我們都知道狹義相對論有一個定律“運動物體時間變慢”,也就是經常說的“時間膨脹”,而且還有對應的時間膨脹公式。
v是運動參考系的速度,c是光速。我們可以看出當靜止參考系的時間為一個固定值時,如果運動參考系速度v接近光速c,那麼等式右邊的分母就會變得無窮小,導致右邊整個式子值變得無窮大,也就是△'變無窮大。也就是別人只花費了1秒的時間,你那邊可能就已經經歷了無窮大的時間,這真是印證了古人的話“天上一日,地下一年”的類似表達。
但是從剛剛的公式可以看出,只要速度v不變,由於c是光速是固定值,所以兩者之間的時間比值就會固定,也就是說如果v不變,最開始你的1秒等於別人的1小時,那麼這比例將一直保持不變,根據運動是相對的,A相對於B做速度v的勻速直線運動,那麼B也相對於A做勻速直線運動,根據“運動物體時間變慢”這個定律,會導致A看B的時間慢了,B也看A的時間慢了,這種看似矛盾的結論。
其實我前面的文章早就多次解釋過這個問題,其實看似矛盾並不矛盾,因為當你覺得矛盾時,是因為你又退回了牛頓的“絕對時空觀”,認為世界上的時間有一個絕對標準,大家的時間到底誰更慢,都必須要把自己的時間拿到這個“絕對標準”下去衡量才行。但是愛因斯坦的狹義相對論,為啥叫相對二字,不叫絕對論?因為愛因斯坦認為時間沒有標準答案,每個人從自己參考系下得出的時間都是真理,無所謂誰是標準。所以這個看似矛盾的問題我就不再解釋了,直接跳過。
經過上面的分析就會看出,我們永遠只能看到別人的時間變慢,因為我們永遠可以以自己為參考系,認為自己是靜止,別人在運動,根據“運動物體時間變慢”這個定律,所以別人的時間永遠比自己慢。這個結論對不對呢?是對的,不過是有前提條件的,這個前提條件就是:慣性系。
也就是說你必須處於慣性系,剛剛上面的分析才是對的,而狹義相對論成立的前提條件恰恰就是:慣性系。所以如果你處於非慣性系,你所處的參考系受到了力的作用,那麼剛剛的公式就不成立了,此時就必須用洛倫茲變換來分析。
什麼是洛倫茲變換呢,前面我已經詳細講解過了,這裡再簡單重複下,其實就是假設有兩個參考系,O和O',O參考系靜止於地面,O'參考系沿著O的x軸正向做勻速直線運動,並且速度是v,假設當O和O'重合的時候,約定此時大家的t=0。有了以上的分析就可以進行洛倫茲變換講解了。
假設此時有兩個地方A和B相隔非常遠,甲這個人靜止於A不動,乙這個人最開始也和甲一起靜止,然後約定此時t=0,之後乙突然開始往右邊加速離開甲,朝向B這個方向運動,請問如果以乙為視角看甲的時間會怎樣,看B那邊的時間會怎麼?
這個問題看起來很複雜其實很簡單,首先乙突然加速,那麼乙就處於非慣性系,所以不能簡單用時間膨脹公式來算時間,但是我們可以用洛倫茲變換來解決這個問題。首先乙由於是運動的,所以乙相當於洛倫茲變換的參考系O',那麼甲就處於O參考系,由於A和B兩地相對靜止,所以是處於同一個參考系,所以B地也處於O參考系,理清了這個邏輯前提後我們接著分析。
由於我們是以乙為視角,也就是以O'參考系為視角算O參考系的時間,所以我們要用到的是洛倫茲的逆變換,關於為啥用逆變換就不解釋了,前面我寫了很多文章來解釋這個問題。下面先給出洛倫茲逆變換的公式
其中由於我們只算時間,所以只需要用到第四個公式,等式右邊是在O'參考系下測量出來的引數,假設乙加速過程中的某一個時刻速度是v,t'是乙為視角的時間,由於c是固定不變,所以帶入這個公式就可以算出t,t就是O參考系下的時間。大家可以看出,如果乙剛剛加速,那麼乙距離A地的距離x就等於0,由於是剛剛加速,所以t'也等於0,帶入進去算出t=0,對不對,也就是乙剛剛加速的瞬間,乙的時間和甲的時間都是同步的等於0,但是我們算B那邊的時間就不一樣了。
因為B距離A有一定的距離x,雖然t'依然等於0,但是帶入上面的式子可以看出,B那邊時間會過很長時間,而且如果速度v越接近光速,算出的t就會是無窮大,所以B那邊的時間會瞬間變得無窮大。最後的效果就是乙一加速的時刻,雖然A地時間還和乙同步,但是B地的時間會突然增大,且B地距離A地越遠,這個時間增加的越大,同時速度v越接近光速c,這個時間也會變大。所以當你突然朝向遠處某地加速時,其實遠處的時間是會變快的。