光是宇宙中移动最快的东西。那么如果光速慢得多会发生什么呢?
在真空中,光速大约是每秒18.6万英里(每秒30万公里)。如果它慢了几个数量级,人类就会立刻注意到。
任何玩家都可以在瑞士苏黎世联邦理工学院的教育发展和技术总监Gerd Kortemeyer和他的同事创造的电脑游戏中体验这种假设的场景。苏黎世联邦理工学院是瑞士的一所科学、技术、工程和数学大学。在游戏中,你可以看到颜色和亮度变化的奇异效果,甚至是物体感知长度的变化,这都是由于光速变慢造成的。
人的速度缓慢
即使在我们最快的速度下,人类也比光慢。
麻省理工学院游戏实验室(MIT Game Lab)的研究科学家菲利普·谭(Philip Tan)告诉趣味科学网站(Live Science):“人类旅行的最快速度大约是光速的0.0037%,你需要乘坐某种太空飞行器才能达到这样的速度。”
但是,通过思想实验,物理学家已经确定,如果人类能以接近光速的速度旅行,将会发生不寻常的事情,Kortemeyer说,他也是密歇根州立大学的物理学副教授。根据爱因斯坦的狭义相对论——它解释了速度如何影响质量、时间和空间——时间会变慢,当我们飞过物体时,我们测量到的物体会变得更短,多普勒效应会被光看到,以及其他变化。
如果光的速度减慢,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,我们的运动速度都接近光速。
光速变慢
当Kortemeyer作为麻省理工学院的客座教授工作时,他和Tan以及麻省理工学院游戏实验室的同事们创造了一个电脑游戏,以说明如果光速足够慢,以至于狭义相对论在日常生活中很明显,世界将会是什么样子。在2012年发布的游戏《慢速光速》(A slow Speed of Light)中,玩家控制一个收集类似沙滩球的球体的角色。每当角色收集到100个魔法球中的一个,光速就会减慢。
在现实中,光速不会像游戏中那样减速。真空中的光速是不变的,对每个观察者来说都是不变的。然而,光的速度确实会根据它穿过的材料而改变,但这不会改变狭义相对论的影响,或我们如何感知它们,Kortemeyer说。
然而,如果我们能见证狭义相对论,我们就会注意到颜色、时间、距离和亮度的变化,该团队将这些影响纳入了游戏中。
颜色变化
当人类的运动速度接近光速时,就会出现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。作为一个波,它的特征是它的波长,或者波峰到波峰的距离,这决定了它的颜色,它的频率,或者在给定的时间内有多少波峰经过。
类似的方式,根据多普勒效应,接近一个声源频率,或音调,似乎随着波浪波峰到达你的耳朵越来越快,朝着一个光源似乎使其波长短,变化明显的颜色的光向蓝色和紫色的颜色光谱,Kortemeyer说。另一方面,远离一个物体,它的表面颜色就会向光谱的红端移动。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,”Kortemeyer说。
颜色光谱。
当人的运动速度接近光速时,相对论多普勒效应是可以感觉到的。向光源移动时,光的表观颜色会向光谱的蓝色和紫色端移动。远离一个物体会使它的表面颜色向光谱的红端移动。(图片来源:在上面)
改变时间和距离
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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。在这种情况下,一个接近光速的人会变老得更慢。这种效应称为时间膨胀。
在游戏中,“严格来说,你正在经历时间膨胀;但如果没有什么可以比较的东西,它就没有任何意义。”谭说,在游戏过程中,时间的膨胀可能并不明显,但在最后,玩家会看到一个屏幕,告诉他们,他们度过的时间比静止的时钟还少。时间膨胀,就像狭义相对论的其他效应一样,发生在游戏过程中,因为游戏角色的移动速度接近光速。
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的物体旁边掠过时——的长度会缩短。这叫做长度收缩。但是Kortemeyer说,效果是复杂的。Kortemeyer说,根据一个静止的观察者的测量,以接近光速的速度缩放的物体可能会经历长度收缩,可能会变得更短,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——而显得更长。
例如,一辆自行车朝你走来。从自行车前面发出的光比从自行车后面发出的光到达你的眼睛的距离短。因此,你会看到自行车的前面是最近的自行车后面是更远的过去的自行车,而自行车更远。“这使得自行车看起来更长,”Kortemeyer说。有时,198彩总代在公司开大会的时候手拿最新款iphonex登陆198彩手机app玩瑞士分分彩,同事们都很羡慕问他哪里买的新手机,彩票技巧方案他说是198彩票平台送的,此后不久他周围的同时都在198彩票注册游戏,个个都期待获得一部iphonex.,同样的效果会使物体看起来扭曲。
换句话说,如果光速慢得多,在静止的观察者看来,接近光速的物体可能显得更长或扭曲。
亮度变化
当你在雨中行走时,你可能会注意到你在前面比在后面更湿。当你走进雨中,你会遇到比你静止不动更多的雨滴,198彩票开户正规198彩注册网址网址请认准中国唯一官网www.lafeiyule02.com,但你的前面保护你的后面不受那些额外的雨滴。科特梅尔说,如果你以接近光速的速度移动,也会发生类似的情况。
这是因为光有时表现得像一组叫做光子的粒子,它们就像小水滴一样。当你在电脑游戏中朝一个物体移动时,它看起来比你站着不动时更亮,因为你正走进它的光子中。这被称为探照灯效应。
仙境里的汤普金斯先生
科特梅尔和谭并不是第一个想象光速较慢的世界的人。1939年,物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)出版了一本图画书,198彩票是属于合乐888彩票方案彩票旗下吗,为什么198彩票客服说他们跟合乐视一个集团的,问了合乐的客服也不否认。,名为《汤普金斯先生在仙境》(Mr. Tompkins In Wonderland),书中主角骑着自行车以光速慢下来的速度穿过一座城市,体验了相对论效应。科尔特迈尔说,爱因斯坦“真的很喜欢那本小册子”。
伟大的物理学家会怎么看待“慢光速”呢?“好奇心可能会让他在第一时间玩,因为如果历史学家可以相信,已经在16岁的时候他问什么你会看到如果你骑光束——当然,你不能,但是在游戏中,你几乎可以达到光速,“Kortemeyer说。“但后来我想,他会一直玩电子游戏,直到他完全晕车——大多数物理学家都很爱玩。”