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。