5米 /0.5 秒 =4.4 米 /0.44 秒 =10 米 / 秒。这说明无论公车如何提速,光线一直都是那么快!由此可以总结:光速是无法超越的。

换句话说,这种由运动产生的时间放缓、距离缩短的影响是因观察者的视角而异的。这便是所谓的“相对性”,鉴于我们刚已聊到爱因斯坦的“相对论”,这应该也是意料之中的事:就好比你看到一个从远处走来的朋友,由于远景透视效应他显得很渺小;同理,在他眼里你也绝非一个巨人,反而你才是显得渺小的那一个。

诚然,这些现象的确奇特,但不能成为你疏于运动的借口!试着小心翼翼地重新迈开步子,顺路找找哪有墨镜和防晒霜卖。不过你应该也意识到了,要超越光速是压根没指望的事。还记得光速是恒定的吗?这意味着,基于你的视角,无论你是静止的或是以99.99%的光速运动着,光线的传播速度永远都是10米/秒

换句话说,你永远都不可能超过光速。




信钟还是手表?

于是,在回家之前你还是做好准备撒开步子汗流狭背地跑上一个小时。正当你边跑步边回顾今天学了些什么的时候,你突然想起家里厨房的钟,感觉漏了什么关键之处。

照理说在你跑步时,座钟会因离你远去从而放慢节奏:就理论计算来看,你手表跑一圈过去60分钟时,座钟只走了52分钟。然而在座钟的角度,是你在远离,故而变慢的也是你,如此说来,你的手表走过60分钟时,座钟应该已经走了1小时9分钟了。

这两种说法都是正确的,这也被称作“透视效应”,正如刚才提到的你与你远处的朋友,彼此看对方都觉得渺小一样。那么问题来了,等你到家的时候,你的座钟跟手表该怎么调整呢?

答案就是,只需在座钟旁边静静待上一个小时(以你的手表为准),相当于你把自己调整为座钟的视角。于是我们可以得出以下结论:就物理学来说,一个简单到不能再简单的观察结果(例如光线不同于声波,可以在真空中传播)有时却可以得出异乎寻常的结论。以及,运动确实是一个打发时间的好方法!


撰文 René Cuillierier

编译 竺烨

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编辑于 2019-04-16

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