「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?

2020-12-03 小彭來給您解惑

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。

我們來回顧狹義相對論裡面的「時間變慢」,說的是你相對於地面靜止,一列火車相對於地面運動速度是0.1c,c是光速。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。所以車裡人「時間變慢」是選地面當參考系才會發生,如果選火車當參考系「時間變慢」並不發生,如果選一個以0.01c光速的火車當參考系看剛剛的第一列火車,你會發現時間依然變慢,只不過變慢的程度沒有剛剛那麼大。

所以狹義相對論總結,面對同一個物理過程:

選地面當參考系看0.1c速度的火車:火車裡的時間變得非常慢。

選0.1c速度的火車本身當參考系看自己:火車裡時間正常。

選0.01c速度的火車當參考系看0.1c速度的火車:火車裡時間也變慢,只不過變慢程度沒剛剛大。

這裡還有一個問題要討論,當靜止人看0.1c速度的火車裡的人時,發現火車人時間慢了,那麼火車人看靜止地面的人,也會發現地面人時間也慢。又得出矛盾的結論?其實如果你看了之前的文章,你會發現並不矛盾,因為大家選的參考系不一樣,得出的結論可以矛盾並不影響物理規律。就好像A選參考系說一個物體速度是10m/s,B選參考系說一個物體是1000m/s,物體還是一個物體沒變,大家得出的結論卻矛盾了,其實並不矛盾,因為參考系不一樣。這裡的「時間」就好像剛剛討論的「速度」,因為時間和速度一樣,都需要選參考系才有意義。以上就是狹義相對論的「時間變慢效應」的內容。

但是大家似乎隱隱感覺A說B時間慢了,B又說A時間慢了,這似乎就是矛盾的?其實內心之所以有這種想法就是因為,內心總是想把A和B的時間進行比較看誰才是真理,其實都是真理,只是參考系不同。

但是以上分析成立的前提條件是:大家都處於慣性系。什麼是慣性系前面文章也有說明,就是不受力的參考系就叫慣性系。也就是狹義相對論分析的一切都是以「慣性系」為前提,但是我們現實生活基本都是非慣性系,所以急需一個理論拋開慣性系,讓所有理論再非慣性系也成立,這個理論就是:廣義相對論。

廣義相對論中處理「時間變慢」就不需要慣性系了,隨便挑一個參考系就行,儘管這個參考系受力也沒關係,只要是參考系就可以用廣義相對論來分析。其中我們也談到廣義相對論把「引力」解釋為時空的彎曲,如果不理解時空彎曲建議看看前面文章,多次分析過。

當廣義相對論出來後,我們就可以把一切有引力的場景,轉化為參考系本身有加速度來處理,這也是所謂「等效原理」。比如你在地面上受到引力是10N,我可以轉化為你在地面上受力為0N,只不過我所處的地面這個參考系受到10N的力正在往反方向加速度。你自己受到的力等於你的力消失了,只不過所處參考系受到反向的力,這個是廣義相對論的前提假設。

如果你看了我前面寫的廣義相對論所有文章你就會發現,這個假設真的太好用了,而且這個假設反過來用也可以,當你發現你所處參考系受力時,你也可以說參考系靜止沒受力,只我自己受到引力。自己的力可以轉化為參考系的力,而參考系的力也可以轉化為自己的力,我們分析一個物體的時間變慢問題就變得非常簡單了。

比如廣義相對論告訴我們「引力越大時間越慢」。我如果要比較三個人時間快慢,我就把三個人受到的引力大小比較下就行了,不管這三個人處於啥參考系,只要你們引力不同,我就馬上可以判斷出你們的時間到底誰快誰慢。而且更安逸的是當某個人處於受力狀態,其實等效於他處於非慣性系,別忘記了狹義相對論只能處理慣性系,非慣性系無法處理,但是現在用廣義相對論,輕鬆+愉快就處理了。

所以當你了解了廣義相對論,你再去看狹義相對論裡面比較燒腦的問題,比如「雙生子佯謬」,就變得非常簡單,「雙生子佯謬」說的是一對雙胞胎哥哥乘坐飛船去宇宙耍一趟回來,比較哥哥和弟弟誰更年輕?

用狹義相對論來分析,過程複雜,因為哥哥去宇宙回來必然會有加速和減速過程,處於非慣性系,狹義相對論非常難處理,但是用廣義相對論就簡單了,因為只有哥哥經歷了加速和減速階段,所以哥哥所處的參考系處於受力狀態,等效於哥哥靜止,受到了額外的更大引力作用,所以哥哥的時間肯定會比弟弟慢的多,結論一下就得出來了,而弟弟至始至終都在地球上,一直只受到地球引力,根本沒有額外的引力提供給弟弟,自然弟弟的時間就比哥哥快很多。

本篇算是給之前講的「狹義相對論」和「廣義相對論」的一個總結,如果你沒看懂,建議可以先看看我之前寫的文章,每個知識點都講解了的,我是百家號《小彭來給您解惑》,如果喜歡我的文章可以關注我,如果對文章有異議可以留言評論。

相關焦點

  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    要了解狹義相對論和廣義相對論的區別,我們首先要搞清楚,這兩個理論大概說了什麼?狹義相對論我們先從狹義相對論說起,其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。通過這兩條假設,愛因斯坦出了很多奇葩的結論,比如:時間膨脹。說的是,如果你想對於我高速運動,那我看你的時間就會變慢,這種變慢可以理解成,如果你在高速的飛船裡做操,那我這裡看到的就是你在慢動作做操。而你自己其實感覺到的時間是正常流逝。所以,是以我參考系看你時間膨脹了。如果你也看到,你也會發現我的時間也變慢了,因為我想對於你也是在高速運動的。
  • 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
    在講解相對論之前我們來講一個小🌰。假如有一個魚缸,魚缸裡的小A魚對其他魚兒說,你看外面的人都歪七扭八的,長得可真奇怪啊,其他小魚表示附和。小A魚的話引起了小B魚的注意,它研究了一下浴缸裡各種物質的運行並總結出規律,被大家奉為神魚。直到有一天,小C魚通過長期以來的分析推測出,提出了魚缸外部「直線運動」的概念,這時所有魚兒都張大嘴巴,吃驚的吐了幾個泡泡,表示不可思議和。
  • 為什麼廣義相對論比狹義相對論更完善?原因就在這裡!
    愛因斯坦有兩大著名的相對論,一個是狹義相對論,另一個則是廣義相對論。狹義相對論的提出早於廣義,並且狹義相對論的範圍並沒有廣義那麼大,而且不涉及引力。在愛因斯坦提出狹義相對論之後不久大約10年,廣義相對論便誕生了。
  • 根據狹義和廣義相對論,天宮二號上的時間比地球上快還是慢?
    根據相對論的時間膨脹效應,由於天宮二號在太空中飛行,那上面的時間流逝速率與地球上相比會有所不同。不過,只有在接近光速和強引力場的情況下,時間膨脹效應才會變得很顯著。天宮二號和地球的時間流逝速率差異其實很小,小到只有用原子鐘才能測出來。
  • 「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。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?
    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。
  • 狹義相對論:時間膨脹
    愛因斯坦的相對論分成狹義相對論和廣義相對論兩部分, 其中狹義相對論主要是針對高速運動的物體的規則。
  • 狹義與廣義相對論淺說---廣義相對論1
    歡迎廣大宇宙愛好者持續關注我們微信平臺!宇宙解碼公眾平臺即將推出科幻故事連載活動,將會在每周六或周日發布一篇精選科幻故事,覺得好看就分享給朋友吧!這些恆星當日全食時在天空的視位置與它們當太陽位於天空的其他部位時的視位置相比較應該偏離太陽,偏離的數值如上所示。檢驗這個推斷正確與否是一個極其重要的問題,希望天文學家能夠早日予以解決。  其次,我們的結果表明,按照廣義相對論,我們時常提到的作為狹義相對淪中兩個基本假定之一的真空中光速恆定定律,就不能彼認為具有無限的有效性,光線的彎曲只有在光的傳播速度隨位置而改變時才能發生。
  • 牛頓力學、狹義相對論和廣義相對論,通俗的講一下這些不通俗的事
    牛頓,可以說是最為普羅大眾所熟知的一位科學家了。因為人人都知道萬有引力,而知道了萬有引力,自然也就知道了牛頓。牛頓所創建的牛頓力學體系可以說是近代物理學的基石。然而,牛頓力學體系並不完美,甚至可以說並不是一種普遍的規律,其所描述的其實是一種普遍規律之中的一小部分特例,所以,之後便有了愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,終於算是將力和運動的事情給說明白了。那麼,什麼是牛頓力學、狹義相對論以及廣義相對論呢?這些是複雜而高大上的話題,不是一句兩句,一天兩天能夠說清楚的。
  • 這很物理:時間的形狀、廣義相對論中的時間測量
    測量也是物理與數學和哲學的最大區別,這一點,我在很多的科普文章中反覆強調,甚至曾經說過:「不能測量的物理學就是耍流氓」。在設置GPS上的時鐘時,要同時考慮到廣義相對論和狹義相對論的影響。這兩種相對論的效應會部分疊加,但不會完全抵消。根據廣義相對論,一束在一個重力場中向下下落的光的頻率會變高;而一束上升的光的頻率則會變低。衛星時鐘顯示的時間會通過原子的振蕩頻率描述出來。
  • 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?當飛船高速飛行時如果一艘飛船接近光速,地面上的人可以觀察到飛船內的時鐘,會走得比地面上的慢,這就是狹義相對論的鐘慢效應。(假設地面上的人有千裡眼,能觀察到飛船內的時鐘)假設地面和飛船各有一個拿著計時器。
  • 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
  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?
    相對論創立初期整個理論體系就非常完善了,但是壓根沒人相信他,為什麼?就是因為沒有實驗驗證,直到愛丁頓在1919年觀測到了和廣義相對論相符的日食現象,愛因斯坦和相對論才開始慢慢被大家接受,而愛因斯坦提出狹義相對論的那一年是1905年,足足過去了14年。
  • 相對論中:時間在狹義和廣義的概念下有什麼不同?
    下面是我們經常會在科普文章看到的一個公式:這是狹義相對論的結論,物體速度越快,時間過的越慢。其實難懂是因為大家只針對相對論的結論去思考。如果大家能看看狹義相對論的原理還有一些推導過程,會發現並沒有那麼難以理解,一切都結論都是那麼水到渠成。
  • 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。很多人認為時鐘則代表時間,時間變慢就是說時鐘會變慢,其實二者並不相同。
  • 如果光的速度在某種介質中變慢,會對狹義相對論產生什麼影響?
    光在一些介質中竟然變慢了,這其中出了什麼差錯?會影響狹義相對論嗎?麥克斯韋方程組告訴我們,在真空中,光的傳播速度不變,對所有觀察者來說都一樣。這從根本上與19世紀的絕對時間觀相衝突,狹義相對論的假設解決了這一衝突,廢除了這一觀念。
  • 從狹義相對論到廣義相對論,非慣性系中的時間膨脹效應
    鍾慢效應和尺縮效應很好地證明了慣性系下的時間膨脹效應。值得一提的是,在慣性系下,時間膨脹具有相對性,時間流逝速度的變化是針對於不同參考系而言的。比如運動中輕子的時間流逝速度變慢是針對於靜止參考系而言的,如果以另一個做同向運動的輕子為參考系,那麼其時間流逝速度則是不變的。
  • 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。