時(shí)間和空間的概念因光子的存在，會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的一面。
對(duì)光子而言，時(shí)間是沒(méi)有意義的。
由于它的速度達(dá)到了光速，在光子的 “感知” 中，整個(gè)世界如同一個(gè)緊密壓縮的微小點(diǎn)，時(shí)間仿佛完全凝固。
然而，在人類的日常視角下，光子的這種特性并不那么顯而易見(jiàn)，這或許源于我們對(duì)光子的了解還不夠深入。
當(dāng)我們欣賞夕陽(yáng)西下的美景時(shí)，實(shí)際上看到的是八分鐘前太陽(yáng)發(fā)出的光。
那些承載著日落壯麗光影的光子，從太陽(yáng)出發(fā)，歷經(jīng)漫長(zhǎng)旅程，最終被我們視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞分子吸收。
從人類的時(shí)間尺度來(lái)看，光子在太空中穿梭了 8 分多鐘；但從光子自身的 “視角” 出發(fā)，這段旅程幾乎沒(méi)有花費(fèi)任何時(shí)間。
為了更好地理解這一現(xiàn)象，我們可以設(shè)想兩種讓光子瞬間抵達(dá)地球的方案。
第一種方案是縮短空間間隔。
我們可以在白紙上標(biāo)記 A 點(diǎn)代表太陽(yáng)，B 點(diǎn)代表地球。借助愛(ài)因斯坦提出的時(shí)空隧道，也就是蟲(chóng)洞，將空間進(jìn)行折疊，使 A 點(diǎn)與 B 點(diǎn)直接相連。這就好比用筆將 A 點(diǎn)穿透到對(duì)面的 B 點(diǎn)，原本遙遠(yuǎn)的距離瞬間拉近。
第二種方案是加快速度，以此縮短時(shí)間間隔。
讓光子從太陽(yáng)到地球的 8 分鐘行程，在其自身 “感受” 中縮短到一瞬間，同時(shí)確保地球上的觀測(cè)者看到的依然是 8 分鐘的行程。這一概念引入了 “相對(duì)時(shí)間” 的范疇，理解起來(lái)較為抽象，下面將展開(kāi)詳細(xì)解釋。當(dāng)然，這兩種方案也可以綜合運(yùn)用。
然而，我們知道光速是恒定不變的，光子既無(wú)法加速，也不能減速，更沒(méi)有折疊空間的能力。
那么，光子究竟是如何實(shí)現(xiàn)瞬間跨越漫長(zhǎng)距離的呢？
愛(ài)因斯坦在 16 歲時(shí)發(fā)表的論文《磁場(chǎng)里以太的狀態(tài)研究》中，提出了一個(gè)極具前瞻性的問(wèn)題：“如果我以光速運(yùn)動(dòng)，光在我眼中會(huì)是什么樣子？它會(huì)靜止不動(dòng)嗎？”
在論文中，愛(ài)因斯坦根據(jù)麥克斯韋的理論給出了自己的觀點(diǎn)：無(wú)論自身以何種速度運(yùn)動(dòng)，釋放出來(lái)的光波在他眼中始終以光速運(yùn)動(dòng)。
這表明，早在發(fā)表《狹義相對(duì)論》的 10 年前，愛(ài)因斯坦就已經(jīng)洞察到光速不變?cè)恚?duì)經(jīng)典物理學(xué)中光在以太介質(zhì)中傳播的理論提出了挑戰(zhàn)。
那么，光速為何恒定不變呢？
這一特性源于光子靜止質(zhì)量為零。
物質(zhì)由比質(zhì)子、中子更小的基本粒子構(gòu)成，電子便是其中之一。在量子場(chǎng)論中，空間與粒子之間存在著各種場(chǎng)，如電磁場(chǎng)。
粒子在場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生四種相互作用，這些相互作用賦予了物質(zhì)質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)能方程 E=mc2，質(zhì)量與能量本質(zhì)上是等價(jià)的，質(zhì)量可看作是能量的另一種表現(xiàn)形式。
實(shí)際上，粒子所表現(xiàn)出的大部分質(zhì)量并非其本身的質(zhì)量，粒子的自身質(zhì)量源于希格斯場(chǎng)。
當(dāng)粒子在希格斯場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)獲得一定的勢(shì)能，從而擁有了質(zhì)量。
可以將希格斯場(chǎng)想象成一片海洋，夸克在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如同被海水束縛，進(jìn)而獲得勢(shì)能，產(chǎn)生質(zhì)量。
但希格斯場(chǎng)對(duì)光子而言，就如同空氣一般，幾乎不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生束縛。
光子自產(chǎn)生起，便沿著一個(gè)方向永不停歇地運(yùn)行，不受任何阻礙，因此得以擁有絕對(duì)的速度。
1905 年，對(duì)于愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)是具有里程碑意義的一年。這一年，年僅 26 歲的他發(fā)表了《狹義相對(duì)論》，給出了 16 歲時(shí)提出問(wèn)題的答案，同時(shí)還發(fā)表了質(zhì)能方程及其他兩篇論文。
《狹義相對(duì)論》以光速不變?cè)頌榛?，其中的鐘慢尺縮效應(yīng)完美地解釋了光子的奇妙特性：
動(dòng)鐘變慢：設(shè)想有兩個(gè)同步的時(shí)鐘，一個(gè)與我們相對(duì)靜止，另一個(gè)被帶上飛船。當(dāng)飛船勻速飛行時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)飛船上的時(shí)鐘走得比靜止的時(shí)鐘慢，而且飛船速度越快，時(shí)鐘變慢的現(xiàn)象就越明顯。當(dāng)飛船速度無(wú)限趨近于光速時(shí)，時(shí)鐘幾乎停止走動(dòng)。
同樣以太陽(yáng)到地球的距離為例，速度越快，時(shí)鐘走得越慢。對(duì)于以光速運(yùn)動(dòng)的光子來(lái)說(shuō)，它的時(shí)間是靜止的，時(shí)間間隔幾乎為零。這意味著，原本同步的時(shí)鐘，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變后，時(shí)間不再同步，而是呈現(xiàn)相對(duì)狀態(tài)。
尺縮效應(yīng)：不僅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)影響時(shí)間，空間也會(huì)受到影響。由于動(dòng)鐘變慢，時(shí)間發(fā)生膨脹。例如，地面上的人認(rèn)為高速飛船從太陽(yáng)飛回地球需要 8 小時(shí)，但對(duì)于飛船和駕駛員來(lái)說(shuō)，飛船上的時(shí)鐘只走了 1 小時(shí)就抵達(dá)了地球。
飛船以勻速直線飛行，速度相同，但雙方觀測(cè)到的飛行時(shí)間卻不同，這表明在駕駛員眼中，太陽(yáng)與地球之間的距離并沒(méi)有那么遠(yuǎn)。隨著飛船速度的增加，空間間隔會(huì)不斷縮短。當(dāng)飛船速度無(wú)限接近于光速時(shí)，它將無(wú)限接近光子的空間觀，整個(gè)世界在它眼中仿佛縮成了一個(gè)點(diǎn)。
此時(shí)，太陽(yáng)所在的 A 點(diǎn)和地球所在的 B 點(diǎn)幾乎重合，空間間隔趨近于零。
鐘慢和尺縮效應(yīng)是物體高速運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的。當(dāng)光子以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這兩種效應(yīng)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。
所以，光子從太陽(yáng)到地球的過(guò)程，在人類眼中需要 8 分鐘，但對(duì)光子自身而言，它在零時(shí)間內(nèi)跨越了零距離。
在光子的 “世界” 里，一切都濃縮在一個(gè)零維的點(diǎn)中，它在這個(gè)點(diǎn)中瞬間出現(xiàn)又瞬間消失，既不存在時(shí)間間隔，也沒(méi)有空間上的意義。
熱門跟貼