為什麼時間會膨脹,達到光速時間停止怎麼理解?

2020-12-04 時空通訊

狹義相對論和廣義相對論合在一起,推翻了經典物理學中的靜態宇宙觀,證明了宇宙是動態的,不斷發展變化的。這個動態的主要內容就是在不同的慣性參考系,時間流逝是不一樣的。導致這種時間變化的就是時間膨脹。

時間膨脹有兩種:

在狹義相對論裡面,速度越快,時間流逝越慢,速度時間膨脹遵循的公式表達為:t'=t/√[1-(v/c)]

式中,t'是速度時間膨脹效應值;t是低速系觀測者第一個時鐘時間記錄;v是第二個時鐘相對第一個時鐘的移動速度;c為光速。

在廣義相對論中,在引力(重力)越大的環境中,時間流速越慢。引力時間膨脹遵循的公式表達為:t'=t*√(1-2GM/rc)

式中,t'為引力時間膨脹效應值;t為低引力慣性系觀測者時間流逝值;G為引力常數,取值6.67x10^-11N·m/kg;M為天體質量;r為天體半徑;c為光速。

在這些公式裡,我們可以看到都有光速「c」的身影,說明光速在時間膨脹中的關鍵性作用,如果沒有確定光速的準確值,或者沒有確定光速極限、光速不變、光速恆定這幾個原則,就沒有時間膨脹的精確測量。

因此我們首先了解一下什麼是「光」?

為什麼說光速有這麼重要呢?這是因為我們人類所觀測到的一切,都是依靠光,更嚴格意義上來說是依靠電磁波。現代物理學認為,電磁波譜整個波段都是光波,都是由光子作為媒介傳遞的能量。

我們人類眼睛能夠看到的光叫可見光,波長在380~760nm之間,只是整個電磁波譜中很微小的一點點,電磁波譜還包含無線電波(包括長波、中波、短波、微波)、紅外線、紫外線、X射線、γ射線,可見光只是夾在紅外線和紫外線之間的夾縫中一點點。

除了可見光,其餘的電磁波譜都是肉眼看不到的,但現在人類通過各種發射和接受設備,不但能夠看到這些不可見光,還能夠發射這些不可見光。

現在人類探索太空,探索我們周圍的世界,探索地底下和深海,探索細菌、病毒、原子以及基本粒子等微觀世界,都是依靠光(電磁波)進行的,因此沒有光,人類就白長了一雙眼睛,這個世界就無法辨識。

「光速」已經成為物理世界最重要的常數。

從伽利略開始,經過幾百年科學家們前赴後繼,經過對光的測試,人們知道了光是有速度的,而且是很快的。上世紀人們通過光的幹涉效應測得了真空光速的準確值,1975年第十五屆國際計量大會修改了「米」的定義,將1米定義為光在真空中1/299792458秒時間裡運行的距離,從此米和光速相互印證,得到了精確定義,真空光速精確值為:c=299792458m/s,這已經成為現代物理學中一個最重要常數。

愛因斯坦在狹義相對論裡面,用無法辯駁的邏輯論證,確定了光的基本屬性,就是它是我們世界的物質的極限速度,任何有靜質量的物體都無法達到,更無法超越光速;真空光速在任何參照系都是恆定的,光速本身也不可疊加。

光速限制和光速恆定通過洛倫茲變換得到完美的解釋。

光速限制公式表達為:M=m/√[1-(v/c)^2]

其中M為物質的運動質量,m為物質的靜質量,v為運動速度,c為光速。

光速恆定公式表達為:V=(V1+V2)/(1+V1xV2/C^2)

其中V為物體疊加速度,V1、V2為兩個運動源速度,C為光速。

光速是我們世界的定海神針。

光速為什麼會是我麼世界的定海神針呢?在狹義相對論中,得到光速限制和光速恆定的推導過程非常複雜,沒必要照搬過來。在這裡時空通訊就來「民科」一下,談談自己對光速影響世界的一點體會。

宇宙的一切都在運動,而運動的頂級速度就是光速。我們所有的觀測活動都是通過光源或者光的反射、衍射、折射進行,而光是有速度的,因此在速度中觀測事物就可能得到不同的結果。

我們在一定的速度參考系中,由於觀測目標的時間改變了,時間就會變慢了。

比如我們觀測一個距離我們1光年的地方,本來只能夠看到1年前的事物,但由於我們坐在一艘半光速飛船中,我們看到的那個事物就會更早的來到我們面前。根據公式計算,在低速慣性坐標系,比如地球上的人,看到這條一半光速飛船用了兩年時間才到達1光年遠的星球,而在飛船裡的人們只感覺約用了1.73年時間,因為一半光速時間膨脹效應為1.1545倍。這樣高速系裡面的人感受到的時間就比慢速系觀測者時間要慢。

而當速度趨於光速時,與我們接收到的事物發出的光是同時到達的,因此就會表現出空間為零時間為零的效應。我們還用前面1光年距離物體來打比:當1光年處物體的光還沒有發出時,乘坐光速等速飛船的人們就到達了那裡,看到它當時的樣子,而不是1年前的樣子。這樣飛船上的人感覺沒有費任何時間,而在慢性參考系中的人們觀測到這艘飛船還是花了1年時間。

在引力條件下,這種時間膨脹效應與速度時間膨脹效應應該是等效的。

引力越大,對時空的扭曲越大,在扭曲的時空裡,時間變慢;當引力達到光速也無法逃逸時,時空趨於停止,也就是說空間為0,時間停止。

這種停止並不是說飛船中的人似乎被定身法定住了,而是真的沒花費時間,不光感覺沒花時間,就連身體細胞的新陳代謝也沒有動一下,是真的時間沒流逝。

這種「民科思維」可能漏洞百出,僅供大家參考。但不管速度時間膨脹還是引力時間膨脹,都是以光速為關鍵參數的,這說明光速是人類世界最重要的一個常數,是衡量時間膨脹的最重要標準。

速度和重力時間膨脹不僅僅是理論,早已證實並廣泛運用。

這裡舉兩個簡單例子:

1、科學家精確實驗發現,同一種粒子的衰變在不同的速度裡是不一樣的,速度越快衰變越慢,這說明速度越快時間越慢,粒子的壽命越長。

2、GPS定位衛星在20000km高空運行,受到的地球重力比地表小,因此時間會相對地表要快;而衛星以每秒約4km速度運行,時間相對地表就要慢一些。雖然時間膨脹很小,但必須按照相對論上述公式進行修正,調整衛星上的原子鐘跳動頻率,使之與地表格林威治時間一致,這樣才能夠精準的進行導航。

同樣,在宇宙航天探索中,都必須考慮調整時間膨脹效應,探測器才能夠準確的到達目的地,並準確的完成探索任務,將資料發送回來。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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    不知道我這種理解對不對,即便不對,也只能這樣理解來回答。但可惜結論是無答案,因為光速飛船時間停止。根據速度時間膨脹效應,在高速慣性系裡,會發生尺縮鍾慢效應,就是飛船裡的人會感覺也實際體驗到距離縮短、時間變慢效應,達到光速空間為零,時間停止。也就是在光速飛船裡的人,在宇宙任意空間移動,感受不到空間距離,也沒有時間流逝。
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    當應用於光速時,速度相對論與麥克斯韋的基礎事實相悖,這給愛因斯坦出了個大難題。然而,這一大難題促使愛因斯坦提出了物理學史上難以置信卻又最具創新性的理論——兼顧這兩大定律的理論,這聽上去似乎也沒多麼令人震驚。為了探究這兩者之間的矛盾,解釋時間為什麼變慢,愛因斯坦想到了一個精妙絕倫的思想實驗,這絕對排在最佳思想實驗行列中。
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