關於一光年的旅程,有這樣一種觀點,光並不需要一年時間來完成這段旅程。實際上,光的傳播並不耗費任何時間,無論距離是一光年還是整個可觀測宇宙的寬度(約930億光年)。光是宇宙中時間與空間的界限,因此在這一情境下,時間的概念不再適用。
我們常說的「光年是光走一年所經過的距離」,其中的「一年」實際上是基於地球上的人類對於時間的感知,而非光自身的時間。
只有在物體速度尚未達到光速時,物體的時間流逝才會出現減慢的現象,這正是狹義相對論中的時間膨脹效應。如果物體的速度等同於光速,那麽該物體便成為光的一部份。由於光不經歷時間,因此處於光速的物質並不是時間流逝緩慢,而是時間根本就不存在。然而,問題在於,具有非零靜品質的物質理論上無法達到光速。狹義相對論的品質與速度關系公式清楚地揭示了這一點:
(其中m為物體的運動品質,m0為物體的靜品質,Ⅴ為物體的運動速度,c為光速),當V→c時,分母趨於0,則趨於無窮大,換言之,當物體速度接近光速,其品質將趨於無窮大。如果宇宙的總能量有限,那麽這些能量不足以推動這樣一個具有非零靜品質的物體達到光速。這個結論基於一個假設,即光速在所有參考系中都是恒定的。光速恒定這一觀點來源於馬克士威方程式組的推論,並被多次實驗和觀測所證實。例如,在大型粒子加速器中,無論我們為粒子提供多少能量,粒子的速度始終無法達到光速。這就是光速極限的原理。
讓我們回到最初的話題,考慮一個人在光速飛船中度過一年與地球上的一年有什麽不同。如前所述,飛船不可能達到光速,如果飛船速度等同於光速,飛船中的人同樣以光速移動,他們與飛船都成為光的一部份,不再經歷時間,因此不存在「一年」的概念。設想飛船達到光速,而人相對於光速靜止,繼續日常活動,這種想法是錯誤的。
當人乘坐亞光速飛船時,時間的概念才重新變得有意義。在這種情況下,飛船中的一年與地球上的一年在體驗上是相同的,但在時間的相對性以及同時性的相對性上存在差異。
以人前往距離地球約4光年的半人馬座比鄰星為例,飛船以接近光速的速度飛行,對地球上的觀察者來說,飛船需要4年多時間穿越4光年的距離;但對飛船上的人來說,他們所用的時間將少於4年,因為在他們看來,地球和目的地都在相對移動。
這裏涉及的一個重要問題是,雖然地球上的觀察者發現飛船經過了4年的旅程,但飛船上的時鐘相對於觀察者來說,其時間流逝速度變慢了。飛船上的太空人會觀察到,他們的動作和飛船的長度都變慢了。與此同時,太空人們會覺得自己的時間並沒有減慢,相反,他們會發現地球的時間流逝速度變慢了。這意味著,雖然地球上的觀察者覺得亞光速飛船上的人度過了緩慢的時間,但從飛船上的角度看,地球上的時間流逝得更慢。這就是所謂的「時間佯謬」或「雙生子佯謬」。
如果飛船持續進行勻速直線運動,不返回地球,那麽飛船上的「一年」與地球上的「一年」是等價的。然而,一旦飛船減速並返回地球,飛船上的時間相對於地球的時間就顯得膨脹了,過得更加緩慢。這是因為透過加速和減速,飛船實際上已經改變了其所在的參考系,從而真正改變了時間。飛船上度過的「一年」在地球上可能會對應多個年頭。於是,像雙胞胎中的一個成為太空人,當他返回地球時,會比留在地球上的兄弟更加年輕。飛船速度越接近光速,這種時間膨脹效應就越顯著。具體可以用以下公式表示:
其中t′表示地球上的時間,t表示飛船上的時間,V為飛船的速度,c為光速。從公式可以看出,當V趨近於c時,分母趨近於0,t′趨近於正無窮大,這意味著飛船速度越接近光速,飛船上哪怕只度過很短的時間,地球上卻要度過相當長的時間。例如,假設飛船上的一年,當V=0.99c時,地球上度過的時間t′約等於7.089年。當V=0.999999c時,地球上度過的時間t′約等於707年。感興趣的讀者可以進一步計算。上述公式反過來使用,即用t′來計算t,則可以計算出飛船以接近光速的速度飛行時,地球上度過的時間。
無論飛船和地球之間的時間差有多大,不同參考系中的觀察者對於時間的主觀感受(即意識時間)是相同的,而對於時間的實際流逝速度(物質時間)則無法直接察覺!!