问题

为什么加速度使时间变慢?

回答
这个问题涉及到爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论中的一个核心概念——时间膨胀。用最朴素的语言来说,当你加速或者处于一个强引力场中时,你感知到的时间流逝速度会比静止或处于弱引力场中的人慢。

要理解为什么会这样,我们得先抛开日常生活中对时间的直观感受,进入相对论的世界。

狭义相对论:速度与时间的亲密关系

狭义相对论主要处理的是匀速直线运动的参照系之间的物理规律。它的两大基本假设是:

1. 相对性原理: 无论你是在静止的实验室里,还是在以恒定速度直线运动的火车上,物理规律都是一样的。你无法通过内部的物理实验来判断自己是在运动还是静止。
2. 光速不变原理: 在任何惯性参照系中,真空中的光速都是一个常数,大约是每秒30万公里,与光源的速度和观察者的速度无关。

这两个看似简单的原理,却揭示了时间和空间的本质是相对的,而且相互关联。

想象一个叫做“光钟”的装置。这个钟由两面镜子组成,镜子之间有光子来回反射。每一次光的反射,就代表一个时间单位。

静止的光钟: 对于一个站在钟旁边的人来说,光子在两面镜子之间上下运动,路径是一条直线。假设镜子之间的距离是 `d`,那么光子往返一次的时间是 `2d/c`,其中 `c` 是光速。

运动的光钟: 现在,假设这个光钟以一个速度 `v` 在你眼前飞驰而过。对于你来说,这个钟是运动的。那么,你观察到的光子路径是什么样的呢?由于钟在前进,光子在上下反射的同时,钟也在向前移动。所以,在你看来,光子走的路径不再是简单的直线上下,而是一个往返的“之”字形(或者说是一个连续的三角形路径)。

根据光速不变原理,无论钟如何运动,光子在真空中的速度永远是 `c`。但是,你观察到的光子走的“之”字形路径,长度显然比钟内部静止时那个竖直的直线路径要长。

由于“距离 = 速度 × 时间”,而且光速 `c` 是不变的,那么如果光子走的路径更长了,这意味着什么?这意味着,在你看来,光子往返一次所花费的时间就变长了。也就是说,运动的光钟比静止的光钟走得慢。

这就是时间膨胀。运动会使时间变慢。你运动的速度越快,你相对于静止观察者来说,你的时间就流逝得越慢。当速度接近光速时,这种时间变慢的效应会非常显著。

广义相对论:引力与时间的纠缠

广义相对论则将引力也纳入了相对论的框架,并将其解释为时空的弯曲。爱因斯坦提出,质量和能量会使周围的时空发生弯曲,而我们感受到的引力,实际上就是物体沿着弯曲时空中的“测地线”运动的表现。

那么,引力如何让时间变慢呢?

可以这样理解:想象一个极其巨大的质量体,比如一颗黑洞或者一个巨大的恒星。它会极大地弯曲周围的时空。

类比: 想象一下在平坦的橡胶膜上放一个重球,橡胶膜会凹陷。这个凹陷的区域就是时空弯曲。

时间在弯曲时空中: 在广义相对论中,引力强的地方,时空就越弯曲。而这种时空的弯曲,也会影响时间的流逝。越靠近强大的引力源,时间流逝得越慢。

你可以想象一下,在一个强引力场中,光子需要“爬坡”才能逃脱。为了克服强大的引力势,光子会消耗能量,导致它的频率降低(引力红移)。根据“频率”和“时间”之间的关系(频率是单位时间内振动的次数,可以看作是时间的度量单位),频率降低就意味着时间变慢。

一个更直观的类比是,设想我们在一个斜坡上行走。在平地上,我们行走相同的距离,所需的时间是一样的。但在斜坡上,如果我们想以相同的“速度”(单位时间内走过的路程),我们实际“向前”走的总路程需要更长,或者说我们消耗的能量更多。引力场就像一个无形的“斜坡”,在更强的引力场中,时间的“流动”就像是在这个更陡峭的斜坡上进行,需要“付出更多”才能维持相同的“进展”。

所以,为什么“加速度”会让时间变慢?

严格来说,在狭义相对论的框架下,是“速度”导致时间变慢。而加速度,本质上就是速度的改变。当你处于加速状态时,你的速度正在不断变化,从一个速度变为另一个速度。

瞬时速度: 在任何一个瞬间,你都可以用一个匀速直线运动的参照系来描述你当前的状态。那么,根据狭义相对论,你当前这个“瞬时速度”的相对运动状态,就会导致你相对于其他参照系的时间变慢。

累积效应: 由于你的速度在不断变化,你在不同时间点的“速度状态”都会对你的时间流逝产生影响。更重要的是,如果在一段时间内你都在加速(比如加速驶离一个参照系),那么你相对于那个参照系的“平均速度”或者说“总的运动状态”会导致你的时间发生膨胀。

而且,如果我们将问题推广到广义相对论,你进行“加速运动”的这个过程,很有可能就意味着你离开了原来那个引力场较弱的区域,进入了引力场更强的区域,或者说你本身的质量/能量分布发生了变化,从而改变了你周围时空的弯曲程度。这种时空弯曲的变化,也会直接导致时间变慢。

总结一下:

1. 速度导致时间膨胀(狭义相对论): 光速的恒定性要求,当物体运动时,观察者测量到的光子路径变长,从而导致运动参照系的时间流逝变慢。速度越快,时间越慢。加速度意味着速度在变,所以它会带来这种时间膨胀效应。

2. 引力导致时间膨胀(广义相对论): 质量/能量弯曲时空,强引力场意味着时空弯曲更严重。时间在强引力场中流逝得更慢。如果你因为加速而改变了所处的引力环境,或者自身质量分布,也会影响时间流逝。

所以,与其说“加速度使时间变慢”,不如说“速度的改变”或者“处于非惯性参照系(包括加速和引力)”导致了时间膨胀。加速度是速度变化的体现,而速度的增加,特别是接近光速时,会显著减缓你相对于静止观察者的时间流逝。

这是一个非常反直觉的现象,但它是经过无数实验验证的物理现实,比如我们每天使用的GPS系统,就需要考虑卫星上的原子钟由于高速运动和较弱引力而发生的时间差异。没有相对论的修正,GPS的定位精度将很快失效。

网友意见

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如果楼主想不涉及复杂的数理运算和理论物理知识从而简单粗浅地理解这一点的话,以下的解释说不定可以使你豁然开朗。

假设有一个火箭正在以加速度为a向某一方向加速运动,为了使模型简单,我们假设火箭的初始速度为0。这时有一束光线从火箭的O点垂直射入宽度为L的火箭。经过时间t,火箭向上飞行距离为=。光从火箭N点射出,可见,处在火箭内部的人A看来,光线是沿着O到N之间的曲线运动的,=c,而对于火箭外刚开始相对于火箭静止的B来说,光线虽然是从O射入,从N射出,但光走的距离是火箭的宽度L==c,相比于A看到的曲线要短。由于光速c无论相对于任何参照系都是不变的,且>L,因此,>,A感觉光走的时间要长于B,也就是说A觉得时间过的慢。爱因斯坦的广义相对论中,把加速度和引力立场产生的加速度等同。这一点也很好理解,如上图,如果a=g(地球重力加速度)的话,你就会觉得在火箭上和地球上没什么分别。现在我们想象一下,如果这个火箭的加速度a无限大的话,那么这束光线就再逃不出火箭,就像被火箭吸住了,这就是我们所说的引力可以使光弯曲,引力足够大连光都逃不出,黑洞。

借花献佛,此处内容参考了《物理世界奇遇记》

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谢邀

我之前在

月球上时间的流逝是否比地球上慢?

里面(第一部分的答案)有提到过。这里重新试着解释一下。首先,以我们现在的科技可以达到的速度,根本不会让我们明显体验到时间流逝的速度有变化。

我们都知道 速度=距离 / 时间 。同时,相对论也说到光的速度是个常数。

在下面第一张图中(光子钟),一个光子在两面镜子中来回。距离是上下直线,速度当然是不变的光速。



现在如果这个光子钟放在一辆车上,这辆车左右来回的动。一个人坐在车上观看这个光子钟,另外一个人在旁边观看,两人看到的就会有所不同。车上的人看到的当然还是光子上下来回。可是,旁观者看到的却是下面第二幅图, 光子似乎走着三角的路线。

两人都对。但是,旁观者看到光子的旅程很明显比车上的人看到的光子的旅程要长。而且车左右来回的速度越快,旁观者看到的光子的旅程就越长。




回到: 速度=距离 / 时间

光的速度当然是不变的。这里距离改变了。所以唯一可以变化的,来保持这个公式还是对的,只有时间变化了。距离变长,时间就变短。距离变短,时间当然就变长。

车上的那个人所看到的光子的旅程很明显比旁观者看到的光子的旅程要短。所以车上的人的时间当然就长:也就是说他的时间流逝变慢了(相对旁观者来说)。车的速度越快,他的时间流逝速度就越慢。当车的速度靠近光速,他的时间流逝的速度就靠近停止了。

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