「相對論入門篇」時間都去哪了——時間膨脹效應與雙生子佯謬

古人云,天上一天,地上一年。為什麼會這麼說呢?古人自有古人的道理。但是從科學的角度,這件事情有沒有可能呢?其實根據狹義相對論,還真能解釋一下。

今天我們就來討論一下,時間到底去哪了?

「相對論入門篇」時間都去哪了——時間膨脹效應與雙生子佯謬

一、洛倫茲變換——狹義相對論的基本

故事得從邁克爾遜-莫雷實驗開始說起。我們都知道,邁克爾遜-莫雷實驗並沒有發現以太的存在,相反卻得到了一些與以太存在相矛盾的結果。但是這個時候的科學界對以太的存在還是堅信不移的,所以為了解釋邁克爾遜-莫雷實驗與以太的矛盾,偉大的洛倫茲就站出來了。

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沒錯,就是提出了洛倫茲力的洛倫茲。

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洛倫茲還有一項偉大成就,就是提出了著名的洛倫茲變換。

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根據洛倫茲變換我們不難發現,一個高速運動物體的長度會在速度方向上收縮,這個叫作尺縮效應。而時間也會發生膨脹,需要注意的是洛倫茲變換當中的t指的是時刻,而並不是指時間段。

洛倫茲矛盾了很久,提出了狹義相對論的基礎,然而愛因斯坦卻提出了完整的相對論。因為洛倫茲始終相信以太的存在的,也從未質疑過牛頓的絕對時空觀。雖然洛倫茲變換表現出了速度對時間的影響,但洛倫茲卻認為這僅僅就是個數學關係而已,並沒有想過其物理意義。

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那為什麼時間會膨脹呢?

二、光子鍾實驗

假設一個光子在平面鏡之間來回反射,這樣就形成了一個光子鍾。為什麼叫光子鍾呢?我們上篇文章提到過光速不變原理,那麼光子在鏡面間反射的時間就不受到除鏡子距離外的任何影響。

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假設一艘船就是光子,而兩邊的河岸就是鏡子。當船在河岸的兩邊來回移動時,船上的人看自己就是在上下移動。而如果加上水流的速度,在岸邊的人看小船的移動,就是一條折線。根據光速不變原理,對於船上的人來說L=ct1,而對於岸邊的人來說L=ct2。也就是說,岸邊的人經歷的時間要比小船上的人經歷的時間長一些。

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那事實是否真的如此呢?在1966年的一次衰變觀測實驗當中,也觀測到了告訴運動的粒子的半衰期,確實比低速運動的要長一些。

當然,正如現在也有很多人不認同相對論一樣,在狹義相對論剛提出的幾年,時間膨脹效應也是遭到了很多人的質疑,這其中就包括了法國物理學家P·朗之萬。

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三、雙生子詳謬

在1911年4月的波隆哲學大會上,朗之萬提出了一個假想實驗來質疑狹義相對論的正確性。

假設有一對雙胞胎A和B,A留在了地球上,B坐上了高速宇宙飛船去太空漫遊了,那麼誰衰老的更快呢?相信很多小夥伴都會認為是地球上的A,因為速度越快,時間流逝越慢,衰老的就越慢。但是我們剛才說的高速運動,是相對地球來說的,也就是我們無意中就把A所在的地球當作了參考系,如果我們把宇宙飛船當成了參考系呢?在B的眼中,A才是運動比較快的。

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這麼來看A才是先衰老的,那到底是A還是B先衰老呢?這個就是著名的雙生子詳謬。

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但其實,雙生子詳謬是對狹義相對論的一個典型的誤解。這就是狹義相對論的第一個關鍵點——-時間的同時性。

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本文為作者原創。