生活中我們經常聽到這樣一句話:靜止是相對的,運動是絕對的。其實這句話并不嚴謹,從物理學上來講,靜止和運動都不是絕對的,兩者都是相對的。
那么什么才是相對的呢?“相對性”是絕對的(還有光速,后面會講)。
狹義相對論里強調的“時間膨脹效應”(鐘慢效應)指的就是相對性。時間到底會不會膨脹,與速度無關,與相對速度(相對性)有關。相對速度越大,時間膨脹效應就會越明顯。
就像題目中所說的那樣,即便你乘坐無限接近光速的飛船飛行,但飛船里的鐘表相對你來講是靜止的,你與鐘表之間并不會出現(xiàn)時間膨脹效應,因為你們之間的相對速度為零。
一個生活中經常遇到的現(xiàn)象告訴了我們?yōu)楹芜\動也是相對的。我們通常說“某個物體的速度是多少”,其實基本上都是默認地面為參照系,這說明速度是相對的。在沒有選擇參照系之前,所謂的“速度”是沒有意義的。
一個物體的速度到底是多少,取決于你選擇的參照系。
這里需要明白一點,光速是任何物體的速度極限速度,愛因斯坦的狹義相對論也說明了這點。
所以,不要妄想任何有(靜)質量的物體能夠達到或者超越光速。因為假設物體的速度達到甚至超越光速了,意味著觀察的效應馬上就變了,你將看不到身后的任何事物,而且不管多么遙遠的距離,你都會瞬間到達。相對于外部世界,你就是永恒的,因為你的時間是靜止的。
所以,即便你乘坐無限接近光速的飛船飛行,也并不意味著你的時間就靜止了。相對于飛船內部而言,你并不會有任何異樣的感覺,與在地球上的感受沒有什么兩樣。但在地球上的人看來,你的時間確實靜止了,你將成為永恒的存在。
那么,為什么會出現(xiàn)時間膨脹效應呢?速度為什么會影響時間流逝的快慢呢?
一切都是因為那“霸道”的光速:光速的絕對性(光速不變原理),這個原理也是狹義相對論的基本假設之一(另一個相對性原理)。
上文所說的“在沒有參照系的情況下,談論速度其實是沒有意義的”,這句話其實也并不嚴謹,因為有一個例外:光速!
光速就不需要任何參照系,或者說在任何參照系下光速都是恒定不變的(真空中的光速),光速只與真空的介電常數(shù)和磁導率有關,與參照系無關。麥克斯韋方程組推導出來的光速的計算公式中也充分體現(xiàn)了這點:
何為“光速恒定”?
舉個例子,假設你駕駛一輛汽車以99%光速行駛,我靜止在地面上,在我眼里,車燈發(fā)出的光線速度并不是汽車速度+光速(199%光速),而仍舊是光速!在你眼里,車燈發(fā)出的光的速度也是光速。這就是光速的絕對性和不變性,光速并不能直接用速度疊加計算。
實際上,嚴格來講,任何相對速度都不能用V=V1+V2這樣簡單的速度疊加計算(伽利略變換),而應該用更嚴謹?shù)穆鍌惼澴儞Q變換。只是我們生活在低速世界,速度直接疊加(伽利略變化)誤差非常小,基本上可以忽略不計。
就是因為光速那霸道的不變性才會出現(xiàn)時間膨脹效應。還拿上述的99%光速行駛的小汽車舉例子。99%光速飛行的你與靜止的我看到的車燈光的速度都是一樣的,這意味著一定有某種東西不一樣,不然不同運動狀態(tài)下的你和我看到的車燈光的速度不可能是一樣的。
這種東西就是時間(還有空間,時間和空間是一體的)!時間和空間必須改變來迎合光速的絕對不變性!
當然,用數(shù)學公式也不難推導出時間膨脹效應,主要是根據光速不變原理推導出來的。這里就不再詳述數(shù)學公式的推導過程了,有興趣的小伙伴可以試試。