速度越快, 時間越慢狹義相對論時間膨脹原理,連初中生都聽懂了!

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科幻電影中有這樣的情節:一個人坐著宇宙飛船去太空旅行,幾年後回到地發現時間已經過了幾百年。這聽起來很匪夷所思,但卻是科學理論之下的推斷,相對論告訴我們,對相對運動的觀察者們來說,時間流逝得速度不一樣,換句話說就是運動中的鐘表會變慢,這就導致了雙生子吊詭現象的出現。

每個觀察者都有自己的時間測度

我們通常會以為,兩只一模一樣的鐘表,其每時每刻表針的走動都是一樣的,所顯示的時間也應該是一樣的。可事實上,實驗會告訴你,即便是相同的鐘表,當它們本身的運動狀態不同時所顯示的時間也會是不同的。

實驗開始之前,需要先在天花板上吊上一個掛有鏡子的箱子,同時在地板上放置一個光源。這樣一來,當光從光源向上射出時,就會從天花板的鏡子上反射回地板。這里,鐘表會把光從地板射出並返回地板的時間定為一個單位時間。我們知道,當箱子靜止時,如果用鏡子離地面的高度除以光速,就能得出光由地板到達天花板所需的時間,用結果乘以2,就能得到光往返所需的時間。

那麼,假設現在讓箱子以一定的速度做勻速直線運動,箱子里的人會有什麼感覺呢?他是否還是會看到,光先從地板上垂直向上運動,到達天花板被反射後垂直向下運動,然後到達地板?而且,同樣的一個光線反射過程,在房間里靜止不動的人看來,情形又怎樣呢?事實上,當箱子運動時,由地板發出的光,看起來會隨著箱子本身的運動傾斜地上升,經天花板上的鏡子反射後再傾斜地下降抵達地板。這樣一來,跟箱子里的人所見的比起來,箱子外的人看到的情景是,光似乎走了更的一段距離。也就是說,光多走了箱子運動的那段距離,而房間里的人測得的光的往返時間,就是用他看到的光移動的距離除以光速得到的,其數值無疑要更大一些。

時間是相對的,運動改變時間流逝速度

由此我們知道,房間里的人測得的光的往返時間比箱子里的人測得的時間更長。這說明,運動中的鐘表在靜止的人看來,會比自己的鐘表長1個單位時間,即運動中的鐘表會變慢。雙生子佯謬思想實驗

根據以上結論,現在我們來看看雙生子吊詭現象。同時出生的一對雙胞胎,A留在地球上,B隨著一艘宇宙飛船到太空中去旅行假設B所搭乘的太空船速度是光速的80%,他到達目標恒星需要5年,來回需要10年。這樣,當他最終返回地球的時候A就是10歲。而B呢?由於他以近光速旅行,所以他在飛船上只度過了6年的時間,也就是才6歲。當然,如果B乘坐的太空船速度達到光速的99%,那麼他往返地球可能只需要1年時間。為何B會更年輕?毫無疑問,由運動中的鐘表會變慢我們得知,以A所在的地球為參考物,B在高速運動,所以測量他的時間的鐘表會變慢,他自然就老得慢。

可這樣一來,一個問題就出現了。根據相對性原理一切都該是相對的,飛船相對於地球運動,地球同時也相對於飛船運動。這樣一來,以B為參考物,A所在的地球就是運動著的。由此,根據運動的鐘表會變慢的理論,地球上的A就應該衰老得更慢。

這兩個結論,到底哪一個正確呢?是相對論出了差錯嗎?歡迎大家評論下自己的見解!

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