科学探索|当光速减慢时会发生什么?

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 。
【科学探索|当光速减慢时会发生什么?】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 。

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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 。

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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 。