速度越快时间越慢,以接近光速飞行一百年会死吗?
无论飞船的速度有多快,你乘坐它飞行100年,你都是老了100岁,如果你活不到100多岁的话你肯定就死了。
关于相对论里的时间膨胀效应,有两个问题你务必要搞清楚:
一、你对时间的感受不变。
虽然在接近光速的飞船上时间的流速会变慢,但你自己感受不到这一点,你的主观感受是飞船上的时间在以正常的速度流逝。
这就意味着你如果在接近光速的飞船上测量时间,什么异常也发现不了,只有同时测量飞船的时间和地球的时间,才会发现地球时间和飞船时间的流速存在差异。
对于这一差异你会有这样的感受:
如果你呆在飞船上,则发现地球时间变快了;如果你呆在地球上,则发现飞船时间变慢了;总之,你呆在哪一边,就会感觉哪一边的时间是正常的,异常总是出现在另一边。
二、时间对你的影响不变。
不管在何种惯性参考系下,只要你自己的主管感受是过了100年,那就真的是过了100年,所谓的时间膨胀是相对于其他惯性系而言的。
这就表示如果你在接近光速的飞船上度过了一年的时光,地球上可能已经过了许多年;如果地球上的时间只过了一年,你在飞船上的感受是只过了几个月、几天或者几小时——具体的时间差异是多少取决于飞船的速度:99.99%光速和99.999999%光速都叫“接近光速”,但对时间造成的影响是截然不同的。
但是,无论你在接近光速的飞船上还是地球上度过100年的时光,你都是老了100岁,没有任何区别。原因就是上面的第一条:你对时间的主观感受无论在任何惯性系中都是不变的,包括你的新陈代谢。
我不知道这样讲你是否能理解“相对性”的意义,所以用一个直观的类比来解释一下。
运动距离的相对性
无论你在地面上还是行驶的高铁上拍篮球,只要篮球弹跳的高度是50公分,完成一次弹跳的耗时为1秒,那么在你的主观感受中,篮球就始终是每秒运动了1米(50公分的来回距离),因为在你看来篮球始终是做垂直运动的。
但如果你在行驶的高铁上拍篮球,在地面上的人看来篮球弹跳一次的运动距离显然就不止1米了,因为相对于地面而言篮球是沿斜线运动的。
也就是说,篮球的同一次运动,在车上的人和地面上的人看来,运动距离是截然不同的——同样耗时1秒,相对于地面的人而言,篮球却运动了更长的距离。
为什么会出现这种情况呢?
因为篮球的相对速度不同——由于高铁在行驶的缘故,篮球相对于地面的速度大于相对于车厢的速度,所以相对于地面而言,篮球其实是花了1秒时间,以更快的速度“跑完了”更长的距离。
这就充分说明了,速度会导致物体的运动距离在位于不同惯性系的观察者眼里出现差异,但尽管如此,你在车厢里显然看不出来篮球运动了更长的距离(尽管你能想象或计算出来),只有在地面上才看得出来,这就是相对性的意义。
而时间的相对性与距离的相对性如出一辙。
时间的相对性
我们可以用一个想象中的“光钟”来理解时间的相对性。
假设我们有一台依靠光的反射来计时的钟,让光子在一个密闭的腔体内上下反射,时间每流逝一秒,它正好来回运动一次。
在这种情况下,光子的反射就等同于篮球的反弹,所以如果你把钟带上了光速飞船,相对于地球而言,光子来回反射一次的距离也会比相对于飞船更长。
这一过程与在高铁的车厢上拍篮球别无二致,对吗?同样是一秒的时间,相对于地球而言,光子却运动了更长的距离。
为什么会出现这种情况呢?
前文说过,篮球的运动距离不同是由于它的相对速度不同,但是光子和篮球却有一个极其重要的差别——光速不变!
真空中的光速对于任何惯性系而言都是相同的。
换言之,无论相对于地球还是飞船,光子的速度都是299792458米/秒。
现在我们无法再用“相对速度不同”来解释光子的运动距离不同了,除非干掉光速不变原理。
可是光速不变原理有麦克斯韦方程组的“庇佑”,并且至今为止也无法证明它是错的,谁也干不掉它,所以我们不得不承认光子相对于地球和飞船的速度确实是相同的。
干掉上面的方程组,下一个诺贝尔奖就是你的了。
那么,在什么情况下,光子能以相同的速度走完更长的距离呢?
答案显而易见:只有在耗时更长的情况下。
由此可见,当反弹的篮球变成反射的光子之后,唯一合理的解释,就是飞船和地球的相对时间不同——相对于地球而言,光子花了更长的时间走完了更长的距离。
也就是说,虽然光子来回运动一次,地球和光速飞船上的主观感受都是1秒,但是飞船上的1秒其实比地球上的1秒更长,所以这一理论被称之为“时间膨胀效应”。
但是,正如距离的膨胀只能在另一个惯性系中才能看得出来一样,时间的膨胀也只能在另一个惯性系中才能“看得出来”,正因如此,你无论处于任何惯性系中,对于时间的主观感受都不会有所区别,时间对你的影响也同样没有任何区别。
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