为什么接近光速时时间会发生变化？物理学家解释

想象一下，您正开着车穿越整个国家，欣赏风景。远处的一棵树离你的车越来越近，从你身边经过，然后又离开你身后的远处。

当然，你知道那棵树实际上并没有站起来走向或远离你。车里的你正朝那棵树走去。这棵树只是在与你比较或相对的情况下移动——这就是我们物理学家称呼相对论。如果你有一个朋友站在树旁，他们会看到你向他们移动的速度与你看到他们向你移动的速度相同。

在他 1632 年出版的书中“关于两个主要世界体系的对话”，天文学家伽利略·伽利莱首先描述了相对性原理– 即使两个人因为一个人相对于另一个人而移动而经历不同的事件，宇宙也应该始终以相同的方式运行。

如果您在车里并将球抛向空中，则作用在其上的物理定律（例如重力）应该与作用在路边观察者身上的物理定律相同。然而，当您看到球上下移动时，路边的人会看到球朝向或远离他们以及上下移动。

狭义相对论和光速

阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 后来提出了现在被称为“狭义相对论解释一些当时没有直观解释的令人困惑的观察结果。爱因斯坦利用 1800 年代末许多物理学家和天文学家的工作，在 1905 年整合了他的理论，从两个关键要素开始：相对论原理和奇怪的观察，即光速对于每个观察者来说都是相同的，并且没有任何东西可以移动快点。每个测量光速的人都会得到相同的结果，无论他们在哪里或移动的速度有多快。

假设您正以每小时 60 英里的速度行驶，而您的朋友则站在树旁。当他们以他们认为的每小时 60 英里的速度向您扔一个球时，您可能会逻辑地认为您会观察到您的朋友和树以每小时 60 英里的速度向您移动，而球以每小时 120 英里的速度向您移动英里每小时。虽然这非常接近正确值，但实际上略有错误。

随着你们中的一个或两个人接近光速，您通过添加两个数字所期望的结果与真实答案之间的这种差异会越来越大。如果您乘坐以 75% 光速移动的火箭，而您的朋友以相同速度扔球，您将不会看到球以 150% 光速朝您移动。这是因为没有任何东西可以比光速移动——球看起来仍然以低于光速的速度向你移动。虽然这一切看起来很奇怪，但有大量实验证据支持这些观察结果。

时间膨胀和孪生悖论

速度并不是与观察者相关的唯一变化因素。相对论的另一个结果是概念时间膨胀，人们根据彼此相对移动的速度测量不同的时间流逝量。

每个人通常都会经历与自己相关的时间。但移动较快的人比移动较慢的人经历的时间要少。只有当他们重新连接并比较手表时，他们才意识到一只手表显示的时间较少，而另一只手表显示的时间较多。

这导致了相对论最奇怪的结果之一——双生悖论，其中说，如果一对双胞胎中的一个乘坐高速火箭进入太空，他们返回地球时会发现他们的双胞胎比他们衰老得更快。重要的是要注意，即使他们的测量结果不一致，时间也会按照每个双胞胎的感知表现得“正常”（正如您现在所经历的时间一样）。

你可能想知道：如果双胞胎中的每一个都认为自己是静止的，而另一个则向他们靠近，那么他们是否会认为对方衰老得更快？答案是否定的，因为他们不可能都比双胞胎中的另一个年纪大。

宇宙飞船上的双胞胎不仅以参考系保持不变的特定速度移动，而且与地球上的双胞胎相比还在加速。与相对于观察者的速度不同，加速度是绝对的。如果您站在秤上，您测量的重量实际上是重力加速度。无论地球穿过太阳系的速度如何，或者太阳系穿过银河系的速度或银河系穿过宇宙的速度如何，该测量值都保持不变。

当一个人接近光速时，双胞胎都没有对他们的手表感到任何奇怪——他们都像你我一样正常地体验时间。只有当他们见面并比较他们的观察结果时，他们才会看到差异——这是由相对论数学完美定义的。

林明杰，物理学和天文学助理教授，罗切斯特理工学院

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