
光是宇宙中移動最快的事物。那麼,如果光速要慢得多,會發生什麼呢?
在真空中,光速約為每秒186,000英里(每秒300,000公里)。如果是較慢的數量級,人類將立即註意到。
任何遊戲玩家都可以在計算機遊戲中體驗到這種假設的情況,瑞士Eth Zurich教育發展與技術總監Gerd Kortemeyer是瑞士的科學,技術,工程和數學大學,以及他的同事創造的。在遊戲中,您會看到不斷變化的顏色和亮度的奇怪效果,甚至在對象長度的變化中,這將歸因於光速較慢的光速。
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人類的速度緩慢
即使以我們最快的速度,與光相比,人類也很慢。
麻省理工學院遊戲實驗室的研究科學家菲利普·譚(Philip Tan)告訴《現場科學》:“任何人旅行最快的速度約為光速約0.0037%,您需要採用某種空間工具才能達到這些速度。”
但是,通過進行思考實驗,物理學家確定,如果人類能夠以近速度旅行,那麼不尋常的事情就會發生。根據阿爾伯特·愛因斯坦的特殊理論相對論- 這解釋了速度如何影響質量,時間和空間 - 時間會放慢,我們將對象縮短,因為我們將它們攪動過來,多普勒效應除其他變化以及其他變化外,光線很可見。
如果光線放慢,那些相同的變化將發生相同的變化。在這兩種情況下,我們都會以近速度移動。
光速較慢
當Kortemeyer在麻省理工學院擔任客座教授時,MIT遊戲實驗室的他,Tan及其同事創建了一款計算機遊戲,以說明如果光速足夠慢,以至於在日常生活中顯而易見的相對性。在2012年發行的遊戲中,稱為“光速較慢,“玩家控制著一個收集海灘球狀球體的角色。每當角色收集100個球之一時,光速就會變慢。
實際上,光速不會放慢遊戲中的方式。真空中的光速永遠不會改變對於每個觀察者來說都是恆定的。但是,光的速度確實會根據其所經過的材料而變化,但這並不能改變特殊相對論的影響,或者我們如何看待它們的效果。
但是,如果我們能目睹特殊的相對論,我們會注意到顏色,時間,距離和亮度的變化,並且團隊將這些效果納入遊戲中。
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顏色變化
當人類運動的速度接近光速時,稱為相對論多普勒效應的東西變得可感知。要理解這一點,請記住那光既充當粒子又是波。作為波浪,它的特徵是其波長,或從波峰到波峰的距離,它決定了其顏色和頻率,或者在給定時間內通過了多少波峰。
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Kortemeyer說,與多普勒效應一樣,接近聲源的方式使其頻率或俯仰似乎隨著波峰越來越快地到達耳朵的速度而增加,朝著光源移動,使其波峰看起來更短,將光的明顯顏色轉移到了藍色和紫色的末端。另一方面,從對象移開,將其明顯的顏色轉移到頻譜的紅色端。總而言之,“走向你的事情看起來更藍,或者從你身上移開的東西看起來是紅色的,”科特米耶說。
時間和距離的變化
也許特殊相對論最著名的效果之一是,對於人類在光速接近光速的情況下,時間就會減慢。在這種情況下,一個以近光速度移動的人會更慢。這種效果稱為時間擴張。
在遊戲中,“從技術上講,您正在經歷時間膨脹;但是沒有一些可以與之比較的東西,這並沒有任何意義。”譚說,在比賽中,時間膨脹可能並不明顯,但是最後,玩家看到一個屏幕通知他們,他們過去的時間比通過固定時鐘的時間少。時間膨脹,就像特殊相對論的其他影響一樣,在遊戲期間發生,因為遊戲的角色正在接近光速。
特殊相對論的另一個效果是,當您以近光速度駛過它們時,物體的長度靠近光速或固定物體的固定物體 - 縮短。這稱為長度收縮。但是效果很複雜,科特米耶說。 Kortemeyer說,根據固定觀察者的測量結果,以接近光速的縮小可能會經歷長度的收縮,並且可能更短,但是由於特殊相對論的另一種稱為運行時效應的效果,它們實際上看起來更長的是該人的眼睛。
例如,假設一輛自行車朝你走來。自行車前部的光線比從自行車後部的光線短的距離要短。結果,您會看到自行車的前部,就像最近的自行車後部一樣,當時自行車走得更遠。科特米耶說:“總體而言,這會使自行車看起來更長。”有時,相同的效果會使對像看起來扭曲。
換句話說,如果光速要慢得多,那麼靠近該速度的物體可能會顯示更長的時間和/或扭曲到固定的觀察者。
亮度變化
當您在雨中行走時,您可能會注意到您的前方比後面更濕。當您走進雨中時,您會遇到比站著不動的更多的雨滴,但是您的前部可以保護您的背部免受這些額外的雨滴的影響。 Kortemeyer說,如果您以光速速度移動,也會發生類似的事情。
那是因為光有時表現得像顆粒的集合,稱為光子,就像光的小滴。當您朝計算機遊戲中的對象移動時,它看起來比站著不動時更明亮,因為您走進了它的光子。這稱為探照燈效果。
湯普金斯先生在仙境中
Kortemeyer和Tan並不是第一個想像一個速度較慢的世界。 1939年,物理學家喬治·戈諾(George Gamow)出版了一本名為“湯普金斯先生在仙境中”的圖畫書,其中標題角色穿過一輛自行車穿過光線速度和經歷相對論效果的城市。愛因斯坦“真的很喜歡那個小冊子,”科特米耶說。
偉大的物理學家會如何看待“光速較慢”? Kortemeyer說:“好奇心可能使他首先發揮了作用,因為如果要相信歷史學家,他已經在16歲時就問了您是否騎著光束,您會看到什麼 - 當然,您當然不能,但是在遊戲中,您幾乎可以達到光速。” “但是後來我認為他會玩視頻遊戲,直到他無可救藥地動態病為止 - 大多數物理學家仍然嬉戲。”
最初發表在現場科學上。