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【科學科普】光走一光年的距離需要一年時間?對於光而言,其實只是一瞬間

光年是一個距離單位, 而且是一個我們平時用不到的距離單位, 因為它所表示的距離太過遙遠了。 一光年, 顧名思義, 就是光在真空中沿直線行進一年所經過的距離。

一光年, 這三個字說起來簡單, 但如果換一種表達方式, 就能夠體會出它到底有多遠, 一光年如果以千米來進行計算, 那就是9.46萬億千米。 如此大的距離單位, 不僅在地球上用不到, 就是拿到太陽系中也鮮有用武之地。 地球與月球之間的距離為38萬千米, 也就是1.3光秒;地球與太陽之間的距離約為14960萬千米, 也就是8.3光分;而我們花費數百天才能夠到達的火星,

與我們之間的距離也不過12.7光分而已, 距離一光年還差得十分遙遠, 可見光年是一個地地道道的天文數字。 一光年這個距離單位如此遙遠並不稀奇, 因為光速是宇宙間最快的速度, 令我們感到好奇的問題是, 光走完一光年的距離真的需要一年的時間嗎?

一光年所表示的距離就是光在真空中沿直線行進一年所經過的距離, 這是一個理想的環境, 而這種理想的環境在現實世界是不存在的, 所以光走完一光年所需的時間實際上不止一年。

宇宙是一個近乎於真空的環境, 但並非絕對真空, 它的平均密度約為每立方米6個質子。 既然不是絕對真空, 那麼就會對光的行進速度產生微弱的影響。 此外, 光在真空中的速度雖然是恒定不變的, 但宇宙空間卻並非恒定不變的, 從誕生伊始, 宇宙就在膨脹, 從未停歇。 在宇宙中, 空間范圍越大, 膨脹速度也就越快, 而1光年范圍內的膨脹速度約為每秒0.02米, 一年時間長度大約會增加630千米, 雖然對於光而言, 這只是一段很短的距離,

但同樣也會導致光走完一光年的距離並非標準的一年時間。

光走完一光年的距離, 所使用的時間雖然並非標準的一年, 但也近似, 而宇宙如此空曠, 恒星與恒星之間的距離動輒幾十、上百光年, 即使實現了光速飛行, 也需要數十年、甚至上百年才能夠到達其它的恒星系,

難道人類真的沒有辦法進行遠距離星際探索嗎?

人類未來是否能夠進行遠距離星際探索, 我們不敢妄下定論, 但光走一光年的距離需要近似一年的時間, 這只是針對於站在地球上的我們而言的, 對於光本身而言, 不僅不需要一年, 連一分鐘也用不了, 它只需要一瞬間便可以完成這一光年的旅行。 為什麼呢?因為時間是存在相對性的。 通過愛因斯坦的相對論, 我們知道了時間和空間並非兩個獨立的個體, 二者其實是一個整體, 不可分割, 並稱時空。

由於時間與空間是一個整體, 所以當物體的運動速度加快時, 它本身的時間流逝速度就會減慢, 運動速度越快, 時間流逝速度就越慢, 這就是鐘慢效應。

鐘慢效應不僅是一個理論, 而是已經通過實驗證實的事實。 鐘慢效應實驗簡單來講, 就是讓一個運動速度可以達到98%光速的輕子從起點向終點移動, 由於輕子的半衰期是一個完全確定的時間尺規, 為2.2微秒, 所以很容易就能夠計算出輕子到達終點時的衰減數量。 結果實際上到達終點的輕子數量要比計算的多得多,由此可以證實高速運動使得輕子的時間流逝速度減慢了,對於輕子而言,移動所花的時間比我們低速環境下錄得的時間少得多,所以衰減的輕子數量也少得多。

運動速度越快,時間流逝速度就越慢,當運動速度達到光速時,時間的流逝也就完全靜止了,所以對於光而言,走過一光年的距離並沒有經歷時間的流逝,所以只是一瞬間的事情,而在我們看起來,它確實是花費了一年的時間,這就是時間的相對性。

所以,如果我們派出一艘光速飛船,前往一百光年以外的恒星,對於我們而言,他們在百年之後才能到達,但對於他們而言,只是一瞬間的事情,那時,我們的孫子都已經年逾百歲,而飛船上的人仍然與出發時無異。不過現實沒有理論上這樣美好,因為光能夠以光速前行,是因為光子是基本粒子,不具有靜止質量,而任何有質量的物體都不可能達到光速,因為隨著運動速度的增加,擁有靜止質量的物體會產生一個等效於引力質量的慣性質量,速度越快,慣性質量就越大,當速度達到光速,慣性質量就達到無窮大,也就需要無窮大的能量才能讓他繼續運動,而宇宙間沒有無窮大的能量,所以也不可能把擁有靜止質量的物體推進到光速。

結果實際上到達終點的輕子數量要比計算的多得多,由此可以證實高速運動使得輕子的時間流逝速度減慢了,對於輕子而言,移動所花的時間比我們低速環境下錄得的時間少得多,所以衰減的輕子數量也少得多。

運動速度越快,時間流逝速度就越慢,當運動速度達到光速時,時間的流逝也就完全靜止了,所以對於光而言,走過一光年的距離並沒有經歷時間的流逝,所以只是一瞬間的事情,而在我們看起來,它確實是花費了一年的時間,這就是時間的相對性。

所以,如果我們派出一艘光速飛船,前往一百光年以外的恒星,對於我們而言,他們在百年之後才能到達,但對於他們而言,只是一瞬間的事情,那時,我們的孫子都已經年逾百歲,而飛船上的人仍然與出發時無異。不過現實沒有理論上這樣美好,因為光能夠以光速前行,是因為光子是基本粒子,不具有靜止質量,而任何有質量的物體都不可能達到光速,因為隨著運動速度的增加,擁有靜止質量的物體會產生一個等效於引力質量的慣性質量,速度越快,慣性質量就越大,當速度達到光速,慣性質量就達到無窮大,也就需要無窮大的能量才能讓他繼續運動,而宇宙間沒有無窮大的能量,所以也不可能把擁有靜止質量的物體推進到光速。

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