狹義相對論:時間膨脹

2021-03-01 先驗空間

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。 狹義相對論的結論之一是時間膨脹(time dilation)：一個人觀察一個在運動的物體時，在運動的物體的時間會膨脹（時鐘走得更慢）。

舉一個假設的例子：

假設一個人坐著一艘飛船以80%的光速離開地球， 「地球上的人」就會看到「飛船上的鐘」比地球上要慢40%（地球上的一分鐘等於飛船上的0.6分鐘），但「飛船上的人」看「飛船上的鐘」是正常的，坐飛船也不會讓太空人的衰老變慢，但是地球上過了10年的同時， 飛船上確實只過了6年，所以當太空人回到地球上時會比地球上的同齡人年輕4年。

由於上面假設的例子，很多人會得出以下的想法：

因為相對論裡面確實沒有一個絕對的參照系，而是「地球上的人」和「飛船上的人」各自度過固有時間的差異，「地球上的人」看「飛船的鐘」會變慢，同樣「飛船上的人」看「地球上的鐘」也會變慢。

那樣簡單的推理結果是：太空人回到地球上後會比同齡人年輕四年，同齡人也會比太空人年輕四年。

以上這個推理結果當然是不可能的，實際的結果得出的太空人比地球上的同齡人年輕，因為飛船需要加速減速才能回來，而狹義相對論的時間膨脹是假設沒有任何加速度的，這是著名的雙生子悖論(twin paradox)。

不過人類目前的技術還無法接近光速，一個太空人在轉速為7700m/s的國際空間站（International Space Station）呆上一年後年輕的時間差都不到0.01秒，但這樣的時間膨脹用儀器是很容易測量出來的，這些測量的結果都跟狹義相對論的公式是一致的。

平時支持人們導航的GPS系統是靠非常小的時間差距來定位的， 所以GPS系統都需要把時間膨脹給考慮進去（之外還得考慮廣義相對論帶來的引力場的影響）才有可能給用戶提供精確的定位。

利用時間膨脹，人類在有接近光速的前提下，可以不用冷凍技術就能飛到很遙遠的星星，比如99.5%光速的話大概會有個十倍的時間膨脹，那樣太空人感受到的十年飛行能飛一百年的距離，而不是簡單的十年距離，剩下的挑戰是如何造出接近光速的飛船來。

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  • 一口氣通俗理解《狹義相對論》時間膨脹效應
    《狹義相對論》也是如此，因為在日常生活中，我們所接觸的一切事物，如果利用《狹義相對論》來計算更精確，但是與我們原本的常識之間的誤差，更加微不足道，除非利用更加精密的儀器，否則你要突然蹦出來一句「時間是相對的，我的時間比你走得慢」，肯定分分鐘讓吐沫淹死。實際上狹義相對論並非難以攀登，就是一層窗戶紙，捅破了也就破了。
  • 怎樣理解狹義相對論——狹義相對論簡析
    狹義相對論主要是解決麥可遜-莫雷實驗中得到的光速各向不變的結果裡的速度疊加矛盾的。，並且賦予了其物理意義，用一個統一的時空代替了原本各自獨立的絕對時間和絕對空間，指出確實是相對時間膨脹了也確實是相對空間收縮了。
  • 宇宙膨脹速度可以超光速?狹義相對論受到前所未有的挑戰?
    我們都知道愛因斯坦認為任何物體不能超光速，這個是狹義相對論的基礎，狹義相對論有兩個前提：1物理規律在所有慣性系下保持一致，比如選A這個慣性系發現牛頓第二定律是F=ma，換成B這個慣性系牛頓第二定律依然是F=ma不變，所以物理規律不會因為慣性系變化而跟著改變，這個很好理解。
  • 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。後來，26歲的愛因斯坦提出了狹義相對論。有人說他高舉了奧卡姆剃刀原理才成功的，這個奧卡姆剃刀原理大意是：如無必須勿增實體。翻譯過來就是，咋簡單咋來。既然光速是不變的，那為啥還要假設「以太」？於是，愛因斯坦就以「光速不變原理」和「相對性原理」為基礎假設，推導出了狹義相對論。
  • 愛因斯坦的「狹義相對論」
    愛因斯坦提起愛因斯坦，可謂是家喻戶曉，但是關於他提出的「狹義相對論狹義相對論包含了兩個基本原理：狹義相對性原理和光速不變原理。所謂狹義相對性原理就是說所有物理定律在所有慣性參考系中都是有效的；光速不變原理就是說光總是以一個確定的速度傳播，傳播速度的大小與光源的運動狀態沒有關係。在經典力學中，物體的運動速度跟觀察者所處的慣性參考系統有關，而光速不變原理卻與之不相容。有了這兩條基本原理，我們才能更好地理解狹義相對論。
  • 相對論裡的時間膨脹效應能讓人長生不老嗎?
    很多人都聽說過愛因斯坦的相對論裡有一個奇怪的效應——時間膨脹效應。根據這個效應，運動物體的時間跟靜止物體的時間是不同步的，物體的運動速度越快，時間過得越慢。當物體運動速度接近光速，時間就會變得無比緩慢。於是，就有小朋友腦洞大開，紛紛表示古時候《西遊記》裡說的「天上一日，凡間一年」原來是真的，神話故事終於有了科學依據！嗯嗯！那麼天上神仙的長生不老是不是也能實現了呢？
  • 利用相對論裡的時間膨脹，人能實現長生不老嗎？
    important}很多人都聽說過愛因斯坦的相對論裡有一個奇怪的效應——時間膨脹效應。，狹義相對論下運動速度接近光速時和廣義相對論下時空曲率極大時。很可惜兩種情況都跟《西遊記》裡神仙所在的天上不符……首先，根據天上一日凡間一年，時間膨脹的比例是1:365，如果要通過高速運動達到這個時間膨脹比例，根據狹義相對論的時間膨脹公式變換計算可以得到以下結果：
  • 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。
  • 從時間膨脹到長度收縮——給高中生的狹義相對論(二)
    於是，乘客和螞蟻對距離的判斷可以通過時間間隔乘以運動速度得出，那麼，乘客測量到的玩具車長度將小於螞蟻測量到的玩具車長度。由於螞蟻隨著玩具車移動，螞蟻測量到的長度是本徵長度，也就是長度的最大可能值。簡單地說，運動的尺子變短了。如果說我們想要測量長度，那麼我們需要一把尺子，之前的螞蟻和乘客的相對運動讓人頭昏眼花，於是達成共識最好辦法是在靜止狀態進行測量。
  • 相對論是否面臨被推翻?——附推翻狹義相對論簡易教程
    相對論是否面臨被推翻？你如果說即將推翻廣義相對論我還可能舉半隻手，但推翻狹義相對論？你生活是不是有什麼不如意…為什麼會有這樣的想法……廣義相對論的困境我說推翻廣義相對論可能會舉半隻手是因為目前廣義相對論似乎確實存在問題，不說在微觀下與量子力學不和諧，就說在宇觀尺度上觀測結果也與廣義相對論不太協調，星系外圍恆星公轉速度異常和幾十億年前宇宙膨脹異常加速都是作為宇宙學基礎理論的廣義相對論無法解釋的。
  • 顛覆世界的認知——狹義相對論
    相對論分為狹義相對論和廣義相對論，那麼我們今天就來聊一聊狹義相對論。現在我們就來看一看，狹義相對論是如何解決這一矛盾的。 首先我們必須要明確狹義相對論的研究範圍，狹義相對論適用於慣性系。什麼是慣性系呢？簡要地說，我研究兩個參考系，站在這兩個參考系中的任意一個參考系中，都可以看到另一個參考系是靜止的或是勻速直線運動的，這就是我們所說的「慣性系」。
  • 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。
  • 狹義相對論裡不可逾越光速極限是什麼？
    眾所周知，愛因斯坦的狹義相對論規定，真空中的光速是宇宙中一切物體運動速度的上限。根據狹義相對論公式，物體運動速度愈快，時間間隔愈大，空間間隔愈小，慣性質量愈大。假如物體運動達到光速，則運動物體時間將膨脹至無窮大，運動物體長度將收縮為零，運動物體慣性質量將達到無窮大。
  • 愛因斯坦的質能公式與狹義相對論自相矛盾嗎?
    質能方程與狹義相對論並不矛盾，因為質能方程的基礎就是狹義相對論，或者說我們可以從狹義相對論出發推導出質能方程，既然如此，又何談自相矛盾一說呢？狹義相對論的兩大基本原理是：光速不變原理和狹義相對性原理，由此可以推導出狹義相對論的核心——洛倫茲變換，而有了這個變換之後，狹義相對論的一切推論就有了基礎，比如著名的時間膨脹、量尺縮短、質量增加等等其中題目說的質能方程也是它的推論，最早是發表於《物體的慣性取決於它的能量含量？》一文，時間是1905年9月。
  • 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。
  • 廣義相對論和狹義相對論
    段子來源於網絡這回大家懂了不，相對論，就是一個關於時間，空間，引力的理論。李金老師的話來說就是這些玩意兒都不是一個絕對的值，你以為的五分鐘在別的地方可能是五萬年，全都是相對的。此套由愛因斯坦老爺子創建。
  • 通俗的解釋什麼叫「狹義相對論」
    親愛的看官，如果你從不知道狹義相對論，那麼請給你的大腦系好安全帶，因為哥要帶你的大腦飛一把了。如果你知道狹義相對論，如果有什麼觀點，歡迎討論。這就是狹義相對論中的時間膨脹效應。註：狹義相對論中，相對於慣性系統移動的時鐘會走得較慢。先別急著反駁，這麼奇怪的理論，擱誰都不願意相信，小編我以前也不信。但為啥現在人們會認同這種詭異的理論呢？
  • 兩個小故事能否增加你對狹義相對論的簡單理解
    狹義相對論的兩個基本假設1.愛因斯坦相對性原理：在不同的參考系中，一切物理規律都是相同的。2.光速不變原理：真空中的光速在不同的參考系中都是相同的。時間的相對性——鍾慢效應：即運動體中的觀察者觀察到的時間間隔變短了，從地面上觀察運動物體的時間變慢了。這就是所謂的「鍾慢效應」。時間的相對性——尺縮效應：即地面上的觀察者觀察到運動物體的長度變短了。這就是所謂的「尺縮效應」。
  • 狹義相對論到底說了些什麼?
    要了解是什麼狹義相對論，實際上，要從「運動」說起。狹義相對論的背景這件事其實是這樣的，伽利略的時代，他其實一直在思考一個問題。這其實和日心說與地心說的巔峰對決有關。狹義相對論所以，我們也看到了愛因斯坦面對的局面。實際上，他遇到的是三選二，分別是相對性原理，光速不變原理以及絕對的時空觀。所謂的絕對時空觀是指牛頓的時空觀，他認為時間和空間是應該分開看的，它們之間沒有關係，其次，時間和空間其實是平直的，不會因為運動狀態的改變而改變。
  • 愛因斯坦是如何想到狹義相對論的?
    在狹義相對論被發現的過程中，不少科學家都已經接近相對論，所以愛因斯坦自己都說過：如果我不發現狹義相對論，2年後也會有人發現。因為當時的科學發展，從牛頓力學和電磁學已經無法解釋光速不變這一現象，但是無數實驗又告訴我們，光速就是不變的，所以人們只需要改變自己長久以來的常識，並默認光速不變這一事實，都可以推出狹義相對論。