根据相对论的时间膨胀效应,物体的移动速度越快,那么其本身的时间流逝速度就越慢。
于是也就有了一个名为“双生子佯谬”的思想实验。“双生子佯谬”指的是一对一模一样的双胞胎,哥哥留在地球上,而弟弟则乘坐一艘接近于光速的宇宙飞船离开地球,当弟弟驾驶着宇宙飞船兜了一圈以后回来,发现哥哥已经变成了一位苍髯老者,而自己还是出发时的样子。为什么会这样呢?因为宇宙飞船的速度很快,所以导致飞船上的时间流逝速度变慢了,虽然地球已经过去了数十载,但宇宙飞船上的时间不过才过去了几个小时而已。这听起来有些不可思议,速度为什么会影响到时间呢?
根据质能方程E=mc∧2可知,能量等于质量乘以光速的平方,光速是恒定不变的,所以一个物体的能量与质量之间存在着密切的联系。
一个物体的质量增大,能量必然随之增大,反之亦然。这里所说的能量指的是物体的总能量,当一个物体开始运动的时候,它就具有了动能,运动速度越快,动能也就越大,一个物体的总能量增加了,它的质量必然也会随之增加,而这里所增加的质量就被称之为“惯性质量”,惯性质量是因运动而产生的,但其与物体本身的引力质量是等效的。根据广义相对论可知,物体的引力质量会导致周围的时空发生弯曲,而惯性质量等效于引力质量,自然也会导致周围的时空发生弯曲。
随着物体的运动速度越来越快,物体的惯性质量越来越大,周围的时空弯曲也就随之增大。
时空指时间与空间,二者是不可分割的一个整体,所以惯性质量增加所导致的时空弯曲会将飞船内的时间拉长,也就是时间的流逝速度变慢了,这就是速度影响时间的内在原理。说了这么多,但都好像是理论和思想实验,现实中速度真的会影响时间吗?这是毋庸置疑的。每天我们开车出行都要依靠导航,而导航之所以能够准确指示路线依靠的是运行于地球轨道的导航卫星,而导航卫星要想准确指示路线,有一个过程是必不可少的,那就是进行双向时间校准。
在地球轨道运行的导航卫星,其速度是非常快的,因为速度快,所以它的时间流逝速度要比地球表面慢,因此就必须要进行一次时间校准。
另外,由于卫星远离地球,相比地球表面而言,它所受到的引力较小,所以它的时间流逝速度又会比地球表面快,因此就必须要进行第二次时间校准,这就是双向时间校准了。如果进行双向时间校准会怎样?以GPS导航卫星为例,每24个小时,定位的偏差就会达到14米左右,也就是说如果不对导航卫星进行双向时间校准,车早就开到沟里去了。速度会影响时间的流逝速度,现在应该已经没有什么异议了。
速度会影响时间,那么速度对于时间流逝速度的影响到底有多大呢?
如果我们以接近于光速的速度飞行一分钟,再回到地球又会发生什么呢?“接近于光速”,这个表述有些笼统,到底多快才算是接近于光速呢?50%光速?99%光速?还是99.99%光速?你会真正体会到什么是差之毫厘谬以千里。光速为每秒299792458米,即便是50%光速,也已经非常快了,但在这样的速度下,时间膨胀效应依旧不怎么明显,所以我们还是从99%的光速开始。要计算99%光速下的时间膨胀效应就必须要应用到钟慢效应公式,即Δt=Δt/√(1-v∧2/c∧2)。
计算可知,如果能够达到光速的99%,那么时间将会膨胀7倍,也就是说时间的流逝速度变慢了7倍。
所以以99%的光速飞行一分钟再回到地球,那么地球上应该已经过了7分钟了,显然,变化还不够明显,以这样的速度不足以让自己的双胞胎哥哥变成一位老者。如果是99.99%光速呢?这回的变化就明显多了,时间将膨胀70倍,也就是说乘坐飞船飞行一天,地球上已经过去了70天,这真的是天上一日地下俩月啊。如果这样你还觉得不过瘾,那还可以让速度变得更快,当速度达到99.999999%光速时,时间将会膨胀7000倍,也就是在宇宙中飞一天,地球上就过去了20年。当然,无论你怎样提速,有质量的物体都无法达到光速,若以光速运行,时间将会停止。