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

2020-12-03 科學信仰

時間是宇宙間一種獨特的存在,在若干年以前,隨著奇點的爆炸,時間、空間以及一切物質迸發而出。

物質就不用說了,看得見、摸得著,宇宙天體、塵埃、一草一木都是物質。

空間,我們也可以切實感受得到,我們的宇宙本身就是一個空間,容納著宇宙中的一切物質。而時間與它們不同,看不見摸不著,所以很多人甚至認為時間是不存在的,認為時間只是一種人為的計量概念,是用來記錄物體運動和變化的。在宏觀世界中,時間的確是用來計量物質變化的,但這種計量方式並不是人為所發明的,時間真實存在,且與空間密不可分。

時間真實存在,且與空間密不可分,所以二者並稱為時空。

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。物理學上所講的時間,指的是時間的流逝速度,而時鐘只不過是記錄在一定的時間流逝速度之下總共累積了多少時間。當然,如果時間的流逝速度變慢,那麼最終在時鐘上所累積的時間量必然會相應減少。

那麼,時間的流逝速度由什麼決定呢?是由運動的速度所決定的。

在考慮時間流逝速度與運動速度之間的關係時,我們首先必須先要創造一種理想的環境。

也就是一種勻速運動的環境,這種環境被稱為慣性系。要證實在慣性系中,時間流逝速度會因為運動速度的增加而變慢並不是一件困難的事情。你只需要讓一隻時鐘做勻速運動就可以了,而你本身則作為一個觀察者保持靜止。當時鐘從遠處來到你的身邊時,你就會發現時間真的變慢了。如果你進行了這個實驗,並發現時間的快慢沒有發生變化,那是因為你沒有滿足實驗所需要的條件。

我們平時所使用的時鐘只是一種用於記錄時間的刻度工具,並不代表真實的時間,要測量時間的快慢,你需要一隻真正的時鐘,一隻能夠反應出完全確定的時間的時鐘。

這種時鐘就是放射性衰變時鐘,因為放射性物質的半衰期是一個確定的時間標尺。此外,你還要讓反射性時鐘保持相當的運動速度,因為如果速度太慢,則時間變慢的程度會過於微小,無法察覺。要多快呢?大概要達到十分之一光速左右吧,也就是每秒3萬公裡左右。我們自己無法進行這種條件苛刻的實驗,但這種實驗早已獲得了完全的證實。

科學家們通常利用半衰期為2.2微秒的μ子進行實踐,這種輕子在宇宙中的運動速度可以達到光速的0.98。

當這種輕子移動了相當的距離之後,你會發現,到達目的地的輕子數量比應該到達的數量要少得多。

這是因為高速運動使得這種輕子的時間流逝速度變慢,所以大量輕子並沒有完成衰變,這就是著名的鐘慢效應。鍾慢效應以現實證據證明了狹義相對論中所講述的,在勻速運動狀態下,物體的運動速度越快,則時間越慢。當然這是對不同的參考系而言的,如果我們能夠和μ子同速運動,我們又會發現時間的流逝速度並沒有變化。

相關焦點

  • 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。
  • 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。
  • 「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?
    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。
  • 愛因斯坦:為什麼引力越大,時間變慢?
    時間膨脹    時間變慢這個觀點在相對論沒有誕生之前簡直是不可想像的,但1905年愛因斯坦提出《狹義相對論》後就提出了一個著名的預言:鍾慢效應!也就是運動時鐘的「指針」行走的速率比時鐘靜止時的速率慢,這就是時鐘變慢或時間膨脹。    但這一效應真正是在廣義相對論提出後被證實的!
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    只要稍微懂得一點狹義相對論中的時間膨脹理論,也就是運動中的鐘慢尺縮效應,就會覺得這個題只是一個無知的笑話,就像看到一個傻子大笑著說別人傻一樣的好笑,難道這個傻子不是「妄想症」嗎?愛因斯坦狹義相對論關於鍾慢尺縮效應認為,當一個物體運動速度接近光速時,物體周圍的時間就會迅速變慢,空間會迅速縮小。
  • 「時鐘變慢效應」讓時間變成了相對的,絕對時間也不存在了
    時間變成了相對的,絕對時間也不存在了,這個結論不但會讓牛頓大為惱怒,恐怕現在也還有很多人覺得難以接受,但是這種現象確實存在。舉例說明:如果一個人乘飛機順著地球自轉的方向往東飛,它的速度等於飛機的速度,加上地球自轉的速度,相比往西的飛機往東的速度更快,所經歷的時間就比那個往西飛的更短,這個結果已經被精準的鐘表測量所證明,也證明了狹義相對論的正確性,換一種形象通俗的說法,這叫「時鐘變慢」。
  • 狹義相對論說速度越快時間越慢,那是不是達到光速時間靜止?
    可能你的理解有些偏頗,狹義相對論的鐘慢效應是說當你運動速度變快了的時候,你的參考系所在的時間流逝就會越慢,而且隨著你的運動速度越快,時間流逝就越慢,但是在狹義相對論中並沒有說達到光速時間靜止這回事,這個是一些人對於理論公式的主觀外推,一切物質運動的速度是無法達到光速的。
  • 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。
  • 為什麼一個物體接近光速時,時間會變慢?
    讓我們先退一步,回顧一個事實:根據狹義相對論的假設,一個物體接近光速(或者任何速度)的時候,時間都不會變慢。一種專門設計用來量化時間的儀器在運動或相對於觀測者運動時(速度接近光速),時鐘會走得更慢(稍後會詳細介紹)。愛因斯坦所描述的鐘的類型是一個特定的性質和設計的一個「光子鍾」。在光子鍾內,光在鏡子之間反射。
  • 假設光速飛出地球一百年,人會死嗎?時間變慢了,身體會變老嗎?
    狹義相對論是1905年發表的,到現在已經過去了將近115年,但到現在仍然有很多朋友對狹義相對論中推導出來的各種有趣現象仍然將信將疑,比如標題中的「鍾慢效應」,還有尺縮效應等等,不過種花家要說的是,在愛因斯坦之前的洛倫茲就完成狹義相對論的很大一部分工作!
  • 「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。
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    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。
  • 相對論點明了鍾慢效應,當一個人以光速飛行時,地球上有何變化
    相對論建立了相對時空觀,指出了時間擁有鍾慢效應,物體運動速度會改變它。當一個人以光速飛行,地球上的時間也會發生變化。鍾慢效應和相對論鍾慢效應是狹義相對論的時空觀的推論在進入實驗之前,先問下大家能不能區分時間變慢的意思?生活中的時間變慢可以用鐘錶直接描述,物理範疇內的時間變慢,說的是流逝速度變化了。時鐘只能說是有計量時間的能力,不能準確描述時間的流逝速度。
  • 徹底說明白相對論的時間變慢
    但現在,你隨便揪出一個物理系的學生,沒有不懂相對論的。畢竟世界已經被教育了100多年了嘛。相對論中有很多有趣的邏輯,今天我來說說時間變慢這回事。說先道出結論:移動的物體時間會變慢,移動的越快的物體時間就變的越慢。為啥會這樣呢?因為我們是用眼睛看的。你是否覺得我在胡扯。別急,慢慢看。
  • 《時間的本質(四、鍾慢效應的時間錯誤)》(論文)
    時間開始被重新理解,是以愛因斯坦狹義相對論鍾慢效應開始,t=t₀/(√(1-(v/c)²)),時間與物體速度關聯了。狹義相對論以兩個相對運動的慣性體系A、B出發,互觀測推導出鍾慢效應,即A觀測B、B觀測A應該鐘慢相互等效,鍾慢效應公式中可見原因應來源於AB間相對速度,c是常數(v/c其實已牽涉空間作用)。
  • 接近金字塔時間會變慢?這個效應其實是真的
    導讀:金字塔的重量巨大,對周圍的物體(包括人)也有萬有引力,因此接近金字塔的人時間會變慢。只不過這個效應非常非常小,正如視頻中說的那樣:效應只有十億分之一秒量級。仔細想想,其實這個效應是真的,只不過這個效應非常非常小罷了。這正是愛因斯坦廣義相對論中的一個結論:引力使時間變慢。
  • 根據尺縮效應,近光速飛行的人回到地球後身體尺寸會變小嗎?
    狹義相對論預言,沿杆子方向運動的杆子的長度比它靜止時的長度短。此效應表明了空間的相對性。鍾慢效應和尺縮效應在非慣性參考系中的確是同時出現,但在回到同一參考系中結果卻不相同。以下為詳細說明。時間膨脹是一種物理現象:兩個完全相同的時鐘之中,拿著甲鐘的人會發現乙鍾比自己的走得慢。
  • 接近金字塔時間會變慢?這個效應其實是真的!
    導讀:金字塔的重量巨大,對周圍的物體(包括人)也有萬有引力,因此接近金字塔的人時間會變慢。只不過這個效應非常非常小!這正是愛因斯坦廣義相對論中的一個結論:引力使時間變慢。實際上,當你接近一座大山的時候,時間變慢效應更顯著
  • 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。
  • 運動中的物體長度真的會變短嗎?是的,不過這種變短是相對而言的
    運動中的物體在運動方向上的長度會縮短,這是狹義相對論所提出的一個概念,這是一個不需要用實驗去證實,卻又可以肯定其存在的物理現象。這就是尺縮效應。而提到尺縮效應,就不能不提鍾慢效應。尺縮效應所講的是勻速運動狀態下物體的空間變化,而鍾慢效應所講的則是勻速運動狀態下物體的時間變化,也就是勻速運動的物體時間會變慢。一個代表空間,一個代表時間,而空間和時間是密不可分的一個整體,二者皆不能拋棄對方而獨立存在。從這個角度來講,鍾慢效應和尺縮效應實際上說的是一回事。勻速運動的物體在運動方向上的長度會變短,但垂直方向上的長度卻不會增加。