【爸爸愛科學】【科普文】相對論

接上一節科普短文《時間膨脹》,我們今天來使用勾股定理科普《相對論》。繼續速度越快,時間越慢的話題。


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速度越快,時間越慢

接上節你乘坐宇宙飛船的實驗,我在地面上會看到不光是你的光子鍾變慢了,你的動作,你眨眼的速度,你的新陳代謝,你的一切的一切都變慢了!那麼我們趕緊計算一下,時間變慢的尺度和飛船的速度是什麼關係呢?這要用到勾股定理:

勾股定理:a^2+b^2=c^2 是直角三角形的兩個直角邊和斜邊的關係式。

把你乘坐宇宙飛船的景象畫出來:

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我在地面,你在飛船

圖中有輔助線和字母,字母t’來表示你的時間(飛船時間)、t表示我的時間(地面上的時間)、v表示飛船的速度、c表示光速。注意區別t和t’(有個一撇)。上面那個三角形的兩個直角邊分別是vt 和ct’,斜邊為什麼是ct?因為這是從地面上的人(我)來觀察,光子在我的時間t裡面走過的距離剛好是那個直角三角形的斜邊,光速恆定是c,所以走過的距離就是ct。

根據勾股定理我們寫出這樣的一個等式:

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方程變換,公式變形,算出飛船上的時間t’ 和地面上的時間 t 之間的關係式:

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請你深吸一口冷氣,因為你發現了宇宙中最深刻的一個奧秘,這是迄今為止讓人類第一次感到深深震撼的等式,這一刻,我們根深蒂固的時間觀念崩潰了。讓我們凝視這個等式10秒鐘,解讀一下他的含義。

當v的速度相比光速很小的時候,比如我們的汽車、火車、飛機甚至宇宙飛船都不及光速的百萬分之一,則

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約等於1,這個公式又退回到了我們熟悉的t = t’,但如果我們的速度能達到光速,則t’ = 0,這代表什麼,沒人知道,我們姑且認為這代表時間停止了,天哪,時間,停止了!

現在我們已經掌握了這個時間變換的神奇公式:

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為了讓這個公式看起來更加簡潔一點,我們把

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這個時間t前面的係數記為γ(伽馬),我們可以把這個公式寫作:t’ = γt 這個γ就是流芳千古的“相對論因子”或者稱為“洛倫茲因子”。

【你可能奇怪為什麼不叫愛因斯坦因子,那是因為荷蘭物理學家洛倫茲首先寫出了這個式子,但他沒有深刻認識到這個式子的時空含義,可憐的洛倫茲與相對論只有一步之遙,而他的工作卻大大的啟發了愛因斯坦】

你可能已經在心底裡歡呼你終於找到了穿越至未來的秘訣,因為只要運動的速度越快,時間就能變的越慢,那麼讓我們來粗略的計算一下,你到底能穿越多少時間呢?先從坐火車普快開始,近似的認為現在普快的速度是200公里/小時,也就是55米/秒,相對論因子γ≈ 0.999999983,什麼意思,就是說在這列火車上坐了100年以後下來,你下了車,會發現比你的雙胞胎兄弟年輕了53.6秒。火車太廢柴了,你暗罵一聲,給我換飛機。好,換飛機,飛機的速度大概是300米/秒,γ≈ 0.9999995,就是說坐飛機100年以後下來,你年輕了26.3分鐘,原來飛機也這麼菜,你有點怒了,給我換登月飛船。換到登月飛船上,登月飛船的速度是10500米/秒,γ≈ 0.999387312,就是說你在登月飛船上飛100年下來後,你年輕了22.4天。這次你可能真的發火了,登月飛船上飛100年也只能年輕22.4天,這叫什麼事兒啊。給我快、快、快,再快一點,在你淫威之下,我發明了速度可以達到0.9c的飛船,現在坐上這艘飛船會發生什麼呢?相對論因子達到了0.44,也就是說你的衰老速度差不多隻相當於地面上人的一半,你的1年等於他們的2年,這個γ的神奇之處在於他會隨著速度接近光速而迅速減小。

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比如你的速度如果能達到0.99c,則γ≈ 0.14,也就是你的1年相當於地球人的7年,如果達到了0.99999c,則γ≈ 0.004,也就是你的1年相當於地球人的250年,我們不用再算下去了,因為我知道你已經禁不住的開始狂喜了,哈哈哈,原來長生不老是真的可以的啊。對不起,我不得不再次粉碎你的這個長生不老夢,我們的計算確實沒錯,如果你坐上了0.99999c的飛船飛了1年回來後,我們地球確實已經過去了250年之久,但是對於你自己的感受來說,你真真切切的也只活了1年,一秒鐘不會多,一秒鐘也不會少,如果你的壽命是100年,你一直在飛船上飛,當你回到地球的時候,地球確確實實過去了25000年,但是對於你自己來說,你仍然只能感受到你自己生命中的100年,一天也沒有多出來,一天也沒有少掉,每天仍然是24小時,1小時仍然是60分鐘,只是在走出飛船艙門的那一剎那,你看著地球上的景物,已經隔世,你只不過用了自己的一生驗證了你向前穿梭了25000年的時間而已,但你仍然已經老去。從我們地球人的眼裡來看,其實你也並沒有比我們瀟灑多少,雖然你的1分鐘相當於我們的250分鐘,可是在我眼裡,你的一切動作全都變慢了,我們吃一個包子1分鐘就吃完了,而在我眼裡,你吃一個包子卻要吃250分鐘;我們打一個響指只用了1秒鐘,而在我們眼裡,你卻花了250秒鐘才慢慢騰騰的把一個響指打完。我們在地球上仰望著飛船中的你,感慨道:“噢,可憐的人啊,行動的比蝸牛還慢,活著還有什麼意思呢?”

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