相对论中光速恒定,时间可变的原理
物理语言:一个3维物体在4维时间线上的移动速度是可变的。。。
说人话:回到过去不是梦,穿越未来也敢想。让时间静止,让青春永驻,只要998...
走错片场了,ok,言归正传,这个就要说到爱因斯坦的相对论了。
欲知相对论为何物,且听我慢慢分解。
1.光速不变原理
光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的。
1887年,为验证“以太”是否存在,阿尔伯特·迈克耳孙与爱德华·莫雷合作在美国克利夫兰的凯斯西储大学进行了实验,此后又由不同的人进行了多次“迈克耳孙-莫雷实验”,验证了光速不变。
光速不变原理也是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。
所以不论你是走路,坐火车,还是骑火箭,你观察测量光速都是。
2.思想实验
想象一下这样的一个场景。
小明乘坐电梯以速度向下移动,电梯里左右两边各有一面镜子,假设从右边的镜子发出一束光线,经过时间到达左边镜子,再经过时间返回到右边镜子,总共花费时间。
小明看到的场景是这样:
光线走的直线,经过时间,路程为。
如果你站在电梯外面观察上面的整个过程,又会是怎样的呢?
作为局外人的你,看到的场景是这样的:
电梯在向下移动,光线走的斜线,经过时间,路程为。
斜线路程大于直线路程,所以你的时间大于小明的时间,由此你会感觉小明的时间变慢。
那和具体是什么关系呢,我们来推导一下。
根据上面公式,当增大时,你的时间会变大,相对小明的时间就会变小。
当趋近于时,趋近于,所以趋近于无穷大。
光线走的速度永远也追不上电梯的速度,即光线无法到达左边的镜子。
那么小明相对你来说时间就无限慢,也就是时间静止。小明一眨眼的时间,外面可能已经过了几千年。
假设超过光速(当然理论和实验都是不可能的),又会怎样?
小明相对你来说时间比静止还要慢,那么只能发生时间倒流,回到过去了。
ok,完结啦。。。等等,聪明的你好像感觉哪里有点不对。。。
仔细思考。
知道问题出在哪了。如果把光源和镜子放在你的小房间里,运动都是相对的,电梯在向下移动的同时,小明观察到你也在相对于他向上移动,小明也会得出你的时间更慢的结论,这不就矛盾了吗?
这就要说到另一个著名的问题,双生子佯谬。
3.双生子佯谬
假设地球上有一对双生兄弟,哥哥以光速朝另一星球S飞去,再返回地球。
弟弟认为哥哥高速运动,哥哥应该更年轻。
哥哥认为弟弟高速运动,弟弟应该更年轻。
哥哥返回地球时,到底谁更年轻呢?
解释如下:
相对论中,时间也是一个相对的概念,而不是绝对的。哥哥和弟弟观察到对方时间都更慢,都在做慢动作,这个是正确的。
出现矛盾是因为大家认为哥哥和弟弟是等价的,可以互换。如果以匀速直线互相远离,此时都处在一个惯性参考系中,时间等价。但如果要让哥哥和弟弟做比较,哥哥要先返回地球,一定会经过一次变速过程,此时哥哥和弟弟就不等价了。
弟弟此时相对于其它参照物,比如太阳,月球也是静止,但哥哥相对于其它所有物体也是在变速。非惯性系属于广义相对论的范畴。
如果用狭义相对论思考,可以分2个阶段。
以地球作为参考系,弟弟在地球上不动,哥哥飞行1年到达星球S,此时星球S上另一个与哥哥同岁的C代替哥哥返回,再跟弟弟比较。
同理如果弟弟21岁时飞行1年前往星球S,会发现此时哥哥已经40岁了。
大家感觉自己的时间都是正常的,不会加速或者减速,是你相对于别人来说,别人感觉你的时间变慢了。
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