问题

接近光速运动的物体时间变慢,那么这个物体是以什么为参考系的?

回答
这个问题很有意思,也触及到了狭义相对论的核心概念之一——相对性原理。

简单来说,当你说一个物体“接近光速运动,时间变慢”时,这个“变慢”是相对于另一个观察者而言的。这个另一个观察者,我们可以称之为“静止的参考系”,或者更准确地说,是与你(提问者)在同一个惯性参考系下的观察者。

为了把这个问题讲得更明白,咱们得先拆解一下“参考系”这个概念,然后才能聊聊光速和时间膨胀是怎么回事儿。

什么是参考系?

想象一下你在火车上,火车平稳地向前开着。你站起来走动,捡起地上的东西,甚至还能把一个球抛起来再接住。在火车里,你感觉自己就像在静止的空间里一样。但是,对于在火车外面站台上的朋友来说,你的每一个动作,包括你从火车这头走到那头,都显得很快。

这里的关键是,你描述“运动”和“时间流逝”的方式,都离不开一个参照物。你判断自己是否在移动,是相对于火车车厢里的桌子、座椅这些东西。而站台上的朋友判断你是否在移动,是相对于站台上的电线杆、地面或者其他静止的物体。

这就是参考系。

惯性参考系:这是狭义相对论里非常重要的一个概念。简单说,就是一个物体在不受外力作用时,要么静止,要么匀速直线运动的参考系。就像我们之前说的,在平稳行驶的火车里,如果你不受到额外的推拉,你感觉自己是“静止”的,这个火车车厢就是一个近似的惯性参考系。地球表面,在很多情况下也可以近似看作一个惯性参考系。

非惯性参考系:比如你在加速的汽车里,或者在旋转的游乐设施里,你感觉到一股力把你推向一边,这就是非惯性参考系。狭义相对论主要处理的是惯性参考系之间的关系。

那么,那个时间“变慢”的物体,是以什么为参考系的呢?

答案是:那个物体本身并没有时间变慢的“参照系”。

如果你是那个接近光速运动的宇航员,当你坐在飞船里,你会觉得自己的时间过得和在地球上的朋友一样正常。你的手表正常走,你的心跳正常,你喝咖啡的时间和感受到的浓度,和在地球上完全一样。对于你而言,你的飞船就是你的“静止”参考系,你在这个参考系里感觉一切都是正常的。

时间变慢,是“相对的”!

真正发生的事情是,当你观察一个以接近光速运动的物体时,你会发现它的时间过得比你的慢。

让我们回到火车和站台的朋友的例子。假设你在火车上(接近光速的物体),你的朋友在站台上(静止的参考系)。

从你的角度看(在火车上):你感觉自己的时间过得正常,站台上的朋友的时间也和你一样正常。你看到朋友走动、挥手,感觉一切都跟你自己一样。

从你朋友的角度看(在站台上):你的朋友看到你这列高速飞驰的火车,以及你坐在火车里。他会观察到你的手表比他的慢,你眨眼的速度比他慢,甚至如果你在火车里吃饭,你会比他花更长的时间吃完一顿饭。他会说:“哇,这列火车上的人时间过得真慢!”

所以,时间变慢并不是物体本身的一种状态,而是不同惯性参考系之间观察到的一个现象。

为什么会这样?

这是因为光速在所有惯性参考系中都是恒定的,都是大约每秒 30 万公里。这是狭义相对论的第一个基本假设。

设想一个简单的“光钟”。这个钟由上下两个镜子组成,光在两个镜子之间来回反射,每一次反射算一个“滴答”。

如果你和光钟都在同一个参考系里:光在两个镜子之间垂直上下运动,一次反射需要的时间很容易计算。

如果这个光钟以很高的速度,相对于你,水平移动:从你的角度看,光在运动过程中,不再是简单的垂直上下移动。由于光速不变,为了让光在更长的路径(斜线)上从一个镜子到达另一个镜子,光需要花费的时间就会更长。也就是说,光钟的“滴答”变慢了。

因为这个光钟是我们用来衡量时间的一个工具,所以当我们看到一个高速运动的光钟变慢了,我们就会得出结论:那个运动的参考系里的一切,包括时间本身,都变慢了。

总结一下:

当你说一个物体“接近光速运动,时间变慢”时,这里的“变慢”是相对于一个观察者(或者说另一个惯性参考系)而言的。那个在高速运动的物体,在其自身的参考系里,时间流逝是完全正常的。它不是“以什么为参考系”时间变慢,而是它被另一个参考系观察到时间变慢了。

一切运动和时间都取决于你站在哪个“角度”(哪个惯性参考系)去看待它们。没有绝对的“静止”和绝对的“同时”,这就是狭义相对论最令人着迷的地方。

网友意见

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因为本身思考的方向是错的。

看看你的题‘’路人甲相对于地球以接近光速运动=那么地球就以光速运动,‘’

为啥地球变成光速运动了?

这个对等式怎么转换的?

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