有可能追上一道光吗？时空的本质——福尔萧与考克斯的宇宙导览

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要了解宇宙，首先得洞悉时间与空间，不过我们马上就会碰到一些有违常理的概念，在在挑战既往认知
宇宙各处的时间并非一样快？人变老的速度也有可能不一样？

关于宇宙导览系列


物理学家福尔萧与考克斯将在四篇独家连载的文章里，为我们介绍现代物理及宇宙论中最重要的概念：

时间的本质是什么？
万物是由什么构成的？
大霹雳之前有什么？
宇宙将以何种方式终结？

我们将仔细探究这些关于时间、空间、物质与真实的深奥问题。
有个概念很诡异：根本不可能追上一道光。
光每秒前进三亿公尺，不过如果你用每秒2.99 亿公尺的速度追着它跑，它还是以每秒三亿公尺的速度离你而去，而不是每秒100万公尺（假设光在真空中传递）。这个听起来不可思议的想法是由爱因斯坦所提出，他的狭义相对论就是以此为基础。
爱因斯坦思想的意涵极为深远。
比方说，这表示宇宙各处的时间并不是流逝得一样快，有些地方的时间流逝得更快。因此根据所在位置和所做事情的不同，人变老的速度也有可能不一样。
最戏剧化的例子是「挛生子悖论」：有位太空人从地球出发，而她的孪生兄弟留在地球。她搭乘太空船高速遨游宇宙，一年后返回地球，却发现地球已经过多年时光，她的兄弟垂垂老矣。如果爱因斯坦是对的，这种莫名其妙的状况就必然成立。但我们无法在日常生活中察觉这些现象，因为我们无法如此快速移动，才会认为时间恒定不变。

两个一模一样的孪生子会依其运动方式的不同，而有不同的老化速度。图／《BCC 知识2017 年9 月号》
同理，解释「运动的钟比静止的钟走得慢」这个现象也不难。假设有种由两面平行镜构成的时钟，镜面之间有颗光子（光的粒子）来回反射。你正好有个这样的时钟，可藉由计算反射次数来计时。接着假设你朋友也有个一模一样的钟，但是他带着它沿水平方向移动。
从你的观点看来，他钟里的光子从镜面的一边射到另一边，再反弹回原镜面的路径，刚好构成三角形的两边。这条路径比你钟里光子所走的要长。以上描述并没有任何矛盾之处。
神奇的是，根据爱因斯坦理论，你朋友钟里的光子行进速度跟你的一样，因此在两片镜面间完成一次来回所需的时间比较长。也就是说，你朋友的钟走得比你的慢。
这个不可思议的现象听起来是因为光钟的特殊性质，但其实不然，而是所有时钟的共通特性。要了解箇中原委，就得引入爱因斯坦第二个关键概念，这个概念最早由伽利略在1600 年代初期提出。

一切运动皆为相对


伽利略设想一艘船在平静无波的大海中等速航行，甲板下的船舱中有群「苍蝇、蝴蝶，以及其他会飞的小动物」。他注意到，如果只在船舱里观察动物的运动模式，并无法分辨船只正在等速移动还是处于静止。在等速运动和静止不动的实验室中进行实验与观测，两者的结果也毫无差异，这种认知称为「相对性原理」。