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地上十年

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地上十年

在科幻电影里面,经常能够看到男主角经历亚光速旅行返回地球,却发现故乡的同龄人已满鬓白霜,垂垂老矣的情景。

从我的经历来看,要认识相对论,首先要打破思维惯性。思维惯性,很强大,很根深蒂固,主要原因是长期对周围环境的认知、知识的学习形成的思维模式,也有人类头脑结构先天性缺陷。来认识一下我们的惯性思维的强大之处。

图片 1

下图这个女子倒像如何?就算是不觉得漂亮,起码不丑吧。

接近光速航行的飞船时间为什么会变慢?其实这一切都是时间膨胀效应发生作用的结果。100多年前,伟大的物理学家爱因斯坦通过一个天才的思想实验向我们揭示了这一点。狭义相对论认为,无论在何种惯性系中观察,真空中的光速都保持不变,即每秒299,792,458 米。因此,运动的时钟和静止的时钟比起来,时间的流逝必然会出现差异。下面让我们想象一个光时钟,一个光子在两个平行的镜面间以光速来回反射,每反射一次时钟就滴答一下。

倒过来看一下如何?希望没有吓到你。

图片 2

这是为什么?

现在我们想象这个静止的光时钟运动起来,但光子还是以同样的速度击打镜面的同一个位置。这样光子每次反射运动的距离就会变长,时钟滴答两次的间隔也会延长。也就是说,时间变慢了!

我们来尝仔细观察一下正立的图,是不是觉得眼睛 嘴巴特别违和?

图片 3

看看下面这张图,是不是好多了?

那么,运动的时钟比静止的时钟快多少呢?t=运动时钟的时间;t0=静止时钟的时间;h=镜面间垂直距离;x=水平距离;c=光速光子每次斜线运动的距离根据勾股定理可以求出,而时间=距离/速度。因此运动的时钟每滴答一下的时间为:

仅仅是把倒立图中的眼睛和嘴巴简单截图覆盖,就造成很大的改观,是因为我们从出生开始就在脑海中种下了“这种形状的嘴巴和眼睛是正常的、好看的”思维惯性,所以一旦颠倒就会形成强烈的审美反差。

这个方程式还可以表示为:

同理,再来看看如下几张图片,各位可以尝试某种方法打破一下自己的思维惯性:

经过公式变换,我们最终得到了神奇的时间膨胀公式:

图中上下两个方块颜色相同吗?请用手指遮住中间交接部再看看

距离太阳最近的恒星——半人马座比邻星在4.24光年之外,人类最快的飞行器旅行者1号速度为17.05千米/秒,乘坐它到达比邻星需要7万年!如果乘坐光速30%的飞船,在时间膨胀效应作用下,飞船时间比地球时间的流逝慢多少呢?用上面的公式可以算出,地球时间过去了14.65年,而飞船上流逝的时间为14年,也就是说,你比地球上的同龄人年轻了8个月!

上图中上下两个图形哪个大?觉得下面大的,拿手指或尺子比划一下

图片 4

左眼是什么颜色? 请遮住红色部分单独观察左眼试试。

时间膨胀效应随着物体运动速度趋近光速,会发生显著的作用。如果以99%的光速飞行14年,根据公式可以算出地球上已经过了99年!整整比飞船时间快了85年!

这个是怎么回事?难道8×8=5×13?有兴趣在纸上画好方格子按照上图裁剪拼一下,或者计算一下角度,就会发现端倪。

图片 5

以上图片说明某些情况下,按照惯性思维,往往会得出错误的结论,认知相对论,首先从打破速度叠加的常理开始,即光速与光源运动无关。

因此,未来一次普通的太空之旅可能就意味着和地球亲人的生死诀别,这或许就是恒星际旅行真正残酷之处!需要指出的是,接近光速飞行的宇宙飞船时间变慢,只是相对于静止的参照系来说的,飞船上的旅客不会感觉到任何变化,身体的新陈代谢不会减慢,寿命也不会延长。因此,想通过星际旅行“长生不老”是行不通的!

现在从最简单的情况入手,来逐渐认识相对论:

【本文作者氪眼看世界授权维权骑士士值品牌馆】分发

首先是狭义相对论:

假设前提:物理定律在相对静止或做匀速直线运动的惯性参考系中同等有效,光速与光源及观察者的运动无关(光速不变),光速在任何方向速度相同(各向同性)。

1、下图

C是光速,B静止不动,A以0.5c的速度向右做匀速直线运动。根据狭义相对论来简单推导一下,看看会得出什么结论:当A在向右运动的过程中,观察者B对A的观测,依赖的是A发出的光,然而当A经过1秒后到达的右侧T’位置时,此刻因A的“画面”(发出的光或反射出的光)刚出发。相对于B来说,A的画面传送速度是c(光速不变性),因此在需要再经过0.5秒即1.5秒后才到达观察者B,就是说B的时钟经过1.5秒后,看到A的时钟仅走1秒,即A的1秒钟时间“膨胀”成为B的1.5秒了。在A看来,B的时间也一样膨胀了。

有记得相对论时间公式的朋友会发现这个时间膨胀与公式得出的结果并不一致,是因为这个简易图是一维的,观察者也好时钟也罢,都是没有大小。而我们生活的空间是三维的,万物都有尺寸,来看看在三维空间的推导:

如下图,假定观察者A与A’分别位于惯性系XYZ与x’y’z’中,A’沿X轴方向以v的速度向A运动相遇并继续向前运动远离A’,以相遇的瞬间为时间起点,此时二者的理想时钟开始计时,观测坐标系中运动的物体(图中箭头),图中上半部分为二者相遇重合时刻。再经过一段时间后,相对与A坐在坐标系来说,A的时钟为t, A’的时钟为t’。

在A看来:

A’运动了距离为vt,

物体相对A在运动,因此时间为A’中的时间,

因此物体长度为ct’(光速不变性,相对任何惯性参考系,光速为c),

而A观测到的距物体顶端的距离是物体顶端的光经过时间t到达A,因此该距离为ct

所以就有如下关系:

(ct)²=(vt)² (ct’)²

因此可得,t’=t√ ̄1-v²/c²

即运动的时钟A’变慢了,或者说叫膨胀了。

同理运动物体长度缩短了,即尺缩效应。

同理,在观察者A’看来,A在运动,A的时钟变慢了。

是不是看起来也挺简单?再举个例子请各位思考一下:

设想有两个孪生兄弟甲和乙,甲乘飞船作太空旅行,乙留在地面等待甲。甲所乘坐的飞船在极短的时间内加速到速度v(速度v接近光速c)。然后飞船以速度v作匀速直线飞行,飞船飞行很长一段时间后,迅速调头并继续以速度v作匀速直线飞行。回到地面时紧急减速、降落,并与一直在地面上的乙会合。

根据狭义相对论,在乙看来,甲在运动,甲的时间膨胀,甲更年轻,而在甲看来,乙在运动,乙比甲年轻,那么他们相遇时发生“矛盾”了?到底谁更年轻?

即“双生子佯谬”,下期通过广义相对论来破解。

(文:吴志强)


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