這是一個老生常談的問題,其來源出自愛因斯坦的狹義相對論,根據狹義相對論,物體在運動過程中的空間和時間,會依據物體運動的速度變化而發生改變,物體的運動速度越快,時間流逝的速度越慢。於是很多人自然地認為以光速運動,時間就會停滯不前,豈不是達到了長生不老的目的,實際上這是對狹義相對論的一種誤解。
狹義相對論中的時間膨脹效應
愛因斯坦在提出狹義相對論時,同時明確了兩個最基本也非常著名的定理假設,一個是狹義相對性原理,即所有的物理定律,與描述物體狀態變化時,所採用的互相勻速移動參照系的選擇無關。第二個就是光速不變原理,即在所有慣性參照系中,也就是觀測者與目標物體的相對位置都是靜止的參照系裡,光線在真空中的傳播速度始終保持不變,且為最高值30萬公裡每秒,與目標物體或者觀測者的移動沒有關係。
根據狹義相對論,我們可以換一種方式進行理解,即物體運動速度,在不同的慣性參照系內,所造成的時間和空間的變化結果是不一樣的,也就是說在不同的慣性參照系內,這種時間和空間的變化不具有統一性。
那麼,在兩個慣性參照系內,對於這種時間和空間的轉換關係,我們可以通過應用洛侖茲變換進行推導。我們可以假定觀察者所處的時空坐標為(x,y,z,t),目標物體處在的時空價值為(x',y',z',t'),同時定義兩個參考系的相對速度為v,以觀察者角度確定目標物體的運動速度為u,則速度之間的相對關係為:v/u=1+√(1-v^2/c^2)。以此為基礎,我們可以計算勻速狀態下,兩個參照系內的時間流逝速度比率為:ΔΤ'=ΔΤ*(√1-(v^2/c^2))。
通過上面的轉換關係,我們不難看出,對於不同慣性參照系內運動的物體,他們相互之間的時間轉換關係與運動速度有直接關係,而這個速度是不同參照系的相對速度,數值越大,越接近光速,則標量的變化,即時間的間隔就會向著無窮小的方向發展。這就是狹義相對論中關於時間的膨脹(也叫鍾慢)效應。
時間的變化程度取決於參照系的選擇
狹義相對論中關於時間膨脹效應的描述,是基於兩個不同慣性參照系內進行時間流逝測量的結果,表達的是測量結果之間的轉換關係。而如果在兩個參照系內,將測量的鐘表與觀察者放到一起,不考慮二者的相對位移和相對運動速度的話,那麼無論是在地球上進行觀察,還是處在運動的參照系內進行自我觀察,時間的流逝都是獨立的進程。
那麼,對於觀測一個以非常高速運動的物體來說,我們從地球的視角進行觀察,運動的物體所經歷的時間的確是變慢了,假如我們能夠看到其中承載的人的動作時,就像看慢動作回放一樣。而當運動速度變為光速時,我們發現其中人的動作就完全停滯不前。這個情況也就造成了前文中提到的,感覺像是裡面的人的生存時間被拉長了一樣,對於地球觀測者來說,這個人以光速運行似乎可以長生不老。
但是,如果以處在光速運動的物體視角出來,在其自有的慣性參照系下,其時間流逝速度是不會發生任何變化的,該走一秒還是一秒,一天還是一天,自身的時間流逝速度不會因為外界的觀測而發生改變。
這種情況同樣適用於空間的變換,如果以地球觀測者來看,在一定時間內快速移動的物體可以經過一定的空間長度,但是按照狹義相對論的觀點,這個觀測是帶有尺縮效應的,空間的實際距離要比在運動參照系中觀測的移動距離要短。
慣性參照系在衡量時間變化程度上的重要作用
狹義相對論在描述物體運動速度對時間和空間引發變化的描述中,刻意強調了慣性參照系的概念,只有在觀察者和運動的物體都處在相互靜止或者勻速運動的參照系內,即慣性參照系中,相對論的推論結果才能生效。而這是解決由時間膨脹效應帶來相應悖論的一個最基本前提。
那麼,為何會產生悖論呢?因為物體的運動是絕對的,也會以觀測者的參照系選擇而發生方向上的不同。比如我們在地球上觀察光線的運動,其以光速離開我們,那麼反過來看,如果我們處在光線上,看著地球也是以光速遠離我們,這兩種遠離的數值相等,但方向相反。那麼,如果按照狹義相對論,無論是地球上觀察光速運動的我們,還是我們觀察光速運動的地球,所帶來的時間膨脹效應是一致的,即看到的目標物體都會處於停滯不前的狀態,那麼處在兩個參照系中的時間流逝速度應該都是一樣的,為什麼會有已經被證實的「高速運動的物體,其上的時間流逝速度要慢於靜止參照系上的時間流逝速度」呢?
這就牽涉到了慣性參照系的改變問題。假如以光速離開地球而不再返回,那麼理論上無論是在地球上,還是在光速運行的物體上,其二者的時間相對性就不會發生任何改變,因為它們之間不會發生相應的信息聯繫。
而如果經歷了一定的光速旅行再返回地球,就會在時間相對應上發生了信息的交流,這種信息的交流取決於慣性參照系的打破,地球還是那個地球,上面的觀測者是始終處於慣性參照系內,但是光速運動的物體勢必要經過相應的加速和減速過程,而這個過程就不屬於慣性參照系的範疇,因此從這種發生加速度變化的物體上看其它的慣性參照系,就不適用於狹義相對論以及時間膨脹效應了。
在這個過程中,從地球發出的光線,就會在物體從靜止加速再從光速降到靜止的過程中短時間內追回到運動物體上,從而在時間變慢的運動物體上觀察地球,發現地球經歷了比運動物體本身經歷的時間要長的變化,地球上的人就變老了。