點擊標題下方藍色字關注 Peter的工作室
愛因斯坦在 1905年就發表了狹義相對論,
大家或多或少都了解時間膨脹的結論,
就是 相對於慣性系移動的物體 時間會變慢
但這是為什麼呢?
今天我們來嘗試使用,初中的數學知識,不嚴謹地推導一下。
推導之前,我們先規定2個假設:
第一個是,在不同的慣性系中,物理規律都相同。
第二個是,光速在不同慣性系中 大小都一樣。
在本例中就是靜止的地面 和車上勻速運動的參考系 物理規律都一樣,
且車上和車下的光速都是c
我們假設有一輛車
地板上有一個光源,車頂有一面鏡子,車的高度為h,
車子從A點以速度v勻速出發,
這時,地板光源發出光,
光遇到鏡子後又會被 反射回光源處,
這時車子行駛到B點。
從車內的人來看,光線是直上 直下的。
從車外的人來看,光線是斜上 斜下的。
我們來算一下光傳播的時間。
也就是車子移動這段距離所需要的時間:
先從車內的人的角度看,
車內的時間 等於 光走過的距離 除以 光的速度
由於光直上 直下,
所以等於 2倍的h 除以 光速。
我們再從車外的人的角度看,
由於光斜上 斜下,
與地面構成了一個直角三角形 A C M
根據勾股定理
得到AC邊的平方 = AM邊的平方 減去CM邊的平方
AC 等於車速乘以車外人的時間 除以 2
AM 等於光速乘以車外人的時間 除以2
CM 等於車廂的高度
根據前面的公式:
車內的時間等於2倍車廂高度再除以光速
可以算出車廂高度等於 光速乘以車內的時間再除以 2
所以得到這樣一個車內和車外的時間與 車速之間關係的公式,
我們把這個式子的平方展開,
再進行一步步的化簡,
然後可以約掉相同的項,
最後得到了車外的時間和車內的時間 的一個關係式。
因為根號內的數必須要大於0才有意義,
且車速和光速比值的平方 一定大於0 且小於1。
所以車速永遠都不會超過光速,
那麼推廣一下 光速就是我們這個宇宙的極限速度。
而因為右邊這個式子的分母 永遠都會小於1
所以得到 車外的時間 一定會大於車內的時間。
也就是說
地面上的人 和車內的人的時間 是不一樣的,
從地面上 人的角度來看,自己的時間過得比較快,
而車內的人的時間變慢了,不管是物理、化學、生命過程都變慢了。
反過來,從車內 人的角度來看,車外的 人的時間也變慢了,
因為時間不是絕對的, 時間膨脹都是相對的。