当光速减慢时会发生什么?

2022年03月01日 10:26 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间3月1日消息,据国外媒体报道,光是宇宙中移动最快的事物,如果光传播的速度变得很慢,会发生什么呢?在真空中,光速大约是每秒每秒30万公里,如果光速减慢几个数量级的话,人类就会立刻注意到。在瑞士苏黎世联邦理工学院开发的电脑游戏中,人们有机会体验这种假想场景。在游戏中,你可以看到由光速变慢导致的奇异的颜色和亮度变化,甚至对物体长度的感知也发生了改变。

缓慢的人类速度

即使人类所能达到的最快速度,与光速相比也微不足道。人类旅行的最快速度大约是光速的0.0037%,而且你需要乘坐某种太空飞行器才能达到这样的速度。

物理学家通过思想实验已经可以确定,当人类能以接近光速的速度旅行时,将会发生一些很不寻常的事情。爱因斯坦的狭义相对论解释了速度如何影响质量、时间和空间,根据该理论,当我们旅行的速度接近光速时,时间会变慢;我们飞掠过物体时,测量到的物体长度会变短;此外,我们还能够看到光的多普勒效应以及其他变化。

如果光速减慢,而不是人类的速度加快,同样的变化也会发生。在这两种情况下,我们的运动速度都更接近光速。

更慢的光速

当光速足够慢——以至于狭义相对论在日常生活中变得很明显——的时候,世界将会是什么样子?在现实中,光速并不会像游戏中那样减慢。真空中的光速是不变的,对所有观察者而言都是如此。不过,光速确实会因为其穿过的材料不同而改变,但这并不会改变狭义相对论的影响,我们对这些影响的感知也不会改变。

如果能亲眼目睹狭义相对论对光速减慢的影响,我们就会注意到颜色、时间、距离和亮度的变化。

颜色变化

当人类的运动速度接近光速时,就会感知到所谓的相对论多普勒效应。要理解这一点,请记住,光既是粒子又是波。波以波长作为其特征,即波峰之间的距离,这决定了它的颜色和频率——在给定时间内有多少波峰经过。

在多普勒效应中,当你靠近一个声源时,会发现声音的频率(音调)似乎会随着波峰越来越快地到达耳朵而变得更高。类似地,当你向着一个光源移动时,光的波长似乎也会变短,让人感觉到颜色的变化,在光谱上表现为向蓝色和紫色移动,称为蓝移;如果光源远离我们而去,它的颜色就会向光谱的红端移动,即红移。总之,朝向你的物体看起来更蓝,而远离你的物体看起来更红。

改变时间和距离

也许狭义相对论最著名的效应之一,就是当一个人以接近光速运动时,时间会变慢。换句话说,接近光速运动的人衰老得更慢。这种效应称为时间膨胀。

严格来说,你经历的正是时间膨胀;但如果没有什么相比较的东西,它就没有任何意义。狭义相对论的另一个效应是,以接近光速运动的物体——或者当你以接近光速从静止物体附近掠过时——的长度会缩短。这就是所谓的长度收缩。不过,这种效应是很复杂的,根据一个静态观察者的测量,以接近光速的速度运动的物体可能会经历长度收缩,即变得更短,但在那个人的眼里,它们实际上会因为狭义相对论的另一个效应——运行时效应(runtime effect)——而显得更长。

例如,当一辆自行车朝你驶来时,从自行车前端发出的光到达你眼睛的距离要短于自行车后端发出的光,因此你看到的自行车前端属于更近的时间,而自行车后端属于更远的过去,这使得自行车看起来更长。有时,这一效应还会使物体看起来有些扭曲。换句话说,如果光速比现在慢得多,那么在静态观察者看来,接近光速的物体可能显得更长或扭曲。

亮度变化

当你在雨中行走时,你可能会注意到你前面的身体比背面更湿。这是因为在雨中行走时,你会撞上比静止不动时更多的雨滴,正是前面的身体保护了你的背面淋不到更多的雨滴。科特梅尔指出,当你以接近光速的速度移动时,也会发生类似的情况。

这是因为光有时表现得像一大群粒子,即光子,它们就像小水滴一样。当你朝着一个物体移动时,它看起来会比你站着不动时更亮,这是因为你正在走进它的光子中。这种效应被称为“探照灯效应”。

汤普金斯先生身历奇境

1939年,物理学家乔治·伽莫夫出版了一本图画书,名为《汤普金斯先生身历奇境》(Mr。 Tompkins In Wonderland),书中主角骑着自行车,以减慢的光速穿过一座城市,从而体验了相对论效应,爱因斯坦“真的很喜欢这本小册子”。(任天)

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