鍾慢尺縮是因為高速物體質量變大引起的時空彎曲導致的嗎?

2020-12-03 宇宙新思維

鍾慢尺縮現象最早出現在狹義相對論結論中,

時間膨脹公式
長度收縮公式

高速物體質量變大也是狹義相對論的結論之一,

質速效應公式

它們都屬於狹義相對論的效應。一開始跟時空彎曲扯不上半點關係,因為那時愛因斯坦還沒有創立廣義相對論。狹義相對論的適用範圍是慣性系,它的時空是平直的、純粹的,它還沒有真正把時空與物質及其運動聯繫起來。所以它仍屬於經典物理範疇。在狹義相對論中,鍾慢尺縮和高速物體質量變大只是效應。在兩個相互作勻速直線運動的慣性系中各有一個觀察者,他們對同一事件的觀察結果是不一樣的,而相互對相對各自參考系靜止的對象的觀察結果是相對的,比如說有一個相對於地面以接近光速飛行的飛船,

在相對靜止的地面觀察者看來,飛船在運動方向上變短了,飛船上的鐘比地面的鐘變慢了,飛船的質量也變大了。而在飛船上的人看來,飛船也沒變短,時鐘也很正常,質量也沒有變大;在他看來倒是地面上的物體變短了,地面上的鐘比飛船的鐘變慢了,地面人的質量也變大了。兩種結果是矛盾的,這是為什麼呢?因為地面相對於飛船來說運動速度也是接近光速的,運動速度是相對的,相對慣性系觀察結果也是相互的。所以說狹義相對論的結論是相互的,這就是著名的「時鐘佯謬」(又叫雙生子佯謬)問題。

那麼誰對?或者說怎麼解釋?如果飛船一直飛下去,應該說都對。如果飛船返航必然經歷加速減速,這樣飛船就不一直處於同一慣性系中,考慮不同地點的同時性問題,飛船的時鐘和地面的時鐘是不等價的,不管是用廣義相對論還是狹義相對論計算,都能得出同樣的結果:返航飛船的時鐘變慢了。象哥哥駕駛近光速飛船返回地球後發現自己比弟弟年輕的「雙生子佯謬」真會發生。

鍾慢尺縮和質量增大在狹義相對論裡只是一個效應,而不是洛倫茲認為的是物體物理結構上的變化。愛因斯坦認為這些效應跟物體的材料無關,這只是時空相對性的表現,是不同參考系觀察的不同結果。的確我們地面人的質量並沒有真變得無限大,是因為這個質量是相對靜止於地面的靜質量。是在我們地球這個參考系的量度。

那接近光速運動的飛船呢?在飛船的人看來飛船和他的質量並沒有變大,因為這個質量也是相對於飛船參考系的靜質量。可為什麼飛船有點飛不動了?而在地面的人卻沒有這個感覺?它們的動質量都是非常大的啊。實際上飛船如果不加速,即使一直以接近光速的某一速度勻速直線飛行,它的感覺也會和地面一樣,即使在地面看來它的動質量接近無限大了。它也覺不出有任何質量能量壓力,在它看來它的靜質量和原來一樣大,而地面的人質量卻變得接近無限大。因為運動就是相對的,它和地面是相互以接近光速運動的兩個慣性系,沒有任何優越的參考系。可是飛船是無限接近光速,有加速,這就屬於廣義相對論的範圍了。

宇宙中雖然不存在絕對靜止的參考系和絕對的運動,飛船和地面是相對運動的,但地面的人靜止於地球,在地球這個系統內是靜態的,它的外部幾何時空是平直的。而飛船是一個獨立的系統,相對於地球和宇宙空間是運動的,因而它是非靜態的,尤其是它在接近光速的加速過程中,它的外部幾何時空是非平直的(非狹義相對論),它只能用廣義相對論來解決。飛船的加速運動導致其周圍時空發生彎曲,速度越接近光速,彎曲的越厲害,飛船在極度彎曲的時空沿著最短路程運動,顯得「艱難無比」,這個「艱難效應」就是地面觀察到的飛船的「動質量」。飛船速度越快,時空越彎曲,飛船運動越「艱難」,地面觀察到飛船的質量越大。

可見是物體的加速運動使周圍時空彎曲,時空彎曲使物體運動路徑發生變化,這個路徑變化的效應就是動質量增大,也就是說是時空彎曲導致的物體質量增大,而非題目所說的質量增大引起時空彎曲,整個因果顛倒。這與廣義相對論指出大質量物體引起周圍時空彎曲(即「物質告訴時空怎樣彎曲」)這句話並不矛盾。首先,上面所說的質量增大只是個動質量效應,並不是物體的靜質量,而廣義相對論所說的大物體指的是靜質量。再者廣義相對論還有第二句話:小物體在彎曲的時空中做「測地線」運動。這句話和上面說的是相通的,即「時空告訴物質怎麼運動」。按廣義相對論說法,物體在彎曲時空運動的幾何效應就是引力啊。物體的質量增大效應就相當於是受到了引力作用。實際上物體的加速運動引起周圍的時空彎曲與大質量物體引起的時空彎曲是一樣的,而時空彎曲就是引力。所以說物體的加速運動與引力是等效的,這也是廣義相對論的等效原理。同時時空的相對性和彎曲變化也直接導致「鍾慢尺縮」。這也是狹義相對論的高速運動和廣義相對論的引力都能引起「鍾慢尺縮」的原因,實際上那個質量效應也是由廣義相對論對狹義相對論結論的本質詮釋。

小結:

鍾慢尺縮」應該是由時空相對性和時空彎曲導致的,而時空彎曲不是由物體的高速引起的,也不是由物體質量變大(動質量)引起的。恰恰相反,物體質量「變大」(動質量)是時空彎曲引起的。這個時空彎曲是物體的加速運動造成的,而時空彎曲就是引力,加速運動和引力是等效的。

根據上面所說,駕駛接近光速的飛船前往距離一光年的目地的用不了一年時間,因為根據相對論的鐘慢尺縮效應,在飛船中觀察者看來一光年的距離也變短了,這可不是物體質量變大造成的,是物體的運動造成的空間收縮,時間變慢。具體多少這要根據速度大小。

相關焦點

  • 什麼是鍾慢尺縮?愛因斯坦為什麼要提出相對論?
    也正因為此,物理學家就把牛頓力學和麥克斯韋電磁學稱之為經典物理學,而把相對論稱之為現代物理學,因為他們在思想上是有很大差別的,而他們的差別就是光速不變還是會變。光速和光速不變,不是牛頓力學研究的對象,而是電動力學研究的對象。電動力學是描述電磁場作用的電磁學理論,電磁波就是電磁場作用,而光是一種電磁波。所以,相對論是電動力學的內容,不是牛頓力學的內容。
  • 相對論中的「鍾慢尺縮」效應,如何理解?
    當然了,雖然不會真的有物理題像這樣出,但絕大多數的物理題都是建立在這樣的基礎上的,這些物理我們稱之為經典物理(這屬於早期說法,因為後來劃分經典非經典都是按照是否涉及量子理論,也就是將「經典」二字等同於「非量子」,所以單純的相對論是屬於經典物理學的)。
  • 物體是因為有質量所以有慣性,還是因為有慣性所以有質量?
    隨後,牛頓發現萬有引力定律,這個定律表明質量是物體之間吸引力大小的度量,即質量越大,它們之間的引力越大。為了區別於慣性量度,人們把這個質量稱為「引力質量」,而把慣性量度的質量稱為「慣性質量」。牛頓並沒有把兩種質量聯繫起來,他把它們看成是相互獨立的物理現象。
  • 超光速質量為什麼會無窮大?
    因為達到光速時會使物質質量變得無窮大。相對論的質量效應公式表示的很清楚:也就是說任何靜質量不為0的物質是很難達到光速的,因為如果達到光速,它的質量會變得無窮大,需要無窮的能量來推動。如果宇宙是有限的,整個宇宙的能量都不夠,因而這是不可能的。反過來講,正是因為光沒有靜質量,才能達到最高速。二,那為什麼達到光速,質量會變得無窮大?上面是從狹義相對論的結論公式上分析的,從原理上分析的原因又是什麼呢?那是因為光速不變原理和時空相對性原理的結合。
  • 時空彎曲:時間與空間原來是不可分割的
    愛因斯坦提出狹義相對論後,他進行了進一步的思考,認為:大質量的物體讓其周圍的空間發生彎曲,從而導致經過它周圍的光線走了一個彎曲的路徑。在愛因斯坦的理解中,時間和空間都不是固定不變的,那麼它們之間有什麼關係嗎?
  • 能讓時空彎曲的不僅是質量,還有速度,時間膨脹效應與廣義相對論
    引力可以被描述為物體之間的相互吸引力,但引力的本質並不是力,而是一種幾何效應,所以引力會導致時空的彎曲,引力越大,時空彎曲效應就越明顯。我們可以將時空彎曲分成時間的彎曲與空間的彎曲來分別討論,引力所引發的空間彎曲是顯而易見的,證據就是引力透鏡效應。
  • 光速飛船可以使時間靜止或變慢——愛因斯坦狹義相對論
    (一)靜質量不為0的物質達不到光速,所以飛船達不到光速。(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?v = 0.9c m = 2.3 m0v = 0.99c m = 7.1 m0說明飛船的速度越接近光速,加速度越大,動質量越大,使其加速的能量就要越大。
  • 任何物體都會由於引力而使得時空發生彎曲
    舉例說明:繆子,這種粒子的壽命只有大約2微秒,如果它的運動速度是光速的話,那麼它在一生裡面所走的路程大約只有幾百米,但是在觀測時發現繆子所走的路程不止是幾百米,原因就是因為粒子的速度接近光速,所以在靜止參考系裡面看它的壽命的相應地增加了10倍左右,它的高速運動所導致時間流失的速率變慢了。
  • 彎曲時空,引力退散
    其實不一定,比如足球是由一塊一塊很小的、比較平的皮子縫起來的,但是縫起來之後,就形成了一個表面彎曲的、球形的足球。我們的空間也是這樣,我們考慮空間中每一點很小的具有不同運動狀態的體積元,把它們粘回來,我們發現最後的空間其實是彎曲空間。不均勻的引力場導致了空間的彎曲。其實彎曲的不只有空間,彎曲的是整個時空。
  • 時空為什麼彎曲?
    我們認識的時空是人類視角(光速)時空,時空彎曲是由大質量天體產生,(愛因斯坦的理解)與速度有關嗎?第一宇宙速度是7.9千米/秒,物體如果達到7.9千米/秒的速度,它就會永遠地繞地球運行而不會從天上掉下來,我們也之稱為環繞速度;第二宇宙速度是11.2千米/秒,物體如果達到這個速度,將會逃離地球的束縛飛向星際空間(太陽系之內),我們也之為脫離速度;第三宇宙速度是16.7千米/秒,若是要到太陽系外去旅行那就要達到這個速度。
  • 時空真的可以彎曲嗎?細思謬極
    愛因斯坦根據等效原理,認為大質量物體可以使周圍的時空彎曲,根據是光線在大質量物體旁邊經過時光線會發生偏折,這的質量物體大到什麼程度才算大呢?比如地球,比如太陽。因此得出結論:大質量物體使周圍時空發生彎曲。如下圖:先不管這結論的正確與否,單從「時空彎曲」這句話來看,簡直就不是人話。首先,光線彎曲與時空彎曲不能等同起來,在我們不受大質量物體影響的周圍也經常有光線彎曲的現象。
  • 運動的物體質量增加,從而使得物體無法達到光速?
    導讀:運動的物體質量增加,從而使得物體無法達到光速?以下3個回答,讓你深刻理解這個問題。1、之前的幾期文章中,我們多次談到三個效應,運動物體的「長度收縮」、「時間膨脹」、「質量變大」。其中前面2個我們都已經量化的給出了公式,並舉例計算出了效應的具體數值,今天我們來質量變大如何計算。還是要說點,質量變大這個效應,是相對於參考系而已。
  • 運動的物體質量增加,從而使得物體無法達到光速?
    導讀:運動的物體質量增加,從而使得物體無法達到光速?以下3個回答,讓你深刻理解這個問題。1、之前的幾期文章中,我們多次談到三個效應,運動物體的「長度收縮」、「時間膨脹」、「質量變大」。其中前面2個我們都已經量化的給出了公式,並舉例計算出了效應的具體數值,今天我們來質量變大如何計算。
  • 真的是時空彎曲產生引力嗎?
    導讀:真的是時空彎曲引力嗎?這個問題不值得懷疑嗎?我對此持懷疑態度。但物質質量越大,會對時空產生彎曲!左邊代表時空曲率,右邊代表質量分布。引力在哪裡?你告訴我引力在哪裡?所以不要聽人家說,你也人云亦云。你知道愛因斯坦怎麼寫出這個方程的嗎?了解過廣義相對論的朋友都知道,提出相對論是基於一個簡單的想法,我在前面章節提到過,做過鋪墊。
  • 質量導致空間彎曲,而彎曲的空間又決定了物質的運動
    早在1915年才華橫溢的阿爾伯特·愛因斯坦在發表廣義相對論中就已經預言了引力波的存在,而這部著作也成為了目前我們理解宇宙的方式,關於相對論認為,我們所處的時空就像一種網狀物,而巨大的質量如恆星和行星會使網狀物發生彎曲,這就是為什麼我們會向地面墜落,造成這種彎曲的就是物體的質量,事實上我們自己的身體,一個撞球甚至一隻蝴蝶都會使得時空彎曲,但這些質量和那些巨大的天體相比微乎其微。
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    同理光經過扭曲的時空,如果順著時空跑道拐彎,當光被我們的眼睛所接收時,反饋給我們的信息會發生偏差。就像下圖:筷子是真的彎了嗎?折射,導致光反饋的筷子的信息出現了偏差,所以筷子「折了」。如果光經過扭曲的時空也會,即可證明時空真的發生了扭曲。論證之前,我們先講明白原理。
  • 普朗克長度:多維捲縮空間的弦論如何在自然中找到現象對應
    這條緣起法則是多維捲縮空間的弦論在自然中找到現象對應的關鍵。要完成的任務,一是統一四大基本力;二是運用弦的振動頻率和方式,建立利於人類生存、社會發展的文明。一維弦建立在普朗克長度量級,與太極「其大無外,其小無內」還有差距。
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    ,而是彎曲的,質量大的物體會改變周圍時空彎曲的曲率,從而改變時間的流淌速度,如果一個人的速度夠快,那麼他就可以在這條時間長河之中逆流而上,穿越時空。在球面上是如此,在彎曲的時空中也是如此。眾所周知,太陽作為一個大質量的天體會導致周圍時空發生彎曲,而地球圍繞太陽運動的路徑恰好就是按上述計算方法計算而出的在彎曲表面運動的最短路徑。與球面不同的是,彎曲的不僅僅是空間,還有時間,在彎曲的時空中,任何物體都擁有四個坐標,前三個坐標錨定了空間位置,最後一個坐標則表示時間。
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    因為當時英國大科學家簡單的說,質量越大的東西產生的引力越大,這個力與兩個物體的質量均成正比,與兩個物體間的距離平方成反比。地球的質量產生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。對這個佯謬唯一的解決辦法是,對於汽車中的我們而言,時間變慢了。如果行人用望遠鏡盯著我們的汽車,他會看到車中的每個人行動都極其遲緩。然而,車中的我們從沒注意到時間正在慢下來,這是因為我們的腦筋也慢下來了。對於我們而言,一切似乎都正常。此外,他看到汽車在運動方向上變扁了。汽車像手風琴一樣縮攏起來。然而,我們從來沒有感覺到這個效應,這是因為我們的身體也在收縮。