為什麼一個物體運動速度越快,他的時間反而越慢,就比如為什麼宇宙飛船上的時間要比地球上慢?
問這個問題,就好像是問物質為什麼有牛頓的【萬有引力】和愛因斯坦的【時空彎曲】的本質是一樣的,至少目前人類無法窺覬其中的真理奧秘。
但是,我們可以從現象總結規律,通過大量實驗來推導出符合這種規律的公式定理出來。愛因斯坦的「時間膨脹」理論,就是從察兩個在空間上分隔開的事件的「同時性」入手,否定了沒有經驗根據的牛頓「同時性」的絕對性及其有關的絕對時間概念。
愛因斯坦的時空觀認為,光速是不變的,光速是個常數且與光源的運動(同向運動或反向運動)無關,並根據其相對性原理,從新的時空理論出發,建立了狹義相對論。
那麼,這個推論是否正確呢?當然正確了,這是公認的事實,經過大量實驗直接得到證明。比如GPS定位誤差的校對(太空中高速運動的衛星時鐘存在時間膨效應)。
不過,時間的膨脹是觀察者觀察的結果,時間的測量要依賴於觀察者所處的參考系。比如說衛星上的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒,參考系就是地球。
說到這個問題,不得不提到時間的本質,還有就是愛因斯坦的狹義相對論。時間的本質人類到目前為止仍就沒有給出最終完美的答案,但這並不妨礙我們去感受時間,而愛因斯坦的狹義相對論幫助我們更好的理解時間。
很多人或許覺得愛因斯坦的狹義相對論對時間的描述比較抽象,難以理解。下面就具體地描述下狹義相對論定義下的時間概念。
在這之前,需要明白一個重要的概念,那就是「光速恆定」。我們都知道光速在真空狀態下速度為30萬公里/秒,但光速恆定的真正概念不是這樣的,而是在任何運動狀態下都會保持那個速度。我們都知道相對速度,但光速並沒有相對這個概念,舉個例子就全明白了,如果你手裡拿著一個手電筒,以5米/秒的速度奔跑,靜止的我看手電筒發出的光的速度仍就是光速,而不是光速+5米/秒,這就是光速恆定原理(已經得到科學家實驗證明,暫時不用去想怎麼去證明的)
明白了這個原理,就讓我們做一個思想實驗。
設想有這麼一個光子鍾,這個光子鍾很簡單,上下兩面是距離15厘米的鏡子,中間是一個光子在來回運動,我們就是光子來回的上下運動來計算時間,類似我們家中的鐘擺。
如果光子鍾處於靜止狀態,你(靜止狀態)觀察光子的運動很簡單,就是上下來回運動,運動時間也很好計算,光速是30萬公里每秒,運動距離是15厘米,距離除以速度就是時間,上小學時我們就學過,可以算出這個時間是超乎想像的小。
但如果把光子鍾放到高速飛行的宇宙飛船上,一切都不一樣了。你看到光子鐘的光子運動不再是垂直上下運動,而是會沿著斜線運動。
當飛船從A點運動到B點,對於飛船上的人(姑且取名為小明)來說,光子仍就上下垂直運動,因為小明和光子鐘的運動速度是一樣的,他們之間相對時靜止的。不過對於你來說就完全不是那回事了,你會看到光子並不是垂直上下運動,而是沿著斜線來回運動,換句話說,你看到光子的運動距離變長了。
由於光速恆定原理,光子來回運動一個回合的時間自然也就變長了,在你的眼裡,飛船上的時間變慢了,一切似乎都以慢動作上演。隨著飛船速度的增加,光子所走的距離也越來越長,如果飛船的速度達到光速,這個距離將達到無限大!(試想,如果沒有光速恆定原理,光也有相對速度,你看到光子的速度就等於光速+飛船速度,這樣的光子仍將做垂直上下運動)。
那麼在你的眼裡,飛船上的時間到底如何計算呢?其實也很簡單,或許初中數學就足夠解答這個問題。
把剛才飛船的運動軌跡畫出一個圖,能更容易讓我們解答,如下圖:利用勾股定理:(ct』)2+(vt)2=(ct)2,把公式展開,很容易計算出下列結果:
你會很容易發現,速度越大(V越大),時間就越慢,如果速度達到光速,時間就為0,意味著時間停止了!再腦洞大開一下,如果速度超過光速,得到的時間就是虛數,意味著時間倒流?
當然,愛因斯坦的相對論早就告訴了我們,任何有有質量的物質速度不可能達到光速,只能無限接近,更不要說超過光速了!
到現在你應該明白為什麼說速度越快時間就越慢了吧!事實上,這裡存在著一個重要的事實,那就是這裡所說的時間也是相對的時間,你看到坐飛船飛行的小明時間過的很慢,事實上從他自己的角度來看,和你的時間流逝速度並無兩樣。只不過在你眼裡,你完成的一個普通動作,比如打噴嚏只需要一秒時間,而飛船上的小明可能需要1分鐘甚至更長的時間。
而如果小明以接近光速的速度飛行一年後再次回到地球,會發現地球上的時間已經過去了數十年甚至更長時間。但就小明自己而言,他看到自己變老的速度絲毫沒有減慢,只是在你看來他的時間變慢了!
我們來分析這個問題,這個問題包含兩部分:1、物體運動速度越快;2、時間反而越慢。
1、一切物質的運動速度都服從這公式:物質運動速度x單位時間=速度/單位 時間。
例如:人運動速度5公里x單位時間1小時=速度5公里/小時;自行車運動速度15公里x單位時間1小時=速度15公里/小時;汽車運動速度50公里x單位時間1小時=速度50公里/小時;火車運動速度75公里x單位時間1小時=速度75公里/小時;飛機運動速度1000公里x單位時間1小時=1000公里/小時;光子運動速度30萬公里x單位時間1秒=30萬公里/秒;30萬公里x單位時間(1x60)秒=30x60萬公里/分;地球與太陽距離(30x60)萬公里x8分鐘=(30x60x8)萬公里/分鐘;1光年等於(30x60x60x24x365)萬公里x單位時間1年=(30x60x60x24x365)萬公里/年。
光速C可以表示為:1、C=30萬公里/秒;2、C=(30x60)萬公里/分鐘;3、C=(30x60x60x24x365)萬公里/年。
以上可以看出,速度無論多快,都已經包含時間(即單位時間)在內,速度即單位時間距離,例如地球與太陽距離,(30x60)萬公里x8分鐘=(30x60x8)萬公里/分鐘。使用時間分鐘作基本單位,8分鐘即時間的8個基本單位。
這是自相矛盾的說法,由於人的能力有限,往往揀了西瓜,丟了芝麻。或者揀了芝麻,丟了西瓜。 速度是單位時間通過的距離。寫成速度x時間1秒=速度/秒;速度x時間1小時=速度/小時;速度x 時間1年=速度/年,等等。 速度已經包含著單位時間,倒如火車速度50公里x1小時=50公里/小時;速度100公里x1小時=100公里/小時;??,假如火車速度達到光速x1小時=光速/小時。 以上可以看出來,速度之中包含單位時間是不變的,單位時間是表達速度的基礎。速度無論多麼快,都無法改變內在的時間因素。 速度依靠單位時間而存在,沒有時間在內單純的速度是不存在的,速度無法改變自身內在的單位時間,無論速度多快,自身的單位時間不變,速度使時間變化是不能成立的。
速度已經包含時間(單位時間)在內,沒有另外的時間存在。問題中時間變慢是虛假時間,是不存在的。
你趕過公交車嗎?拋開公交車往前開的運動距離。你速度越快,你能上車可能越大吧。你進到車裡花費時間就會越少。你就覺得時間才過去一點點而已,覺得慢。所以個人覺得快慢是基於你在速度和距離上對要花費時間判斷後形成很主觀的意識。比如,我說你走過去花10分鐘和走過去花5分鐘。你肯定覺得5分鐘快,花時間少。所以同樣是人,不論你在地面還是在太空,你的主觀依然會起到作用,所以無論是公交車還是飛船,其實人類本身感知力還是原來樣子。所以主觀覺得有快慢了。但是拋開這個不說的話。如果飛船快的接近光速了離開地球,地球還是按照地球時間去數。但是離開地球的飛船因為距離的加大,就不會按照地球的時間去數了。它應該按照宇宙計算的大時間去數了。所以也許地球轉了800圈,飛船快速飛回來時。船上的人可能覺得才幾天。地球都過幾年了。其實做夢就可以感覺到。有時夢裡過了幾百年,你現實里才過一晚上而已。那麼思維可以擴大點想,你夢裡的你速度再快,醒來時候也要按照現實里去算。所以我覺得飛船飛的再快,也要按照最大的環境去看。看宇宙的環境時間。當然前提是宇宙真的有時間給你計時。如果宇宙空間里沒有時間概念,某種意義來說我們有的只是地球這個行星計時器。或者你也可以用太陽系這個計時器,或者銀河系的計時器。當然你那時的速度肯定很快了,不然用不上那麼大的計時器。
狹義相對論 由於光速是恆定的 在運動物體上的光速與靜止看到這個物體的光速是一樣的 時空為了禰補光速恆定而扭曲了
速度是相對於光速而言,如果是跑步的速度,速度太小,那麼速度對時間影響幾乎不記。說這個有什麼用呢?其實有質量的物體速度都不能達到光速。
一般意義上,有質量即就是有內部結構,有內部結構就有物質,物質是運動的,會使得內部做無規則運動,如果物體速度達到光速,那麼物質內部所有粒子都會向一個方向運動,這是做不到的。假設這種情況是存在的,那麼內部所有的物質相互不運動,也就是保持靜止,該物質就不具有時間概念,也可以說時間在達到光速那一刻起就停止了。回來再思考這個問題,速度太小就不說了,當速度可以用光速的分數表示並且有意義的時候,內部粒子相對運動就會減弱,外速越高,內速就越低,時間的概念就越慢。
要正確理解「物體運動速度越快,它的時間越慢」這句話,「它的時間」一詞,極易引起誤解。
首先,我們把我們的討論嚴格限制在「我們所在的參照系」,在「我們所在的參照系」這唯一的一個參照系中進行討論。
在我們所在的這個參照系中,除了參照物是明確確定的,靜止不動的以外,我們測量用的標準直尺和標準時鐘也是事先明確確定的,在進行任何關於物質運動的測量之前,事先明確確定好了的,它們存放於我們所在的參照系中,即靜止於我們所在的參照系中。
注意,我們所在參照系中的時鐘是在任何測量之前,就已經明確確定好了的,因此,在我們所在的參照系中,有一個明確確定的,恆定不變的、處處相同的時間,這個時間的流動速度各處相同,且恆定不變。它就是那個標準時鐘上的時間流動速度。
嚴格來說,討論標準時鐘的走時速度的變與不變,或在不同的時間地點是不是相同,是毫無意義的,如果要討論它的走時是否變化,就必須用一個更標準的時鐘來與它比較,但它已經是我們認定的標準,就沒有比它更標準的標準時鐘了。我們說它恆定不變,處處相同,實際上也是我們人為的規定。
現在,在我們所在的參照系中,用我們規定好的恆定不變、處處相同的時鐘進行測量,我們發現,放置在運動物體上的一個複製的標準時鐘,它的走時變慢了。我們該如何描述我們的這個測量結果呢?我們能說,「運動物體上的時間變慢了」嗎?前已說過,在我們所在的參照系內部,有一個恆定不變,處處相同的標準時鐘或標準時間。我認為,負責任的,不會引起誤解的描述應該是,老老實實的說,用我們系中的恆定不變、處處相同的標準時鐘測量,那個處於運動狀態下的複製時鐘,它的走時變慢了。在這種情況下,這個複製時鐘,已經不是我們所在參照系中的標準時鐘了,它的走時,已經不是我們所在系中的標準時間了,而你測量出它變慢的那個時鐘,那個時鐘的走時,才是我們系中的標準時鐘和標準時間。
也就是說,我們只能說,物體運動時,這個運動物體上發生的過程變慢了,而不是運動物體上的「時間變慢了」。
嚴格來說,是不是運動物體上發生的所有過程都變慢了?都按同一速度變慢了?我們並不確切知道,我們只知道,那個複製時鐘的走時變慢了。如果在這個運動物體上建立另一個參照系,並且,如果這個複製時鐘可能會被那個參照系中的人選定為他們系中的標準時鐘我們也可以說,用我們系中的標準時鐘測量,「那個參照系中的時間變慢了」。
請注意,當我們這麼說的時候,我們是把那個參照系中的「時間」,更準確的說是把那個參照系中的標準時鐘的走時,當成是我們所在系中的一個普通的物質運動過程,用我們系中的標準時鐘來測量的。
這個問題可以通過愛因斯坦的狹義相對論來解釋,其實速度越快,質量越大的結論也來源於此。
其中推倒過程便不寫了,估計也沒人會看,如果有興趣的,可以讀一下愛因斯坦的這本書。
這個問題有誤,因為沒有人能夠證明「速度越快時間越慢!」——我在文章《時間的實質》中有所論證。 而後一點,的現象說明的也只是「人類在太空中」沒有受到重力的作用後,自身物質間距恢復到正常距離狀態,從而減少了用於:作用力與反作用力之間的(引力與斥力)功耗。從而使的相同的物質能量可以用更長「時間」而已。(就像汽車的油箱大小和可裝載的油量已經固定,但是卻可以通過在行駛路途中,合理正確的駕駛方式來減少油料的消耗,從而提升增加汽車的行駛路程。) (註明:再者說「所謂的時間快慢變化」,都是人們通過觀察「計時器」得出的結論,但是他們卻忽略「計時器」也是由物質構成,同樣在地球上會受到「重力的作用」,反之在太空中則會「因為重力的消失,而恢復原有狀態」,從而導致運行中發生變化,導致「計時結果」發生變化。) …… 作者:尋源者、康添華、空空 2018、4、9
這種說法不太準確,物體運動得快,在物體上發生的物理過程會變慢,是站在觀察者角度來看的。舉例說明:如果一個地球人乘坐接近光速的宇宙飛船去旅行,行程100光年,在地球上觀察,旅行者的時間變慢了,動作慢,老得慢,(如果飛船速度等於光速(實際不可能),就會發現旅行者的時間停止了)。但旅行者並未感覺自己時間變慢,只是發現到目的地的旅程變短了。100光年的距離可能一下子縮短到了幾光年,光要走100年才能到的地方飛船十幾年就到了(即使飛船的速度小於光速)。在地球上看,飛船經歷了一百幾十年才到達目的地,但旅行者卻才老了十幾歲。簡單說,在一個慣性參考系考察另一個參考系的時間和空間,得到的結果是不同的,存在時延和尺縮效應。
推薦閱讀:
※重新認識《幾何原本》——致那些年我們白學的幾何(上)
※相對論正傳(2):為什麼一定要燒死布魯諾?你不曾了解的神學
※相對論正傳(1):這個系列的故事要怎麼講?
※萬有引力的本質【2017版】