如果有人以光速飛到宇宙中,1天后返回,他的家人還在地球上嗎?
謹(jǐn)由我與大家一起來(lái)學(xué)習(xí)一下這篇與物理學(xué)公式有所相關(guān)聯(lián)的資料并看看其中所藏有著的內(nèi)容是這樣描述的,如下:
在狹義相對(duì)論中的鐘慢效應(yīng)看起很簡(jiǎn)單,其實(shí)不然!我們常說(shuō)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)速度越快,它所經(jīng)歷的時(shí)間流逝速度相對(duì)于靜止的物體越慢,這句話沒(méi)有毛病。

但是你怎樣通過(guò)狹義相對(duì)論的鐘慢效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生真實(shí)的時(shí)間變慢效果。也就是說(shuō),你想使得自己通過(guò)運(yùn)動(dòng)變得比其他物體更加年輕,卻是一個(gè)非常復(fù)雜,且充滿誤解的一個(gè)問(wèn)題。
這個(gè)問(wèn)題其實(shí)就是狹義相對(duì)論中所討論過(guò)的雙生子問(wèn)題。

要了解這個(gè)問(wèn)題,我們首先要知道什么是慣性系和非慣性系,這兩個(gè)概念在狹義相對(duì)論中非常重要,是理解雙生子問(wèn)題的關(guān)鍵。

慣性其實(shí)就是牛頓第一定律的表述,一個(gè)孤立的質(zhì)點(diǎn)在沒(méi)有受到外力的情況下,也就是合力為零的情況下,這個(gè)質(zhì)點(diǎn)會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或者靜止。
以這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體作為參考系,那么這個(gè)參考系就是慣性參考系。
相反當(dāng)一個(gè)物體受到的合力不為零,也就是存在一個(gè)加速度的話,那么這個(gè)物體就是在做非慣性運(yùn)動(dòng),它也是一個(gè)非慣性的參考系。
那么雙生子問(wèn)題說(shuō)的是啥?當(dāng)愛(ài)因斯坦發(fā)表了自己的狹義相對(duì)論以后,提出了很多違反人類直覺(jué)的物理學(xué)結(jié)論,其實(shí)最讓人難以理解的就是鐘慢效應(yīng)。
因?yàn)樵诖酥叭祟愐恢闭J(rèn)為時(shí)間的流逝速度對(duì)于任何事物,不管它處在怎樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都是一樣,這就是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。但是鐘慢效應(yīng)告訴我們處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的事物的時(shí)間流逝速度會(huì)發(fā)生變化。
為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的效果呢?其實(shí)時(shí)間變慢很好理解,很多的科普文章視頻都有講解,我這里就簡(jiǎn)單提下,看下圖就明白了。
光速不變?cè)硎仟M義相對(duì)論的基本假設(shè),在20世紀(jì)也得到了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的證實(shí),這一毋庸置疑。正是因?yàn)楣馑傧鄬?duì)于任何事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都保持一個(gè)定值,這就為我們帶來(lái)了鐘慢效應(yīng)。
上圖其實(shí)就是一個(gè)光子鐘,光子上下運(yùn)動(dòng)一個(gè)來(lái)回,我們記為1秒,我們外部的觀察者看一個(gè)靜止的光種的時(shí)候,光子在上下正常運(yùn)動(dòng),時(shí)間也不會(huì)發(fā)生變化。
但是當(dāng)我們外部的觀察者看一個(gè)處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的光子鐘的時(shí)候,由于光速不滿足日常生活中的疊加原理(也就是光速不管怎樣都不變),就產(chǎn)生了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。
光子走過(guò)了更長(zhǎng)的路徑,這說(shuō)明它比靜止的光鐘,時(shí)間過(guò)的更慢。很簡(jiǎn)單吧,這就是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)間變慢的原因。
但是這里有個(gè)經(jīng)常容易出現(xiàn)的誤解就是,有人會(huì)認(rèn)為處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的光鐘,或者人感受到的時(shí)間真的變慢了。如果我們以光速運(yùn)動(dòng)就會(huì)讓時(shí)間流逝的異常緩慢,甚至是停止,是不是就能長(zhǎng)生不老了?
其實(shí)并不是這樣的,時(shí)間變慢效應(yīng)是相對(duì)于外部觀察者來(lái)說(shuō)的,是外部觀察者看到的效應(yīng),而不是自己親身體會(huì)到的效應(yīng)。這就是為何叫相對(duì)論的原因了。
因?yàn)楹凸忡娞幵谕蛔鴺?biāo)系下的觀察者,他會(huì)看到光鐘是靜止的,光鐘的時(shí)間在正常流逝。因此,假如你能以光速旅行,不管速度有多快,你的一秒就是你感受到的一秒,你并不能感受到自己的時(shí)間變慢。也就是說(shuō),你能活一百歲,依然只能活100歲。
那么你可能會(huì)問(wèn),鐘慢效應(yīng)并不能真實(shí)的改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下事物所經(jīng)歷的真實(shí)時(shí)間,那這個(gè)鐘慢效應(yīng)有什么意思呢?
鐘慢效應(yīng)其實(shí)改變的是你和靜止的觀察者所處的時(shí)空框架,在不同的時(shí)空框架下時(shí)間的流逝速度是不一樣的。
也就是說(shuō),你的一秒不再是靜止觀察者的一秒,你的鐘走了一秒,外部的靜止觀察者可能就走了三秒、甚至是四秒。意思就是你的時(shí)間和他的時(shí)間不在等價(jià)了。這樣就會(huì)帶來(lái)真實(shí)的時(shí)間差。
這是否就意味著,我只要運(yùn)動(dòng)就能產(chǎn)生這樣的真實(shí)效果,其實(shí)并不是的。這就是雙生子問(wèn)題的來(lái)源。你看,假如在地球上有一個(gè)和你同時(shí)出生的雙胞胎B。
在你出生時(shí),你就開(kāi)始坐宇宙飛船離開(kāi)地球以非??斓乃俣冗M(jìn)行一段時(shí)間的星際旅行,然后返回地球,根據(jù)以上的觀點(diǎn)進(jìn)行分析,那么你會(huì)認(rèn)為自己經(jīng)歷了高速運(yùn)動(dòng),自己應(yīng)該更加年輕。
但是處在地球上的雙胞胎B會(huì)認(rèn)為你并沒(méi)有運(yùn)動(dòng),而是自己朝相反的方向運(yùn)動(dòng)了,他應(yīng)該比你年輕。這就是雙生子佯謬。
那么到底是你認(rèn)為的正確還是雙胞胎B認(rèn)為的正確呢?其實(shí)你是正確的,你比地球上的雙胞胎B更加年輕,因?yàn)楠M義相對(duì)論效應(yīng)的等價(jià)只能發(fā)生在兩個(gè)慣性系的身上,也就是說(shuō)鐘慢效應(yīng)會(huì)真實(shí)的發(fā)生在非慣性系的身上。
由于你在離開(kāi)地球時(shí),要經(jīng)歷一個(gè)加速運(yùn)動(dòng),在返回地球時(shí)要經(jīng)歷一個(gè)減速到反方向的加速過(guò)程,因此在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,你有一段時(shí)間是一個(gè)非慣性系,而地球上的雙胞胎B一直都處在慣性系下,因此你所經(jīng)歷的時(shí)間流逝速度會(huì)真實(shí)的慢于地球上的雙胞胎B。
徹底了解了以上的問(wèn)題,我們?cè)賮?lái)看看今天的問(wèn)題,如果有人以光速飛到宇宙中,1天后返回,他的家人還在地球上嗎?
返回這兩個(gè)字非常重要,如果這個(gè)人(運(yùn)動(dòng)者A)只是以光速勻速飛出去了,并沒(méi)有回來(lái),那么我們就認(rèn)為他和地球上的家人都處在慣性系下,狹義相對(duì)論的效應(yīng)就是等價(jià)的,誰(shuí)也不會(huì)比誰(shuí)變得更老。
而在返回的過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)者A就是一個(gè)非慣性系,因此他在這段時(shí)間內(nèi)就會(huì)相對(duì)于地球上處在慣性系的家人真實(shí)的發(fā)生鐘慢效應(yīng)。
我們知道運(yùn)動(dòng)速度越快,鐘慢效應(yīng)就越明顯,以光速運(yùn)動(dòng)的話,在地球上的家人看來(lái),飛船上的運(yùn)動(dòng)者A時(shí)間就基本上停止的??聪聢D
上圖左,當(dāng)達(dá)到0.9倍的光速時(shí),時(shí)間會(huì)膨脹到大約2倍,從0.9倍光速到1倍光速,時(shí)間膨脹效應(yīng)就會(huì)急劇的增加,當(dāng)達(dá)到1倍光速時(shí),就會(huì)達(dá)到無(wú)限大,在外部觀察者看來(lái)你的時(shí)間就會(huì)變得沒(méi)有意義,甚至停止。
但是你自己卻能感受到正常的時(shí)間流逝。所以假如你以非慣性運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)以光速運(yùn)動(dòng),例如,以光速繞地球做圓周運(yùn)動(dòng),這就是一個(gè)典型的非慣性運(yùn)動(dòng)。
這時(shí)你在飛船上哪怕過(guò)上一秒,對(duì)于地球上的人類說(shuō),都是無(wú)比漫長(zhǎng)的時(shí)間。從公式上看,你的一秒等于地球上無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。
所以當(dāng)你真的能夠達(dá)到光速旅行的話,通過(guò)讓自己繞地球、太陽(yáng)系、或者銀河系運(yùn)動(dòng),總的來(lái)說(shuō)只要讓自己保持在非慣性系的運(yùn)動(dòng),你就能做到相對(duì)于宇宙真正的“永生”。因?yàn)檫@時(shí)你的1秒已經(jīng)相當(dāng)于其他事物無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間,你能活100年,那豈不是相對(duì)于其他事物,不死不滅了。
你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn),當(dāng)你真正達(dá)到光速、并做非慣性運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象,只要滿足以上的條件,哪怕你在飛船上經(jīng)歷1飛秒的時(shí)間,都等于宇宙中其他事物無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。
以光速運(yùn)動(dòng)這個(gè)問(wèn)題討論起來(lái)好像已經(jīng)沒(méi)有意義了,其實(shí)本身就沒(méi)有意義。
所以,當(dāng)你達(dá)到光速,你不僅見(jiàn)不到你的家人,回來(lái)時(shí)地球估計(jì)已經(jīng)都沒(méi)有了。
這里我還需在強(qiáng)調(diào)一件事,當(dāng)你達(dá)到光速你自己并非體驗(yàn)不到時(shí)間流逝,你依然會(huì)在100年內(nèi)死去,你也并不能達(dá)到宇宙中任何的位置,你以光速旅行100年,也只能達(dá)到100光年處。
你在宇宙中以光速旅行時(shí),也會(huì)經(jīng)歷漫長(zhǎng)的時(shí)間煎熬。唯一不同的是,你煎熬了100年,地球上的人可能就煎熬了無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。