谈到相对论,总会引发对光速与时间的讨论,尤其是“时间膨胀”这个现象,常使人感到困惑。
什么是时间膨胀?
简单地说:物体运动速度越快,其时间流逝就越慢。但如果仅从字面意义去理解,你可能会误解其真意。
认为在光速飞行时时间会静止,是对相对论的常见误解,并没有真正领悟到狭义相对论的精髓。
首先,飞船不可能达到光速,这是相对论所禁止的。
光子没有静止质量,故能以光速移动。但任何具有非零静止质量的物体,均无法达到光速。速度愈快,物体的质量就愈大。要达到光速,需要无穷大的能量,这显然不可能。动质量与静质量的关系如下:
既然无法达到光速,那我们就将“光速飞行”换成“亚光速飞行”。
在亚光速飞行时,时间膨胀(钟慢效应)和质量增加效应是非常显著的,并且是实际存在的现象。但要注意,所谓的“时间膨胀”是指在两个不同的参照系中对比得出的结果,并不是指个人体验到的“真实时间”(即自身的时间)。
举个例子,在现实中吃一顿饭需要10分钟,那么在亚光速飞船上吃一顿饭同样需要10分钟。也就是说,你本身不会觉得时间有变慢。
所谓的时间膨胀,是以另一参照系(比如地球上的观察者)来看,你的时间似乎变慢了。在亚光速飞船上的你,在别人眼里好像是在放慢动作,吃一顿饭可能需要1小时甚至更久,甚至打个喷嚏也得花好几分钟,这对观察者来说是不可思议的,如同电影中的慢动作回放。
并且,越接近光速,这种“时间膨胀”效果就越显著。有一个公式可以直观地展示时间膨胀的效果:
其中,△t′是地面上的观察者看到飞船中的你所经历的时间,而△t是观察者自己在地球上所经历的时间,V是飞船的速度。当V非常接近光速C时,△t′趋近于零,意味着你的动作基本上是静止的。
时间膨胀的中心思想就是光速不变原理,如果光速也能相对变化,那么时间膨胀现象就不会出现。
因为光速是恒定的,飞船上的人觉得过了1秒,在地面上的人看来却超过了1秒,看下面两图便能理解,光子的路径不同。飞船上的人认为光子是垂直上下移动,而地面上的人看飞船内的光子是斜向移动的,在速度不变(光速不变)而路径变长的情况下,时间自然就膨胀了!
看到这儿,可能有人开始觉得哪里有些不对劲!
对,这就是著名的“双生子佯谬”。
假设有一对双胞胎兄弟,弟弟留在地球上,哥哥乘坐亚光速飞船离去。按照刚才所述的时间膨胀理论,由于哥哥的速度非常接近光速,在地球上的弟弟会觉得哥哥的时间过得非常慢。若哥哥重新返回地球,他会发现弟弟比自己老了许多,而自己却依旧年轻。
然而,基于时间的相对性,飞船上的哥哥看地球上的弟弟,也会发现弟弟的时间过得同样变慢了。
问题来了:到底谁的时间过得慢了?
哥哥和弟弟都没错,因为他们都从自己的视角出发,虽然他们的结论看似矛盾,但其实并不是,因为他们处于不同的参照系中,相互之间的比较没有意义。他们得到的结论,都是基于各自的“真实时间”来衡量的。
只有当哥哥和弟弟再次回到相同的参照系,他们的比较才会有意义,例如哥哥返回地球。
而若哥哥想要返回地球,必然会经历减速和加速的过程,由于狭义相对论的前提是“惯性系”,加速和减速并不属于惯性系,因此不能用狭义相对论来解释(如果非要用,会非常复杂,需要将哥哥的减速加速过程划分成无数个“惯性系”,并用到微积分)。
这时应用广义相对论就能很好地解释这一现象。按照广义相对论的解释,惯性力等同于引力,也就是说,哥哥减速和加速的过程等同于经历了巨大的引力场,而“引力越大,时间过得越慢”(例如在黑洞旁边,由于黑洞巨大的引力)。因此,实际上哥哥的时间过得更慢,弟弟并未经历任何的减速或加速。
等到哥哥返回地球,可能会发现弟弟已经头发花白,或者可能已经去世,这取决于哥哥乘坐的飞船离光速有多近。因此,所谓的“双生子佯谬”其实只是个“佯谬”,并不存在矛盾。广义相对论能够提供一个完美的解释,并且十分简单易懂。
总的来说,“速度越快,时间越慢”这一说法是有前提的,它指的是两个参照系之间的对比,并不是指个人感受到的“真实时间”!