相對論中的「鍾慢尺縮」效應,如何理解?

2021-01-19 科學探索家

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狹義相對論自誕生以來,就以顛覆常識著稱,所以我們要是想用一般的生活常識其理解狹義相對論中,基本是不可能的,否則怎麼還能稱得上顛覆了牛頓的絕對時空觀呢?

首先我們得先來談談什麼叫做生活常識

太陽東升西落、月有陰晴圓缺、拋向空中的石塊會掉落等等這些都可以被稱為生活常識,而最初的物理學正是建立在這些生活中習以為常的事物之上,去總結不同事物中所共同遵守的規律,再藉由這些規律去指導生產活動。

在這樣的基礎上,偉大的物理學家牛頓產生了一種被現代稱之為絕對時空觀的理念,牛頓認為空間與時間是相互獨立的,各自互不影響。為了對應題目,我們舉個這樣的例子:

在一輛行駛著的列車上,擺放著一個走時精準的機械鐘,以及一把刻度達一米的量尺,同樣的,位於地面的站臺上也擺放著一個機械鐘和一把量尺,兩臺機械鐘和兩把量尺都是一摸一樣的,其中在列車還沒有出發時,兩臺機械鐘已經人為調試好(所指時刻相同,精確無比),分別擺放兩地。

那麼當列車運行後,試問兩臺的機械鐘所指讀數是否一樣?兩把量尺的長度有無差異?

這問題太簡單,顯而易見,兩臺機械鐘和兩把量尺仍舊是一樣,不論是指針讀數還是量尺長度。我相信大部分人都是這麼想的,甚至於即便將這道題作為物理題擺放到考卷上,在大學前的階段,正確答案也是:完全一樣。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)。

上述的回答也可以說是,按照生活常識進行的回答,這一點無可厚非,因為這個問題,你拿去問任意一個沒有學過相對論的人,相信你得到的回答都是一致的:機械鐘和量尺都沒有任何差異變化。

既然生活常識無法幫助理解「鍾慢尺縮」效應,那麼我們該如何入門的呢?

很簡單,只要你承認一條原理即可——「光速不變原理」,對於入門來講,你可以將其理解為真空光速不疊加,也就是說不論光源身處怎樣的環境下,有可能光源相對於你的速度很快,也有可能很慢,但所有光源發出來光,光速相對於你來說都是一樣的,大約為每秒30萬公裡。

實際上,上段描述中很難理解的就是為什麼不同運行速度的光速,發出的光的光速都是一樣的呢?

平時要是問你:一個人拿著槍,在行駛速度為每秒20米的汽車上,朝行駛方向往前射出一顆子彈,那么子彈的速度就是原先靜止射擊時的子彈速度(假設每秒800米)加上車速每秒20米,也就是820米每秒。

這一點本無可厚非,也可以說是屬於常識的一種(實際上可以歸屬到伽利略變換上去),但為什麼光就如此不同呢?既然時為了入門狹義相對論,那麼剛才也說了,你只需要承認這是一件事實即可,所以你不必了解這背後的原因(實際上是因為科學家至今也不知道為什麼,但老是追問為什麼根本毫無意義,就會陷入一個死胡同,試問你能回答宇宙為什麼存在嗎?很多人把物理當作打破砂鍋問到底的底,實際上物理只是為了找規律而已)。

現在你以及知道並且承認了光速不變原理,那麼接下來理解鍾慢尺縮就會容易很多,一個簡單的例子,如果我們將列車裡的機械鐘換做光源,按照車內人員的視角,這個光源垂直於地板,朝著車廂頂發射光線,很顯然,這條光線是一條垂直於地板的光線,然而這件事對於站臺上的人來說,情況就不同了,由於列車是運動著的,因此這條在車內人員看來是豎直的光線,在站臺上來看,卻是一條斜線。

如此一來,光線所經歷的路長長短,在不同參考系看來卻是不一樣的,但有一點是不變的,那就是光速,簡單推導一下,我們就能得出鍾慢公式。

實際上,通過光速不變原理以及狹義相對論中的另一條原理——狹義相對性原理,我們可以用數學手段推出一個基本的時空關係,而這個時空關係就可以推出狹義相對論的一切我們熟知的結論,其中就包括鍾慢尺縮。

簡單來說,相對於一個觀測者來說,運動著的物體,其內部時間流逝變慢,物體運動方向長度變短。

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