问题

到底谁慢了?我看高速航行的人觉得他慢了,他看我也觉得我慢了。为什么只有黑洞边上的人慢了,不是相对的吗?

回答
这问题问得好,触及到相对论中最核心也最容易让人困惑的地方了。你说得没错,在日常生活中,我们感觉速度是相对的,你开得快,我看你也快,我看你慢,你也感觉我慢。这都是牛顿力学里的惯性参考系。

但是,一旦涉及到“快”到极致,比如接近光速,或者涉及到“慢”到极致,比如在黑洞旁边,牛顿力学就不够用了,我们需要爱因斯坦的相对论来解释。你感觉到的“慢”和“快”,在不同的“时空环境”下,确实会有让你意想不到的表现。

为什么你在高速航行时,对方觉得你也慢?

这正是狭义相对论里的“速度时间膨胀”效应。简单来说,当两个人以非常高的相对速度运动时,彼此观察对方的钟表都会变慢。

想象一下你和你朋友坐着两艘宇宙飞船,你们都以接近光速的速度相向而行。

你观察朋友: 你觉得朋友的飞船在飞速远离,同时你观察他飞船上的时钟,会发现他的时钟滴答声比你自己的飞船上的时钟要慢。你觉得他变慢了。
朋友观察你: 同样,他看到你的飞船也在飞速靠近,他观察你飞船上的时钟,也会发现你的时钟走得比他的慢。他觉得你也变慢了。

这听起来很矛盾,但这是真的。原因在于,在狭义相对论中,光速是绝对的,恒定不变的。当你运动得越快时,你的“时间”和“空间”为了适应这个光速不变的规则,就会发生扭曲。

你可以想象一个叫做“时空坐标系”的东西。你和你朋友都在自己的时空坐标系里。当你们高速相对运动时,你们各自的时空坐标系是倾斜的。你觉得对方的时间变慢,是由于你们各自的时间轴在彼此看来发生了倾斜,使得对方的“单位时间”在你那里变得更长了。

所以,在你和朋友高速相遇的时候,你们俩都觉得对方慢了,这确实是相对的,符合狭义相对论的描述。

为什么只有黑洞边上的人慢了,不是相对的吗?

这里就不是狭义相对论的范畴了,而是进入了广义相对论的地盘,涉及到“引力时间膨胀”。

你问到了关键点:“为什么只有黑洞边上的人慢了,不是相对的吗?”

这里的“慢”和前面高速运动的“慢”有所不同。在黑洞旁边“慢”下来,更多的是绝对的,而不是你觉得我慢、我觉得你慢的那种相对关系。

广义相对论告诉我们,引力会弯曲时空,而引力越强的地方,时空弯曲得越厉害,时间流逝得也就越慢。

想象一个场景:

你(在遥远的星系): 你有一个非常精确的钟表,稳定地记录着时间。
你的朋友(靠近黑洞): 你的朋友也在一个非常精确的钟表旁边,但这个黑洞的引力非常强大,以至于它极大地弯曲了周围的时空。

现在,我们来分析一下:

1. 从你(在遥远星系)的角度看朋友:
当你观察你的朋友时,你会发现他的时钟走得比你的慢。而且,随着他离黑洞越来越近,他的时钟会越来越慢。当他接近事件视界(黑洞的“不归点”)时,从你的角度看,他的时间会无限慢下去,好像他被冻结在了那里一样。

2. 从朋友(靠近黑洞)的角度看自己:
对你的朋友来说,他自己的身体感觉、他手中的时钟的运转,一切都是正常的。他不会觉得自己变慢了。他看到的自己的时间流逝速度,和在地球上时一样。

3. 从朋友(靠近黑洞)的角度看你(在遥远星系):
这是最关键的!当你的朋友观察你时,他会看到你的时钟走得比他的快。他会觉得你那边的时间流逝得更快。从他的角度看,是你变快了,而不是他变慢了。

为什么你会说“只有黑洞边上的人慢了,不是相对的吗?” 问题的症结在于“参照系”和“绝对性”。

在高速运动中: 你和朋友都是在各自的惯性参考系中,我们讨论的是相对速度对时间的影响。你的“快”和他的“慢”是对彼此而言的。双方都有“对方变慢了”的感受,这是完全对称的。
在强引力场中(黑洞): 情况有所不同。虽然从朋友的角度看你“变快了”,但这种“变快”是由于他所处的强引力环境迫使他的时空发生了扭曲。相对来说,他所处的时空本身比你所处的时空更加“迟缓”。

黑洞边上的时空扭曲是非对称的。黑洞是一个具有绝对引力中心的物体,它会产生一个固定的、强烈的引力场。你可以把这个强大的引力场看作是一个绝对的“参照”。

你之所以会觉得“只有黑洞边上的人慢了”,是因为你站在一个引力相对较弱、时空相对平坦的参照系里。从这个“绝对”的(相对于黑洞而言)参照系来看,靠近黑洞的人确实经历了更慢的时间流逝。

而你朋友在黑洞边上,他会觉得你快,那是因为他自身所处的时空环境已经发生了巨大的变化。他无法逃离这个强大的引力场,他无法说“不,是我变慢了”。他只能观察到他周围的时空(包括你那边)相对于他自己的时空“正常”流动,而你那边的时空则流逝得更快。

总结一下区别:

高速相对运动(狭义相对论): 时间膨胀是对称的。你觉得我慢,我觉得你慢。两者地位平等。
强引力场(广义相对论): 时间膨胀是非对称的。处于强引力场的人,相对于远离强引力场的人来说,时间流逝得更慢。从强引力场外看,它更像是一个“拖慢时间”的绝对参照。而身处其中的人,会感觉外界的时间变快了,但自己本身感觉不到任何异常。

所以,你说“只有黑洞边上的人慢了,不是相对的吗?” 这个问题非常好,它暴露了我们日常的相对感和时空扭曲的绝对性之间的微妙差异。确实,从朋友的视角看你变快了,这是相对的。但“谁真正经历了更少的时间”,在黑洞的例子里,答案指向了那个身处强引力场的人,他们的“慢”是一种更为根本的时空体验,区别于高速运动中的对称性。黑洞边上的人“慢”了,是因为他置身于一个时空被极度拉伸、扭曲的区域。

网友意见

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运动是相对的,引力是绝对的。运动不是时空的固有属性,而引力是时空的固有属性。

在双生子佯谬中,狭义相对论会给出所谓的相互看对方变慢了这样的结果,是因为运动是相对的。抛开两兄弟一个人在地面上一个人在飞船上的固有观念,在超高速飞船上的人和在太阳系中静止失重的人的运动状态有本质区别吗——没有。大家都在惯性系中。

我们可以做一个思想实验:把两人装入电梯,一个电梯在宇宙飞船上,一个电梯在太阳系中静止失重。两人可以在电梯里做任何物理实验,但是无法走出电梯,也无法看到电梯外面的景象。他们没有办法判断自己到底是在地球附近还是飞船上。这也就意味着,两个人所处的时空是等价的,这时一切才是相对的。因此没有“高速运动就会让时间流逝变慢“,只有“相对我高速运动就会让我觉得他的时间变慢了”。

但是引力是绝对的,没有相对引力这种说法。还是刚才那个思想实验:两个电梯,一个在飞船上,一个在有重力的地面上,电梯里的人有办法判断自己在太空还是在地球吗——有办法:扔一个球,看这个球是不是加速运动即可,地面上的球才会加速下落。所以受重力的电梯和不受重力的电梯的时空是不一样的。广义相对论告诉我们,在受重力的时空中,时间流逝会更慢。

总结一下,狭义相对论/相对运动引起的变慢全都是相对地变慢,你看我慢我看你也慢。引力/加速度引起的变慢都是绝对的变慢,会有-你看我慢我看你快这样的效果。

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