為什麼接近光速時時間會改變？ 物理學家解釋

想像一下，您正開車穿越整個國家，欣賞風景。 遠處的一棵樹離你的車越來越近，從你身邊經過，然後又離開你身後的遠處。

當然，你知道那棵樹實際上並沒有站起來走向或遠離你。 車裡的你正朝那棵樹走去。 這棵樹只是在與你比較或相對的情況下移動——這就是我們物理學家稱呼相對論。 如果你有一個朋友站在樹旁，他們會看到你向他們移動的速度與你看到他們向你移動的速度相同。

在他 1632 年出版的書中“關於兩個主要世界體系的對話”，天文學家伽利略·伽利萊首先描述了相對性原理– 即使兩個人因為一個人相對於另一個人而移動而經歷不同的事件，宇宙也應該始終以相同的方式運作。

如果您在車內並將球拋向空中，則作用在其上的物理定律（例如重力）應該與作用在路邊觀察者身上的物理定律相同。 然而，當您看到球上下移動時，路邊的人會看到球朝向或遠離他們以及上下移動。

狹義相對論和光速

阿爾伯特·愛因斯坦 (Albert Einstein) 後來提出了現在被稱為“狹義相對論解釋一些當時沒有直觀解釋的令人困惑的觀察。 愛因斯坦利用1800 年代末許多物理學家和天文學家的工作，在1905 年整合了他的理論，從兩個關鍵要素開始：相對論原理和奇怪的觀察，光速對於每個觀察者來說都是相同的，並且沒有任何東西可以移動快點。 每個測量光速的人都會得到相同的結果，無論他們在哪裡或移動的速度有多快。

假設您以每小時 60 英里的速度行駛，而您的朋友則站在樹旁。 當他們以他們認為的每小時60 英里的速度向您扔一個球時，您可能會邏輯地認為您會觀察到您的朋友和樹以每小時60 英里的速度向您移動，而球以每小時120 英里的速度向您移動英里每小時。 雖然這非常接近正確值，但實際上略有錯誤。

隨著你們中的一個或兩個人接近光速，你們透過添加兩個數字所期望的結果與真實答案之間的這種差異會越來越大。 如果您乘坐以 75% 光速移動的火箭，而您的朋友以相同的速度扔球，您將看不到球以 150% 光速朝您移動。 這是因為沒有任何東西可以比光速移動——球看起來仍然以低於光速的速度向你移動。 雖然這一切看起來很奇怪，但有大量實驗證據支持這些觀察結果。

時間膨脹與孿生悖論

速度並不是與觀察者相關的唯一變化因素。 相對論的另一個結果是概念時間膨脹，人們根據彼此相對移動的速度來測量不同的時間流逝量。

每個人通常都會經歷與自己相關的時間。 但移動較快的人比移動較慢的人經歷的時間少。 只有當他們重新連接並比較手錶時，他們才意識到一隻手錶顯示的時間較少，而另一隻手錶顯示的時間較多。

這導致了相對論最奇怪的結果之一——雙生悖論，其中說，如果一對雙胞胎中的一個乘坐高速火箭進入太空，他們返回地球時會發現他們的雙胞胎比他們老得更快。 重要的是要注意，即使他們的測量結果不一致，時間也會按照每個雙胞胎所感知的「正常」表現（正如您現在所經歷的時間一樣）。

你可能想知道：如果雙胞胎中的每一個都認為自己是靜止的，而另一個則向他們靠近，那麼他們是否會認為對方衰老得更快？ 答案是否定的，因為他們不可能都比雙胞胎中的另一個年紀大。

太空船上的雙胞胎不僅以參考系保持不變的特定速度移動，而且與地球上的雙胞胎相比還在加速。 與相對於觀察者的速度不同，加速度是絕對的。 如果您站在秤上，您測量的重量實際上是重力加速度。 無論地球穿過太陽系的速度如何，或者太陽系穿過銀河系的速度或銀河系穿過宇宙的速度如何，該測量值都保持不變。

當一個人接近光速時，雙胞胎都沒有對他們的手錶感到任何奇怪——他們都像你我一樣正常地體驗時間。 只有當他們見面並比較他們的觀察結果時，他們才會看到差異——這是由相對論數學完美定義的。

林明傑，物理和天文學助理教授，羅徹斯特理工學院

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