首先速度都是相对的,一辆骑车行驶在路上,速度是60km/h,指的是车相对地面的速度,或者说车相对一个地球上静止的物体而言,因为整个地球都是在运动的,这个60km/h不可能是说车相对太阳的。
要谈速度越快,时间越慢,就要先说明光速的问题。目前人类已知光速是恒定大约30万公里每秒,这里的恒定指的是光速在真空状态下速度不随参照系而改变,这一点确实很恐怖,与低速物理学相悖论。举个例子说一下,普通一个人在火车上跑步,以2m/s,火车是20m/s,那这个人相对地面这个参考系速度就是20+2=22m/s,但是光却不是如此,一辆骑车照出来的光,其速度仍是原来的光速,而不是加上汽车的速度,这一点已经经过了实验验证了,虽然我也半信半疑,太诡异了~
一、第一个思想实验。
飞船光束同时绕地球的思想实验谈一下为什么速度越快时间越慢。上图中大的圆圈表示地球,箭头是一个理想飞船,小星星是光束(可以理解成一个光子)。
假设光速是10m/s,飞船以9m/s接近光速行驶(当然现实以这种速度行驶时间不会变慢太多,只是为了方便计算),整个地球周长是100m。
球上有一个观测者对飞船以及光束进行观测:当光束绕地球一圈时(当然假设光子会拐弯,这其实不重要),飞船落下光束10m;当光束绕地球10圈时,此时过了100秒,飞船走了900m,也就是飞船绕地球9圈,此时光束首次落下飞船整整一圈,也就是光束与飞船的第二次重合(第一次是初始时)。
飞船上有一个观测者对这同一个光束进行观测:因为光束的速度不随参照系而改变,不管在地球上观察,还是在飞船长观察,它的相对速度都是10m/s,因此,这束光相对飞船的速度仍是10m/s,也就是说,经过10秒,这束光就会相对飞船走100m,也就是再次重合。
综上所述,同样是光束与飞船的重合,在地球上是过了100秒,在飞船却是过了10秒,飞船上的时间变“慢”了。当时此时飞船的速度是光速的十分之九,如果无限逼近光速,飞船上的时间与地球的时间差将会大大增加。
二、第二个思想实验
往往很多小说中的人,坐上光速飞船后,往往在飞船上才过了1天,外面的世界可能就过了1年了。第二个实验主要就是把实验一从圆拉到直线上。假设现在飞船从距离地球100km的宇宙空间飞向地球,光速仍是10m/s,飞船是9.999m/s。
从地球上观测:光束经过100000/10=10000秒到达地球,飞船100000/9.999≈10001秒到达地球,光束到达地球时,飞船距离地球大约还有9.999*1=9.999m。
从飞船上观测:因为光速相对飞船仍是10m/s,所以想达到地球上观测的结果,即飞船距离光束相差9.999m,则需要9.999/10=0.9999秒,故飞船上只是经过大约0.9999秒,就能达到地球上的10000秒所观察的结果。