许多人好奇于时间与速度之间的微妙关系,不禁要问:“为何速度愈快,时间愈缓?”这种速度与时间间的联系究竟缘何而生?

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类似的疑问,在之前的科普篇章中已多次探讨。今日,我们不妨用更接地气的方式再次讨论一番。

简言之,爱因斯坦的狭义相对论揭露了速度与时间的密切联系。然而,在该理论框架内,我们绝无可能以光速移动,最多只能无限接近光速。

狭义相对论指出,速度愈高,时间愈缓。若真能以近光速移动,时间几乎停滞,难道这就意味着我们将永葆青春吗?

非也,我们照常衰老。何以故?

所谓“速度愈快,时间愈缓”,仅是相对而言。也就是说,“与他人比较,你的时间显得慢了”。然而从自身出发,你根本无从察觉时间放慢,不管速度多快,你所感受到的与地球静止无异。

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我们常听闻:“无对比,无伤害。”故无论处于何种运动状态,只要不比较,你感受到的衰老速度依旧如常。比如,你本应寿终正寝于八十岁,新陈代谢依旧按部就班,无任何变化。

唯有比较时,“伤害”才会显现,你方能意识到自己的时间似乎慢了,因为你会看到他人或他物的时间在加速流逝,就如同按下电影快进键一般。

为何会这般?速度怎能左右时间的流转速度?

这一切,均源自爱因斯坦的狭义相对论,而其根基则在于两大基本原理:光速不变原理与狭义相对性原理。

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先谈谈光速不变原理。

该原理已反复提及多次。光速不变并非指“光速在真空中每秒三十万公里”,而是指“真空中的光速与参照系选择、光源移动方式无关”。

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根据麦克斯韦的电磁理论,真空中的光速实质是电磁场的交替转换速度。振荡的磁场产生振荡电场,反之亦然,形成电磁波。这意味着,电磁波的速度仅与真空性质有关,与波源无关,与参照系亦无关,颇似水波的性质。

例如,静止的你开启手电筒,光束速度为光速c。随后,你以0.8倍光速奔跑,在你看来,光束速度依旧是光速c。

为何光速具有此种特性?

答案为:未知。我们只是观察并实验验证了光速特性,而未知其背后原因。简言之,光速不变仅是爱因斯坦的假设,亦即公理。

接着是狭义相对性原理。

与光速不变原理不同,狭义相对性原理与我们的日常经验极为吻合,它表明所有惯性系等价,物理定律在所有惯性系中表现形式相同。举例便能领悟。

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静止与匀速直线移动的参照系,称为惯性系。若你身处匀速直线行驶的火车上,你的感受与静止在地面无异,任何物理实验和定律同样不变,仅凭自身感觉,你无法辨别自己是静止在地面还是在匀速直线行驶的火车上。

爱因斯坦认为所有惯性系等价,不存在绝对参照系,因此否定了以太的存在。

也就是说,狭义相对论实际上建立在以上两大公设之上,这意味着狭义相对论中的所有公式都与两大公设有关。同时,这也意味着只要两大公设无误,狭义相对论便不可能有错。

然而,如前所述,上述两大基本原理,也可视作公设或公理。公理无关对错,只需符合日常经验或实验支持即可。

为何我始终强调我们的速度无法达至光速?本质还是因为光速不变。据此可推导出狭义相对论中的质增效应公式,速度越快,物体质量越大,当速度接近光速,质量趋于无穷大,要继续加速需无穷多能量,显然不现实。

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此时,用牛顿第二运动定律F=ma来理解已不适宜,因为公式中的质量是固定的,故持续施加力即可产生加速度。然而,质量随速度增加而增大,这意味着必须施加巨大力才能持续加速,现实中我们无法做到。

速度越快时间越慢,亦是狭义相对论下的时间膨胀效应或钟慢效应。那么,时间到底能膨胀多少?

依据光速不变原理,可推导出时间膨胀公式,过程并不复杂,甚至初中数学水平即可完成,前文已推导过,此处不再赘述。

时间膨胀,并不是“自己的时间膨胀了”,前文已述,是“相对他人而言,自己的时间相对膨胀了”。

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事实上,人人都有自己的本征时间,即“自己口袋中钟表显示的时间”。人人只需对自己的本征时间负责,他人的本征时间与己无关,除非处于同一参照系,那样你们才有相同本征时间,否则不同参照系下的本征时间比较毫无意义。

最著名的例子莫过于“双生子佯谬”,许多人早有耳闻,前文亦多次提及,此处再强调几点。

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假设弟弟留在地球,哥哥乘坐飞船以亚光速离去,经一段时间后哥哥返回,谁更年轻?

答案是,哥哥更年轻。因他以亚光速移动,时间相对弟弟会放缓。

但问题在于,速度相对,弟弟眼中哥哥移动,哥哥眼中弟弟同样移动。

也就是说,弟弟见哥哥时间放缓,哥哥亦见弟弟时间放缓。难道这不是矛盾?

当然不是。回顾我刚才所述“本征时间”:人人只需对自己本征时间负责。弟弟和哥哥眼中对方时间确放缓了,但并无矛盾,为何?

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因为无论弟弟还是哥哥,都在自己参照系内衡量对方时间,比较本就无意义,他们看到对方时间流速变化亦不会影响各自,但哥哥和弟弟感受到的本征时间流逝速度必然相同。

例如,弟弟打喷嚏需3秒,哥哥同样需3秒。只是弟弟和哥哥见对方打喷嚏时间可能不是3秒,可能是3分钟甚至更长,具体取决于相对速度。

还有,比如5000光年外黑洞旁的外星人,因黑洞引力时间流速放缓,这对人类有意义吗?

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对人类而言,外星人时间确放缓了,但这对人类无实际意义,外星人本身不可能感受到时间放缓。假设外星人新陈代谢与人类相似,也会觉得约80岁死亡,与人类无异。

然而外星人经历的80年中,地球时间可能已过数千年,这对外星人而言也无意义,他们不可能亲身体验数千年的人类变迁,对他们来说,地球数千年如同“快进的电影”。

换言之,人类和外星人均有自己的本征时间。除非某日外星人亲临地球,才能真切感受到自己时间放缓。正如科幻电影《星际穿越》男主人公,在黑洞旁短暂停留,地球已过数十年,男主人公女儿已成老妇,而他依旧年轻。

总结而言,所谓“速度越快,时间越慢”或者说“光速飞行,时间停止”,仅是相对而言。简言之,若仅自己无参照,无论如何你都感受不到时间膨胀效应,你该活多少岁便活多少岁,通常不足百年寿命,幻想“光速飞行,便可永葆青春”实为不现实,无论如何移动,新陈代谢永不停歇。

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假设新陈代谢真停了,别说“永不老去”,你将因此丧命,无新陈代谢,如何生存?即使能继续生存,你亦不再是你,至少不再是生命,而如石头般存在!