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用簡單的語言幫你理解時空旅行和光速不變

 仇寶廷圖書館 2022-10-13 發(fā)布于山東
很多人都對愛因斯坦的時空旅行感興趣，全球科學家都證實時空旅行確實理論可行。
但為什么時空旅行可行，幾乎所有的文章都非常生澀難懂，全篇都是密密麻麻的證明公式，不利于普通人的理解。
于是我今天就用簡單的語言，把最核心的幾個東西抽出來，公式省略，寫一篇讓人一看就懂的東西來解釋時空旅行的原理，做我最擅長的科普工作。
要理解為什么時空旅行可行，首先要理解光速不變原理，因為光速不變所以才存在了時空旅行的可能。
從字面意思來說，光速不變指的是物體的速度永遠不可能超越光速，但實際并不是的，物體的速度是可以超越光速的，但這要看你采用了哪個參考系。
光速有一個非常重要的特性，嚴重顛覆普通人的認知，只要你理解這一點就會消除大部分對于時空旅行的誤解。
假設(shè)你在宇宙飛船上，向前發(fā)射了一束光，光以光速，也就是30萬公里每秒的速度前進，然后你立即啟動飛船，以10萬公里每秒的速度向前追趕這束光。
請問此時這束光遠離你的速度是多少？
按正常人的理解，光向前30萬公里每秒，你向前10萬公里每秒，所以此時光遠離你的速度應(yīng)該是20萬公里每秒。
錯，此時這束光遠離你的速度依然是30萬公里每秒。
不管你追趕這束光的速度多塊，哪怕你從10萬公里每秒加速到20萬公里，30萬公里乃至于100萬公里每秒，光永遠比你快30萬公里每秒。
在你自己看來，你的速度也許達到了100萬公里每秒，超光速了，但在旁觀者眼里，你還是比光速慢，因為光永遠在你前面，且以一個恒定的速度遠離你。
所以在你自己的參考系里，是可以超光速的，但在其他人的參考系里，你沒有超光速，也沒有任何人可以超光速。
很奇怪吧，但還有更奇怪的。
如果你在向前發(fā)射這束光后，立即以10萬公里每秒后退，遠離這束光。
理論上說，此時這束光遠離你的速度，應(yīng)該是40萬公里每秒。
但實際上并不是，此時這束光遠離你的速度還是30萬公里每秒。
哪怕你向后不斷加速，加速到30萬公里每秒乃至于更高的100萬公里每秒，光遠離你的速度還是30萬公里每秒，不會快一絲一毫。
出現(xiàn)這種奇怪的現(xiàn)象是因為當你擁有速度后，你的時間和空間的關(guān)系就發(fā)生了扭曲，速度越快則扭曲的程度越嚴重。
你瘋狂增加你的速度，但光遠離你或接近你的速度卻是固定的，那你多出來的速度哪去了？
轉(zhuǎn)化成了時間。
你瘋狂加速，達到了超光速，速度10倍于光速，10光年的距離你一年就到了，但實際上你的速度永遠低于光速，其他人看你還是按低于光速的速度慢慢飛過來的，但其他人過了10年，你這里才過了1年，所以你感覺自己一年就到了，肉體也只衰老了一歲，看起來好像是超光速了。
這就是時空旅行的理論基礎(chǔ)。
有人說，這都是扯淡，都是歪理邪說，利用大量讓人看不懂的公式反復(fù)推導(dǎo)出來的謬論，沒有任何證據(jù)。
如果沒有證據(jù)，那時空旅行就是個假說，不會被當成理論，也不會那么火。
證據(jù)當然是有的，而且很常見。
1971年，為證實愛因斯坦這一顛覆常識，怎么看都很扯淡，但偏偏從理論和公式層面怎么都找不出漏洞的光速不變原理，科學家設(shè)計出了鐘慢實驗。
人類確實不能達到很高的速度，但按愛因斯坦的理論，哪怕速度僅有1米每秒，也會發(fā)生時空扭曲，只不過扭曲的程度很微弱而已。
既然如此，那就代表時空扭曲是可以測量的。
銫原子鐘，人類最精確的計時工具，每經(jīng)過一千萬年，誤差最多不超過1秒。
科學家把四臺銫原子鐘分別放在兩架飛機上，然后在地面上放一臺銫原子鐘作為參考種，在地面上把五臺銫原子鐘進行了校準。
然后一架飛機向東飛，一架飛機向西飛，搭配地球自轉(zhuǎn)獲得一個很高的速度差值。
繞地球飛一圈，回到原機場，讓我看看時間到底有沒有變慢或者是變快，反正無論多小的誤差我都是可以測出來的。
結(jié)果向東的飛機，落地后比地面的銫原子鐘慢了59納秒。
向西的飛機，落地后比地面的銫原子鐘快了273納秒。
和根據(jù)愛因斯坦時空理論計算出來的數(shù)值幾乎完全一樣！
圖片
這就是鼎鼎大名的鐘慢現(xiàn)象，也是時空旅行可行的最核心證據(jù)，現(xiàn)在鋪天蓋地的時空旅行電影都是從這個實驗被證實，全球科學家廣泛接受之后才開始拍攝的。
有人說，這個什么銫原子鐘，有問題吧，反正我覺得是鐘有問題，或者是測量有問題，絕對不是時間變慢了，這還是在扯淡。
而且就算是真的，又有什么用，卵用沒有啊。
別急，還有證據(jù)。
發(fā)現(xiàn)了鐘慢效應(yīng)后，科學家利用不同速度下時間會發(fā)生改變這一特性，終于解決了太空衛(wèi)星對地面精準定位的辦法。
我們都知道要精準定位一個點，需要精確描述這個點和衛(wèi)星之間的距離，而不管用什么手段測量距離，都必須要使用時間這個參數(shù)。
在以前，不管用什么辦法測量距離，都會產(chǎn)生極其恐怖的誤差，科學家百思不得其解。
這個誤差有多離譜？
同樣的辦法計算出的坐標，每天都偏差11公里之多。
今天算出來的坐標點精準定位在天安門。10天后再測，能偏110公里之多，定位點都跑到河北了。
最核心的原因，就是導(dǎo)航衛(wèi)星上的時間流逝速度和地面上不一樣，如果采用同樣的時間參數(shù)進行計算，就會得出非常離譜的距離差距。
這個時間流速的計算很復(fù)雜。
假定GPS衛(wèi)星以每小時1.4萬公里的速度繞地球飛行，那么根據(jù)運動速度越快則時間越慢的狹義相對論，每天衛(wèi)星上的時間都會悄悄比地面慢7微秒。
同時根據(jù)廣義相對論，任何質(zhì)量都會扭曲身邊的時空，質(zhì)量越大則扭曲程度越厲害，而衛(wèi)星的高度遠遠高于飛機，距離地面大概2萬公里，遠離地球，所處時空受到地球質(zhì)量的扭曲效應(yīng)會小得多，所以地球表面的鐘每天會反過來比衛(wèi)星上的鐘慢45微秒。
兩者疊加計算，導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘每天會比地面快38微秒，然后折算進每分每秒進行校準。
這就是時空效應(yīng)在衛(wèi)星導(dǎo)航上的應(yīng)用。
時空時空，時間和空間，當時空的扭曲程度不一致時，如果你非要保持時間不變，那空間就會出現(xiàn)巨大的誤差。
如果你要保持空間不變，就必須要修正時間。
根據(jù)衛(wèi)星的高度和速度，不斷算出衛(wèi)星目前被扭曲的時間流速，然后每時每刻不斷修正導(dǎo)航衛(wèi)星的銫原子鐘參數(shù)。
GPS對地面的定位精度是10米還是1米還是更低，完全取決于工程人員對銫原子鐘時間參數(shù)的修正程度。
衛(wèi)星被扭曲的時間流速算的越精準，GPS對地面的定位精度就會越高。
你手機上使用的衛(wèi)星導(dǎo)航，以及國家的軍事導(dǎo)航衛(wèi)星，必須每時每刻都在修正自己的時間。
不懂愛因斯坦的時空旅行理論，或者不認可，那你的國家就永遠不可能設(shè)計的出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
每天偏差11公里的定位精度，和每時每刻都保持在10米乃至于1米的定位精度，這簡直是天差地別。
衛(wèi)星的速度相對于汽車和飛機來說很快，但相對于光速而言那簡直是九牛一毛。
如果人類不斷提升物體的速度，那時空扭曲程度就會飛速提升。
你的速度越快，“鐘”就越慢。
而且時空旅行并不取決于運動的方向，只取決于物體的速度。
因為無論你向哪個方向飛，光從任意方向遠離你的速度或者接近你的速度永遠是光速，這一奇怪的特性導(dǎo)致你向任意方向超高速飛行，時間都會發(fā)生巨大扭曲。
超高速度的你，明明感覺自己只過了一年，但留在地面上的親戚卻認為你已經(jīng)飛行了十年。
如果你瞬間掉頭，重新向地球飛，依然是超時空旅行狀態(tài)，時間不會因為你運動方向截然相反而倒流，你的時間流速依然你地面親戚塊。
如果你從超高速狀態(tài)不斷減速，那時間也并不會倒流，不斷減速只會導(dǎo)致你的時間變慢現(xiàn)象不斷的減弱，你的時間流速開始不斷和地面上的親戚靠攏。
當你減速到和地面親戚等同的速度時，你們之間的時間流速會重新變得相等，但并不代表里面的9年時間差會回來，這9年時間就永遠失去了，莫名其妙的沒了，再也不可能回得來。
超時空旅行前，你20歲，你親戚也是20歲，然后你用一年時間跑了10光年。
回地球后，你21歲，但你的親戚已經(jīng)30歲了。
在你看來，你在飛船上只渡過了一年，每天打牌，時間計算的清清楚楚，除以運動的距離10光年，得出自己是在超光速運動，速度已經(jīng)達到了10倍光速。
但在地面親戚看來，你始終沒有達到光速，永遠比光速低一點，實際上你是花了10年多一點的時間才完成了這10光年旅途，他自己老了10歲就是證據(jù)。
這就是時空旅行，讓不同人的時間發(fā)生錯位。
為了解釋為什么你不斷消耗能量去加速卻永遠達不到光速，只會讓時間變得越來越慢，間接超光速，人類用質(zhì)增效應(yīng)去解釋。
簡單的說，但你不斷加速的時候，只有你自己感覺自己是超光速了，外界看來你只會越來越接近光速，而隨之帶來的是你的質(zhì)量飛速增加，加速的能量都被轉(zhuǎn)化成了質(zhì)量。
而你所在飛船上的時間變慢，則是因為自身質(zhì)量飛速增加對周圍時空的扭曲。
當你不斷減速的時候，質(zhì)量在飛速減小，對周圍時空的扭曲也減少，然后時間流速開始恢復(fù)正常。
所以物體可以超光速進行時空旅行，又不可以超光速，這并不矛盾，也不是愛因斯坦的相對論在狡辯。
但時空旅行并不代表能回到過去，理解了原理之后你就會知道這是完全不可能的事情，那完全都是電影為了凸出藝術(shù)效果而瞎掰的。
無論多快的速度，都只會讓時間變慢，越來越慢，但再慢也不會是負數(shù)，永遠是個正值。
慢到極致，你在飛船里過1年，外界可能已經(jīng)過了幾千年，但你在超光速飛船里也永遠只能活100年，以你自身為中心的時間參考系是永遠不會變的。
所以才叫鐘慢效應(yīng)，鐘變慢了，外界看似你活了幾萬年，其實你還是只活了100年。
鐘慢效應(yīng)并不能改變宇宙飛船經(jīng)歷的真實時間，但可以壓縮時間。
空間不能變那就扭曲時間，比如超時空旅行。
時間不能變那就扭曲空間，比如人類目前琢磨的所謂蟲洞或空間折疊。
反正時空是聯(lián)動的，想在星空中高速移動必須要扭曲至少一個，所以叫時空效應(yīng)。
至于為什么無論你向哪個方向飛，以多快的速度飛，光都會永恒的以光速C值遠離你或靠近你，為什么光速會有如此奇怪的特性？
這個叫宇宙常數(shù)，沒人知道為什么，科學家只知道宇宙就是這么運轉(zhuǎn)的，目前最頂級的宇宙常數(shù)就是光速C值，無人可以突破。
但時間流速可以不同，這個是切切實實存在的，證據(jù)一籮筐，天上的衛(wèi)星和你我手機里的導(dǎo)航系統(tǒng)就是證據(jù)，這個時間流速的差值雖然很微小，但確實是存在的，且時時刻刻都在影響你我的生活。
大量星辰的速度快的難以想象，還有很多星辰的質(zhì)量大的難以想象，這說明宇宙里存在大量時空嚴重扭曲的地方，這些地區(qū)的規(guī)則和地球完全不同，甚至連時間都不同。
而這，僅僅是宇宙神秘面紗的冰山一角，未知的宇宙規(guī)律還不知道有多少。
明白了這些，你才能夠理解宇宙的浩瀚和人類的渺小。
地球只是個嬰兒搖籃而已，星辰大海才是人類的未來，因為那里存在著無限可能。

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