生活中我們經(jīng)常聽到這樣一句話:靜止是相對(duì)的,運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。其實(shí)這句話并不嚴(yán)謹(jǐn),從物理學(xué)上來講,靜止和運(yùn)動(dòng)都不是絕對(duì)的,兩者都是相對(duì)的。
那么什么才是相對(duì)的呢?“相對(duì)性”是絕對(duì)的(還有光速,后面會(huì)講)。
狹義相對(duì)論里強(qiáng)調(diào)的“時(shí)間膨脹效應(yīng)”(鐘慢效應(yīng))指的就是相對(duì)性。時(shí)間到底會(huì)不會(huì)膨脹,與速度無關(guān),與相對(duì)速度(相對(duì)性)有關(guān)。相對(duì)速度越大,時(shí)間膨脹效應(yīng)就會(huì)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(duì)你來講是靜止的,你與鐘表之間并不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間膨脹效應(yīng),因?yàn)槟銈冎g的相對(duì)速度為零。
一個(gè)生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象告訴了我們?yōu)楹芜\(yùn)動(dòng)也是相對(duì)的。我們通常說“某個(gè)物體的速度是多少”,其實(shí)基本上都是默認(rèn)地面為參照系,這說明速度是相對(duì)的。在沒有選擇參照系之前,所謂的“速度”是沒有意義的。
一個(gè)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(diǎn),光速是任何物體的速度極限速度,愛因斯坦的狹義相對(duì)論也說明了這點(diǎn)。
所以,不要妄想任何有(靜)質(zhì)量的物體能夠達(dá)到或者超越光速。因?yàn)榧僭O(shè)物體的速度達(dá)到甚至超越光速了,意味著觀察的效應(yīng)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(yuǎn)的距離,你都會(huì)瞬間到達(dá)。相對(duì)于外部世界,你就是永恒的,因?yàn)槟愕臅r(shí)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(shí)間就靜止了。相對(duì)于飛船內(nèi)部而言,你并不會(huì)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(shí)間確實(shí)靜止了,你將成為永恒的存在。
那么,為什么會(huì)出現(xiàn)時(shí)間膨脹效應(yīng)呢?速度為什么會(huì)影響時(shí)間流逝的快慢呢?
一切都是因?yàn)槟恰鞍缘馈钡墓馑伲汗馑俚慕^對(duì)性(光速不變?cè)恚?,這個(gè)原理也是狹義相對(duì)論的基本假設(shè)之一(另一個(gè)相對(duì)性原理)。
上文所說的“在沒有參照系的情況下,談?wù)撍俣绕鋵?shí)是沒有意義的”,這句話其實(shí)也并不嚴(yán)謹(jǐn),因?yàn)橛幸粋€(gè)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(dǎo)率有關(guān),與參照系無關(guān)。麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來的光速的計(jì)算公式中也充分體現(xiàn)了這點(diǎn):
何為“光速恒定”?
舉個(gè)例子,假設(shè)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(duì)性和不變性,光速并不能直接用速度疊加計(jì)算。
實(shí)際上,嚴(yán)格來講,任何相對(duì)速度都不能用V=V1+V2這樣簡(jiǎn)單的速度疊加計(jì)算(伽利略變換),而應(yīng)該用更嚴(yán)謹(jǐn)?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(jì)。
就是因?yàn)楣馑倌前缘赖牟蛔冃圆艜?huì)出現(xiàn)時(shí)間膨脹效應(yīng)。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(yùn)動(dòng)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(shí)間(還有空間,時(shí)間和空間是一體的)!時(shí)間和空間必須改變來迎合光速的絕對(duì)不變性!
當(dāng)然,用數(shù)學(xué)公式也不難推導(dǎo)出時(shí)間膨脹效應(yīng),主要是根據(jù)光速不變?cè)硗茖?dǎo)出來的。這里就不再詳述數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)過程了,有興趣的小伙伴可以試試。