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深層分析愛因斯坦的狹義相對論,為什麼物體速度越快時間就越慢?
2023/04/01

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說到這個問題,不得不提到時間的本質,還有就是愛因斯坦的狹義相對論。時間的本質人類到目前為止仍舊沒有給出最終完美的答案,但這并不妨礙我們去感受時間,而愛因斯坦的狹義相對論幫助我們更好的理解時間。

很多人或許覺得愛因斯坦的狹義相對論對時間的描述比較抽象,難以理解。下面就具體地描述下狹義相對論定義下的時間概念。

在這之前,需要明白一個重要的概念,那就是「光速恒定」。我們都知道光速在真空狀態下速度為30萬公里/秒,但光速恒定的真正概念不是這樣的,而是在任何運動狀態下都會保持那個速度。我們都知道相對速度,但光速并沒有相對這個概念,舉個例子就全明白了,如果你手里拿著一個手電筒,以5米/秒的速度奔跑,靜止的我看手電筒發出的光的速度仍就是光速,而不是光速+5米/秒,這就是光速恒定原理(已經得到科學家實驗證明,暫時不用去想怎麼去證明的)

明白了這個原理,就讓我們做一個思想實驗。

設想有這麼一個光子鐘,這個光子鐘很簡單,上下兩面是距離15厘米的鏡子,中間是一個光子在來回運動,我們就是光子來回的上下運動來計算時間,類似我們家中的鐘擺。

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如果光子鐘處于靜止狀態,你(靜止狀態)觀察光子的運動很簡單,就是上下來回運動,運動時間也很好計算,光速是30萬公里每秒,運動距離是15厘米,距離除以速度就是時間,上小學時我們就學過,可以算出這個時間是超乎想象的小。

但如果把光子鐘放到高速飛行的宇宙飛船上,一切都不一樣了。你看到光子鐘的光子運動不再是垂直上下運動,而是會沿著斜線運動。

當飛船從A點運動到B點,對于飛船上的人(姑且取名為小明)來說,光子仍就上下垂直運動,因為小明和光子鐘的運動速度是一樣的,他們之間相對是靜止的。

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不過對于你來說就完全不是那回事了,你會看到光子并不是垂直上下運動,而是沿著斜線來回運動,換句話說,你看到光子的運動距離變長了。

由于光速恒定原理,光子來回運動一個回合的時間自然也就變長了,在你的眼里,飛船上的時間變慢了,一切似乎都以慢動作上演。隨著飛船速度的增加,光子所走的距離也越來越長,如果飛船的速度達到光速,這個距離將達到無限大!(試想,如果沒有光速恒定原理,光也有相對速度,你看到光子的速度就等于光速+飛船速度,這樣的光子仍將做垂直上下運動)。

那麼在你的眼里,飛船上的時間到底如何計算呢?其實也很簡單,或許國中數學就足夠解答這個問題。

把剛才飛船的運動軌跡畫出一個圖,能更容易讓我們解答,如下圖:

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利用勾股定理:(ct’)2+(vt)2=(ct)2,把公式展開,很容易計算出下列結果:

你會很容易發現,速度越大(V越大),時間就越慢,如果速度達到光速,時間就為0,意味著時間停止了!再腦洞大開一下,如果速度超過光速,得到的時間就是虛數,意味著時間倒流?

當然,愛因斯坦的相對論早就告訴了我們,任何有有品質的物質速度不可能達到光速,只能無限接近,更不要說超過光速了!

到現在你應該明白為什麼說速度越快時間就越慢了吧!事實上,這里存在著一個重要的事實,那就是這里所說的時間也是相對的時間,你看到做飛船飛行的小明時間過的很慢,事實上從他自己的角度來看,和你的時間流逝速度并無兩樣。只不過在你眼里,你完成的一個普通動作,比如打噴嚏只需要一秒時間,而飛船上的小明可能需要1分鐘甚至更長的時間。

而如果小明以接近光速的速度飛行一年后再次回到地球,會發現地球上的時間已經過去了數十年甚至更長時間。但就小明自己而言,他看到自己變老的速度絲毫沒有減慢,只是在你看來他的時間變慢了!

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