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  • 1 # 鍾銘聊科學

    這個問題其實涉及到狹義相對論,但其實並不難回答,實際上,飛船內的時間到底如何流逝取決於觀測者是誰,如果實在飛船裡的人,他感受到的時間就是正常的,而在地面上的觀測者看到的飛船時間的流逝就是無限接近於靜止的。那這該如何理解呢?我們要從相對論說起。

    相對論

    1905年,年僅26歲的愛因斯坦發表了4篇開創性的論文,其中後兩篇被我們現在合稱為狹義相對論。

    相對論發表的當年並沒有像大家所想到的那樣轟動全世界,愛因斯坦其實是在13年後,因為愛丁頓驗證了廣義相對論才轟動世界的。狹義相對論剛發表只引起了學術圈一部分學者的關注。而且有很多學者其實並不能夠理解相對論到底說了什麼?

    而其中一個本質原因就是相對論距離我們日常生活實在太遠了。牛頓力學就更像是生活中的物理學,到處都能用到。

    相對論適用範圍特別廣,尤其是高速或者引力大時,其相對論效應更為明顯。正是這種超脫我們所生活世界的離奇現象,讓很多物理學家一時半會無法接受。

    那狹義相對論到底說了什麼呢?

    大多數人上初高中時,都會學到運動學。我們也都知道,在牛頓的體系下,無論是誰在看,一米就是一米,一秒就是一秒。並不會因為觀測者的運動狀態發生改變而改變。

    而愛因斯坦則認為不是這樣的,實際上,長度和時間,甚至包括質量和能量,都會因為觀測的運動狀態的改變而發生變化。這麼說太抽象了,我們可以來舉個例子。

    如果,有一艘飛船從你腦袋頂上飛過,那這個時候,當飛船飛的速度越快時,你所看到的飛船的長度也會越短。

    下圖是0.1倍光速時的情況:如果速度變為0.8倍的光速是下面這樣:如果速度變為0.95倍的光速就是這樣:

    這其實就是狹義相對論中的尺縮效應。當然,尺縮效應只是比較反常識的其中一個結論,其實還有一個讓很多科幻小說家經常使用的理論:時間膨脹。這個時間膨脹是什麼意思呢?

    時間膨脹

    其實說的就是運動對於時間的影響。我們還是用飛船和地面觀測者為例。如果有一艘飛船從地面觀測者的腦袋上飛過。那從地面觀測者的視角來看,飛船上的時間流逝得就比較,而自己的時間是正常的。(下圖中,就是從地面觀測者的角度來看的結果,上面就是地面觀測者的時間,下面是飛船上的時間)

    聽起來還是很抽象,那該如何理解呢?我們來繼續做一個簡單的假設,如果地面參考者做起了廣播體操,而飛船上也有一個人,他也做起了廣播體操。這個時候,地面觀測者看到的飛船上的人做的廣播體操就是慢動作的廣播體操。

    所以,飛船相對於地面觀測者的時間膨脹了,好比飛船上過了1秒,地面觀測者要過2秒。但這裡有個重點要記住,這是從地面觀測者的角度來看。除此之外,他們各自感受到自己的時間都是正常流逝的。那如果飛船上的人也看向地面觀測者呢?實際上,我們都知道運動是相對的。因此,飛船上的人看地面觀測者其實也是在以接近於光速遠離自己。也就是說,地面觀測者相對於他也是時間膨脹的。所以,飛船上的人看到的地面觀測者的廣播體操也是慢速版本的,就好比飛船過了2秒,地面觀測者才過了1秒。而同樣的,以上都是從飛船上的人的角度來看,而他們各自感受到自己的時間流逝都是正常的。

    聽起來是不是很神奇?實際上,愛因斯坦之所以能夠推匯出相對論是基於兩條基本假設:

    光速不變原理相對性原理(或者也叫做伽利略變換)

    然後,愛因斯坦就類似於做幾何證明一樣,在已知這兩條假設的前提下,推導上文中的這些結論。但是到底對不對還是要靠實驗說話。關於狹義相對論的實驗,科學家其實已經做了很多,比如:μ子實驗。這些實驗都證明了狹義相對論是要比牛頓力學更為精準的理論,這才使得狹義相對論成為了主流理論。

    (這裡先多強調一句,實際上,要讓飛船無限接近於光速是很難的,因為根據相對論,速度越快,質量越大,加速就越難,要達到光速的是需要無限大的能量。因此,要接近於光速其實是一件很難的事件。)

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