怎麼理解時間旅行（用簡單的語言幫你理解時空旅行和光速不變）

2023-07-22 07:44:32 2

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。

但為什麼時空旅行可行，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，不利於普通人的理解。

於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。

要理解為什麼時空旅行可行，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，但實際並不是的，物體的速度是可以超越光速的，但這要看你採用了哪個參考系。

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於時空旅行的誤解。

假設你在宇宙飛船上，向前發射了一束光，光以光速，也就是30萬公裡每秒的速度前進，然後你立即啟動飛船，以10萬公裡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30萬公裡每秒，你向前10萬公裡每秒，所以此時光遠離你的速度應該是20萬公裡每秒。

錯，此時這束光遠離你的速度依然是30萬公裡每秒。

不管你追趕這束光的速度多塊，哪怕你從10萬公裡每秒加速到20萬公裡，30萬公裡乃至於100萬公裡每秒，光永遠比你快30萬公裡每秒。

在你自己看來，你的速度也許達到了100萬公裡每秒，超光速了，但在旁觀者眼裡，你還是比光速慢，因為光永遠在你前面，且以一個恆定的速度遠離你。

所以在你自己的參考系裡，是可以超光速的，但在其他人的參考系裡，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。

如果你在向前發射這束光後，立即以10萬公裡每秒後退，遠離這束光。

理論上說，此時這束光遠離你的速度，應該是40萬公裡每秒。

但實際上並不是，此時這束光遠離你的速度還是30萬公裡每秒。

哪怕你向後不斷加速，加速到30萬公裡每秒乃至於更高的100萬公裡每秒，光遠離你的速度還是30萬公裡每秒，不會快一絲一毫。

出現這種奇怪的現象是因為當你擁有速度後，你的時間和空間的關係就發生了扭曲，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？

轉化成了時間。

你瘋狂加速，達到了超光速，速度10倍於光速，10光年的距離你一年就到了，但實際上你的速度永遠低於光速，其他人看你還是按低於光速的速度慢慢飛過來的，但其他人過了10年，你這裡才過了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。

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覆推導出來的謬論，沒有任何證據。

如果沒有證據，那時空旅行就是個假說，不會被當成理論，也不會那麼火。

證據當然是有的，而且很常見。

1971年，為證實愛因斯坦這一顛覆常識，怎麼看都很扯淡，但偏偏從理論和公式層面怎麼都找不出漏洞的光速不變原理，科學家設計出了鍾慢實驗。

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，然後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。

然後一架飛機向東飛，一架飛機向西飛，搭配地球自轉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。

結果向東的飛機，落地後比地面的銫原子鐘慢了59納秒。

向西的飛機，落地後比地面的銫原子鐘快了273納秒。

和根據愛因斯坦時空理論計算出來的數值幾乎完全一樣！

這就是鼎鼎大名的鐘慢現象，也是時空旅行可行的最核心證據，現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後才開始拍攝的。

有人說，這個什麼銫原子鐘，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，又有什麼用，卵用沒有啊。

別急，還有證據。

發現了鍾慢效應後，科學家利用不同速度下時間會發生改變這一特性，終於解決了太空衛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星之間的距離，而不管用什麼手段測量距離，都必須要使用時間這個參數。

在以前，不管用什麼辦法測量距離，都會產生極其恐怖的誤差，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公裡之多。

今天算出來的坐標點精準定位在天安門。10天後再測，能偏110公裡之多，定位點都跑到河北了。

最核心的原因，就是導航衛星上的時間流逝速度和地面上不一樣，如果採用同樣的時間參數進行計算，就會得出非常離譜的距離差距。

這個時間流速的計算很複雜。

假定GPS衛星以每小時1.4萬公裡的速度繞地球飛行，那麼根據運動速度越快則時間越慢的狹義相對論，每天衛星上的時間都會悄悄比地面慢7微秒。

同時根據廣義相對論，任何質量都會扭曲身邊的時空，質量越大則扭曲程度越厲害，而衛星的高度遠遠高於飛機，距離地面大概2萬公裡，遠離地球，所處時空受到地球質量的扭曲效應會小得多，所以地球表面的鐘每天會反過來比衛星上的鐘慢45微秒。

兩者疊加計算，導航衛星上的原子鐘每天會比地面快38微秒，然後折算進每分每秒進行校準。

這就是時空效應在衛星導航上的應用。

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。

根據衛星的高度和速度，不斷算出衛星目前被扭曲的時間流速，然後每時每刻不斷修正導航衛星的銫原子鐘參數。

GPS對地面的定位精度是10米還是1米還是更低，完全取決於工程人員對銫原子鐘時間參數的修正程度。

衛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。

你手機上使用的衛星導航，以及國家的軍事導航衛星，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計的出衛星導航系統。

每天偏差11公裡的定位精度，和每時每刻都保持在10米乃至於1米的定位精度，這簡直是天差地別。

衛星的速度相對於汽車和飛機來說很快，但相對於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，「鍾」就越慢。

而且時空旅行並不取決於運動的方向，只取決於物體的速度。

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，這一奇怪的特性導致你向任意方向超高速飛行，時間都會發生巨大扭曲。

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，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不斷減速，那時間也並不會倒流，不斷減速只會導致你的時間變慢現象不斷的減弱，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，但並不代表裡面的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，然後你用一年時間跑了10光年。

回地球後，你21歲，但你的親戚已經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。

這就是時空旅行，讓不同人的時間發生錯位。

為了解釋為什麼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，人類用質增效應去解釋。

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量飛速增加，加速的能量都被轉化成了質量。

而你所在飛船上的時間變慢，則是因為自身質量飛速增加對周圍時空的扭曲。

當你不斷減速的時候，質量在飛速減小，對周圍時空的扭曲也減少，然後時間流速開始恢復正常。

所以物體可以超光速進行時空旅行，又不可以超光速，這並不矛盾，也不是愛因斯坦的相對論在狡辯。

但時空旅行並不代表能回到過去，理解了原理之後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，永遠是個正值。

慢到極致，你在飛船裡過1年，外界可能已經過了幾千年，但你在超光速飛船裡也永遠只能活100年，以你自身為中心的時間參考系是永遠不會變的。

所以才叫鍾慢效應，鍾變慢了，外界看似你活了幾萬年，其實你還是只活了100年。

鍾慢效應並不能改變宇宙飛船經歷的真實時間，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摺疊。

反正時空是聯動的，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。

至於為什麼無論你向哪個方向飛，以多快的速度飛，光都會永恆的以光速C值遠離你或靠近你，為什麼光速會有如此奇怪的特性？

這個叫宇宙常數，沒人知道為什麼，科學家只知道宇宙就是這麼運轉的，目前最頂級的宇宙常數就是光速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，證據一籮筐，天上的衛星和你我手機裡的導航系統就是證據，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像，還有很多星辰的質量大的難以想像，這說明宇宙裡存在大量時空嚴重扭曲的地方，這些地區的規則和地球完全不同，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，因為那裡存在著無限可能。

我是遠方青木，未來幾個月會在新公眾號「海中青木」更新文章，歡迎大家關注，希望每天晚上都能和大家在一起。