時間與運動的關係

2021-01-09 夸克星貓

日常生活中我們對時間通常來自於感覺,無聊的講座似乎比一輩子都久,快樂的假期一轉眼好像還沒開始就過去了。我們對時間的這份感覺取決於對其關注的多少。我們有著專注於計算每分每秒的內部時鐘以及神經處理器,在我們的一生中有著許多的記憶層次,對它們排序,也就感知了時間的流逝。

但這些終究是我們的感覺,事實上,時間的流逝是基於運動的。物體相對你運動得越快,你會看到它的時鐘走得越慢。以光速運動的粒子沒有時間流動,它的時鐘是靜止的。

那麼為什麼時間取決於運動呢?

設想一個時鐘是由兩面鏡子及一個在之間運動的光子組成,光子一個來回代表時鐘走一次,時鐘走的快慢取決於光速及兩面鏡子之間的距離。在時鐘相對我移動之前,時鐘速率一定,時間流動平緩。

現在設想鏡子朝一側移動,在靜止的我們看來,現在光子的路徑變成了一個更長的斜線。有個奇怪的事實,在我們之提過,光速是不變的,所有觀測者都會看到光子以相同的速度運動,無論他們自身速度如何。回到光子中,現在看來,光子需要更久的時間進行一個來回,因為它需要走更遠的距離,而且速度不變。於是我們就會看到,好像運動的光子鍾比相對我們靜止的光子鍾走得慢。

不過,某個跟隨時鐘一起運動的人則認為他的時鐘速度正常,而我們的時鐘變慢了。畢竟相對他運動的是我們的時鐘。這種現象就是愛因斯坦狹義相對論中的時間膨脹。

那要是光子鍾以光速運動的話會怎樣?隨著移速的增加,光子夠到鏡子所要走的距離也越來越遠,在鏡子移速達到光速時,這個距離變得極大,光子便無法在鏡面來回運動,而是變成靜止狀態。光子原本走的距離為單位時間內鏡子水平運動和鏡面之間距離組成的三角形的斜邊。而我們直到,直角三角形的斜邊一定是大於其任意的一條直角邊的,所以當其中一條直角邊為c時,光子變無法在抵達鏡面了,時間靜止了。

類似的,這個理由也同樣可以說明垂直方向的加速系中的光子鍾,比如火箭上的,會比非加速系中的鐘走得慢。加速系中的光子運動的總距離也是比靜止時的大一些,因為上面鏡子的遠離上升光子的速度要大於下面鏡子趕上下降光子的速度。而愛因斯坦的等價原則說明,處於引力場中的系統與加速系統大致等價,所以所處位置引力場越強,時鐘必然走得越慢。這就是廣義相對論中的引力時間膨脹。

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