如今我们知道,爱因斯坦的相对论是在相对时空观基础上建立起来的,而牛顿经典力学体系的基础是绝对时空观

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两种不同的时空观,到底有什么区别呢?

举个例子就明白了。所谓的绝对时空观,认为时间和空间都是绝对的,一成不变的,任何人在任何情况下对于时间的感受都是一样的。简单讲就是“你感受到的一秒与我感受到的一秒没有任何区别”。

但是爱因斯坦相对论的背景,相对时空观就不这么认为了。爱因斯坦认为,时间和空间是一体的,两者都是相对的,在不同的运动状态下,感受到的时间流逝速度是不一样的。速度越快,时间就越慢,这就是时间膨胀效应。

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牛顿的绝对时空观统治了几百年时间,直到20世纪初,在爱因斯坦提出相对论之后,相对时空观才逐渐被人们接受。

绝对时空观思想之所以能统治这么长时间,主要还是因为绝对时空观完全符合人们的日常生活经验,毕竟我们都生活在地球这个狭小的空间里,时间对于任何人来讲都是一样的,一天就是一天,你的一天不可能比我的一天更长。

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人们当然愿意相信更符合日常生活经验的时空观,所以在爱因斯坦提出相对论之前,人们一直坚信时间和空间是绝对不变的,直到麦克斯韦提出了伟大的麦克斯韦方程组,才让人们对时空本质的认知掀起了一丝波澜,从而一发不可收拾,直到相对论的创建。

麦克斯韦统一了电磁学,更是创建了伟大的麦克斯韦方程组,堪称人类历史上最美的方程组。这个方程组可以推导出光速的计算公式,这本来没有什么大惊小怪的。

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但是奇怪的是,光速计算公式中,并没有任何参照系,也就是说光速是一个常数,与参照系的选择无关,是绝对不变的。

在大大出乎了物理学家们的意料。因为按照牛顿经典力学体系下的绝对时空观,任何速度都是相对论的, 都需要有参照系才有意义,而且任何速度都是可以叠加的,可以利用伽利略变换计算叠加后的速度。

但是光速似乎是一个例外,它是绝对的,不需要参照系。或者说在任何参照系下,光速都保持不变。

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这显然大大违背了人们的传统认知。举个例子,我静止在地面上不同,你在一列火车上朝着火车行驶的方向奔跑,在我眼里你的速度就等于火车速度加上你奔跑的速度。

现在把你换成一束光,在我眼里那束光的速度是多少呢?是不是火车速度加上光的速度呢?

按照伽利略变换来计算速度叠加,确实是。但事实上并非如此,无论那列火车的速度有多快,在我眼里那束光的速度都保持不变,都是光速。

当时很多物理学家都无法接受光速的这种“霸道”行为,想尽各种办法试图调和麦克斯韦方程组与牛顿经典力学之间的矛盾,试图让光速的行为在绝对时空观下同样适用,但结果都不是很满意。

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而爱因斯坦独辟蹊径,大胆提出了“光速不变原理”,用全新的相对时空观代替了牛顿的绝对时空观,在此基础上狭义相对论很快问世。

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在相对时空观体系下,既然光速无论在什么情况下都保持不变,那就意味着时间和空间必须做出相应改变,只有这样,才能保证光速的绝对性。

而时间和空间的改变也就是我们常说的“时间膨胀效应”和“尺缩效应”,两者是同时出现的,也是等价的,因为时间和空间是有机的整体。时间和空间两者能通过完美的“协作”,唯一的目的就是保证光速的绝对性。

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时间膨胀,就是刚才所说的“速度越快,时间就越慢”,不过这只是表面,它还有更深刻的含义,具体需要通过“双生子佯谬”才能体现出来。

一对双胞胎兄弟,弟弟待在地球上,哥哥乘坐飞船以亚光速离开地球。在弟弟眼里,哥哥以亚光速远离,所以哥哥的时间更慢。

但是由于速度是相对的,在哥哥眼里,弟弟也以同样的速度远离,所以弟弟的时间更慢。

哥哥和弟弟到底谁对谁错呢?到底谁的时间更慢呢?如果哥哥返回地球,哥哥和弟弟到底谁更年轻呢?

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其实哥哥和弟弟都没有错,在他们眼里,对方的时间确实都变慢了,不过这并不矛盾。因为两人身处不同的参照系,他们只是根据自己所在的参照系做出的判断,所以哥哥和弟弟的对比就失去了意义,不同的参照系下当然会有不同的结果,只有在同一个参照系下对比时间才有意义。

如何让两人重新回到同一参照系呢?哥哥直接返回地球就可以了。

而哥哥要返回地球,一定会经过减速和加速过程,这个过程一定会产生惯性力。根据广义相对论的等效原理,惯性力等效于引力,也就相当于哥哥在返回的过程中经历了强大的引力场,而引力会让时间变慢。

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哥哥就相当于在黑洞附近逗留了一段时间,然后返回地球,当然哥哥的时间会变慢了。所以哥哥返回地球后会发现自己更年轻,而弟弟已经变老了。

当然,用狭义相对论同样能分析出一样的结果,只不过过程会很麻烦,这里就不再详述了。

如果哥哥永远不返回地球,两人之间的时间对比其实是没有意义的。这就相当于我在地球上,你一直呆在黑洞附近永远不返回地球,你的时间快慢与我就没有任何关系。黑洞强大的引力的确会让你的时间变慢,但只有在你返回地球后,才能体现出来。

如果永远不返回地球,你并不会感受到时间变慢,你的感受与在地球上并不会有任何不同!