时间,是一个比较抽象的概念,虽然我们每时每刻都能感受到时间的流逝,但时间看不见摸不着,让人总有点虚无缥缈的感觉。

爱因斯坦的狭义相对论给了我们一个完全不同的时空观,认为时间和空间都是相对的,会随着速度的变化而发生改变。简单来讲,就是速度越快,时间就会越慢,这就是所谓的“钟慢效应”(时间膨胀效应)。

爱因斯坦广义相对论推导全过程(通俗分析爱因斯坦的狭义相对论)(1)

在很多人眼里,相对论不太容易理解,这里就用一种通俗的方式来诠释狭义相对论。

首先,我们需要明白一个很重要原理,也是狭义相对论的重要公设之一:光速不变原理。

我们都知道,在真空状态下光速恒定为30公里每秒,但“光速不变”想表达的并不是这样的恒定,而是在任何运动状态下,任何参照系下都保持光速不变。说白了,光速是绝对的,相对于任何事物,都保持不变。

举个例子,你乘坐一艘90%光速的飞船飞行,我静止在地球上。飞船打开灯,在我眼里,飞船上灯发出的光的速度并不是光速 飞船的速度(也就是190%光速),而仍旧是光速。

就是说,平时我们所用的速度叠加概念,在光速这里就不适用了,或者说光速与其他任何速度叠加之后仍旧是光速,光速是绝对的,不需要参照系!

在我们的传统思维里,任何速度都是相对的,都需要有参照系才意义。但光速不需要参照系,它是绝对的。

明白了这点,下面进入正题,来个思想实验。

爱因斯坦广义相对论推导全过程(通俗分析爱因斯坦的狭义相对论)(2)

一个简单的光子钟,很简单的光子钟:两面镜子平行放置,相距15厘米,一个光子在镜子之间上下运动。

当光子钟相对你静止时,光子的运动轨迹很简单,就是上下垂直运动。运动一个回合的时间也很好计算,距离(15厘米)除以光速就可以了,这个时间非常短。

接下来把光子钟放在高速飞行的飞船上,情况就大不一样了。你看到的光子不再做上下垂直运动,光子的运动轨迹变成了斜线,如下图:

爱因斯坦广义相对论推导全过程(通俗分析爱因斯坦的狭义相对论)(3)

不过对于飞船上的人来讲(方便起见,起名为甲),光子仍是上下垂直运动。也就是说,在你眼里,光子的运动距离变长了。

由于刚开始所说的光速不变原理,在你眼里,光子运动一个回合的时间就变长了,也就是说,飞船上的时间变慢了,一切看起来都像是慢动作。

爱因斯坦广义相对论推导全过程(通俗分析爱因斯坦的狭义相对论)(4)

想象一下,如果光子没有“光速不变原理”这个特性,意味着光子也有相对速度,那么在你眼里,光子的速度也会和飞船速度叠加,你看到的光子运动轨迹就不会是斜线,而仍旧会是上下垂直运动。

问题来了,在你眼里,光子运动一个回合的时间到底是多少呢?

计算非常简单,利用勾股定理就可以计算出来了,如下图:

爱因斯坦广义相对论推导全过程(通俗分析爱因斯坦的狭义相对论)(5)

根据勾股定理,(ct’)2 (vt)2=(ct)2,去括号,移项合并之后,很容易得出最终的时间膨胀同时:

同时公式,可以看出,速度越快,时间就会越慢。假设速度达到光速,时间就停止了。超光速呢?速度会倒流。但相对论里,任何事物的速度都不会超过光速,只能无限接近光速。

这就是相对论里时间膨胀原理的通俗理解。在你眼里,飞船上的人(甲)的一切动作都是慢动作,我们普通人打个喷嚏一秒钟就完事,但甲就可能需要几分钟时间(甚至更长,取决于飞船的速度)才能完成打喷嚏的动作!

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