相對(duì)論至今已誕生一百多年了，關(guān)于相對(duì)論時(shí)間改變這方面的書籍文章和視頻也可算是包羅萬象，本文就用火星旅行的方式形象的解釋相對(duì)論中時(shí)間的影響。公式不算復(fù)雜，不感興趣的朋友可直接跳過，只看文中加粗字體的原理和結(jié)論。后面時(shí)間差值的計(jì)算是自己估算的，不一定準(zhǔn)確哈，見諒
火星是太陽系中僅次于水星的第二小的行星，和我們地球距離算近的?；鹦前霃綖?400公里，與地球的最近距離約為5500萬公里，最遠(yuǎn)距離則超過4億公里，兩者之間的近距離接觸大約每15年出現(xiàn)一次。
火星和咱們的地球是老鄰居
旅行前我們先準(zhǔn)備兩個(gè)完全一樣準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)鐘，就用最精確的原子鐘吧，2000萬年才誤差1秒，把其中一個(gè)原子鐘放在飛船中和我們一起去火星，另外一個(gè)留在地球。
旅行開始啦，我們乘坐宇宙飛船向火星進(jìn)發(fā)，火箭發(fā)射后飛船逐漸脫離地心引力，靠推進(jìn)器在太空中飛行。按照飛船平均速度約2.8萬公里/小時(shí)估算，大約需要一年時(shí)間才能到達(dá)火星，還不如先利用這段時(shí)間先簡單了解一下相對(duì)論。
狹義相對(duì)論時(shí)間變化公式
愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出，一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)速度增加，那么從另一個(gè)參照系觀察該物體的時(shí)間會(huì)膨脹就是變慢，本文中就是飛船中的時(shí)間相比地球時(shí)間會(huì)變慢。簡單的說就是物體速度越快，時(shí)間越慢。具體到我們的飛船，上面的時(shí)間變化公式中，v是飛船的速度；c是光速；t是另一個(gè)參照系地球時(shí)間，含義就是地球上鐘的“標(biāo)準(zhǔn)”時(shí)間；t’是運(yùn)行飛船上鐘的時(shí)間代表飛船時(shí)間。代入飛船速度和光速，可得出t’和t的比值約萬分之二，即飛船時(shí)間比地球時(shí)間慢了萬分之二的比例。一年過去了，我們到達(dá)火星時(shí)，飛船上的鐘就比地球上的鐘要慢約6000秒，不多嘛，飛船太“慢”了。相比不能忽略不計(jì)的飛船速度，譬如比飛船慢幾千倍的火車，飛馳火車中的時(shí)間，就比站臺(tái)中靜止不動(dòng)的檢票員時(shí)間要慢一點(diǎn)，因?yàn)榛疖囁俣缺葯z票員快自然時(shí)間就會(huì)相對(duì)變慢。只是火車速度相對(duì)于光速差的太遠(yuǎn)，在計(jì)算中完全可以忽略不計(jì)，火車和檢票員二者的時(shí)間就近乎相同了。一切遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的宏觀運(yùn)動(dòng)，都可以近似的退化到我們中學(xué)里所熟悉的牛頓經(jīng)典力學(xué)，所以相對(duì)論并沒有推翻牛頓力學(xué)，牛頓依然是人類歷史上最偉大的科學(xué)家。
狹義相對(duì)論質(zhì)量變化公式
狹義相對(duì)論同時(shí)還指出，一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)速度增加，那么從另一個(gè)參照系觀察該物體的質(zhì)量會(huì)增加，本文就是飛行中的飛船質(zhì)量比它從地球出發(fā)時(shí)會(huì)增加。簡單的說，就是物體速度越快，質(zhì)量越大。上面的質(zhì)量變化公式中，v是飛船的速度；c是光速；m0是另一個(gè)參照系測量的質(zhì)量，就是飛船在地球上的測得的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量；m是太空旅行中飛船的實(shí)際質(zhì)量。從公式中可以看出v等于或無限接近于c時(shí)，分母接近于零，飛船的質(zhì)量m就會(huì)變得無窮大，那就需要整個(gè)宇宙的能量來推動(dòng)飛船了。這明顯是不可能發(fā)生的事，所以相對(duì)論不允許任何有質(zhì)量的物體達(dá)到光速。
現(xiàn)在我們可以入住火星上人類居住區(qū)啦，吃好喝好后，突然想起來關(guān)心一下我們帶來的鐘，這回總該和地球上的鐘同步了吧。抱歉，時(shí)間還是不一樣。
廣義相對(duì)論引力時(shí)間膨脹公式，可以從上面狹義相對(duì)論的時(shí)間公式推導(dǎo)出來
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，引力場會(huì)彎曲其周圍的時(shí)間和空間，引力場（或說能量）越強(qiáng)則時(shí)空彎曲程度越大，那么時(shí)間會(huì)變得越慢。聯(lián)系本文就是鐘在火星上的時(shí)間比地球上的時(shí)間稍快，因?yàn)榛鹦且霰鹊厍蛉?/strong>。簡單的說就是，引力越大的地方時(shí)間越慢。上面的引力時(shí)間膨脹公式中，t是物體的時(shí)間，本處就理解為我們火星上那個(gè)原子鐘的時(shí)間；T為參照系時(shí)間就是引力場中勢(shì)能最小處的時(shí)間，解釋起來比較復(fù)雜大家不用管；G是萬有引力常數(shù)；M是天體的質(zhì)量；r是天體的半徑；c是光速?；鹦堑木唧w數(shù)據(jù)本文第一段說過，地球半徑是火星的2倍，質(zhì)量是火星的10倍。分別帶入上式計(jì)算后再求比值，火星上的時(shí)間比地球快了10億分之5左右的比例。
黑洞
如果我們?cè)诨鹦巧洗荒?，火星上的鐘比地球上那塊鐘只會(huì)快百分之幾秒，還好可以忽略不計(jì)，這是因?yàn)?strong>地球和火星等天體都是質(zhì)量密度較弱的引力場，引力對(duì)時(shí)間變化的影響微乎其微。如果我們?nèi)サ氖琴|(zhì)量密度極大的黑洞，因?yàn)楹诙促|(zhì)量M極大，半徑r又很小，那么得出黑洞里的時(shí)間t可以變得很小，時(shí)間流逝的很慢。就像電影《星際穿越》中那樣，父親在黑洞中待了十幾分鐘，通過蟲洞瞬間回到地球見到了女兒，父親還是四十歲，女兒已經(jīng)從小學(xué)生變成百歲老人了。如果黑洞質(zhì)量密度趨于無窮大時(shí)，時(shí)間會(huì)無限接近于零就是時(shí)間靜止。上面提到的質(zhì)量密度是愛因斯坦在相對(duì)論中，推導(dǎo)上述時(shí)間質(zhì)量改變的方程和引力場方程中（引力場方程是極復(fù)雜的二階張量偏導(dǎo)方程，此處略），反復(fù)提及的術(shù)語，通俗的說物體質(zhì)量越大且體積越小，質(zhì)量密度就越大，可以說質(zhì)量密度等同于能量密度。打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确?，比如一噸天然氣氣體的體積可能有一個(gè)足球場那么大，把它壓縮成一噸重的液體液化氣，一輛三輪摩托就可以拉走，雖然質(zhì)量和能量都相同，但是液化氣的“作用效率”提高了。
科學(xué)巨匠年輕時(shí)還是標(biāo)準(zhǔn)的帥哥一枚
回到旅游節(jié)目，我們?cè)摶丶伊恕Ｎ覀兊娘w船又花一年的時(shí)間返回了地球，等我們到達(dá)地球時(shí)，發(fā)現(xiàn)飛船上的鐘會(huì)比地球上的鐘慢1萬多秒。還好時(shí)間變化不算大，地球也沒變，你我和兒子女兒的年齡差距幾乎也不變，否則就有點(diǎn)尷尬啦。
可能有人會(huì)提出疑問，時(shí)間的改變是因?yàn)轱w船上那塊鐘在地球—太空—火星這幾個(gè)引力不同的地方來回搬遷，各處對(duì)原子鐘里面的原子引力不同造成的。其實(shí)原子鐘的原理是銫原子能級(jí)躍遷，吸收或發(fā)射一定頻率的電磁波輻射作為頻率振蕩源，具有十分精確的周期，不受引力影響，只受原子中電磁力影響。
看到這里也許還有人認(rèn)為，相對(duì)論對(duì)宇宙還管用，對(duì)我們?nèi)粘Ｉ顩]什么用。這樣說吧，您目前也許是對(duì)的，但是請(qǐng)你想一想安培、伏特、歐姆這些近兩百年前的偉大科學(xué)家，生活在沒有發(fā)電機(jī)的時(shí)代，但以他們的名字命名的物理單位和理論現(xiàn)在幾乎每一分鐘都有無數(shù)人在使用，就明白了。另外，我們都知道中國將在2030年發(fā)射火星探測器，不同于以前美國發(fā)射的不可回收探測器那樣有去無回，這是人類首次發(fā)射返回式探測器，將做很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)并采集火星物質(zhì)樣本返回地球，真是厲害啦我的國。
時(shí)空彎曲圖，凹陷越大代表能量越強(qiáng)/時(shí)間越慢，平滑處代表能量小/引力場弱/時(shí)間快
相對(duì)論對(duì)時(shí)間的定義打破了牛頓經(jīng)典力學(xué)時(shí)間絕對(duì)不變的公論，認(rèn)為時(shí)間不是絕對(duì)的而是相對(duì)的，在不同作用場內(nèi)或說不同時(shí)空內(nèi)的時(shí)間是不同的。本文中的飛船加速和火星/地球質(zhì)量大小就是能量的表現(xiàn)形式，也是時(shí)間快慢的標(biāo)尺，相對(duì)論一百年前對(duì)時(shí)間的天才預(yù)測在人造衛(wèi)星和太空空間站的各種實(shí)驗(yàn)中早已得到驗(yàn)證。狹義和廣義相對(duì)論都體現(xiàn)了能量影響時(shí)間的進(jìn)度，能量越大時(shí)間越慢，反之亦然。能量產(chǎn)生質(zhì)量，質(zhì)量彎曲時(shí)空，時(shí)空的漣漪表現(xiàn)出引力，可以說相對(duì)論是人類二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)理論發(fā)現(xiàn)。
科學(xué)就像這座塔，修的越高基礎(chǔ)就越重要
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