北京中科皮肤医院好不好 http://m.39.net/pf/bdfyy/爱因斯坦论证了宇宙中没有绝对的时间,不同惯性系有属于自己不同的时间。那么各惯性系之间的时间有什么关系呢?我们仍然可以从光速的恒定性中找到相关的线索。
假设我们开车追赶一列火车,火车的时速为公里,当汽车的时速达到99.9公里的时候,我们会发现火车相对我们来说速度很慢,它相对我们而言时速只有0.1公里,就在我们旁边。那么,如果我们以接近光速的速度去追赶一束光呢?那又会是怎样一种情形?
在《不变的光速》一文中我们已经知晓,不管我们多么飞快地追赶光束,这束光总是以相对于我们同样的速度c(光速,30万公里每秒)前进。这意味着什么呢?用上面汽车追火车的例子来说,假设火车是光的话,当我们的汽车静止的时候,火车以相对于我们公里的时速远离我们而去,而当我们的汽车以时速99.9公里追赶火车的时候,我们看到火车还是以相对于我们公里的时速飞速远离我们而去,它的速度相对我们并没有降低到时速0.1公里。
这是否很荒谬?急速行驶汽车中的人和静止的人测量出来光的速度是一样的。只有一种方法能解决这个佯谬,当爱因斯坦第一次想到这个结论的时候完全被惊呆了,解决这个佯谬的方法是:对汽车中的我们而言,时间变慢了。同时,汽车在运动的方向上变得越来越扁平,也就是尺度变小了。这就是狭义相对论的的“钟慢”和“尺缩”效应。
也就是说:如果飞速的汽车里挂着个时钟,站在路边相对汽车静止的人拿着望远镜观察汽车里面的状况,他会发现时钟走得很慢,同时里面的人的行动也变得很慢,而且整个汽车变得越来越扁,就像被挤压了一样。而我们在汽车里面却没感觉到有什么不妥,原因很简单,身处接近光速的汽车之中,我们的思维也变慢了,我们处在自己的时空之中。如果我们用尺子去丈量尺度,也不会发现什么变化,因为尺子同样收缩了。但我们会发现,在接近光速的旅行时,窗子外面似乎变化很快,一刹间日月轮换,四季更替,沧海桑田。
伽莫夫在其物理小说《物理世界奇遇记》中第一节“城市速度的极限”用故事的方式生动地展现了钟慢和尺缩效应。理论上只要你不断地高速运动,你的时间就比别人慢,你就能显得更加年轻一些。所以,奔跑吧,兄弟。当然,在地球上最快的速度是乘坐飞机不断地向东飞去,这样可以获得地球的旋转叠加飞机的速度。然而霍金在《果壳里的宇宙》一书中指出,这样所获取的比一秒还短得多的生命延长,远不及劣质飞机快餐对健康的伤害。除此之外,长期坐飞机还意味着接受更多的宇宙辐射,所以想通过多坐飞机延长寿命只会适得其反。
当我们的速度越接近光速,我们的时间就会变得越慢,尺度会变得越小。由于我们所处时空的时间变慢和尺度变小,所以我们看到的光速和静止的人看到的光速一样,永远以同样的速度远离我们而去,光速的不变性得到了解释。
这就是狭义相对论揭示的时空观,速度越快,时间越慢,尺度越小,同时,还有上篇《消失的长度》一文里提到的质增效应,速度越来越快时,质量也会变得越来越大。在不同的惯性系中,“钟慢”、“尺缩”和“质增”效应关系满足以下方程:
(方程中,m为质量,L为尺度,t为时间,如果用狭义相对论定义的四维时空坐标来表述,空间3维及时间维之间的关系满足洛伦兹变换式,而牛顿运动学满足的是伽利略变化式)
下面我们分析一下各参考系之间的时间关系。狭义相对论指出,假设以我们为参考系,我们的时间为T,去观测运动速度为v的惯性参考系A的时间t和我们时间T的关系,它们满足的变换公式为:
这个公式可以利用光速的不变性和勾股定理推导出来,仅使用中学数学知识就足够了,限于篇幅在此不做介绍。将公式做一点变换后,我们可以发现惯性参考系A的时间t等于我们的时间T乘上一个根号因子,这个因子的值取决于速度v,当v越大,因子的值越小,t也就越慢。由于光速很快,就日常速度而言,v/c的值接近0,所以该因子的值接近1,日常的T和t基本上没有区别,大家的钟表走得差不多。而当v越来越接近光速时,因子的值趋于0,这时惯性参考系A的时间t也变得极为缓慢,趋于静止。
虽然我们知道光速是宇宙的上限速度,但理论上如果超光速会发生什么呢?会像科幻电影里那样发生时间倒流吗?在时间轴上,如果我们的时间T为正的话,时间倒流时t是否应该为负值?这个问题是这样的,首先,我们并不是那么确定当t为负值时的物理意义,是否就意味着时间倒流。其次,当速度v超光速时,我们并没有得到负时间,当v大于光速时,根号里面出现了负数,但开完根号后并不是负数,而是虚数。也就是说,我们并没有得到负时间,而是虚时间,虚时间是啥?我们先看看在数学里虚数的几何意义。
假设我们有这样一个复坐标系,横轴为实数,纵轴为虚数:
那么虚数i的几何意义是什么呢?是逆时针旋转90度,1*i=i,与横坐标垂直,再旋转一次后得到-1,也就是i*i=-1,
超光速后得到的虚时间在几何意义上与我们的时间垂直,这究竟有什么现实意义?我们不知道,但可以确认并是不是负时间,与时间倒流无关(当然,上面也提到负时间是否意味着时间倒流我们也并不能确认)。所以,超光速导致时间倒流只能是科幻电影的空想,与现实物理无关。
各惯性参考系的尺度、时间不一致能够解决光速不变带来的悖论,那么时间不一致会不会引发其他什么问题?请继续
转载请注明:http://www.hujingahj.com/aqms/8815.html