愛因史坦的狹義相對論表明,速度會讓時間變慢,速度越快時間就越慢。而廣義相對論告訴我們,重力同樣會讓時間變慢,重力越強時間就越慢。
網上有很多科普文章,也有很多科普視訊,我也是看了很長時間才搞明白,有一種悟道的感覺,非常希望想和大家分享一下。我感覺各類科普文章太專業,很難理解,我就用大白話給大家解釋一下:
時空差異的真正根源實際在於光速是恒定的,無論在什麽空間,無論運動還是靜止,都是299792458公尺/秒,這是一個很詭異的事情,目前無法解釋。比如,一輛車的速度是10公尺/秒,我們在後面追,速度是2公尺/秒,車輛的相對速度就是8公尺/秒。我們迎著車輛跑,車輛相對速度就是12公尺每秒。這是一個常識,但對於光就失效了,無論我們追著測,迎著測,靜止測速度都是一樣的。
首先解釋為什麽速度越快,時間越慢
為了好理解,我們假設一輛車車速是0.5公尺/秒,光速是1公尺/秒。車輛前進時,一個人從後座發射一道光到前座,距離是1公尺(一定是密閉空間),用時1秒,但車是在前進的,加上車前進的距離,光實際走了超過1公尺,這樣在車裏的光速就變慢了,但車裏人是測不出來的。因為時間變慢,車速也會變慢,我們假設車走了0.2公尺。從車外看來,光從車尾到車頭位置就走了1.2公尺,用光測量這段距離用時就是1.2秒,用其他任何方法測量也都是1.2秒,而在車內用任和方法測量就是過了1秒,這樣車內車外形成兩個時空。也就是說,做同樣的事,車上的人用的時間都是車外人的1.2倍,這也是狹義相對論中時間膨脹原理。如果能隨時看到車上,車外人感覺車上的人在做慢動作。
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車內車外兩個時空
實際差別是多少呢?光與前進方向一致是為了好理解,但在一個時間軸上,用兩個時空的時間和速度算距離,沒意義,同時車速和光速對比也沒有意義。為了好計算,改成光在飛船的光子鐘上下震蕩。
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光子的路徑
在飛船上看到光子是從S到M,但飛船一直前進的,實際上是S到M1再到S2。光在兩個時空和飛船走的路徑各不相同,但形成一個直角三角形,就能用我們非常熟悉的勾股定理計算:a²+b²=c²。
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三個路徑的長度和關系
設光速為c,飛船速度為v,地面時間為t,飛船內時間為t’,用勾股定理寫等式:(ct')²=(ct)²+(vt')²,跳過推導過程,得出以下等式1,飛船是1秒,外部看來是1.2秒,我們算的是時間的膨脹,所以倒過來,下面的等式就是著名的時間膨脹公式:
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等式1
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時間膨脹公式
按以上公式,假設光速是1,車速是0.5,車內時間大約是車外時間的1.15倍。若速度等於光速,時間就等於0,相當於永恒了。
明白鐘慢效應,也就同時明白尺縮效應了。還是假設,光速是1公尺/秒,車速是0.5公尺/秒,車在靜止時測得車的長度是0.5公尺,車運動時要經過0.5公尺長的橋洞,車內人測的用時1秒,車外人卻測得用時1.15秒。橋洞長度不變,只能證明車變短了。公式如下:
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尺縮公式
這就是空間和時間相互轉化了,運動的人比靜止的人在同樣的時間,占用的空間不一樣,時間就不就一樣。也可以說,時間就是空間,空間就是時間。
其次,解釋為什麽重力越大,時間越慢
重力對時間的影響,同樣是空間變化等同於時間變化。廣義相對論表明,重力越強的地方空間更密。在地球附近的一米會大於遠離地球的一米!這種「濃縮」也是光的重力紅移以及重力透鏡的主要原因,已經被科學證實了!
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大品質天體周圍空間被壓縮
兩個星球之間為什麽相互吸引,根本沒有什麽萬有重力,而是兩者之間的空間忽然壓縮了,星球並沒有動,但他們之間的距離忽然近了。在沒有任何外力的情況下,任何物體都應該是沿著直線運動,但大品質天體周圍的空間壓縮了,曲線就是直線,這就是所說的測地線。小天體一直在做直線運動,但就是繞不出大天體的周圍的空間。之所以天體不會相撞,是因為小天體運動的離心力與向心力平衡了。衛星只要停止運動就會掉落地球,速度越小離地球越近,速度越大離地球越遠。
同樣,為什麽我們不能掉出地球,也不是因為地球重力。而是因為空間壓縮,地麵包括我們不斷的向上做加速運動。就比如一個吹大的氣球,氣球上每一個點,不斷的向外擴張。地球沒變,只是地球周圍的空間變小了,導致我們不斷的做向外的加速運動。樹上掉落的蘋果,不是蘋果掉向地面,而是地面在靠近蘋果。這就是廣義相對論中的等效原理,我們不是加速下落,而是地面加速上升,就如電梯加速上升就有一個力把我們鎖在地面,力都是向下的。
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等效原理圖
重力越大,向外運動的速度也越大,速度越大,時間也會越慢,這和狹義相對論速度對時間的影響是一樣的。公式也是根據時間膨脹公式推匯出來的。
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重力與時間關系公式
其中dt’為重力場內的時間,dt是外面的時間,G為重力加速度,M為星球的品質、r為離地心的半徑,c為光速,還是和光有關。加速度越大,星球品質越大,dt’越大於dt,時間膨脹越明顯,離地心越遠,膨脹越小。
明白了廣義相對論,質增效應也會明白了。世界的物體本來沒有品質,只有運動才有了品質。運動又是因為空間壓縮,我們被迫向上運動。也就是說品質來自運動,運動速度增加,品質就增加。公式是這樣:速度越快,品質越大。
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質增效應公式
為什麽還是和光速有關呢,因為運動的物體,內部自成空間。光速是1秒1公尺,加上運動,實際運動超過1公尺。外部人來看,就是空間內包括光速,一切速度都變慢了。這個變慢的程度,只能用光速去衡量。時間膨脹、尺寸收縮和品質增加的比值都是下面的比例,被稱為勞侖茲因子。
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勞侖茲因子
看過【星際穿越】的朋友想必記得,主角一行人穿越蟲洞後,在前往目標星球探索前曾計算出了目標星球的時間膨脹速率,一小時就是七年。在宇宙中,星球的品質相差是以指數級變化,特別是黑洞附近,品質和重力更是無法想像。別說一天就是一年,一小時七年也是有可能的。