狹義相對論中的時間變慢,和速度的方向有沒有關係?
假如以,地球作為參考系的原點,茫茫宇宙,有兩個星球一個向左飛,一個向右飛。起點一樣,一段時間後,在地球上測量兩個星球的移位是一致的,兩這飛行的速度也是一樣的。
藍色是地球,橙色和綠色代表另外2星球,線是世界線,面是其世界線慣性系的等時面。 首先,狹義相對論的同時性是相對的,圖也展示的比較明顯:不同慣性系的等時面都是不同的,這些等時面之間的關係導致了2個事件的順序在不同系不一定相同,說2星球上的人(簡化成鍾)年齡相同(或2星球時間流速相同)這個結論也只能在特殊的坐標系成立(比如地球),只有當2星球的人(鍾)在一起時比讀數結論才是絕對的
來講講時間流速(以及坐標時、固有時):
每個粒子在時空中都會畫出一條曲線,我們稱其為世界線。想像這個粒子全程帶著一個正常的表,曲線的參數就是這個粒子"表"的讀數,這個鐘錶稱之為這個粒子的標準鍾,鐘錶的讀數就叫這個粒子的固有時。這條路徑在時空中是絕對的。
狹義相對論的時空背景流形是四維平直空間 ,再給流形上的每點配上一個度量即度規張量。要想系統地描述裡面的時空點,我們必須要坐標系: ,有了坐標系,那麼坐標系範圍內的任意一時空點就都配了一個坐標(廢話),這個時空點t坐標的值就叫這個點的坐標時。
不出意外地,像三維平直空間的笛卡爾系一樣,四維平直時空也有特殊的坐標系,叫正交歸一坐標系(標架,或叫慣性系),在這個系裡度規張量的分量都是 。對於那些既沒有接觸過度規也不知道張量分量表達式的人(相信你至少會點線性代數),這裡先稍微講一講度規:
度規是一點矢量空間上向量內積的一部分,流形p點兩個向量的內積(點積的推廣)為: , 就是度規張量(分量是矩陣)在p點的值。在三維笛卡爾系下它每點的分量都是 ,在狹義相對論背景正交歸一坐標系下,度規張量在任意一點的分量都是上述的 。
就像在三維歐氏空間中有無窮多個笛卡爾系來覆蓋空間一樣(差轉動、平移或反射),四維平直時空也有無窮多個正交歸一坐標系(不同的慣性系),之間也只差轉動、平移、反射或洛倫茲變換。不同的坐標系對時空有不同的覆蓋方式,每個時空點都是流形上的絕對點,但在不同的坐標系覆蓋下當然會有不同的坐標讀數,因此點在不同坐標系的坐標時自然不一樣。但是固有時在任何坐標系下都一樣:
想像有一條參數曲線: ,無論坐標系怎麼選,同一個參數值永遠對應著一個絕對的時空點,雖然這個時空點在不同坐標系裡讀數可能不一樣。如果選定一個坐標系,那麼這個參數曲線就可以寫成這樣:(不同坐標軸讀數關於參數的實值函數) ,如果這條參數曲線是世界線,那麼就很容易得出固有時是不變的。世界線的切矢則為 ,而其時間流速在這個坐標系就是 ,即鐘錶讀數加1所用時間的倒數。很明顯這個矢量在不同坐標系的分量不一定相同,那另一個觀者(坐標系)認為的此粒子的時間流速當然就不一定相同。另外,任意世界線還滿足一個條件: (這意味著這個世界線的標準鍾走速永遠是常數)。
另外,切換到地球慣性系所見2星球的三維速率還是相同的。而某粒子相對觀者的時間流速是和其相對於觀者慣性系三維速率有如下關係: (方向不影響時間流速)
另外,狹義相對論不荒謬,只是你理解的還不夠。要想學好相對論,得先知道什麼是絕對的。
先說結論:
時間變慢是一個錯誤的說法。所以談不上跟速度以及速度方向的關係。
再詳細解釋一下:
1、源於同時性的時間變慢
所有相對論的書籍,剛開始必然會告訴你,同時性是相對的,物理上無法測量跟判定。同樣,所有相對論的書籍,在解釋速度導致時間變慢時,必然會基於同時性進行論證。
不需要解釋,明眼人一看就知道這裡有問題。
2、問題具體是什麼呢?
教科書里的時間,是分為固有時跟坐標時的,但是科普書里統一稱之為時間。所謂的速度導致時間變慢,其實是你的固有時跟我的坐標時比,你的坐標時跟我的固有時比,但如果不區分,就成了你的時間跟我的時間比,我的時間跟你的時間比,這在語文邏輯上,明顯是有大大大大的問題的!
3、固有時跟坐標時是什麼東西?
以爬山為例,2輛汽車分別帶著海拔測量儀跟里程錶,沿著不同路徑從山底開到山頂。
結論1:不管2輛汽車具體的路徑是什麼,海拔測量儀的讀數變化都是相同的,因為海拔只跟起點終點有關,而跟具體路徑無關。這背後自然是因為,海拔測量儀度量的是一個外部的引力場。
結論2:2輛汽車的里程錶讀數變化,跟起點終點無關,只跟具體的路徑有關。
牛頓時代,認為時鐘像海拔測量儀,全宇宙的時鐘都是實時同步的,時鐘的讀數變化只跟時空的起點終點有關,而與時空中的具體運動路徑無關。
相對論時代,認為時鐘像里程錶,時鐘的讀數變化取決於時空中的具體路徑,而與起點終點無關。閔可夫斯基也正是基於此,將時鐘的讀數變化定義為時空中的距離,從而建立了時空幾何學。
在相對論時代,一個自然的問題就是:給定時空中的具體路徑,如何計算其時空長度(也就是時鐘的讀數變化)呢?
感謝閔可夫斯基,建立時空幾何後,這個問題在數學上跟求解普通的曲線的長度就沒什麼區別了。
無非是建立一個坐標系,給出曲線方程,積分一下就好了。
問題的關鍵來了:怎麼建立坐標系呢?
當年愛因斯坦假定光速恆定,建立了這麼一個坐標系,細節不談,知道有這麼一個坐標系就好了。本來問題到這裡就都解決了,可愛因斯坦當初出了點問題:
坐標系的坐標數值有物理上的意義嗎?
數學上,只要能計算出曲線的長度,用什麼坐標系有什麼關係么?坐標的數值僅僅是一個數學坐標罷了,不需要有物理上的含義。
但是愛因斯坦花了大概7年才想明白這個問題,想明白之後的結果就是廣義相對論。可廣義相對論出來之後,狹義相對論留的坑卻至今都沒填上。
這個坑就是:為了計算時鐘的讀數變化,引入坐標系,這個坐標系的其中一個坐標,被命名為時間!現在為了區分,稱之為坐標時,而時鐘的讀數變化叫固有時。
可,坐標僅僅是數學的坐標,只要你願意,都可以不用直角坐標系,改用極坐標系,極坐標系的r坐標,稱之為時間,合適么?(坐標時稱之為時間的所有理由,都能套用到r上)
4、正本清源。
相對論底層很簡單,給定時空路徑,路徑長度=時鐘的讀數變化,不同的路徑,長度不同,時鐘的讀數變化也不同。最重要的是,這個時鐘的讀數變化,計算結果跟選取的坐標系無關(也就是跟參照系無關)。
牛頓時代,時間類似引力場,等勢面構成了天然的坐標,這時,坐標時=固有時,不需要區分,只有一個時間概念就足夠了。
速度導致時間變慢,本質上是牛頓時代思維方式的一種延續,認為存在一個外在的絕對時間場。所以,忘記坐標時明顯是最優選擇。坐標時只是一個數學工具,沒有物理上的含義,更無法用物理儀器來測量,何必花時間討論這個沒有物理意義的東西呢?
沒有關係,兩個銫原子鐘以同樣速度做反向運動,時間變慢是一致的!明白了多普勒效應就明白其中的道理了!
一個錯誤的理論,你照著去分析,自然得出莫名其妙的結果。這個時候,你應該回過頭去檢查這個理論是否正確,要從這個理論的基礎概念、基礎假設開始,看它裡面是否有不符合邏輯或者不符合事實的地方。只要發現這個理論的基礎概念、基礎假設有有不符合邏輯或者不符合事實的地方,那麼,你就可以判定這個理論是一個錯誤的理論了。
提問者的描述很在理,根據狹義相對論,時間是別人看出來的。
相對論是非常荒謬的理論。
當然有關係,如將愛因斯坦的思想實驗中的光速的方向與火車運動方向相反,就會得到時間變快的結論。不過愛因斯坦的選擇是對的。
狹相里事件的時間變化不僅和慣性系間的相對速度v有關,還與事件的速度u(與v方向平行)有關。
t=r(t—vx/cc),r=√(1—vv/cc)。
dt/dt=r(1—vu/cc),u=dx/dt
顯然,dt/dt與v和u都有關,其值可大於1,可等於1,可小於1。這說明事件的時間在不同情況下在動系不只是變慢這一種情況,也有在動系不快不慢和變快的另外兩種情況。
由此也可看出狹相的錯誤。
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