一颗耀变体(Blazar)天体正在加速产生π介子的质子,这些质子产生中微子和伽马射线。也会产生光子。虽然你可能不太重视以光速运动的粒子与以99.99999%光速运动的粒子之间的区别,但在这两种不同的条件下,粒子本身对宇宙有两种截然不同的体验。

已有100多年历史的狭义相对论,仍然是关于宇宙本身性质的最令人费解和困惑的发现之一。我们在地球上所习惯的(牛顿)物理定律在几乎所有的情况下都是有效的,但是如果你接近光速的话就不是这样了。时钟以不同的速率运行,距离似乎发生了变化,并且物体本身根据它们相对于你的速度而改变颜色。然而,与此同时,相对论宣称,物理定律对所有观察者都是一样的和不变的,不管他们的运动如何。这对以光速运动的光子意味着什么?

相对论说,所有的惯性参照系都是同样有效和真实的。从光子的角度来看,整个宇宙被展平成一个二维的、永恒的平面。想象一下,我把一个苹果放在我的桌子上,然后用香蕉代替它。当它被压扁成一个没有时间感的平面时,光子是如何感知我的桌子的呢?

让我们想象一下在三种情况下会发生什么:静止的观察者,接近光速的观察者,以光速移动的观察者。

1)静止的观察者。在那里,相对于你周围的环境,你是静止的,看着你面前的宇宙。你的时钟总是以同样的速度滴答地走着:每秒一秒。你看看你所处的环境,你所看到的时钟都是以与你相同的速度运行的:每秒一秒。物体看起来就是它们实际的颜色,它们的实际大小,并且没有任何行为是违背直觉的。不管你往后看,还是往前看,一切似乎都恰如其分。

这是你在这个世界上的传统经验。在地球上,与光速相比,典型的人类速度是微不足道的。即使在以接近音速飞行的飞机上,你也只能以0.0001%的光速飞行。从相对于周围环境的静止位置,你可以看到三维宇宙,这种方式对每个人来说都是一致的。

由两个反射镜之间的光子反弹形成的光钟将定义观察者的时间。甚至狭义相对论和所有实验证据都无法证明,但它可以通过测试验证或证伪。这些规则只适用于在空间和时间上同一“事件”的两个观察者。

2)接近光速的观察者。这就是事情开始变得奇怪的地方。想象一下,相对于你原本静止的环境,你正以接近光速的速度,在一个特定的方向上行进。你会注意到的第一个不同之处就是时间。和你一起走的时钟仍然会以你习惯的速度走:每秒一秒。但是环境中的时钟呢?它们似乎都跑得很慢。

原因很简单:空间和时间不是独立的实体,而是不可分割的相互关联的实体。宇宙中的每一个物体都在时空中运动,因此它的总运动加起来就是一个特定的值。当你在空间上静止不动时,你的运动是100%地穿越时间,时间以每秒一秒的速度传递给每个人。但是当你通过空间增加你的运动时,你就会随着时间减少你的运动。相对于你,环境中的时钟似乎运行缓慢,因为整个环境看起来都在移动。

上图显示了一个航天器以与地球表面重力加速度相等的恒定速度加速,它到达目的地的旅行时间。如果有足够的时间,你可以去任何地方。

相对于你的环境以较高的速度移动还有许多其他效果,您也会体验到这些效果。长度和距离沿着你的运动方向收缩,这是一个类似的相对论要求。因为对于所有参考帧中的所有观察者来说光速必须是不变的,如果时间似乎传递得更慢(时间更短),那么距离需要收缩(需要更短的距离)才能使光速达到保持不变。

除了长度收缩和时间膨胀,还有另一个影响:红移和蓝移。在你移动的方向上光的波长出现压缩,或者更短,更蓝。在相反的方向上,你接收到的任何光看起来都会被拉伸,具有更长的波长和更红的颜色。

接近光速移动的物体将看到其外部的宇宙发生红移或蓝移,这取决于它相对于观察者的明显运动。光波在运动方向上被压缩(蓝移),并且相对于运动方向被拉伸(红移)。

你移动得越快,效果就越差。物理物体的距离收缩越来越严重,甚至带电粒子产生的电场也沿其运动方向收缩。时间膨胀得更厉害;在我们的高层大气中产生的不稳定粒子(μ介子)可以穿越整整100公里到达地球表面,即使它们的寿命为2.2微秒,这表明如果它们以光速移动,它们甚至不会达到1公里。在超高速下,红移和蓝移是非常严重的,甚至大爆炸留下的能量仅相当于3K的光子,在足够高的蓝移时,通过E=mc^2与质子碰撞时,也能自发地产生新的粒子。

时间膨胀、长度收缩和红移/蓝移的影响越接近光速,效果就越严重。但这是有限度的。

时间膨胀(L)和长度收缩(R)显示出你越接近光速,时间看起来越慢,距离看起来越小。当你接近光速时,时间根本不会流逝,而距离缩小到无穷小的。

3)以光速移动的观察者。这才是真正的麻烦所在。以光速移动,你将会经历更多的时间膨胀,长度收缩,以及相对于你自己的红移和蓝移。当你向苹果移动时,苹果会出现黄色、蓝色,然后是紫外线;当你离开它们时,香蕉会出现橙色、红色,然后是红外线。

但是如果你真的达到了光速,时间和空间将不再像你习惯于它们的行为那样表现了。如果你以光速相对于周围环境移动,那么你周围的环境看起来根本没有时间流逝。因为它的运动看起来像是光速,所以不可能有额外的运动允许光子相对于你的周围移动。

所有的狭义相对论方程都是以光速分解的。时间不会随着你周围的环境而流逝。沿运动方向的所有距离都会收缩到零。红移和蓝移的数量是无限的。

这可能是非常诱人的直觉,基于这一点,因为沿着你的运动方向的距离缩小到零,宇宙变成了二维的。时间不会流逝,它看起来就像一个平面:无限长的收缩。因此,当光子看到你把桌子上的苹果换成香蕉时,会同时感受到这两种物质的存在。

但现实中发生的事情可能更令人惊讶。

从纯能量产生物质/反物质对(左)是一个完全可逆的反应(右),物质/反物质湮灭回到纯能量。当一个光子存在时,它有一个相互作用来创建它,一个相互作用破坏它,经常(但不总是)产生另一个光子。然而,对于光子本身,它的产生和破坏是瞬间发生的,它不可能经历其他任何事情。

事实证明,光子什么都看不见,也体验不到任何东西。时间对于光子来说确实是不存在的:在相对论中,它代表我们所说的零短程线。它从原点到终点:从一个交互作用创建(或发射)它的地方到另一个交互作用破坏(或吸收)它的地方。无论是发射/吸收、发射/反射、散射相互作用,还是与其他粒子的任何类型的相互作用,都会发生这种情况。

当你问光子会“看到”什么时,你假设某物可能与光子相互作用,光子可能以某种方式经历这种相互作用。然而,在它存在的过程中,它所经历的一切都是两个“事物”:创造它的互动和摧毁它的互动。破坏后是否有光子存在,例如通过散射或反射,是无关紧要的。

遥远的光源,即使是来自宇宙微波背景的光源,必须穿过气体云。虽然我们可以从惯性参考系计算红移和蓝移、吸收和发射以及其他性质(如光旅行时间),但我们不能从光子的角度做任何这些事情。

这就是为什么我们要求在惯性参照系中进行相对论计算。如果我们使用移动速度低于光速的参考帧,但不是从光子的参考帧,我们可以计算光子如何红移或蓝移。从惯性参照系,我们可以计算它的发射和吸收点之间的距离,但不能从光子的参照系计算。我们可以从任何惯性参考系计算其光传播时间,但不能从光子的参考系计算。

问题是光子的参照系不是惯性参照系:在惯性参照系中,存在着不依赖于系统外部任何运动的物理定律。然而,对于光子来说,它遵循的物理规则完全取决于它外部发生的一切。你不能仅从光子的参照系中计算出任何有意义的东西。

一个星系离我们越远,它远离我们的速度就越快,它的光就越会红移。但我们只能从惯性参考系计算红移和蓝移。如果你试图从光子的参照系做这件事,你很快就会意识到你的计算只会产生无意义的结果。

这是因为光子以及所有以光速运动的粒子,缺乏静止质量。静止质量是生活在惯性参照系中所需要的:质量以及质量是如何分布的,为我们提供了惯性的定义!光子根本看不到宇宙,因为看到宇宙需要光子与其他粒子、反粒子或光子相互作用,一旦发生这种相互作用,光子的旅程就结束了。

任何光子,它的存在是瞬时的。它是通过一种相互作用而产生的,而它又通过另一种相互作用而消失了。这可能是从遥远的恒星或星系发射出来的,并到达你的眼睛,不管它是来自我们自己的太阳,还是数百亿光年之外的物体。当你以光速移动时,时间就停止了,你的生命只持续了一瞬间。