超过光速飞出地球时观察到的地球是时间倒流吗?

超过光速飞出地球时观察到的地球是时间倒流吗?

瞻云,科普人

我们有办法看到地球上时光倒流,能看到 2200 多年前秦始皇登基吗?

看似理论上可行,但实际根本不可能。

作为高中生,题主依据「我看看到 1 万光年外的的星星,其实光是来自一万年前的 」然后设计了一个思想实验,并试图验证心中的想法,这其实是十分值得鼓励的。

而且题主的思想实验,其实并没有什么毛病。

他的思想实验,本质上是意图看到地球上事件的倒放影像,而非讨论相对论效应。

我们不放先详细探讨一下这个过程,如何才能看到地球事件的时光倒流:

对于旋转的地球,最开始发出的光走得最远,事件结束后光才刚刚出发。

一个完整事件的光发射出去,应该是接近这样的路线:

当然,为了方便理解,这里的箭头画得都比较短。

但实际,如果一个事件发生的时间为 8 个小时。

当事件结束时,最后一缕光刚刚发出去时,最开始发出的与它垂直的光,已经跑出去了 8634022790.4 公里。

这个距离接近 60 个天文单位(也就是 60 个日地距离),而海王星的轨道大约在 30 个天文单位附近。

也就是说,光实际的路线大致是这样的(红色箭头):

也就是说,你想要看到地球事件的时光倒流,实际上就是要追上这一条光的路线,并且精准捕捉相应的光子,才能形成完整的倒放事件。

如果你想要画面视角不变,且倒放的速度和正常速度一样,的确在远离地球时,垂直地球表面的分速度需要稳定在 2 倍光速。

非 2 倍光速也可以,1~2 倍之间时,由于捕捉光子的速度变慢了,实际相当于影像的倒流速度变慢了。而 2 倍以上的光速收集光子,倒流速度则加快了。

所以,题主的思想实验,速度可以达到光速的绝对倍数时,整体上是没有大问题的。

但其实题主这个思想实验,也并不一定非得需要跟着地球转。

对于两边箭头与地球交叉的封闭区域所发生的事件来说,无论地球怎么旋转,我们在中间箭头所处的整个象限,都是能够观察到的,当然,箭头方向的观察是最有利的。

那么根据事件不同时间段散射出来的光,在路经中间箭头时,进行从近到远的捕捉,同样可以理论上观察到逆流的事件画面。只不过,这样的情况下,看到的事件就是随着地球旋转发生的。另外, 事件逆流的速度,也并没有那么容易控制。需用通过三角函数计算分量,来确定速度。

以上方案都需要超光速,所以真实时空是不存在的。

其实,如果单纯为了捕捉倒流的画面,换一个思路,就能解决光速不可超越问题。

那就是在光要经过的路线上,安排连续不断的光子捕捉器。

这样最先捕捉最远处的光子,就可能形成正画面。而最先捕捉最近处的光子,那自然是倒放的画面。

由于本质上都是捕捉光子,这种方法其实和追光得到的最终结果,并没有区别。

然而,真正的问题在于,当距离足够远时。你根本就没有条件,捕捉到足够多的光子,形成有用的完整画面。

我们人类通过电子设备重建画面,其实是根据单个光子能量(频率 / 波长),以及光子密度所展现出来的细节信息,来实现的。

根据黑体辐射可以看出,无论不同光谱的单个光子能量差距,还是光的能量分布梯度,在可见光范围都具有最大的变化:

这也注定了,可见光频段所记录的画面,才能展现出足够丰富的细节。

为什么我们照 CT,无法像普通的拍照一样充满细节和分辨程度,本质上在于射线(光子或其它粒子)单一,以及起伏不大的能量分布,都决定了无法像可见光那样记录丰富的细节。

而人类大部分事件都是在室内发生的,一面墙壁就能挡住所有的可见光谱,基本上只有能量低的电磁波能够穿透墙壁。

在现代通讯时代,人类能够通过电磁波传递丰富的信息,本质上是通过调制与编码等手段,让不同频段的不同电磁波承载了丰富的信息量,可以包含足够多的细节。

然而黑体辐射出来的光子,它本身是没有经过编码的。

当滤过主要的可见光段,剩下的电磁波信息是残缺的,严重缺少细节的。

即便你能完整收集到相关光子,你最终得到的画面也是这样的:

这个画面,并不是你收集到的光子呈现的画面,而是宇宙背景辐射所产生的画面。

你能收集到的原事件光子量,在宇宙背景辐射下,几乎可以忽略不计。

即便我们是在露天条件下,晴朗无云,能够收集足够到的画面吗?

其实也不行。

要完整记录事件,我们至少需要能看清一个人的脸吧。

我们在室外活动室,一张足够明亮的脸,照度可达到 1000 lux(勒克斯)

我们假设一个人的头颅,相当于 20cm 直径的一个球,也即半径 0.1m。

前面我们计算出 8 小时之后,光已经走出了 8634022790.4 公里。

散射出去的光,能量密度随着光球面积的增加而衰减。

那么,对于长达 8 小时的事件来说,相同光子收集器能收集到的光子量,是事件最开始时的

1/86340227904000^2。

也即,1.34×10^-25 lux。

很多人可能对照度单位 lux 没有什么概念,我们对比一下:

晴天室内:100—1000lux
阴天室外:50—500lux
阴天室内:5—50lux
月夜:0.02—0.3lux
黑夜:0.001—0.02lux

对于相同波长的光子来说,光子密度和照度是成正比的。

也就是说,我们 1 秒钟在单位面积上能收集到的光子,甚至只有最黑黑夜的 100 万亿亿分之一左右。

这是什么概念呢?

当光子波长为 555nm,也即人眼最敏感的可见光波段时:

1lux=1lm/m²=1/683 W/m²=0.001464 W/m²

根据 E=hv ;v=c/λ(真空)

易得,1lux 照度的可见光,大约每平米每秒钟会有 4.1×10^15 颗光子通过。

那么,对于 1.34×10^-25 lux 来说,相当于 3×10^10 m^2(3 万平方公里)的范围内,足足需要 5 个上海的面积,才能在 1 秒钟内收集到 1 颗光子。

单个或寥寥几个光子根本就没有成像的信息量。

即便我们弄个地球直径这么大的光子接收器,也仅仅只能收集 4250.5 个光子。

对于遥远的星空来说,由于固定位置不变,原本恒星的光芒也没有多少细节变化,所以我们可以通过长时间曝光来增加星星的亮度。但对于不断变化的事件来说,我们是无法增加曝光时间来增加亮度或者清晰度的。

当然,在后期处理的时候,其实我们是可以增加亮度的。

然而由于大量关键光子的丢失,我们依旧失去了大量的细节,我们最终看到的面孔,可能会是这样的:

最终,所有的光子组合起来,已经不足以展现足够的信息,毫无可辨识的细节。

因为,哪怕是用所谓的单光子相机,你要做出 100×100 的像素,也至少需要 1 万颗光子。即便你弄个 2 个半地球截面积大小的光子接收器,你收集到的光子也是随机分布的,并不会像你像素绘画一样,总是落在你需要的像素点上,关键像素信息寥寥无几,这样的画面自然是一团浆糊。

我们可以经常在知乎或者互联网上,看到关于在多少光年外,看地球过去画面或者事件的问题。

例如,在 2200 光年外,我们可以看到秦始皇登基吗?

从严谨的角度来说,答案只有一个:

由于丢失了大量光子所承载的信息,捕捉到的极少量光子淹没在了宇宙背景辐射中,最终导致我们根本就看不到相关事件的发生。

当然,如果未来人类能发展成超高等文明,还可以考虑一个方法看天气晴朗时无遮挡的户外事件,就是使用大小超过太阳系的超级天文望远镜。

这个角度,详见我以前的这个回答:

如果我们穿越到数千光年外,是不是就能用超级望远镜,亲眼看到几千年前的事情了?