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为何说“速度越快时间就越慢”?
2022/2/14 15:30:46 | 浏览:958 | 评论:0

为何说“速度越快时间就越慢”?

在牛顿经典力学统治的物理学时代,速度和时间是两个风马牛不相及的东西。速度就速度,时间就是时间,两者没有更多关系。如果有谁告诉你速度会影响时间流逝的快慢,

为何说“速度越快时间就越慢”?

牛顿的经典力学是以绝对时空观为背景的。何为“绝对时空观”?时间和空间都是绝对的,时间在任何环境中的流逝速度都是一样的。

绝对时空观很符合人们的日常认知,毕竟地球上每个人的时间流逝速度都是一样的(严格来讲,稍微有点不一样,后面会讲到)。虽然神话故事中有“天上一天,地上一年”的说法,但在人们的固有思维中,也只是觉得那只是一个神话故事而已,没有谁会当真。

而牛顿的绝对时空观也统治了物理学界几百年时间,直到时间来到了19世纪末。

当时的物理学界认为物理学大厦几乎已经修建完毕,之后不会有什么大的发现了,只需要小修小补就可以了。物理学家也为此感到骄傲自豪,认为他们一代人已经触摸到了物理学界最后的“圣杯”。

除了“两朵乌云”仍旧飘浮在物理学界的天空中!

为何说“速度越快时间就越慢”?

而正是“两朵乌云”中的“其中一朵乌云”,彻底颠覆了物理学家们自认为已经建好的物理学大厦,这个大厦也因此轰然倒塌!

其中一朵“乌云”迈克尔逊莫雷实验与“以太”之间的矛盾,两者具体有什么矛盾呢?

所谓“以太”,通俗来讲就是牛顿绝对时空观中的“绝对参照系”,或者说“光速的参照系”,为何这样说?

这与“以太”的概念提出的背景有关。以太概念的提出是为了协调牛顿经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾而诞生的,两者有什么矛盾呢?

很简单,牛顿经典力学是以绝对时空观为背景的,其中一个核心思想就是“任何速度都是相对的,都要走相应的参照系才有意义”。这很好理解,比如说,我们通常所说的速度都是默认地球为参照系。

但是麦克斯韦方程组却给了绝对时空观当头一棒,这个堪称“人类史上最伟大”的方程也有一个核心思想:光速与参照系无关,只与真空的磁导率和介电常数有关。

两者之间的“矛盾”就像一颗炸弹一样引爆了物理学界,牛顿和麦克斯韦都是大佬级别的存在,牛顿的经典力学统治了物理学界几百年,绝对时空观早已深入到每个人的骨髓里,如此的根深蒂固。

而另一方面,麦克斯韦方程组是如此的简洁优美,看起来就像是“上帝的公式”,当时的物理学家们也“不敢得罪”。

那怎么办呢?“左右逢源”是最好的方式。物理学界们开始了各种假设,来协调两者之间的矛盾,在这种大背景下,“以太”的概念应运而生。

当时的物理学家们认为,光速也有参照系,它的参照系就是“以太”。以太是我们看不见摸不着的绝对参照系。

说白了,以太的概念就是一种假设。这本没有什么问题,因为任何科学理论一开始都是从假设开始的,只要这个假设能经得起人们不断地验证,能经受得住考验就是好的假设。

不过,以太概念的提出没过多久就出问题了。人们总是对新生的事物充满好奇和探索欲望。

这不,迈克尔逊和莫莫雷就想弄明白以太到底是什么,到底是什么样的存在方式。

于是,迈克尔逊莫雷就做了一个实验(迈克尔逊莫雷实验)。这里简单说一下实验过程。

为何说“速度越快时间就越慢”?

按照以太的诠释,以太存在于宇宙的每个角落,绝对静止的存在。所以,如果物体的运动会形成“以太风”效应,就如同我们在奔跑时,即便是没有风(相对静止的风),也会感觉到风的存在。用这种方法就可以得出地球在宇宙中运动的绝对速度(相对以太)。

而迈克尔逊和莫雷也用类似的方法测量不同运动状态下的光速,以此来寻找以太的真实存在。但无论他们多么努力,等来的都是“冰冷冷”的结果:无论在何种运动状态下测量光速,得到的数值都是不变的,都是30万公里每秒!

这样的结果显然是矛盾的。只有两种解释:要么迈克尔逊莫雷实验是错误的,测量不准确。要么以太的概念就是错误的,以太根本不存在。

以太不存在?当时的物理学界是不允许出现这种结果的,因为那意味着绝对时空观的轰然倒塌,几百年来一直统治物理学界的经典力学是不严谨的,这对物理学界是太大的打击,经典力学在他们心目中的地位早已根深蒂固!

在迈克尔逊莫雷做过实验之后,物理学家们纷纷站出来,做了类似的实验,实验过程更加严谨,精确。但结果没有任何改变:无论他们如何测量,光速就好像具有某种意识一样,就是不变,恒定的速度,30万公里每秒。

为何说“速度越快时间就越慢”?

怎么办?迈克尔逊莫雷实验和以太之间的矛盾就像一只“苍蝇”一样卡在物理学家嗓子眼里,让他们浑身不舒服!

关键时刻,爱因斯坦颠覆性的大脑思维改变了一切,他看到了问题的关键所在:既然实验本身是没有问题的,那么肯定是以太的问题。而以太的概念本身就是一种假设,又与严谨的实验相悖,干脆直接抛弃,一切问题不就解决了?

于是爱因斯坦用“奥卡姆剃刀”(这个原理很实用,尤其是在我们日常生活中遇到杠精的时候,大家可以了解一下)一下把以太“咔嚓”掉了。

同时,爱因斯坦提出了自己的假设,这就是“光速不变原理”:光速是绝对的,在任何参照系和运动状态下都保持不变。

牛顿的绝对时空观轰然倒塌,爱因斯坦建立起来了相对时空观。以“光速不变原理”为前提(还有一个前提是相对性原理),爱因斯坦建立起了伟大的狭义相对论。

光速不变原理和以太的概念都是假设,但显然前者比后者更具说服力,因为它有严谨的实验来支撑,不仅仅是一个假设。一开始物理学界并不太承认狭义相对论,但随着越来越多的证据不断涌出,外界也不得不承认。

为何说“速度越快时间就越慢”?

狭义相对论给了我们一个全新的世界观,宇宙观,彻底颠覆了传统的绝对时空观。之后爱因斯坦把“洛伦兹变换”加入到狭义相对论方程里,光速极限,时间膨胀,尺缩效应,质增效应等应用而生。

速度(光速),首次和时间有了密不可分的联系。为何会这样?其实答案很简单。在牛顿的绝对时空观里,时间和空间都是绝对的,光速(速度)会随着参照系的改变而变化。但在爱因斯坦的相对时空观里,光速是绝对的,这意味着时间和空间必须随着参照系有所改变,只有这样才能保证光速不变。光速与其他速度叠加之后不会发生改变,合成公式为:

为何说“速度越快时间就越慢”?

通俗来讲,光速会根据你的运动状态发生改变,你快光速就快,你慢下来光速也就“慢下来”,光速会根据你的运动状态而相应地发生改变。

更严谨来讲,光速不仅仅是速度,光速并不是指光的速度,更应该是四维时空的一种内在秉性,任何静质量为零的物质传播速度都是光速,信息的传播速度也是光速,比如说引力波和胶子的传播速度都是光速。

为何说“速度越快时间就越慢”?

上面说了,为了保证光速不变,时间和空间必须相应改变,于是就出现了时间膨胀和尺缩效应,公式如下:

为何说“速度越快时间就越慢”?

公式中可以看出,速度越快,时间就越慢,当无限接近光速时,时间就趋于停止。公式的推导过程并不复杂,一切都基于光速不变原理,之前发表的文章有说明,这里不再详述,有兴趣的朋友可以简单试试。

狭义相对论的核心之一是“光速不变原理”,但有一点不容忽视,那就是参照系的选择。不少人之所以不愿意相信相对论,就是因为在参照系不断转换的情况下迷失了方向,弄错了方向。

最后的强调:

光速不变原理是假设

光速不变原理是假设

光速不变原理是假设

为何说“速度越快时间就越慢”?

重要的事情说三遍!什么,假设的东西我们凭什么相信?

我们真的可以有权利不相信,然后提出自己的假设,但正如“以太”这个假设的概念一样,如果你提出的假设能比光速不变原理更适用,更能解决经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾,更符合实验观测,更能经得住考验,你肯定比爱因斯坦更牛!人们也肯定更相信你的假设。

但问题是你不能,我不能,截至目前大家都不能。

而且,假设的前提越多,就越容易出错。任何一个假设就像一颗定时炸弹一样引爆出更多的矛盾。这就像是谎言,为了圆一个谎言,之后需要不断编造更多的谎言。所以假设越少,出错的几率就越低。而爱因斯坦仅仅用两个假设(另外一个是相对性原理)就提出了伟大的狭义相对论!

为何说“速度越快时间就越慢”?

所以,我们不妨心平气和地接受狭义相对论,何况一百多年来越来越多的事实已经证明了狭义相对论,手机导航系统就是最好的说明。

非要拒绝相信相对论来表明你的“与众不同”?

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