光年不是时间单位,而是距离单位,它指的是光在真空中以每秒约30万公里的速度不间断飞行一年所走过的路程。
换算成具体数字,1光年大约是9.46万亿公里。这个数字听上去只是一串零,但真正让人绝望的,是把它放回人类现有工具面前的对照。
以民航客机为例,目前商业客机的巡航时速大约900公里。让一架飞机不吃不喝、不加油、不停歇地飞完1光年,需要连续飞行120万年以上。也就是说,从人类祖先还在非洲草原上直立行走那一刻起飞,一路飞到今天,连1光年的零头都还没飞完。
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而目前飞离地球最远、速度最快的人造物体旅行者1号,借助行星引力弹弓加速,相对太阳的速度也不过每秒17公里,即便如此,它想要飞完短短1光年,也需要将近一万八千年。
问题到这里还只是"远"字,真正把物理学家逼到墙角的,是"光速"这个数值本身其实藏着一个从未被真正验证过的秘密。
很多人都以为,光速是一个被精确测定的常数,每秒299,792,458米,不多不少。事实上,自1983年起,人们就已经反过来用光速去定义"米"这个长度单位——一米,就是光在真空中于1/299,792,458秒内所走过的距离。
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这样的定义方式,从根本上保证了光速就是这个整数,没有任何小数点后的偏差。然而,仔细追问下去会发现一个让人意想不到的事实:光也许从未真正以这个速度传播过,因为严格地说,从来没有人真正测量过光速。
要理解这一说法,需要先看看人们通常是如何测量一个物体速度的。以棒球炮为例,测量棒球从炮口射出的速度,需要两样东西:两点之间的距离,以及棒球在这两点之间飞行所用的时间。
用距离除以时间,就得到了速度。在实际操作中,可以用高速摄像机拍摄棒球飞行的过程,通过数帧数来获得时间,摄像机本身就充当了时钟。
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那么,能不能用同样的方法测量光速呢?设想有一束激光,可以在真空中射出一公里的距离。
在激光发射的瞬间启动计时器,在光到达终点时停止计时器。可是,如果人和时钟都在起点,又怎么知道光到达了一公里之外的那一刻呢?
看起来必须使用两个时钟:一个放在激光发射端,另一个放在终点,后者在探测到激光时自动停止。
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但接下来问题就来了:如何确保这两个时钟是同步的?一种想法是用导线把两个时钟连起来,通过发送脉冲信号来同步。
可是那个脉冲信号也是以光速传播的,它到达对方时同样存在延迟。有人会想,把这段延迟减去不就行了?
问题是,这段延迟恰好等于光走一公里所需的时间——而这正是要测量的未知量。
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换个思路:先把两个时钟放在一起完成同步,再把其中一个搬到终点。这看上去可行,但狭义相对论告诉我们,运动的时钟相对于静止的观察者会走得更慢。
当那个时钟被移动到一公里之外时,它已经和起点的时钟不再同步了。于是唯一切实可行的办法,是干脆放弃第二个时钟,在终点放一面镜子把光反射回来,用起点的单一时钟来测量两公里的往返总时间,这种思路听起来并不陌生。
1849年,法国物理学家菲佐就在一座山上做过类似实验。他让一束光穿过一个高速旋转的齿轮的齿缝,射向八公里之外的镜子,再返回原地。通过齿轮的旋转速度和齿数,他计算出了光的往返时间,从而得到了一个非常接近现代值的光速。
然而请注意:菲佐测量的,同样是往返平均速度,而不是单程速度。
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从那以后,无论技术多么进步,无论用旋转镜、干涉仪,还是原子钟去测,本质上人类始终只能测出光"来回一趟"的平均速度。至于光在去程和回程各自跑得多快,物理实验根本区分不出来。
这里存在一个哲学味十足却又非常物理的可能性:假设光在某个方向上的速度是c/2,而在相反方向上是瞬时到达,那么它的往返平均速度依然是c。任何用镜面反射来测量的实验,都不可能戳穿这种情形。
设想一位火星上的宇航员,与地球通话。按照通常约定,信号单程需要大约20分钟;但若光是"一去慢、一回瞬"的极端形式,火星收到地球问候的时刻就成了地球发出后40分钟,回信却在瞬时抵达地球,那时地球时间正好是12点40分。
整个通信过程完全自洽,双方都察觉不到任何异常。
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时空图清楚地显示,在"什么算作两地的同一时刻"以及"如何定义单程光速"这两个问题上,其实存在自由度。爱因斯坦选择了让单程光速各向相同的约定,但从实验角度看,任何其他约定同样成立,包括一个方向上c/2、另一个方向瞬时的极端情形。
在这种情形下,观察者所"看到"的对方也会变得非常奇特:火星上的宇航员看到的地球,是20分钟前的地球;而地球看到的火星,却是此时此刻的火星。
这个效应还会延伸到更远的地方——凝视几百光年之外的恒星,看到的可能并不是它们几百年前的样子,而恰恰是此时此刻的样子。
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人们只有在光到达自己眼睛时才知道那束光的存在,对它的旅途一无所知;因此,把光的到达视为"瞬时"的解释,和把它视为以c传播的解释在物理上是等价的。核心正在于此:光的单程速度是不可知的。
大家所遵循的"各方向都是c",只是自1905年爱因斯坦那篇论文以来共同接受的一种约定。物理定律本身并不区分是c、还是c/2加瞬时、抑或介于两者之间的任何组合——只要往返速度是c,一切物理规律都照常成立。
那么,如果人类永远无法测量单程光速,而这件事又不影响任何物理定律,那么讨论它还有什么意义呢?这正是自1905年以来一直未曾中断的争论。
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有物理学家搬出奥卡姆剃刀原则:光在各方向速度相同,不是更简洁吗?大多数工作中的物理学家干脆接受约定,继续做自己的研究。但指出这只是一种约定而非经过实验验证的事实,仍然是重要的。宇宙居然对人类隐藏了这样一个属性,本身就令人着迷。
往返光速确实是c,可单程光速究竟有没有一个明确的数值?如果没有,那么"同时性"这个概念又意味着什么?此刻火星上的"现在"到底是什么?在被空间隔开的两件事情之间讨论"同时发生"到底还有没有意义?
也许这只是宇宙一个奇特的小怪癖,没有更深层的理由;也许,当物理学迎来下一次范式跃迁时,这件事恰恰会成为揭示广义相对论、量子力学与时空之间深层联系的关键线索。
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9.46万亿公里的距离,横在人类文明面前,是一道几乎无法逾越的天堑。北京飞上海不到40秒,可要飞完1光年,一架民航客机得连续飞行120万年以上,从祖先直立行走那一刻起飞到今日都远远不够。
旅行者1号已是人类最快的探测器,每秒17公里,可即便是这样的宇宙速度,飞完短短1光年也要近一万八千年,遑论星辰大海。
而更让人绝望的是,人类连光究竟以怎样的速度走完这段距离都无法真正确认——1光年的天堑背后,是时空本身仍未向人类敞开的那道门。
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