运动的时钟变慢？带你走进相对论

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前言犹记得在高中上物理课的时候，那本书应该大多数讲的是近代物理的内容，当讲到相对论的时候，我完全被惊呆了，当时想着，这是什么鬼？运动的时钟会变慢？运动的尺子会缩短？我完全不能想象，这是颠覆人们正常的认知啊！由于看了许多关于这方面的科普书籍，也看了一些大学物理的MOOC视频，对狭义相对论有了一个初步的认识，弄清楚了一些以前糊涂的事情，在这里为大家科普一下，希望能够增加一下对相对论的认识。带着疑问学习带着一个疑问去学习或是了解知识，就像怀着目的去逛街，会让你事半功倍。所以我们提出一个大多数人都不解的问题：为什么运动的时钟会变慢？一些简单的概念绝对时空观的观点长度、时间、质量都与运动无关，是不变的量。举个例子：比如一个车子从你面前经过，车里里面的人看尺子是多长，你在路上看尺子就是多长。狭义相对论的两个基本原理一切物理规律在所有参考系中都具有相同形式光速不变原理（真空中的光速在任何参考系中均为同一常量c）解释一下第一点，即你在静止时（相对地球）所感受到的物理规律是和在匀速运动时感受到的是相同的。比如说：在地面上，你向上抛一个小球，然后小球会落下回到你手上。在匀速运动的火车中也一样，小球的运动规律不会有任何变化。第二点是由麦克斯韦方程推导而来。记住，这是相对论的前提，而不是相对论推导出来的。运动的时间变慢假设有一辆高速行驶的汽车，在汽车中间两面镜子，分别在汽车的底部与顶部。如图所示：视角：车上的人当你在车上看一束光从底下向上射出，然后再反射回到底部，这个过程中，假设时间过了10秒钟（假设车子非常高，高到你想象不出）。然后另外一个人，在地面上看这辆车移动：视角：地面的人图中是画的车子移动的轨迹，中间的是光的轨迹。右边的时钟是15秒钟（多少秒是我瞎编的，不过肯定是超过车上的人的时间）。我们可以看到，光不再是沿竖直方向来回反射了，而是呈现一个倒V形状，这说明什么呢？？？说明光在地面的人看来，走过的路程变长了！不信的话你可以拿尺子量量屏幕，就知道我有没有骗你了。根据光速不变原理，光的速度还是c（在车上看也是c），但是走过的路程相对于在车上看是变长了，所以光从底部到顶部再回到底部，所花的时间也自然变长了。也就得出了运动的时钟变慢。所以通过上面的例子，我们可以从光速不变原理直接推导出这个现象，运动的时钟会变慢。并且速度越快，变慢的效应越明显。所以如果你乘坐接近光速的宇宙飞船在太空航行，说不定你回到地球的时候已经过了几百年了，而你自己才感觉过了一年。相对论为什么叫相对论？因为就是在描述时间的相对性和空间的相对性。地面上的人的时间与空间和在车上的人的时间与空间是相对的，而不是一样的！生活中真实的例子上面车子的例子是为了让大家知道为什么运动的时钟会变慢，但是这个实验室无法实现的，因为我们的汽车无法达到这么高的速度。让我们来看一个真实的例子：为了科普起见，就简单的说一下了，μ粒子是一种物理粒子，寿命是超级短，在大气层上部产生，速度是0.998c(c是光速) 。如果不考虑时钟变慢效应，那么μ粒子平均能走660米，然后就挂了。但实际上大部分μ子都能穿透大气层到达底部。μ子以0.998c运动，寿命是静止寿命的15倍，可以运行9500米！这是时钟变慢的缘故。