强调一下,光速飞行是不现实的,所以这里只讨论无限接近光速飞行的情况。

若你用星际飞船旅行百年,归来时确实增长了一百年的岁月,寿命有限的话,未能归来人世已矣。



对于爱因斯坦的相对论中提到的时间延展效应,有两个核心认知必须铭记于心:

首先,你本人对时间的感知不会发生任何改变。

哪怕你乘坐的飞船速度逼近光速,时间的流逝放慢了,你自身却浑然不觉,你的主观时间依旧如常流淌。

这意味着,你在超高速的飞船中测算时间,不会察觉任何异常,唯有同时对比飞船与地球的时间,方能发现两者流速的差异。



对于这差异,你的感受会是这样:

若你留在飞船上,你会觉得地球时间飞逝;反之,若你留在地球,则会觉得飞船时间凝滞;总而言之,无论你身处何方,你都会觉得当地的时间流逝是正常的,异常只发生在另一端。

其次,时间对你产生的效果始终如一。

不论你处于哪一个惯性参考系,只要你主观感觉过了一百年,便是真实的一百年过去了,所谓的时间膨胀,只是相对于其他惯性系而言。

这表示,若你在近光速的飞船中度过了一年,地球可能已是沧海桑田;而如果地球上只过了一年,你在飞船中可能只经历了数月、数天甚至数小时——具体时间差视飞船速度而定:无论是99.99%还是99.999999%的光速,都算“近光速”,但对时间造成的影响却大相径庭。

然而,无论你在飞船还是地球上,度过一百年,你都老去一百岁,无分轩轾。其原因在于上述的第一点:你的时间主观感受在任一惯性系中皆保持不变,这包括你的生理代谢。

不知如此阐释,你是否能领会“相对性”的精髓,因此以一个直观的比喻来加以解释。



无论你站在原地还是行驶中的高铁上,向上拍球,若球每次弹起高度为半米、用时0.5秒,那么在你的主观感觉里,球总是每秒移动了1米(上下半米的往返距离),因为你觉得球总是垂直上下运动。

但若你在高铁上拍球,地面上的人看来,球的一次弹跳远不止移动1米,因为球相对于地面是斜向移动的。

也就是说,同一次球的运动,对于车上和地面的人而言,其移动距离截然不同——尽管时间都是0.5秒,球相对于地面移动了更远的距离。

为何会有此现象?

因为球的相对速度有别——由于高铁在移动,球相对于地面的速度大于相对于车厢的速度,因此相对于地面,球实际上是在0.5秒内用更快的速度“跑”过了更长的路程。

这充分表明了,速度会影响不同惯性系中观察者所见物体运动的距离,尽管如此,你在车厢内自然无法看出球移动了更远的距离(尽管你可以想象或计算出来),只有站在地面上才能明显看出,这就是相对性的真谛。

时间的相对性与距离的相对性如出一辙。

我们可以借助想象中的“光钟”来理解时间的相对性。



假设有一台依赖光反射计时的钟,让光子在封闭的腔室里上下反射,每过一秒,光子正好完成一次往返。

在这种情况下,光子的往返就像是球的反弹,所以若你带着这台钟登上光速飞船,相对于地球,光子的往返距离会显得更长。

这一过程与在高铁的车厢里拍球完全一致,对吧?同样是一秒的时间,相对于地球而言,光子却经过了更远的距离。

为什么会这样呢?

之前提到,球的运动距离不同是因为它的相对速度不同,但光子与球有一个关键的区别——光速不变!

真空中的光速对于所有惯性系都是一个常数。

换言之,无论是相对于地球还是飞船,光子的速度永远是299,792,458米/秒。



如今我们不能再用“相对速度不同”来解释光子的运动距离差异了,除非我们抛弃光速不变原理。

但光速不变原理受到麦克斯韦方程组的保护,至今也未有证据证明其错误,无人能撼动它,所以我们不得不接受光子相对于地球和飞船的速度确实是相同的。

如果你能推翻上述方程组,下一个诺贝尔奖就是你的囊中之物了。那么,在什么情况下,光子能以同样的速度走完更长的距离呢?

答案很简单:唯有在耗时更久的情况下。

由此可见,当球的反弹变为光子的反射,唯一合理的解释便是飞船与地球的相对时间存在差异——相对于地球,光子用了更长的时间通过了更长的距离。

也就是说,尽管飞船和地球上的人均感觉光子往返一次是1秒,但飞船上的1秒实则比地球上的1秒更长久,因此,这一现象被称为“时间膨胀效应”。



然而,正如距离的膨胀只能在另一个惯性系中观察到一样,时间的膨胀也只能在另一个惯性系中“观察”出来,正因如此,不管你身处哪个惯性系,你对时间的主观感受和时间对你的影响都一如既往。

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