相對論中時間為何會變慢?初中知識就可以解答!

2021-01-18 宇宙探索



中國古代的宇宙觀與世界觀,可以從中文的「宇宙」、「世界」等詞語裡找到線索。《莊子》:「上下四方曰宇,往古來今曰宙。」 世界的世指時間,界指空間,追溯其源頭乃出於佛教。因此空間和時間構成了「宇宙」和「世界」。


探索宇宙是人類永恆的話題,從古至今無數人提出了各種假說,你也可以提各種假說,只要能自圓其說就能成就一方哲學。如果要到科學層面,需要有嚴謹的數學推導和證明並將其量化。

偉大的愛因斯坦基於光速不變,提出狹義和廣義相對論,數學上一統時空。如果你還想提出假說,就必須要理解相對論說啥了。

相關資料網上很多,本文做一些重點總結,只求模型觀,不求量化推導,算是科普。古人云:物理不是物理學家的私藏,而屬於全人類!

在接近光速運行的空間裡,時間會變慢

引用一個經典的教科書上的例子來解釋為什麼時間會變慢。

下圖為一虛擬實驗,A和B為兩面鏡子,相距為L,光子一面鏡子發射到達對面的鏡子,再返回,則可以測出光速。


但如果空間以接近光速勻速運行,我們沿著與空間運行垂直的方向設置兩面鏡子。如下圖所示,朝右運行。則光子從A到B再回到A的距離變成了斜線。如果光速不變,距離L不變,那只能是時間變慢了。


推導

結論

整個過程連起來就是下圖的效果,注意藍色點。因此,就有著名的經典場景:如果某年輕人坐接近光速的宇宙飛船若干年回到地球,該乘客還依然年輕,而當年的同齡人已是老年。因為接近光速的宇宙飛船上時間變慢。


時間因光速而存在

如果乍眼看,似乎反自然規律,別急,耐心容我解釋一下。

我們可以這樣來理解:萬物(包括宏觀微觀物體)都在運動,運動帶來位置的變化,不妨把這變化理解為小粒子們的組成的狀態改變,而時間就是用來描述物體們從一個狀態變成另一個狀態。所謂的時間快慢就是狀態變化的快慢。而「快」與「慢」都是相對光速而言的。也就是說,上面例子裡宇宙飛船上的年輕人之所以還年輕,是因為宇宙飛船上的粒子運動比較慢。

那為什麼光速是恆定的?首先這個問題本身就很有問題,會誤導大眾。簡單的回答是,時間是以光速為參照而存在,且是該宇宙的極限速度。根據相對論,質量能量守恆的原理,換句話說,質量能轉化能量,而速度跟能量有關。如果把質量全都轉化為能量了,則速度是極限。這個極限就是光子,因為光子沒有質量。所以,質能轉化是宇宙或自然的規律,光速是宇宙或自然的特徵。

如果存在另一個不一樣的宇宙,只要算一下質量轉化成能量,還有光速,就能了解那個宇宙不一樣的「時間」,也能比較宇宙們的異同。因此造世主只要定義了光速,就定義了宇宙。啊,神吶。聖經《創世紀》第3節:神說,要有光,就有了光。

空間是光的軌跡

幾乎萬物都有質量,也有所謂的萬有引力。另一種現代物理的理解是,物體質量影響空間結構,構成勢能,使得有質量的物體會互相靠近,營造出「水往低處流」的場景,如下圖。這個叫做「引力場」。而光在靠近大質量的物體時,會產生彎曲。這裡要注意一下,所謂的「彎」和「直」,都是相對的。為什麼說兩點之間直線最短?那是因為人們生活經驗主要靠光來觀察事物,而光按照直線運動(比如瞄準或者擋太陽)。換句話說,光怎麼走,人們所認識的直線就長什麼樣,雖然現實中大家已習慣「本末倒置」了。


再遙望浩瀚外太空,星系如塵埃不可數。若論分布,有些密集,有些稀疏,有些想對高速運動,有些想對低速運動。有些地方,光線軌跡是直的,但有些地方可能是歪歪扭扭的,有些地方時間走得快,有些地方時間走得慢。

如果沿著光線穿越外太空,就有點如下圖所示。而每個小空間所觀察到的光線都是該空間的「直線」。回到篇頭的例子,高速空間裡之所以時間變慢,是因為光線走斜線(不是直線)路遠,而導致該小空間裡的粒子都變慢,因而變化慢,致使時間變慢。


有人說「時間是按光速朝一個方向運行」,「光速就是空間的半徑」,這些都是很形象的。

空間的變換可以用洛倫茲變換,對其數學公式推導有興趣者,強烈推薦看一下百科介紹,思路頗為精妙。

再用兩個比喻來說明時間與光速。

堵車的地段車速慢,不堵車的地段車速快,如果兩個同一裡程出發,在兩個不同地段行駛,這個時候兩個司機通電話互報裡程表,對堵車地段的車來說,裡程就少,另一車裡程就多。裡程就是時間。

兩臺計算機同時開始跑一樣的程序自動打單機通關遊戲,一臺計算機的cpu計算能力強,另一臺相對弱,如果到某個時刻兩臺計算機相遇,快的計算機已經花費了更多的cpu cycle達到了後面的遊戲關卡。這裡的cpu cycle就是時間。

超光速?

光速是宇宙的極限速度,因為光子零質量,所以速度最快。但空間是可以「扭曲」的,構成一些「蟲洞」。這樣能通過走捷徑做到比光子更早到達目的地,但並不是突破光速極限。

不過目前似乎沒人知道怎麼構造蟲洞。有人說是「暗物質」,通過「負能量」能做到。還有些人說利用量子物理的一些神秘莫測的特性構造蟲洞。期待,那將是物理學開腦洞的另一個裡程碑。未來的星際旅行瞬間轉移就靠它了,哈哈。


回到過去?

比光更早到達目的地不代表能回到過去。如果把時間理解為物體變化的紀錄片,如果能把物體還原,比如通過神奇的「負能量」讓粒子沿反方向或者徹底重構,那就是回到過去了。或者有些平行宇宙的理論,跑到另一個宇宙去,這個是另一種完全不同的宇宙觀了。


相關焦點

  • 廣義相對論中引力是如何使時間變慢的?
    按照狹義相對論,運動的尺會縮短,運動的鐘會變慢,這是狹義相對論的「尺縮鍾慢」效應、尺縮鍾慢的意思是,當你測量一個距離,比如地球到月球的距離,你靜止的時候測量到的地月距離是l,當你駕著飛船從地球高速飛向月球時測量到的距離就會小於l,並且速度越大測量到的地月距離就越短。狹義相對論有一條基本原理叫相對性原理,意思是物理規律在所有的慣性系中具有相同的表現形式。
  • 「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?
    廣義相對論和狹義相對論我在前面的文章中都講了不少,其中有個效應:時間變慢,不少朋友仍然有很多疑惑,所以今天這期節目就針對「時間變慢」效應給大家再度剖析。如果此時你去看火車裡的人會發現「時間變慢」了,但是火車人看自己發現時間未變化,針對這個看似矛盾的問題其實並不矛盾,如果你看了我之前寫的狹義相對論文章就應該知道,狹義相對論造成的「時間變慢」這個效應本身也是「相對的」,效應本身相對意味著換參考系,「效應」就會發生變化。
  • 光速飛船可以使時間靜止或變慢——愛因斯坦狹義相對論
    (推導)(二)高速飛行的飛船相對時間會變慢。(理論與推導)(三)假如飛船可以達到光速,時間的確可以相對靜止。(理論與推導)為什麼飛船達不到光速?(假設能聽到)再說一個,比如飛船上有個人正在練武術地面上看到船艙裡像在打太極(感受下地面與船裡的不同)如果你看完圖理解了,就可以知道,其實飛船上的人並沒有感覺到時間變慢了,感覺變慢的是地面上人。
  • 時鐘雖然不會變慢,但時間真的會變慢,鍾慢效應與狹義相對論
    時間真實存在,且與空間密不可分,所以二者並稱為時空。時間與空間皆不能捨棄對方而獨立存在,如果你深讀相對論,就會對此有所認識。時間不僅是真實存在的,而且時間還會因運動而變慢。這裡所說的時間變慢可能與你對時間的理解並不相同。
  • 徹底說明白相對論的時間變慢
    但現在,你隨便揪出一個物理系的學生,沒有不懂相對論的。畢竟世界已經被教育了100多年了嘛。相對論中有很多有趣的邏輯,今天我來說說時間變慢這回事。說先道出結論:移動的物體時間會變慢,移動的越快的物體時間就變的越慢。為啥會這樣呢?因為我們是用眼睛看的。你是否覺得我在胡扯。別急,慢慢看。
  • 「引力」和「高速運動」都會使時間變慢,相對論出現了巨大矛盾?
    前面幾期文章中,我重點談到廣義相對論中「引力場使時間變慢」這個效應,不少網友指出如果引力和高速運動都能使得時間變慢,狹義相對論和廣義就會有巨大矛盾?這期我就針對這個問題給大家談談。引力場時間變慢,這是廣義相對論裡面的內容,而高速運動物體時間變慢,是狹義相對論研究的內容。如果這兩者真的衝突了,那就是廣義和狹義相對論衝突了,不過可惜這並沒有衝突,而且廣義相對論的基礎就是狹義相對論。
  • 「引力」和「高速運動」都會使時間變慢,相對論出現了巨大矛盾?
    這也就是所謂「時間變慢」這個效果本身也具有相對性。如果一個物理量是絕對的,那麼無論選啥參考系,物理量大小都不會變。但是廣義相對論說「引力」會使得物體時間變慢,這裡的變慢似乎是「哪裡有引力,哪裡的時間就變慢」,隱隱的感覺廣義相對論把時間這個物理量絕對化了,不會因參考系的變化而變化,這樣一來,豈不是與狹義相對論中關於時間具有相對性衝突了嗎?
  • 7.用相對論解釋時間為什麼會變慢(下):時間+空間=4維時空
    可是現在,時間好像也沒有想像的那麼特別了,它也是可以被影響的,只要在空間中的運動就可以讓時間變慢。不過也難怪人們很久都沒有發現,因為光速太快了。不論是坐火車,還是坐火箭,人類所能達到的速度都遠遠比不上光速,雖然再慢的速度也會影響到時間,但是帶來的時間改變卻是非常小的,小到了根本察覺不到,所以才幾千年來都沒有被發現。
  • 根據相對論,運動的人時間會變慢,那靜止的人有可能時間變快嗎?
    我們將題主的問題分為兩部分:①運動的人,其時間會變慢。②靜止的人,如何改變自己的時間?先來看第一部分,所謂運動的人時間變慢,這是基於狹義相對論的結果,但這個時間變慢在不同參考系內的看法是不一致的,因為關鍵在於相對速度是多少,下式就是狹義相對論關於時間膨脹的公式其中v指的是相對速度,也就是說當觀察者立於地面不動時,面前跑過去一個人,那麼觀察者就能得出跑步者時間變慢的結論
  • 為什麼引力會使時間變慢?
    想要通過一篇問答來仔細講準確廣義相對論是不現實的,因此我們可以先從狹義相對論開始入手,畢竟狹義相對論中也是存在鍾慢(也就是時間變慢)效應的,而狹義相對論只是廣義相對論在時空平直時的特殊形式,因此了解狹義相對論十分有必要。狹義相對論的兩大基本前提:狹義相對性原理和光速不變原理。
  • 到底誰的時間變慢了
    ,地球上的妹妹認為姐姐肯定比她年輕,因為上回我們說了是狹義相對論原因,姐姐的時間比她慢。時間會變慢姐姐是更年輕的,時間會變接加是更年輕的,反之如果以飛船作為參考系,那麼地球上的妹妹處於高速運動中,她的時間會變慢,也就是妹妹更年輕,這個有點量子力學裡「疊加態」的感覺,同一事物同時存在於兩種狀態,當你要具體測量時,選中了一個參考系,這才變為最終的確定狀態,好了回到剛才的「雙生子伴繆」,如果這就是,要比較就讓她們倆見個面,真正面對面比較,參考系也一樣了
  • 相對論說光速不變,那如何解釋光在介質中速度變慢呢?
    這個問題其實是對相對論光速不變原理不了解,從而產生的疑惑!光速不變原理光速不變原理是指真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。相對論中是不允許有質量的物質運動速度超過光速,如果達到光速,質量便會加到無窮大,所以相對論不讓攜帶質量和信息的物質超光速。因此超光速不是不被允許,只要不攜帶信息和質量就可以。所以量子糾纏和宇宙膨脹都沒有違反相對論。真空中最快,為3*10^8米/秒. 其餘介質都比在真空中慢,最接近的是空氣,約為2.996*10^8米/秒。
  • 接近金字塔時間會變慢?這個效應其實是真的
    導讀:金字塔的重量巨大,對周圍的物體(包括人)也有萬有引力,因此接近金字塔的人時間會變慢。只不過這個效應非常非常小,正如視頻中說的那樣:效應只有十億分之一秒量級。這正是愛因斯坦廣義相對論中的一個結論:引力使時間變慢。
  • 為什麼一個物體接近光速時,時間會變慢?
    讓我們先退一步,回顧一個事實:根據狹義相對論的假設,一個物體接近光速(或者任何速度)的時候,時間都不會變慢。一種專門設計用來量化時間的儀器在運動或相對於觀測者運動時(速度接近光速),時鐘會走得更慢(稍後會詳細介紹)。愛因斯坦所描述的鐘的類型是一個特定的性質和設計的一個「光子鍾」。在光子鍾內,光在鏡子之間反射。
  • 根據相對論,為什麼亞光速航行會導致時間變慢?
    首先需要明確一點,相對論所說的速度越快時間越慢是運動參照系相對於靜止參照系而言的,但運動參照系中的觀察者根本不會覺得自己的時間會過得更慢。至於為什麼不同參照系之間的時間流逝速率存在差異,其根本原因在於光速不變原理。根據這一原理,光的傳播速度相對於任何參照系都是相等的。
  • 愛因斯坦:為什麼引力越大,時間變慢?
    時間膨脹    時間變慢這個觀點在相對論沒有誕生之前簡直是不可想像的,但1905年愛因斯坦提出《狹義相對論》後就提出了一個著名的預言:鍾慢效應!也就是運動時鐘的「指針」行走的速率比時鐘靜止時的速率慢,這就是時鐘變慢或時間膨脹。    但這一效應真正是在廣義相對論提出後被證實的!
  • 時間沒有質量,甚至於根本不是物質,為何引力還可以讓時間變慢?
    GPS衛星軌道位於地球表面2萬公裡以上,在這裡所受到的引力作用要比在地球表面小得多,而引力會使得時間流逝速度變慢,所以GPS衛星的時間流逝速度要快於地球表面的時間流逝速度。此外,由於衛星相對於地球處於運動之中,受狹義相對論效應影響,衛星的時間流逝速度變慢,所以就必須要進行二次校準,這就是上面所說的雙向時間校準了。那麼如果我們不對GPS衛星進行時間校準又會怎樣呢?由於GPS衛星上的時間流逝速度與地表不同,所以定位位置就會出現偏差,平均每24個小時,偏差就可以達到14米。
  • 時間沒有質量,甚至於根本不是物質,為何引力還可以讓時間變慢?
    GPS是每個人幾乎都會用到的東西,我們靠它來為我們進行導航,然而我們並不能夠直接使用GPS衛星所傳輸的數據來進行導航,我們必須在使用之前先進行雙向的時間校準。GPS衛星軌道位於地球表面2萬公裡以上,在這裡所受到的引力作用要比在地球表面小得多,而引力會使得時間流逝速度變慢,所以GPS衛星的時間流逝速度要快於地球表面的時間流逝速度。
  • 接近金字塔時間會變慢?這個效應其實是真的!
    導讀:金字塔的重量巨大,對周圍的物體(包括人)也有萬有引力,因此接近金字塔的人時間會變慢。只不過這個效應非常非常小!這正是愛因斯坦廣義相對論中的一個結論:引力使時間變慢。實際上,當你接近一座大山的時候,時間變慢效應更顯著
  • 相對論表明速度越快時間越慢甚至會停止,真的這樣嗎?
    問題中的觀點只說對了一半,愛因斯坦的狹義相對論確實表明速度會讓時間變慢,如果你能達到光速,時間會靜止,但這一切都不是絕對的,而是相對論! 什麼意思?