深層解讀相對論「時間膨脹效應」:宇宙萬物的速度其實都是光速C

芝诺乌龟 2021/04/13 檢舉 我要評論

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儘管愛因斯坦的相對論已經誕生一百多年了,但仍舊有很多人並不瞭解相對論,尤其是在網路上,更是充斥著對相對論的質疑,質疑本身並沒有錯,但如果在根本不瞭解相對論的情況下,僅憑個人感覺和愛好就去質疑相對論,那就毫無意義了,純屬找存在感而已!

相對論中的「時間膨脹」讓很多人感到困惑:時間不應該是絕對的嗎?為何說速度越快,時間就越慢呢?

其實,「時間膨脹效應」並不難理解,並不需要什麼高深的知識,甚至只需要國中數學知識就能夠快速理解。下面就簡單分析一下為何速度會影響時間的快慢。

假設一輛汽車以速度V行駛,汽車裡有一個人手裡拿著手電筒垂直朝上,打開手電筒。由於光速不變原理,無論汽車如何運動,光的速度都是光速。

所以,我們假設以汽車為參照系時,手電筒的光垂直飛行一段距離用時為t,而以地面為參照系用時為t‘。

以汽車為參照系時,光飛行的距離為ct。而以地面為參照系時,距離為ct‘,汽車行駛的距離為vt。用畫圖表示出來就很好理解了,如下圖:

從圖中可以看出,汽車參照系下,光飛行的距離更長,相當於一條斜線。這裡需要注意一點:僅僅是在地面參照系下ct才相當於一條斜線,並不是說在地面參照系下手電筒的光是斜著向上飛的,實際上仍舊是垂直向上飛行的。

這樣,我們利用勾股定律,很容易就能得到下面的計算公式:

結果也就表明:以汽車為參照系經歷的時間t,與在地球為參照系經歷的時間t‘並不一樣,由於v永遠只能小於c,所以t’永遠小於t,這也就是時間膨脹,地面上的人會看到汽車裡的人的時間變慢了,好像慢動作一樣。當然,由於地面上的速度都遠小於光速,v遠小於c,所以,時間膨脹效應可以忽略不計,我們不可能直觀地感受到時間變慢了!

這也是為什麼會有著名的「雙生子佯謬」:一對雙胞胎兄弟,弟弟留在地球上,哥哥以亞光速乘坐飛船離開地球,若干年後哥哥再次返回地球,會發現弟弟早已白髮蒼蒼而自己仍舊很年輕,因為哥哥乘坐亞光速飛船,他的時間變慢了!

不過,如果哥哥永遠不返回地球,他就不會直觀地感受到時間膨脹效應,「時間膨脹」對於哥哥弟弟來說就毫無意義了。如果哥哥和弟弟都能看到對方,哥哥會發現弟弟的時間變慢了,弟弟也會發現哥哥的時間變慢了!

那麼到底誰的時間變慢了?

哥哥和弟弟都沒錯,因為他們站在兩個完全不同的參照系得出的結論,兩者的比較就失去了意義。而只有哥哥和弟弟重新來到同一參照系下(比如哥哥返回到地球),時間流逝的速度快慢才有意義。結果還是哥哥的時間變慢了,因為哥哥經歷了加速和減速過程,而弟弟沒有(這裡就不詳述了,從狹義相對論分析有點複雜,廣義相對論就很容易理解)。

到了這裡,你或許應該明白了,原來時間和速度兩個看起來毫不相干的東西,竟然有如此密切的聯繫,我們可以簡單這樣說:時間,因光速而存在!

如何理解這句話?

宇宙萬物都在不停地運動中,而運動其實就是位置的變化,也就是速度,而這只是巨觀的表現。從微觀層面來講,萬物都是由微觀粒子構成的,位置的變化其實也是微觀粒子狀態的改變,而時間恰恰就是用來描述狀態變化快慢的物理量。

還有很重要的一點:何為快慢?在我們日常生活中,快和慢(速度)必須有一個參照系,否則就無法衡量速度的快慢。但只有一個例外,那就是光速。

光速不需要任何參照系,或者說光速在任何參照系下都是光速。光速就像一把宇宙尺規,可以用來衡量其他速度的快慢。光速就是大自然的內在固有秉性。在真空中的光速,只與真空的磁導率和介電常數有關,其他任何東西都不會影響光速。

說到這裡,需要延伸一下,看看你是否真的瞭解「時間膨脹效應」!

時間膨脹效應(鐘慢效應)其實暗示了一個非常驚人的事實:宇宙中的萬事萬物在時空中的運動速度其實都是光速!

是不是有點懵逼?

愛因斯坦的狹義相對論表明物體的速度不可能超越光速,這不明顯違反相對論了嗎?

確實很違反我們的直覺,但關鍵點就在於「時空」兩字。我們平時所說的速度都是空間裡的概念,說白了都是空間裡的位移(距離)除以時間,得到的結果就是速度,這種速度當然不可能超越光速。

但是在時空裡(四維時空)一切都大不一樣,時空和空間雖然只有一字之差,但結果有本質的區別。

時空,包括三維空間座標和時間座標,在狹義相對論中,空間和時間座標是平等的。

舉個最簡單的例子,每當夜深人靜,你躺在床上熟睡中,一動不動,在三維空間裡,你肯定是靜止的,你的速度為零(相對地球)。但在四維時空裡則完全不同,雖然你空間的座標沒有動,但你的時間座標一直在流動,一直在向前飛逝,你的時間維度的速度就是光速。

在四維時空裡,我們講的是事件,從一個事件到另一個事件,你的位移是四維位移,而不是三維空間位移。

明白這點,相信你肯定會有點感覺了。即使你呆在一個地方一動不動,但你在時間維度上仍舊有速度,這個速度就是光速。

而一旦你在空間上有速度(比如你不再一動不動,而是跑起來),這個空間上的速度會帶來什麼結果呢?

相信有人肯定想到了,對了,空間上的速度會帶來「時間膨脹效應」(鐘慢效應)!

言外之意,如果你在空間上有速度之後,你的時間就開始變慢了,你的空間速度越快,時間就變得越慢。通俗地講,當你在空間維度上有速度時,時間維度的速度就會變慢!

如果你空間上的速度達到光速,時間維度的速度就會變為零,也就是我們通常所說的「時間靜止」了!

再往深了挖掘,其實就相當於把光速C分解為時間和空間兩個速度,無論時間和空間的速度如何改變,它們的「總和」(也就是光速)不會改變。就像一個直角三角形那樣,斜邊是光速C,兩個直角邊分別是時間和空間的速度!

這也說明瞭一點:靜止的你時間流逝速度會更快,也就是說會老得更快,運動起來會讓時間流逝速度變慢!不過由於不管我們如何運動,我們的速度相對光速都太慢了,所以「時間膨脹效應」完全可以忽略不計。

今天的分享到此結束。

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