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一个至今仍无法解释的现象,让爱因斯坦明白了隐藏在时间里的秘密

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燕锋情感解忧店 2021-06-14 17:24

本文由:三楼老范 原创创作

长久以来,人们都认为时间是最公平的,对于每一个人来说时间都以相同的速度在流逝,但爱因斯坦却认为时间不是固定的,1905年,他在《狭义相对论》中指出,一个物体的运动速度越快,其时间就越慢,10年之后,他又在《广义相对论》中指出,一个物体所在的引力场越强,其时间就会越慢。

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相信大家一定会比较好奇,为什么爱因斯坦会这样说呢?下面我们就来通俗易懂地介绍一下,让你无需晦涩的理论和公式,轻松理解为何爱因斯坦会说时间不是固定的。

总的来说,这其实就是一个至今仍无法解释的现象,让爱因斯坦明白了隐藏在时间里的秘密。这个现象就是“光速不变现象”,注意这里的“光速不变”并不是指光本身的速度不变,而是指无论你处于哪个参考系中,你都会观察到光的速度(c)是一样的。

举例说明,假如你以50%光速(0.5c)迎着一束光运动,那么按常理来讲,在这种情况下这束光相对于你的速度应该是150%光速(1.5c),但实际情况却是,这束光在你的眼中仍然是以光速在运动,而假如你以同样的速度与这束光做反向运动,你仍然会得出相同的结果。

需要指出的是,这种反常识的现象是经过了科学家们无数次实验所得出的结论,至于为什么会这样,科学家们至今仍无法解释,很显然,当时的爱因斯坦也无法解释这个现象,于是他干脆将其作为公设,并在此基础上提出了《狭义相对论》。

为了说明《狭义相对论》中所描述的运动与时间的关系,我们需要做一个简单的思想实验,为了方便计算,在这个思想实验里我们取光速的近似值——每秒钟3亿米。假设有两个人——小明和小强,小明坐在一列行驶中的火车里,这辆火车长度为300米,并以每秒钟30米的速度做匀速直线运动,而小强则站在地面上作为静止参考系。

现在小明在火车的尾部用手电筒向火车的头部发射了一束光,在小明的眼中,在0.000001秒之后,这束光刚好就到达火车的头部,期间这束光以光速飞行了300米的距离,一切都是合情合理。

而在小强的眼中,在这0.000001秒的时间里,火车还前进了0.00003米,也就是说,当这束光刚好到达火车头部的时候,小强观察到的这束光飞行的距离是300.00003米。如果我们按常规思路来看的话,这束光叠加了火车的速度,也就是每秒钟3亿零30米,因此这束光在0.000001秒的时间里飞行了300.00003米也是合情合理的。

然而我们已经知道了无论从哪个参考系来观察,光的速度都是一样的,也就是说这束光不可能具备每秒钟3亿零30米的速度,所以当小强看到这束光刚好到达火车头部的时候,这束光应该是飞行了0.0000010000001秒的时间。

这就意味着,在上述的同样一个事件中(一束光从火车尾部飞到火车头部),小明经历了0.000001秒的时间,而小强则经历了0.0000010000001秒的时间,换句话来说就是,小明的时间变慢了,很明显,如果小明乘坐的火车速度再快一点,小明的时间就会变得更慢。

那么爱因斯坦为什么又要说一个物体所在的引力场越强,其时间就会越慢呢?

我们乘坐电梯时都有过这样的经历:当往上行的电梯在启动时的一瞬间,我们会感受到一个向下的力,反过来也是一样,为什么会这样呢?简单地讲就是,电梯的加速度让我们感受到了与其加速度方向相反的惯性力。

现在我们再来做一个思想实验,假设在失重的环境下有一部电梯,而小明就在这部电梯里。想象一下,在这部电梯以一定的加速度向上运行时,小明会怎么样?没错,在这种情况下,小明会一直感受到一个向下的惯性力,而假如这部电梯的加速度正好是9.8米/平方秒,那么小明就会感受到和地球引力一样的力。

再进一步想,如果这部电梯是密封的,小明根本无法观察到电梯外面的情况,那么小明能不能分清楚自己所感受到的力,是电梯加速度造成的惯性力还是地球的引力呢?答案当然是否定的。

这就说明了一个具有适当加速度的参考系与引力场中的参考系不可区分,或者说它们是等效的,这就是爱因斯坦在《广义相对论》中提出的一个重要原理——“等效原理”。

可以看到,既然这两者不可区分,那么我们在描述引力场的时候,就可以直接用一个具有适当加速度的参考系将其代替,这样就可以直接使用《狭义相对论》来描述引力场中的时间问题。显而易见的是,对于更强的引力,我们就要用更高的加速度来代替,因此我们就可以得出,在引力场中的时间也不是固定的,一个物体所在的引力场越强,其时间就会越慢。

最后讲一下,在爱因斯坦明白了隐藏在时间里的秘密,并将其以理论的形式提出之后的100多年时间里,科学家们进行了大量的相关研究和验证,时至今日,科学界已经有了充分的证据可以表明时间真的不是固定的。比如说著名的“原子钟飞行实验”就证实了速度与时间的关系,而我们现在所用的卫星定位系统,也是根据《广义相对论》中所描述的引力和时间的关系进行了校准,否则的话根本就无法正常工作。

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