直觀理解時間、光速不變、相對論

本文試著用一種直觀的想法,解釋標題上的幾個主題,算是整理從小到大對這些東西的一些思考,自己覺得應該頗講得通,但會不會和一些理論或更深的理論有衝突,我自己就還不確定。

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時間

什麼是「時間」?如何解釋「時間」?如果要給時間下個定義,可能很容易講得很抽象,不好理解。但如果我們回顧人類如何測量時間,從遠古時代的觀察天體(太陽、月亮),到日晷、水鐘、沙漏等等工具,再到現代的鐘錶,以及最準確的原子鐘,所有這些方法是不是都有一個共通的特性?

可以說,人類都是藉由物質或能量的運動和變化來測量時間的,那我們就直觀地把時間的本質,看作是萬物的變化,是不是可行呢?只要有東西在動,就有時間,所有東西(包括微觀的各種粒子)都完全不動的話,自然就沒有時間存在。所以時間和空間不可分割,不能單獨鎖定「時間」或「空間」,單獨鎖定時間表示空間中還有東西能動,能動就還是有時間,單獨鎖定空間表示沒有任何東西能動,那其實也就沒有時間了。(「時空鎖」參考下面這個老高腦洞大開怪力亂神篇)

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光速不變

如果時間是萬物的變動,那這個變動有速度的上限嗎?我們直覺會以為沒有上限,但科學家已經通過實驗證實光速就是上限,實驗做出來的時候,科學家們自己都嚇到了,嚇得許多科學家都相繼做了實驗,還是得到同樣的結論。

實驗結果告訴我們,一個人在高速前進的列車上,向前打開手電筒打出一道光,這道光的速度仍然是每秒 30 萬公里,不管是在列車上的人,或地面上的人觀察,都是如此。地面上不動的人,計時一秒看到光走了 30 萬公里,但列車上的人計時一秒也看到光走了 30 萬公里後,地面上的人看到這道光的位置是在「30 萬公里」加上「列車速度移動的距離」後的位置。兩個人看到的光速一樣,但列車上的一秒光走了更長距離,所以列車上的一秒比地面上的一秒長。

後來愛因斯坦做出了解釋:

狹義相對論

不過愛因斯坦倒不是解釋為何光速不變,因為這是我們宇宙的設定,有人因此腦洞大開說我們的宇宙可能是虛擬的,光速是這個模擬器 CPU 的運算極限。

狹義相對論有個重點是說,時間不是絕對的,而是相對的,速度越快時間就越慢。以我們前面直觀的理解,時間是萬物的變動,而變動速度的極限是光速,那麼人類坐在太空船上以很高的速度飛離地球的時候,因為整個身體跟著太空船高速移動,身上所有細胞和分子的活動速度加上太空船的速度,無法超過光速,就表示太空船速度越快,整個人體的細胞和分子的活動速度越慢(船上的鐘也是因此同樣走得慢了)。

太空船上的人的一年,若是等於地球上十年,在地球上的人看起來,好像船上的人壽命長了十倍。但其實船上那個人,如果在地球上一年能讀一百本書,他在船上一年(地球已過十年)還是只能讀一百本書,因為他整個人都變慢了。

廣義相對論

廣義相對論多考量了重力(引力)的影響,並告訴我們「重力」和「加速度」是等效的,也就是如果我們處在沒有重力的外太空上,但太空船以「重力加速度」的加速度(9.81米/秒²)前進,我們在太空船內可以感受到和地球上一樣的重力(而且無法區分出它是來自加速度或真正的重力)。

重力和速度一樣也會影響時間,重力越大時間越慢,順著我們前面直觀理解的邏輯,可以想像成重力影響下,物質比較不容易自由運動(其實光也同樣會被影響),一部分能動性被抵銷了,所以和處在高速移動下一樣,時間會變慢。

地球上重力強度和與地心的距離平方成反比,科學家做過一個實驗,在飛機上放一個原子鐘,一次往東飛、一次往西飛,飛回來和放在地表上的原子鐘比較。飛機高度距離地心比較遠,重力比較弱,時間會變快,但是向東飛的飛機速度比地表快(雖然地球會自轉,飛機本身也是會被地球自轉帶著轉),所以東飛速度同時會讓飛機的時間變慢。向西飛的飛機速度則比地表慢(地球自轉速度減掉飛機速度),西飛的飛機除了重力弱,也會因為速度比地表慢而時間變快。

科學家的預估值(分為廣義相對論預估、狹義相對論預估、加總),和實驗結果如下圖:

https://en.wikipedia.org/wiki/Hafele%E2%80%93Keating_experiment

結論

最近剛好有個中年男子跟我抬槓,我覺得中年男子有時會有種毛病,好為人師喜歡指教別人,他們不管是否正確理解別人想表達的意思,或者他們自己是否知識有錯誤,就只顧表現自己要指教別人的需要,我也很疑惑這樣就能得到價值嗎?(這個跟我抬槓的中年男子的錯誤是,只看廣義相對論,忽略狹義相對論)

以本文直觀的方式理解,似乎也都能符合科學家做實驗得到的結果,但還能理解到多深的程度,我也不確定,可以作為以後更多的思考練習。

後記

這篇是讀郭業珍的《我們,相伴不相絆》的一個作業,至於有什麼關聯,是書最後有一段講到:

除此之外,我還相信宇宙所有的人、事、物原本都是一體的,我們只是大爆炸之後分出來的而已,我相信我們彼此是相連互通的。當我發出願望的時候,我全然相信我的腦袋、我的身體,還有我與他人的連結會召喚智慧聚集,就像一群來自世界各地的科學家,聚在一起解決我所提出的問題。

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