提到相對論,總是會牽扯到光速和時(shí)間的問題,尤其是“時(shí)間膨脹”現(xiàn)象總會讓不少人感到迷惑。
何為時(shí)間膨脹?
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簡單講:速度越快,時(shí)間就越慢。但如果你僅僅從字面上理解,很可能就會理解偏差。
光速飛行時(shí)間就會靜止,其實(shí)是對相對論的誤解,沒有真正弄明白狹義相對論的本質(zhì)。
首先一點(diǎn),飛船不可能以光速飛行,這是相對論不允許的。
光子的靜止質(zhì)量為零,所以可以光速飛行。而任何靜質(zhì)量不為零的物體,都不可能達(dá)到光速。速度越大,質(zhì)量就越大。如果想要達(dá)到光速,需要無窮大的能量才可以,顯然這是不可能的。動質(zhì)量與靜質(zhì)量的關(guān)系如下:
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既然不能以光速飛行,這里就把光速飛行換成“亞光速飛行”。
亞光速飛行時(shí),時(shí)間膨脹(鐘慢效應(yīng))和質(zhì)增效應(yīng)都是非常明顯的,也是客觀存在的。但請注意,所謂的“時(shí)間膨脹”是在兩個(gè)不同參照系之間對比的結(jié)果,而不是一個(gè)人感受到的“本證時(shí)間”(也就是自己的時(shí)間)。
舉個(gè)例子,你在現(xiàn)實(shí)中吃一頓飯要10分鐘,那么你乘坐亞光速飛船吃飯同樣需要10分鐘。也就是說,你本人并未感覺到時(shí)間變慢了。
所謂的時(shí)間膨脹,是另一個(gè)參照系(比如地球上的我)看到你的時(shí)間變慢了,亞光速飛行的你在我眼里都變成了“慢動作”,你吃一頓飯可能花費(fèi)了1小時(shí)甚至更久,甚至打個(gè)噴嚏都要好幾分鐘,這在我眼里會感到不可思議,就像電影中的慢動作回放一樣。
而且,越是接近光速,這種“時(shí)間膨脹”的效果越明顯。有一個(gè)公式能非常直觀地看出時(shí)間膨脹的效果:
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其中△t′就是地面上的我觀察飛船上的你時(shí)間,△t為地球上我的時(shí)間,V是飛船的速度。當(dāng)V無限接近光速C時(shí),△t′趨于零,意味著你基本上是靜止的動作。
其實(shí)時(shí)間膨脹的核心就是光速不變原理,如果光速也有相對性,那么就不會有時(shí)間膨脹現(xiàn)象。
由于光速不變,飛船上的人感受到1秒,在地面上感受到的會大于1秒,看下面兩圖就明白了,光子的飛行路徑不一樣。飛船上的人看到的光子是直上直下的,而地球上的人看飛船上的光子是斜線,速度不變(光速不變)而路程變大,當(dāng)然時(shí)間就膨脹了!

看到這里,或許有人已經(jīng)感覺到哪里不對勁了!
對了,這就是著名的“雙生子佯謬”。
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一對雙胞胎兄弟,弟弟在地球上,哥哥乘坐亞光速飛船離開地球。按照剛才所說的時(shí)間膨脹,由于哥哥的速度達(dá)到了亞光速,地球上的弟弟會看到哥哥的時(shí)間流逝速度很慢。如果哥哥再次返回地球,會發(fā)現(xiàn)弟弟比自己更老了,而自己卻依然很年輕。
不過由于時(shí)間是相對的,飛船上的哥哥看地球上的弟弟,也會發(fā)現(xiàn)弟弟的時(shí)間流逝速度變慢了。
問題就來了:到底誰的時(shí)間變慢了?
哥哥和弟弟都沒有錯(cuò),因?yàn)樗麄兌际且愿髯缘囊暯莵砜创龁栴}的,兩者看似矛盾的結(jié)果其實(shí)并不矛盾,由于他們處于不同的參照系,他們之間的結(jié)論比較就失去了意義。他們得出的結(jié)論都是以各自的“本證時(shí)間”來定義的。
而只有哥哥和弟弟重新回到同一參照系,他們的比較才更有意義,比如說哥哥再次返回地球。
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而如果哥哥想返回地球,勢必有減速加速的過程,由于狹義相對論有一個(gè)前提是“慣性系”,而加速減速不屬于慣性系,所以就不能再用狹義相對論來解釋(非要用的話也不是不可以,不過非常麻煩,需要把哥哥減速加速的過程分割成無限個(gè)“慣性系”,用到微積分)。
而這時(shí)候用廣義相對論就很好解釋了。按照廣義相對論詮釋,慣性力等效于引力,也就是說哥哥減速加速的過程其實(shí)等效于經(jīng)歷了巨大的引力,而“引力越大,時(shí)間流逝速度就越慢”(比如說在黑洞附近,黑洞引力巨大)。所以,實(shí)際上還是哥哥的時(shí)間流逝速度變慢了,弟弟并沒有經(jīng)歷任何減速加速過程。
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等到哥哥返回地球,可能會發(fā)現(xiàn)弟弟已經(jīng)白發(fā)蒼蒼,甚至可能已經(jīng)離世,這取決于哥哥所在飛船的飛行速度到底有多接近光速。所以說,所謂的“雙生子佯謬”也僅僅是“佯謬”而已,一點(diǎn)也不矛盾。廣義相對論能給予很好的解釋,也很簡單。
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總結(jié)下,所謂的“速度越快,時(shí)間越慢”是有前提的,需要是兩個(gè)參照系之間的對比,而不是本身感受到的“本證時(shí)間”(自己的時(shí)間)!
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