为什么太空比地球上的时间慢?地球同样都在运动啊?

为什么太空比地球上的时间慢?地球同样都在运动啊?
为什么太空比地球上的时间慢?
地球同样都在运动啊?

为什么太空比地球上的时间慢?地球同样都在运动啊?
狭义相对论中关于时间延缓的一个似是而非的疑难关于惯性系之间的时空理论.甲和乙所处的参考系并不都是惯性系,乙是近似的惯性系,乙推论甲比较年轻是正确的；而甲是非惯性系,狭义相对论不适用,甲不能推论乙比较年轻.其实根据广义相对论,或者甚至勿须用广义相对论,设想一个甲相对乙作变速运动的特殊过程：很快加速-匀速-很快减速然后反向很快加速-匀速-很快减速,按照狭义相对论,仔细考虑其中的时间延缓和同时性的相对性,可以得出无论从甲或乙分析,结论是相同的,都是飞船上的甲要比乙更年轻.乙留在地面等待甲,甲乘飞船作太空旅行,甲所乘坐的飞船在启动、调头、减速降落这些过程的加速、减速,都是相对于乙所在的惯性系而言的,所以这些过程没有什么附加的特殊效应,又因这些过程的时间都很短,所以可以将其忽略；而认为甲及其所乘坐的飞船静止不动,乙在飞离甲及甲所乘坐的飞船时,乙在启动、调头、减速这些过程的加速、减速,是相对于甲所处的非惯性系而言的.按照广义相对论的等效原理,相当于考察乙的运动的参考系中有一个引力场,虽然甲和乙都处在这一引力场中,但因他们在引力场中所处的位置不同,因而引力场对他们的影响也就不同.在乙启动及减速降落时,甲和乙距离较近,他们的引力场势相差不大,引力场对他们时间的流逝的影响也相差不大,所以仍可将这部分较短的时间忽略.而在乙调头时,由于甲和乙的距离非常遥远,这时乙的引力场势远高于甲,它使乙的时间比甲流逝得要快的多,或者反过来说,它使甲的时间比乙流逝得要慢的多.这一影响超过了乙相对于甲匀速运动期间速度v对时间的影响,使乙飞行归来与甲会合时,乙仍然要比甲变老了.所以乙调头这一过程在考虑“双生子佯谬”问题时是不能忽略的.运用广义相对论进行计算的结果,可知乙飞行归来与甲会合时,甲仍然是21岁,而乙是90多岁. 1966年用μ子作了一个类似于双生子旅游的实验,让μ子沿一直径为14米的圆环运动再回到出发点,实验结果表明运动的μ子的确比静止的μ子寿命更长.
1905年9月,德国《物理年鉴》杂志刊登了一篇《关于运动物体的电动力学》的论文,它宣告了狭义相对论假说的问世.正是这篇看似很普通的论文,建立了全新的时空观念,并向明显简单的同时性观念提出了挑战.我们知道由爱因斯坦狭义相对论可以得出运动的物体存在时间膨胀效应.在1911年4月波隆哲学大会上,法国物理学家P．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑,设想的实验是这样的：一对双胞胎,一个留在地球上,另一个乘坐火箭到太空旅行.飞行速度接近光速,在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁,而他的兄弟早已死去了,因为地球上已经过了200年了.这就是著名的双生子详谬.双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方.本文正是以时间膨胀效应为线索对狭义相对论做进一步的探讨,分析双生子佯谬产生的原因.
首先让我们来看一个例子.假设我们一家来到了美国科学家伽莫夫笔下汤普金斯先生曾经梦游过的城市,在这座城市里由于速度极限（光速）很低,所以相对论效应非常显著.来到这座城市后,我们进了一家瑞士钟表店,每人选了自己喜欢的一块表并要求营业员把三块表的时间调成一致.随后,我们来到了一家游乐园,其中一个游乐项目是乘坐光速飞车,其实飞车的速度并没有达到光速.我站在起点A处,帮儿子把安全带系牢,儿子高兴地坐在A点的光速飞车里.我妻子站在终点B处,A与B之间的距离为L.车马上要出发了,我下意识地对了一下自己和儿子的表,时间一分一秒都不差.抬头再看终点处妻子的表,我发现妻子的表比我的表慢了一些.来不及多想车已经象离弦的箭一样冲了出去.我突然发现儿子的表越走越慢,当然是相对我的表而言,最后到达终点时与我妻子的表一致了.看来瑞士表的质量也不怎么样,我打算玩完回去后把表给退了.在回来的路上我看了一眼妻子和儿子的表,奇怪!怎么我们的表显示的时间分秒不差,我明明看见他们俩的表比我的慢了呀!我把我的发现告诉了我的妻子,她说她也觉得挺奇怪的,但是与我所说的现象稍有些不同.在终点处,她发现我和儿子的手表都比她的表慢了,但当儿子乘坐飞车向她驶来时,儿子的表却变得越来越快,最后到达终点时竟与她的表一致了.这时候儿子也加入了我们的谈话,他告诉了我他的发现,他是这样描述的,在起点处他发现爸爸的表跟他的表时间是一致的,妈妈的表走得比他的慢,当车运动起来后,爸爸的表变慢了而妈妈的表比原来快了,最后当他到达终点时妈妈的表与他的表又一致了.
从上面这个例子中,我们看到由于三个人所处的状态不同,得出的结论也大相径庭.但都有一个共同的特点,就是每个人都是以他本人的时间为基准作出判断的.我们知道光速是有限的,光在空间运行是需要时间的.当所研究的对象涉及到空间大尺度范围或当物体运动的速度大到可以与光速相提并论时,光通过空间两点所需的时间就不能不考虑进来,这样通常在小尺度低速度情况下被认为是同时发生的两个事件就不能再认为是同时的了.爱因斯坦也正是从时间的同时性入手,提出了狭义相对论.在我们生活的宇宙中,时间是非物质的量,它是为了描述物体运动而人为引进的一个物理概念.经典物理对时间是这样定义的“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,而且由于其本性而在均匀地,与任何其他外界事物无关地流逝着”.这一定义在研究空间小尺度范围或低速运动的物体时,无疑是正确的,因为它暗含这样一个概念即时间的同时性是绝对.但在研究空间大尺度范围或高速运动的物体时,这一定义是否仍然有效,取决于对时间的同时性是如何定义的,同时还要看空间两点两个事件发生的时间是如何记录的.
假设有两个完全一样的钟被放置在AB两地.我们可采用中点对钟法将两地的钟校准.我们说发生在AB两地的两个事件是同时的,如果AB两地的钟所指示的时间是一样的话.这个结论暗含有这样一个条件即在AB两地分别有两个观察者记录本地事件发生的时间,然后再将两个时间进行对比,判断这两个事件是否是同时发生的,判断的结果与AB两地的位置无关.从这个意义上说时间的同时性是绝对的.我们再看另一种情况,我们仍采用同样的方法将AB两地的钟校准.从A点观察AB两地同时发生的两个事件,得到的结论是A地的事件先于B地的事件,相差的时间与两地之间的距离有关.同理,从B点观察AB两地同时发生的两个事件,得到的结论则是B地的事件先于A地的事件.按照这个结论,时间的同时性又是相对的.所以说时间的同时性是相对的还是绝对的完全取决于时间是如何测量的.狭义相对论所涉及的是后一种情况.
运动物体的情况又如何呢?假设有一枚火箭从A点运动到B点.火箭上装有校对好的时钟.我们仍采用中点对钟法在AB两点之间A1、A2、A3．．．放置一系列校对好的时钟,并在A1、A2、A3．．．的每一个位置上都设有一个观察员记录火箭经过的时间.一切就绪火箭出发了.在A点的观察员立刻发现火箭上的钟变得越来越慢了,时间变慢的速度与火箭的速度有关.而据A1、A2、A3．．．的观察员报告,火箭在通过他们所在的位置时,火箭上钟的指示与本地钟的指示是一样的.而在B点观察员则发现,在火箭未出发前,火箭上钟的指示已经比B点的时间慢了一些,但随着火箭逐渐接近,火箭上的时钟却变得越来越快,当到达B点时竟然与B点的时钟是一样的.如果在火箭里也有一个观察员,他会得到这样的结论即当火箭运动起来后,A点的钟变慢了,B点的钟变快了而沿途所经过的钟所指示的时间与火箭上的时间是一致的.在上面的例子中,火箭相对于A和B的运动方向是不同的,所以从A点和B点观察的结果也应是不同的,相对于A点时间是变慢了,相对于B点时间是变快了.时间是变快了还是变慢了取决于观察者与被观察的物体之间的距离是增加还是减少了,变快变慢的速度与两个物体之间的相对运动速度有关.下面我们将定量的分析上面的例子.
我们仍用上面所举火箭的例子,将两个校准好的时钟分别放置在AB两地.火箭以速度V从A点向B点运动.AB两点之间的距离为S.令ΔT1为火箭经过AB两点时,在AB两点的观察员所记录的时间之差.令ΔT2为在A点的观察员记录火箭经过AB两点的时间差.当物体达到B点时,光返回A点所需的时间为AB之间的距离S除以光速C.根据以上条件,我们可以得到：
ΔT2－ΔT1= S／C （1）
S=V×ΔT1 （2）
将（2）式代入（1）经过整理后得到；
ΔT1=ΔT2÷（1+V／C） （3）
分析（3）式我们可以看出,当火箭运动的速度V=C时,ΔT2=2×ΔT1；当火箭运动的速度V＜＜C时,ΔT1≈ΔT2,由于1＋V／C≥1,所以ΔT2≥ΔT1.我们得到一个结论,火箭上的时间变慢了即时间膨胀,当然这是从A点观察所得到的结论.如果从B点观察,结论又是怎样呢?我们仍然令ΔT1为火箭经过AB两点时,在AB两点的观察员所记录的时间之差,ΔT2为在B点的观察员记录的火箭从A点到B点的时间差,光从A点到B点所需的时间为S／C.与上面类似我们可以得到：
ΔT1－ΔT2= S／C （4）
S=V×ΔT1 （5）
将（5）式代入（4）经过整理得到：
ΔT1=ΔT2÷（1－V／C） （6）
从（6）式我们可以看出,当火箭运动的速度V=C时,ΔT2为零,也就是说当你看到火箭出发时,火箭已经到了你跟前了；当火箭运动的速度V＜＜C时,ΔT1≈ΔT2,由于等式1－V／C≤1,所以ΔT2≤ΔT1.所以我们又得出一个相反的结论,火箭的时间变快了即时间收缩了.
到目前为止,我们都是在基于光速不变这样一个前提下讨论问题的.光速不变假设是爱因斯坦从迈克尔逊-莫雷为证明以太存在所做的干涉实验的否定结果中得出的推论.在上面的讨论中,运动物体的速度V是这样得到的,在AB两地分别放置两个校准好的时钟,AB两地之间的距离为L.在A点记录物体出发的时刻,在B点记录物体到达的时刻,用两地之间的距离L除以两地所记录的时间差,就得到了运动物体的速度,这样计算的结果与两地之间的距离无关.当然还可以用另一种方法,在A点记录物体发出的时刻,在物体经过B点返回到A点时,记录物体到达的时刻,用两倍的距离L除以在A点记录的时间差,就得到运动物体的速度.这两种算法的结果是一样的.如果从A点来观察运动的物体在一去一回时速度是否是一样呢?用我们上面所得到的时间膨胀和时间收缩效应的结论,我们可以得出,物体在离开A点后,速度是变慢的,而当物体从B点返回时,速度又是变快的,当然这是从A点观察所得到的结果.
狭义相对论还存在另外一种效应即尺缩效应.可以采用同样的方法,证明运动物体的长度随观察者与运动物体之间的距离的减少,还存在长度伸长的效应.通过以上讨论,我们清楚了,同时性是相对的还是绝对的取决于观察时间的方法,离开这一点强调同时性是相对的还是绝对的是没有意义的.即使按照同时性是相对的观点,时间除了膨胀效应外,还应有收缩的效应,所以说双生子佯谬本身是不存在的.
特别注意
上述论述,与爱因斯坦相对论观点是不一致的.而与我下面论述是一致的.这样理解相对论,双生子悖论,确实不存在,但这样的相对论,需要修正爱因斯坦的相对论.
“美国科学家伽莫夫笔下汤普金斯先生曾经梦游过的城市”,我们不用管是一种慢光速,还是声速,原理是一样的.
如果一个钟,以0.5倍声速从原点远去,我们会听到什么现象呢?
一秒钟时,它距离原点0.5声秒距离报1秒,但这个事件我们在原点听见,需要再过0.5秒,于是我们发现,在本地钟1.5秒时,远处的钟报1秒,本地钟3秒时,远离的钟报2秒,也就是我们在忽略测量时间时,误以为远去的钟慢了.而且速度越快,钟慢得越厉害.
理想点以a倍光速远去,1秒钟远离a*C(光速)距离,在计时起位置要a秒传过来,到达a*C的事件将在a+1秒传到观察者,观察者认为速度为a*C/(1+a),速度永远小于光速.a为1时看到以1/2C远离.
当a远小于1时,a*C/(1+a)可近似为a*C,也就是实际速度,当a接近于无穷大时,a*C/(1+a)可近似为C,也就是远离速度远小于测量速度时,测量速度可忽略不记,测量结果约等于真实速度；当远离速度远大于测量速度,测量结果约等于测量速度,也就是测量不到超过测量速度的远离情况.
无人会用爱因斯坦的方法,从物理原理上解释两参照系靠近时的相对论计算方法.下面我来解释一下应该怎样推导接近参照系的情况.
理想点以0.5倍声速靠近,在距离2声秒时作为记时0点,我们听到2秒时,远处的钟报距离2声秒,2.5秒时听到钟报距离是1.5声秒,3秒时,钟报距离是1声秒,3.5秒时,钟报距离是0.5声秒,4秒,我们与运动的钟相遇,报距离0声秒.
靠近的钟测量现象变快.
从算式中,我们明显看出,与爱因斯坦相对论不同.这样解释相对论现象,是允许运动速度超过光速的.也许真的需要修正爱因斯坦的相对论,才可以解决双生子悖论问题?
爱因斯坦自己的理解,速度无穷大,“绝对同时”有意义,但观测速度上限是光速,因此“绝对同时”无意义.
说明爱因斯坦有时候明白相对论是由于光速太慢,引起的测量问题.如果测量速度无穷大,则同时性的相对性问题不存在.对一群盲人来说,测量速度的上限是声速,则爱因斯坦奉献给他们的伟大理论将是声速相对论,但不能因此得出声速最快.
彻底的双生子悖论发生在乘坐两个相同飞船的双生子之间,他们在真空中或条件完全等同的参照系下做同样运动.
参考百度百科词条中：相对论,光速不变原理,超光子,时间进程,洛伦兹坐标变换,钟慢效应,倒相对论,双生子悖论,速度效应,超光速,洛仑兹变换,极限速度,狭义相对论.
搜狐社区朝高关于双生子悖论的解释：
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首发地址：http://club.it.sohu.com/r-kpyd-86081-0-15-0.html
引言：一对孪生兄弟,一个留在地球上,另一个乘坐飞船以接近光速取作星际旅游,根据爱因斯坦的狭义相对论,对地球上这位来说,乘飞船的那位在高速运动,时间变慢,地球上的这位年老时,飞船上的那位还年轻,但如果飞船上的人以飞船作参照来看,地球在高速离去,自然是自己年老时地球上的兄弟还年轻,这就是双生子悖论.有人认为这是观察效应,就是说其实兄弟俩年龄一样,只是相距遥远,看到的实际上是多年前的事.那么再补充一下,当飞船飞了几年之后返回,兄弟俩在地球再次相遇,又会怎样呢?根据爱因斯坦的狭义相对论,至少地球上这位会发现他的兄弟比自己年轻,那飞船上那位看到的兄弟又如何呢?
其实,问题就在飞船往返,速度的方向改变了,坐标系也变了,不是同一个惯性系,所以对飞船上那位来说,有个时空变换的问题.如果飞船上那位飞出去的时候把自己的飞船当惯性系,那么,对他来说,几年以后,自己比地球上的兄弟大,但地球已经以近光速飞出几年了,要想重逢,自己就必须以更接近光速的速度去追那个仍以近光速远去的地球,在这个过程中,自己比地球上的兄弟老得更慢,虽然在刚开始追时自己比兄弟大,但要追上那位兄弟,需要漫长的年月,在这期间,因为自己的时间慢太多了,以至于虽然兄弟的时间也慢,但到追上时,兄弟还是比自己老了.
且慢,如果飞船上这位在返回时仍以自己的飞船当惯性系,又会怎样呢?这就会导致他从一个惯性系进入另一个惯性系,不同惯性系中绝对同时无意义,也就是说,他在原来那个惯性系所认为的时间和空间现在都已经变了.假如他进入返回地球的惯性系时对以前的事暂时失忆了,现在只能看到地球在向自己高速飞来,地球上有个跟自己长得很象的看上去比自己还年轻的人,那么如果此时他来研究地球及地球上这个人和他的孪生兄弟,就会发现：很早很早以前在地球上有一对孪生兄弟,因为地球在高速飞行,所以他们长得很慢；在这对孪生兄弟还年轻的时候,有一天,其中一个兄弟乘坐一艘飞船以比地球还快的速度向自己飞来；经过漫长的岁月,地球上那个已经老了,不过因为光的传播需要时间,现在能看到的地球上的那位其实看到的是很久很久以前的影像,在他实际上已经是一位老大爷；地球要不了多久就会到自己面前了；而乘飞船的这位,刚刚到自己身边停下来,因为飞船比地球更快,所以他长得更慢,现在年龄恰好跟自己一样大——这时突然发现到自己身边的这位原来就是自己.
下面再来一个科幻故事,看看高速飞行时,时间是怎么变化的.
2500年,地球人类已经与外星人类一起建造了高速太空列车,列车在多个星球间运行,速度接近光速,这个速度使得时间慢了3/4,只有原来的1/4；列车一般不停,中途上下车采用的方法与20世纪的飞船与太空站对接类似；加速和减速使用了21世纪的人类没有想到的一种新方法,可以在比较短的时间内从0加速到接近光速也能在比较短的时间内从接近光速减速到0；人在太空列车上可以进行某种特殊的工作以获得自己的生活资料和其它费用；那时还发明了一种新的望远镜,可以用来观察相距数百光年星球,甚至能看清楚数百光年外的星球上的人的衣食住行；还发明了一种超时空电话,特点是可以按拨打者的现在的时刻打出去,不需要时间就能直接传到任何位置,接听电话的可能接到来自过去的、现在的或未来的超时空的电话,接听者的回话可以沿收到的信号的路径超时空返回去（注：这个电话有点违背现有理论,不过为了研究时空变化,姑且认为未来可以做到吧）,不过这种电话的成本高得惊人,费用昂贵,所以一般人很少打这种电话,而且因为消耗的问题,每次拨打只能打很短的时间.
列车开通400年后,地球上有孪生兄弟俩,分别叫大双和小双,20岁那天,小双决定坐太空列车去旅游,顺便体会一下相对论.兄弟俩商量好了,每隔一年就给对方打一次电话,小双经过4年也就是大双的16年就往回返.
旅行开始了,大双和小双不时通过望远镜看看对方,看到的对方均跟蜗牛差不多的,慢悠悠的,觉得有些好笑,这不,根据相对论,对方的时间慢了3/4,加上双方在以接近光速高速远去,这会使得本来1秒钟发生的事,对方看到要差不两秒钟,这一来,1秒钟能完成的动作,看起来