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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