怎样变年轻?——让我给你讲讲相对论。

最近听了、看了很多讲相对论的科普内容,我感觉很有意思,也很开脑洞,让我来给你讲讲吧。


你知道怎样能变年轻么?

先看下面的照片,左面是一对父女。右侧那个模糊的影子,还是左面这个父亲,他面对的是他的母亲么?不,实际上也是他的女儿。原本年轻的女儿已经变的非常老了,但父亲却依然保持年轻。这是因为有什么神药么?不是的,这是相对论的效应。对,就是大科学家爱因斯坦说的那个相对论。

电影《星际穿越》截图.png

图片是电影《星际穿越》里的情节,这是一个很严谨的科幻电影,其中的很多情节,都符合实际情况。电影里讲,父亲和女儿洒泪分别,去探索宇宙,为人类寻找新的生存空间去了。若干年后再回来,女儿已经老的快不行了,父亲却依然是个健壮的中年人。

相对论是怎么说的?

来来来,让我强行给你科普一下相对论。

相对论是说:一个物体,比如说就是你这个人,在时间和三维空间中的速度加起来,是永恒不变的光速。

也就是说:V(你的运动速度)+T(你的时间速度)=C(光速)

光速不变原理.png

我来解释一下这个图,黑线以上是你当前的情况,运动速度很小。黑线以下,是你坐上了一艘宇宙飞船,在宇宙中飞行,你的运动速度变快了,随着运动速度的增加(上图左侧变大),你的时间速度会变得越来越小,也就是你的时间变慢了。要是足够快,最后时间可以慢到了停止的地步。

当然了,我们人类目前还没有发明出这么快速的飞船。在实际情况中是什么情况呢!经过计算。你坐上飞机,飞机的速度大概是300米/秒,你坐飞机飞了100年以后下来,可以年轻26.3分钟。这效果也太差了,基本看不出来是吧。好的,你一狠心坐上登月飞船,登月飞船的速度是10.5公里/秒,你在登月飞船上飞了100年下来后,可以年轻22.4天。

需要注意的是,你的时间是变慢了,但是对于你自己的感受来说,你一秒钟也不会多,一秒钟也不会少。只是在没有飞行的人看来,你的动作、新陈代谢都变慢了。假设你的宇宙飞船很厉害,能接近光速飞行,那么,在我们看来,你就像在做慢动作。你飞的越快,动作越慢。所以,很遗憾,相对论无法让你长寿,你只是和我们产生了时间流逝速度上的差别。这个现象在相对论中叫做“钟慢效应”。


空间能变小?

哆啦A梦有一把放大缩小光线枪,对着你一打,你就变小了,房间地面变成了足球场,可以欢快的玩耍。相对论告诉我们,你运行速度快了,不光时间会变慢,你所处的空间也会收缩。这就叫“尺缩效应”。

具体能缩多少呢?一辆每小时300公里的高铁火车从你身边开过,它的长度会收缩0.0000000000001米(13个零)。这是多少呢?差不多就是一根针尖的千万分之一长度,人类到目前为止还不能测量这样的长度变化。想象一下,如果你能坐上一艘速度为光速的0.9999倍的宇宙飞船,那收缩效应就可观了,你地面上的亲人将看到“压缩”了224倍的你和飞船,他们看到你和飞船都变成一个很扁很扁的玩具模型了。

这种“钟慢尺缩”,都是指相对的效应。飞船高速飞起来后,你的钟和尺子在你看来和飞之前并没有变化。而在地面上的我们看来,飞船“压缩”成了玩具模型,而你在做着“慢动作”。

看到这,你肯定会想,我也坐不上飞船,也不可能每天坐飞机,想靠高速运动变年轻,看来是不可能了!别急,还有一种方法,不用你怎么费劲就能变年轻。


引力能让我们年轻?

我们都知道,是地球的引力,让我们不会“掉”到太空里。广义相对论认为:引力实质上是时空的弯曲,根本没有什么力的存在。有质量的物体会引起时空弯曲。在这样弯曲的时空中,同样会出现“钟慢尺短”的情况。也就是说,你被地球强大的引力拉着,时间变慢了

地球质量引起时空弯曲.png

天上的卫星,距离地球比较远,受到的引力也小,所以卫星上的时钟要比地面上的时钟走得快一点。经过计算,每天要快38微秒。也就是说,你在地面上待着,就会比天上飞着的宇宙人,时间过的慢,会更年轻一些。

看到这里,你会想,在地球上待着,比宇宙人年轻那么一点,也没什么实际意义么!要想真正像电影《星际穿越》中演的那样,年轻上好几年,甚至好几十年。应该怎么做呢?

我们回到电影中的情节,宇航员在太空探索时,一支小队去那个充满水的星球探索,因为那个水球旁边有个黑洞,引力非常大,所以探险小队的1小时,等于母舰上的7年。等小队返回母舰,那位黑人兄弟已经等了20多年了。

探险队员惊讶的看着老去的母舰上的黑人同事.png

总结一下年轻的方法

看到这里有必要总计一下,你有两种方法,让自己的时间过的慢一些,也就是你比别人能年轻一些。方法一:高速运动,要高到能和光速有一拼。这个实际上还是比较难实现的,因为高速运动还会引起动质量加大,会增加燃料消耗,几乎不可能实现,这是另一个话题,我不深入说了;方法二:坐上飞船去大质量天体附近转一圈,最好是黑洞附近。这个若干年后说不定是可以实现的,就看咱们航天技术的发展了。所以还请耐心等待一下吧。

如果你觉得貌似搞懂相对论了,那么我们来回答一个相对论中的著名问题“双生子佯谬”。问题是这样的:有一对双生兄弟,哥哥上了一艘宇宙飞船作接近光速的太空旅行,而弟弟则留在地球。当哥哥返回地球时,他俩谁更年轻一些呢?

问题的答案是这样的:只要哥哥还在匀速飞行,这兄弟两个都很欣慰,都知道对方跟自己相比是越来越年轻了(狭义相对论效应),但是一旦哥哥想返回地球,在返回掉头的过程里,飞船要减速、掉头、再加速、再减速。这样,根据广义相对论(广义相对论中认为,加速度和引力一样会导致时间变慢),飞船上的时间变慢了,弟弟相对哥哥而言开始迅速地老去。当俩人见面时,地球上的弟弟看着明显比哥哥老了很多。


最后罗列一些知识点

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert.Einstein,1879年3月14日—1955年4月18日,享年76岁,出生于德国,毕业于苏黎世大学,犹太裔物理学家。)

爱因斯坦在1905年提出了“狭义相对论”(Special Relativity),1915年提出了“广义相对论”(General Relativity)。英文直译过来是“特殊相对论”和“一般相对论”,这个“特殊”是指在惯性系这个特殊情况下中研究时间、空间、运动这三者的关系。后来又加入了一个重要的研究对象——引力!成为了广义相对论。
其实爱因斯坦不喜欢别人把他的理论叫做“相对论”,他自己觉得他的这个理论应该叫作“不变论”。

爱因斯坦并没有参与原子弹制造,质能公式(E=MC^2)也不是造原子弹的理论。即便没有质能公式,原子弹也一样能造出来,只不过原因仍然会很神秘。
质能公式证明,能量和质量是一码事。

相对性原理:在匀速直线运动和静止状态下(惯性系中),所有物理规律保持不变。

光速不变原理:在真空中光的传播速度恒定不变。

时间和空间是相对的,观察者状态不同,他们自己的时间和空间尺度也不同。

等效原理:加速度就是引力,引力就是加速度,它们在物理性质上是完全等价的,这个称之为等效原理。等效原理是广义相对论的基石。

大量的物质可以使空间弯曲:物质决定空间如何弯曲,空间决定物质如何运动。

广义相对论四个预言:时空弯曲(光线在引力作用下会发生弯曲)、黑洞(引力特别大,时空弯曲的厉害,光都逃不出去)、宇宙膨胀(引力红移)、引力波(空间变化会像波浪一样传播)。


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